钟方媛,毛 群

(1.中国民用航空飞行学院 航空工程学院,四川 广汉 618307;2.阿坝师范学院 电子信息与自动化学院,四川 汶川 623002)

0 引言

我们目前的生活处处都需要电源供电,不论是在国防军事领域,还是普通民众的日常生活用品领域,都离不开电源供电。当前,开关电源的研究在集成电路产业中呈现出快速发展的趋势。而开关电源芯片属于基础性部件,电源产品的质量直接或间接地决定了它所在系统的稳定性、可靠性。因此,设计一款高性能、高频率的电源芯片有其特殊的意义[1-3]。

振荡器是开关电源芯片中的重要组成部分,振荡器的性能对电源芯片有直接的影响。这就要求振荡器产生的频率不随电源电压和温度的变化而变化[4-6]。针对这些要求,本文采用RC恒流源充放电结构,设计了一款性能较好的振荡器电路。

1 振荡器的基本工作原理

振荡器电路基本工作原理如图1所示,该电路主要由电流源I,充放电电容C,RS触发器,电压比较器COMP以及开关K组成。

图1 振荡器工作原理

工作原理如下:当输出sq=0时,开关K处于关断状态,电流I对电容C进行充电,电容电压VC开始增加,当增加到VC大于VREF时,比较器COMP输出高电平,RS触发器置“0”,sq变为高电平,开关K处于闭合状态,电容开始放电；当电容上极板电压VC下降到0时,RS触发器置“1”,sq变为低电平,开关K再次处于关断状态,振荡器进入下一个工作周期。

2 电路设计

本文设计的振荡器电路如图2所示,图中Is为恒流源,COMP为误差比较器,VREF为0.8 V的基准电压。OSC_OUT端输出方波信号,jc_OUT端输出锯齿波信号。

图2 振荡器具体电路

图2振荡器具体电路中PMOS管M1与M2构成电流镜,Is为恒流源,即M2漏电流I2可表示为:

其中,(W/L)2(W/L)1分别表示晶体管M2与M1的宽长比。

同理,晶体管M3与M7构成电流镜,可得M7的漏电流I7为:

式中,(W/L)7表示晶体管M7的宽长比。

电路中M6的漏电流为电容C2提供充电电流I6,表示为:

本文所设计的比较器为典型的2级放大结构,由两级运放构成,电路具体结构如图3所示。其中,M11～M15组成第一级放大器,M16～M17组成第二级放大器,完成高增益。

图3 电压比较器电路

该比较器工作在开环状态,因此不需要考虑其闭环工作的稳定状态。比较器的具体工作原理如下:当输入信号Vn＞Vp时,2级运放比较器Vo输出低电平；当输入信号Vn＜Vp时,2级运放比较器Vo输出高电平。

通过图4可以更加清晰地看出本文使用的比较器工作原理。图4是在Cadence软件下,利用specture工具,所仿真的比较器电路的瞬时仿真波形图,其中Vn端输入三角波,Vp端输入1.8 V的直流电压。当输入信号Vn＞Vp时,V0端输出低电平；当输入信号Vn＜Vp时,V0端输出高电平。

图4 比较器的瞬时仿真波形

RS触发器电路如图5所示。电路由两个或非门和一个非门所构成。本文所设计的RS触发器的具体工作原理如下:

图5 RS触发器电路

当R=1,S=0时,CLK=0,!CLK=1；当R=0,S=1时,CLK=1,CLK!=0；当R=0,S=0时,CLK=1,CLK!=0；保持前一状态。R=1,S=1时,输出均为高电平,这是本文不希望出现的状态。

3 振荡器频率

假设电容C2的充电时间为Tr,放电时间Tf,方波信号OSC_OUT的振荡周期为:T=Tr+Tf。由图2的电路结构可以分别表示出充电时间和放电时间:

上式中I6为充电电流,I9为M9的饱和漏电流。MOS管饱和漏电流的公式为:

由(5)(6)(7)3个式子可知通过调整M5和M6的宽长比,可以得到充电时间远大于放电时间,放电时间可忽略不计,此时周期T可表示为:

则振荡器的频率为:

综上可知,在整个工作周期中,放电时间极短,可以忽略不计。锯齿波输出信号jc_out的下降沿几乎垂直。可通过调整电容C2及M5与M6的宽长比,来获得预期的锯齿波信号jc_out和方波信号OSC_out。

4 仿真结果与分析

本文采用0.18 μm COMS工艺,在Cadence软件下,利用specture电路仿真工具,对电路进行仿真。

前文已经推导出频率的变化与电容C2及M5与M6的宽长比有关,在这里,M5与M6的宽长比设为定值,改变电容大小。此时,在电源电压3.3 V,温度27 ℃的典型环境下仿真,仿真结果如表1电容C2变化对频率的影响,当电容C2=30 pF时,方波信号的频率f=672.4 kHz；当电容C2=30 pF时,频率f=559.4 kHz；当电容C2=30 pF时,频率f=489.7 kHz。分析表1中的数据,当电容C2的容值增大时,输出方波信号的频率会随之减小。

表1 电容C2变化对频率的影响

图6 C2=30 pF 瞬态变化(电压3.3 V,温度27 ℃)

如表2,在电源电压3.3 V,C2=30 pF的仿真条件下,改变环境温度,得到温度随频率的变化。如表2所示,可知当温度从-20 ℃到120 ℃变化时,输出信号的频率逐渐减小。此时振荡器的中心频率为672.4 kHz,频率偏移率为3.8%。仿真结果表明,该振荡器受温度影响较小,且性能良好[7]。

根据仿真验真,本文相较于范建功等[3]的研究,中心频率更高,温度范围更广；相较于贾孜国等[5]的研究温度范围更广,频率偏移率更小。

5 结语

本文设计了一种适用于DC-DC开关电源芯片的锯齿波振荡器电路。电路采用了恒流源技术,有效降低了频率偏移率。仿真结果表明,该振荡器电路结构简单,工作稳定,精度高,受温度影响较小,该电路各项性能均符合DC-DC开关电源芯片设计指标,频率偏移率仅为3.8%,满足设计要求。