开关电源的高性能电压型PWM比较器设计

引言

　　随着科学技术的迅猛发展，电器设备日新月异，趋向小型化、低功耗、高效率，使开关电源需求日益增大，对电源的要求越来越高。

　　开关电源采用功率半导体器件作为开关，通过PWM控制开关的占空比来调整输出电压。根据定频控制方式分为电压型和电流型PWM控制，由于电压型PWM控制方式具有结构简单、易于实现等优点被广泛应用。图1所示是电压控制型开关电源的原理图，其中虚框部分是控制芯片内部结构。

 

图1 电压控制模式开关电源工作原理图

　　从图中可以看出，控制芯片有一个采用PWM调制法的电压闭环反馈，将电压误差放大器放大后的直流信号与恒定频率的三角斜波进行比较。根据脉宽度冲调制原理，得到需要的一定占空比脉冲宽度，推动开关功率管的开与关，经变压器耦合后得到恒定的输出电压。控制芯片的核心电路是PWM比较器，脉冲宽度调制信号就是由PWM比较器产生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。文中设计并实现了一种新型高性能的开关电源电压型PWM比较器，具有较低输入失调电压、转换速率快、较低功耗和波形更陡。

　　图2是电压型PWM比较器工作波形，输入三角波接在比较器的反向输入端，误差放大器的输出信号送至比较器同相输入端，经放大后输出PWM信号。

 

图2 PWM工作波形图

　　PWM比较器电路设计

　　设计的PWM比较器电路原理图如图3所示。集成电路对比较器的性能要求是从响应速度、输入失调电压、功耗和面积几个方面来考虑的。

 

图3 PWM比较器电路图

　　电路中VC为控制信号，是比较器的同相输入端; VOS为振荡器产生的锯齿波信号，是比较器的反相输入端;Vb作为电路中的偏置信号，提供差分对管的偏置和有源负载;最后经过反相器输出脉冲宽度调制信号V0。图3中三个电容是为计算延迟时间画出的等效电容。

　　该电路用两个尺寸完全一致的具有低驱动电流能力的PMOS管作为差分输入管，它们分别控制两个NMOS管M9和M10，当VC电压值较低时，M10的栅电压较高，M9则处于临界导通状态，所以V0输出高电平。图中M8是为了防止M9栅电压过高时电流过大所设置的。该电路是双端输入转单端输出的放大电路，经差分放大后输出的微弱信号，由于信号弱，输出电压摆幅小，加入了共源共栅放大电路，末级反相器是为了增加电路的负载能力。

　　系统输入失调电压

　　电路的输入失调电压是元器件参数值的不相同造成的，其中主要是两个输入管阈值电压、导通电阻等区别产生的。为了减小工艺误差对电路性能的影响，两个输入PMOS管的面积需要做得很大，来补偿掺杂浓度、沟道调制效应、氧化层电荷密度等因素起伏的影响，本电路中采用输入PMOS管的宽长比为300mm/6mm。

　　对系统输入失调电压的推导，假设电路完全平衡，即Vp的输入能以和Vn输入相同的方式传送到输出端。所以，M6、M7管完全匹配，M9、M10流过M5的电流被平分流过M6、M7。即：

　　从上面公式可见，在工艺参数一定的情况下，增益和失调电压成反比，这就要求从几个方面综合考虑。相比之下，90倍的增益就已经满足需要了。为了减小输入失调电压，可以缩小M6的宽长比。

　　经仔细调整各个MOS管的宽长比，综合仿真检测，系统失调电压仅为0.118mV。