（微电子学与固体电子学专业论文）开关电源中限流比较器的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着集成电路技术的不断发展，便携式电子产品已经在人们的生活中越 来越普及。在开发便携式产品时，电池的寿命问题是人们最为关注的话题， 因此，开关电源的研究也就相应成为了i c 领域内最为热门的课题。效率是开 关电源系统中最重要的特性之一，而取得高效率的前提是对开关管导通关断 的时间的精确控制，因此j 对于检测峰值电压或峰值电流的比较器模块的要 求也变得越来越高。作为用于开关电源的比较器，它一定要同时具有高增益 和适当的带宽以及小的失调电压，并需要在低功耗的情况下具有较短的响应 时间。所以设计此类电压比较器的关键在于对所有参数的折衷。本文就是针 对此类比较器进行了分析和设计。 本文在第二章中从理论上分析了构成比较器的各单元电路的工作原理， 详细理出了适用于开关电源芯片之中的比较器的设计思路，并列举了几种现 有的比较器结构，简要的分析了它们的优缺点。 在第三章里，我们运用已有模拟电路知识，设计出了一个适用于开关电 源系统的限流比较器。偏置模块采用负反馈结构获得更稳定的直流偏置。比 较器模块由三部分构成：射极耦合差分对构成的输入级；由折叠共源共栅放 大器构成的中间级和一个具有有源负载反相器结构的输出级。 在论文的第四章中我们对本文所设计的比较器的各项指标进行了详细的 仿真。通过在0 6 u mb i c m o s7 - 艺和3 6 v 电源电压的条件下采用h s p i c e 软件 模拟，仿真结果表明本文比较器的各项指标都达到了预期的要求，其中增益 1 0 4 0 8 d b ，带宽7 1 0 5 k h z ，失调电压0 5 m v ，上升延时2 1 7 n s ，下降延时4 5 9 n s ， 静态功耗7 6 u w o 然后通过与其它已有比较器参数性能进行比较，得出了本次 设计比较器模块的优点以及不足。 最后，在结论中我们指出了本次设计的意义和不足以及需要改进和完善 的工作。 关键词：开关电源限流比较器增益失调电压延时静态功耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e d c i r c u i t ，p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t sb e c o m em o r ep o p u l a ri np e o p l e s 1 i f e t h ep r o b l e mo fb a t t e r y s1 i r ei st h em o s ti m p o r t a n tt o p i ci n e x p l o i t a t i o no fp o r t a b l ep r o d u c t s s o ，t h er e s e a r c ho fs w i t c h i n gp o w e r b e c o m e st h em o s th o ts u b j e c ti ni ca r e a s e f f i c i e n c yi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c si ns w i t c h i n gp o w e rs y s t e m t h ep r e m i s eo f g e t t i n gh i g h e f f i c i e n c yi st h ea c c u r a t ec o n t r o lt ot h eo n 。t i m ea n d o f f t i m eo ft h es w i t c h s o ，t h ed e m a n dt ot h ec o m p a r a t o rb l o c kf o rp e a k d e t e c t o ri n s w i t c h i n gp o w e rs y s t e mb e c o m e s m o r ea n dm o r e a sa c o m p a r a t o ru s i n gi ns w i t c h i n gp o w e r ，i tm u s th a v eh i g hg a i n ，s u i t a b l e b a n d w i d t ha n ds m a l lo f f s e tv o l t a g e a tt h es a m et i m e ，i tm u s th a v ea l o wp o w e rd i s s i p a t i o na n das h o r tr e s p o n s et i m e s o ；t h ek e y o f d e s i g n i n gt h i sk i n do fc o m p a r a t o ri sk e e p i n gat r a d e o f fa m o n ga l l p a r a m e t e r so fi t i no u rp a p e r ，w ea n a l y s ea n dd e s i g nt ot h i sk i n do f c o m p a r a t o r i n t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e r ，w ea n a l y s i st h ep r i n c i p l eo f t h e s ec i r c u i t sw h i c hm a k i n go fc o m p a r a t o r ，a n ds t a t ei nd e t a i lt h ew a y f o rd e s i g n i n gt h ec o m p a r a t o rw h i c hi su s i n gf o rs w i t c h i n gp o w e rc h i p s w ea l s oe n u m e r a t es o m ek i n d so f c o m p a r a t o r a n d a n a l y s i s t h e i r a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s i nt h e3 r dc h a p t e r ，w ed e s i g nac o m p a r a t o rw h i c hi su s i n gs w i t c h i n g p o w e rs y s t e m t h i sd e s i g nu s e sab i a ss t a g ew it ht h e s t r u c t u r eo f n e g a t i v ef e e d b a c kt og e tm o r es t a b l ed cb i a sv o l t a g e s t h ec o m p a r a t o r isf o r m e db y3s t a g e s ：i n p u ts t a g e ，ae m it t e rc o u p l e dd if f e r e n ti a lp a i r ： m i d d l es t a g e ，af o l d e dc a s c o d ea m p l i f i e ra n do u t p u ts t a g eb ec o n s i s t e d b yaa c t i r el o a di n v e r t e r 一： i nt h ef o u r t hc h a p t e ro fo u rp a p e r ，w eg i v et h es i m u l a t i o nr e s u l t i nd e t a i l t h r o u g ht h ea n a l o g o u sr e p o r tw h i c hi s g o tb yh s p i c ew h i t a0 6 u mb i c m o s t e c h n 0 1 0 9 i e s a n d3 6 v p o w e rs u p p l y ，w e k n o wt h e c o m p a r a t o rh a sr e a c h e do u ra i m w eh a sg o tar e s u l tt h a tt h eg a i nis 1 0 4 0 8 d b ，t h eb a n d w i d t hi s7 1 0 5 k h z ，t h eo f f s e tv o l t a g ei s0 5 m v ，t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 a r i s er e s p o n s et i m ei s2 1 7 n s ，t h ed o w nr e s p o n s et i m ei s4 5 9 n sa n d t h e p o w e rd i s s i p a t i o n i s7 6 u w t h e nw eg e tt h ea d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g so fo u rc o m p a r a t o rb yc o m p a r e dw i t ho t h e rc o m p a r a t o r s l a s t ，i nc o n c l u s i o nw ep o i n to u tt h em e a n i n ga n ds h o r t a g e so ft h is d e s i g na n ds o m ew o r k sn e e d i n gt od o i nf u t u r e k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e r l i m i t c u r r e n tc o m p a r a t o r g a i n o f f s e t v o l t a g er e s p o n s et i m eq u i e s c e n tp o w e rd i s s i p a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：窟元震 日期：0 8 tg 指导老师签名：捡溉 日期：妒男鳓f 西南交通大学学位论文创新性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文比较器采用负反馈结构将外部单一偏置电压转化成内部多个更加稳定 的偏置输入，使用三级电路结构作为比较器的框架以优化其性能：利用三极管 差分对管作为输入级减小延时，在中间级使用折叠共源共栅放大器以提高比较 器的增益，最后使用有源负载反相器作为本文比较器的输出级。以上的各个结 构都通过仿真验证了其有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 随着集成电路工艺的迅速发展，便携式电子产品的研究取得了前所未有 的突破。在便携式电子产品中，需要有高效的电源管理。随着手机、p d a 、 数码相机和m p 3 等以电池供电的便携式设备中彩屏、j a v a 游戏、内置c m o s 镜头、g p s 等功能的日益多样化，电源管理已经成为越来越重要的设计挑战。 目前在便携式产品中常用的电源管理芯片由低压差稳压器( l d o ) 、基于电感 器储能的d c d c 转换器( 升压、降压、升压降压) 、基于电容器储能的电荷 泵、电池充电管理芯片和保护芯片等【i 】。 当今，电子产品己普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比愈来愈 高，功能愈来愈强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。通信与网 络、计算机与消费电子、工业与汽车电子等诸多产品领域的需求增长带动了 电源管理市场的强劲增长。据i u s p p l i 公司最新的报告预计，除射频晶体管外， 2 0 0 3 年的电源管理市场将达到1 4 9 亿美元，与2 0 0 2 年的1 3 5 亿美元相比增加 了1 0 - 3 。电源及电源管理i c 的某些应用市场预计在未来5 年内将以1 6 1 9 的速度增长。电脑和电信，预计将呈现长期增长电源电路的性能良好与否 直接影响着整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。作为电子产品中必不可 少的器件之，电源管理器件与整个电子工业的发展休戚相关【2 】。 先进高效的电源管理技术能解决便携式产品越来越复杂的功能而影响电 池的操作和待机时间的矛盾1 3 。这在数字蜂窝电话中表现得尤为突出。在过去 几年中，手机的使用己经风靡全世界，正在成为人们普遍使用的语音通信工 具。在2 0 0 3 年，手机的销售量己超过五亿部。不仅如此，为了吸引更多的消 费者，手机厂商和服务运营商不断推出彩显、数字照相机、m p 3 播放机、p d a 等各种新的手机功能和诸如下载多和弦铃声、多媒体短信、数据等各项服务。 随着手机朝着多功能化和“智能化，的方向发展，对电源管理也提出了更大 的挑战，成为推动电源管理产品发展的主要因素 4 1 。 在电源管理产品中，开关电源芯片是目前最炙手可热的产品之一，开关 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电源具有效率高，功耗低等显著特点，作为便携式产品的电池比其他结构具 有不可超越的优势。所以，对于开关电源芯片的研究成为了目前i c 行业内的 研究热点。而在开关电源芯片中，控制开关适时地导通和关断的关键在于限 流比较器的性能优良与否。设计一个高效开关电源芯片的前提是设计一个符 合要求的限流比较器。本次设计的目的便是为开关电源芯片提供一个性能优 良的限流比较器。 1 2 本文研究背景 电源及电源管理i c 市场在过去几年中经历了高速增长，它从过去的不太 复杂的电子电路变为今日的具有较强功能的功能模块。电压稳定的方式，由 传统的线性稳定发展到今天的非线性稳定，电源电路也由简单变得复杂，电 源技术正从过去依附其他电子设备的状态，逐渐演变成为一个独立学科分支。 现经过一系列的产业整合与收购，在2 0 0 0 年底全行业销售收入超过5 1 亿美 元，年平均复合增长率高达3 5 。受2 0 0 1 年大环境的影响，增长率出现了下 降，但依然获得了5 的增长，达到5 5 亿美元 2 】。 从上述数据分析我们得知，电源管理芯片的研究正处于迅速发展的阶段。 m a x i m 公司的t i 公司已连续推出数款开关电源芯片，随着研究的深入，开 关电源芯片在电源管理i c 市场中的份额也越来越重，研究高效开关电源芯片 是极有意义和极具挑战的一项任务。作为芯片中的核心电路模块，限流比较 器对于提高开关电源效率具有重要作用。因此，开展本课题的研究具有重要 的意义。 1 3 选题意义。 随着电源管理器件的普及，开关电源芯片成为了i c 业内最为关注的研究 焦点。开关电源的效率是电源待电时间长短的决定因素，所以如何提高开关 电源效率是研究中的重要问题之一。效率问题即是能量转换能力，需要研究 的是如何在最合适的时间点进行开关管的导通关断动作。 开关电源控制模式分为两种：电压控制模式和电流控制模式。电压模式 是将输出电压进行采样，将采样电压反馈到一电压比较器，与预设的基准电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 压进行比较，比较结果以二进制形式输入到控制模块控制开关管的导通和关 断；电流控制模式则是采样电感电流，通常将采样电流转换为电压作为比较 器输入生成控制信号( 也可用电流比较器直接比较采样电感电流) 。在上述两 种模式下，虽然采样的方式各不相同，但是都需要一比较器与预设值进行比 较生成控制信号，如果比较器的延时过长，或者失调电压过高，增益过低， 都有可能造成不能在理想的采样点控制开关管的关断或导通，轻则导致效率 降低，重则有可能烧毁开关管。所以，比较器性能良好与否，将直接决定开 关电源的工作正常与否。设计一个实用的、效率高的开关电源芯片的前提之 一便是设计出一个性能优良的比较器。 从以上可以看出，设计和研究一个适用于开关电源的比较器对于电源管 理芯片乃至于对便携式产品的研究具有重要的意义。 1 4 电压比较器的研究现状 比较器是模拟电路中经常用到的另一个基本单元。其作用是比较两个模 拟信号的值并给出二进制的结果。衡量比较器性能的指标一般有共模输入范 围、最小差模输入( 也就是增益) 、传输时延、摆率、单位增益带宽等等。 按照结构的不同，常见的比较器可以分为以下几种： 第一，标准两级比较器。这一类比较器采用差分放大级加输出级结构。是最 基本的比较器结构，通过调整差分放大级负载的结构和输出级的结构， 可以满足各种不同的性能要求。但是这种结构有很多不足。由于结构 本身的限制，要在摆率、传输时延等性能之间折衷，只能应用在对速 度等要求不高的环境中。目前对于标准两级比较器的研究已经很成熟， 新的研究成果并不多见。但是它是构成其他比较器的基本单元，很多 改进都是针对具体的应用条件的。影响这类比较其性能的主要因素是 输入失调电压。 第二，开关电容比较器。开关电容比较器是由组合开关电容和开环比较器构 成。它的优点是差分信号可以用单端电路进行比较，而且可以对开环 比较器直流失调电压自动校零。这种结构在一定程度上解决了开环比 较器直流失调电压的问题，但是也引入了新的问题，那就是时钟馈通 问题。 第三，可再生比较器。可再生比较器又被称为锁存器或者双稳态电路。它使 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用正反馈来实现两个信号的比较。这种比较器结构简单，版图面积小， 适合大规模集成，一般应用在s r a m 等存储器中。但是这种比较器需 。要高速时钟作为控制信号，限制了它的应用范围。 第四，高速比较器。高速比较器是目前研究的最多的一类比较器o 这种比较 器在模数数模转换器中有着广泛的应用。高速比较器一般采用多级结 构，前面介绍的几种比较器都可以作为高速比较器的一部分，但是需 要调整性能参数。高速比较器最重要的目的就是降低传输时延，因此， 这种结构通过多级级联来实现高增益，通过降低每一级的增益来实现 高带宽。一 对于比较器的研究，目前最主要集中在两个方面，一个是降低失调电压 的方法，另一个是高速比较器。m a r ch c o h e n 、p a m e l aa 等提出了一种可编 程的浮栅结构，利用浮栅p f e t 作为电荷存储单元，设计出一种可消除失调电 压的非易失性电压比较器。李彦旭等利用锗硅b i c m o s 技术，设计出了失调 电压为1 0l iv ，频率为1 0 m h z 的高速比较器。还有一种所谓后台校准技术， 在不影响a d c 采样的情况下，通过比较器的二进制输出反馈来较正比较器的 失调电压。郜小茹，吴晓波等人利用两个宽长比不相等的m o s 管作为输入对 管，人为地放大直流失调电压，设计出一种具有极低的跳变电压的比较器， 提出了种新颖的设计思路【5 】。 对于适用于开关电源的比较器的研究，并不是集中在哪一个特性上面， 而是对所有参数的折衷。现在主要将研究专注于延时特性和静态功耗特性上 面，因为比较器的增益很容易达到很高，一般的失调电压也比较低，如何在 高增益条件下取得低延时和低功耗是研究中的重中之重，也是每个研究者最 想达到的目标。 1 5 本论文的主要工作 本文在对组成比较器的各个子电路结构进行研究和分析后，提出一种自 己设计的适用于开关电源的比较器结构，采用0 6 u m c m o s 工艺在h s p i c e 仿真 软件环境下进行模拟，并与已有比较器性能进行比较，结果表明该比较器电 路完全适合于作开关电源系统中的限流比较器，各项性能指标完全符合要求。 本次研究课题的主要工作如下： 1 详细分析组成比较器的各个子模块电路的原理( 输入差分比较器，中 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 3 间增益级，偏置电路，输出级等) 。 列出几种已有比较器结构，并对其原理进行简单分析。 提出本次论文设计的适用于开关电源系统的比较器电路。我们使用三 级结构作为比较器的框架，采用负反馈结构将外部单_ 偏置电压转化 成内部多个更加稳定的偏置输入，利用三极管差分对管作为输入级减 小延时，在中间级使用折叠共源共栅放大器以提高比较器的增益，最 后用有源负载反相器作为本文比较器的输出级。 对本次论文所设计比较器在h s p i c e 仿真软件环境下使用0 6 u m c m o s 工 艺进行模拟，得到增益1 0 4 0 8 d b ，带宽7 1 0 5 k h z ，失调电压0 5 m v ， 上升延时2 1 7 n s ；下降延时4 5 9 n s 的仿真结果，并和其它比较器性能 参数进行比较，证实本次设计成果符合设计要求，满足成为开关电源 系统中限流比较器的条件，并找出不足之处。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章比较器电路设计原理 2 1 差分式放大电路 差分式放大电路就其功能来说，是放大两个输入信号之差。由于它在电 路和性能方面有许多优点，因而成为集成运放和比较器的主要组成单元。 2 1 1m o s f e t 差分放大电路 vdu v - r vdd 图2 1 差分放大器 c m o s 差分放大器一般用作比较器的输入级。图2 1 是一个基本的c m o s 差分放大器。m 1 和m 2 是差分放大器的输入m o s f e t ，电阻r 1 和r 2 作为 负载电阻，m 3 为差分放大器提供尾电流，v l , d 为电源电压。 2 1 1 1 定性分析 一般说来，差分放大器的左右两边是对称的，所以我们假设上图中 r 。= r ：= r d ，m 1 管和m 2 管具有相同的宽长比。首先研究此结构的共模范 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 围。假设差分放大器的输入共模电平为v 0 ( 此时两个输入信号相同，即 = v n ：= v m ) ，且我们需要假设差分放大器的所有管子都必须工作在饱和 区，因为只有所有管子都工作在饱和区，所求得的差分增益才是最大的j 所 以对于m 3 管，v p v b v m ，而v p = 一v g m ( 由于。= ：= ，所 以v g s l = v 2 ) 。所以可得输入共模电平v k 的下限为：v o s l + v b + v v a ； 对于m 1 ，m 2 管，v c 岍l = v ( 岍2 v - v n i ，所以v 基的上限为： m i n v o l r r l + v n i ，v d d 】( 因为v o l r r l = v d d - r d i 豁，其中i s s 为m 3 提供的尾 电流，如果v c 岍+ v 阳 v d d ，由于系统中的最高电压为电源电压v o d ，所以 的上限取v n n ，否则取v & 丌，+ v 蠢) 。通过上述分析，我们得出差分放大器的 共模输入电平范围为：v g s l + v b + v 阿r a i n v 赫l + v n i ，v d d 】由于 v o l r r 。兰v d 二- a ；x 豁，且尾电流源受输入电压v 忒控制，通过上式我们可以看出， v 0 l r r ，的取值最高v d d ( 当输入电压与v p 之差小于v 蠢时，m 1 和m 2 关断， v c 岍。= v ( 岍：= v d d ) ，最低受v 0 和偏置电压v b 控制。所以在偏置电压v b 固 定的情况之下，越高，尾电流越大，v 0 m 的就越小，但是在假设所有m o s 管都必须饱和的前提之下，不能低于它的下限。 现在考虑。一：的变化对输出信号产生的影响。假设。 ：，由 于尾电流i 。有限，将导致v p ，一v 蠢，所以m 1 管导通，m 2 管截止，尾 电流源m 3 提供的尾电流将全部流入m 1 所在支路，所以此时 v ( 岍：= v d d ，v c 岍。= v d d r d i 鼹。逐渐增大v i n ：，随着l v 玳：逐渐变小，v p 将慢慢减小，当v p 1 ，所以整个反馈系统的闭环增益主要取决于反馈系数， 使得输出y 对增益a 的灵敏度降低，使得输出更加稳定。在设计比较器内部 偏置模块的时候，我们为了保证电流镜镜像的输出信号更加稳定，可以将输 出信号反馈到共源共栅结构的输出端，以保证即使共源共栅结构的输出信号 有少许的波动，输出偏置信号也能通过负反馈将波动减到最小。 综上所述，我们也就得到了比较器内部偏置电路的设计思路：通过共源 共栅结构将外部偏置电压引入，利用一定比例的电流镜结构得到满足内部要 求的内部偏置电压，利用负反馈结构保证生成的内部偏置电压更加稳定可靠。 2 4 比较器中间级 通常，设计比较器的时候，考虑到某些实际应用，比较器需要提供一个 较高的增益。由于比较器的输入级和输出级能提供的增益有限，我们往往需 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 要在输入级和输出级中间增加中间级来提高比较器的增益。但考虑到比较器 的延时特性在任何时候任何实际应用中都是一个不能忽略的重要特性，所以 我们不能在比较器的输入级和输出级中间增加几级来取得高增益，因为级数 越多，级间结点就越多，电流传输速度必然会降低，导致延时增大。具有太 大廷时的比较器是没有实际意义的。所以通常我们只在比较器模块中增加一 个中间级来达到提高增益的作用。可以作为比较器模块中间级( 也可称为增 益级) 的电路结构很多，只要是具有高增益双端输入的电路结构均可。例如， 我们可以采用再增加一级差分放大器作为比较器的中间级。也就是说，设计 比较器中间级的要求是设计一个具有两端输入单端输出的放大器( 假设输出 级是推挽放大器) 。 2 5 比较器特性参数 设计比较器之前，首先必须了解比较器的基本参数特性，在每个不同的 实际应用中，对参数特性的要求都是不同的。例如高速比较器中就要求比较 器具有非常好的延时特性( 当然，其他特性参数不能过差) 。对于开关电源芯 片中的限流比较器，我们需要对每个特性参数进行折衷，即在相对较高增益， 高延时的情况之下，具有较小的失调电压和较低的静态功耗。在开关电源应 用中，比较器的每个参数都不需要具有最好的性能，但每个参数都必须满足 要求，不能过差。下面章节详细介绍了比较器的各种参数，必须了解参数特 性之后，才能有针对性的设计出符合要求的比较器。 2 5 1 增益 图2 - 9 所示为比较器理想传输曲线，这是在增益为无穷大的时候得到，比 较器的增益决定了过渡区间的快慢。电平v o h 和v 0 1 分别表示后续数字电路 要求的高低电平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 卜 v o h v o l 图2 - 9 理想比较器的传输曲线 v o v o h 、 j” 飞 、 ： v i i v i h 迂 图2 - 1 0 有限增益比较器的传输特性曲线 、，、， 图2 1 0 为有限增益比较器的传输曲线，a v = l 。其中v i i 和v i b v m v 诅 是输出分别达到上限和下限所需的输入电压差v i n l v m 2 。这种比较器的输入 电压差被称为比较器的精度。比较器的增益定义了输出能够在两个二进制状 态之间改变所必需的最小的输入变化量，即精度【7 1 。 设计比较器时，我们提高增益的方法之一是在比较器的输入级和输出级 之间增加一级放大器，使得整个比较器的总增益得以提高；同时，对于每一 级的增益，我们知道，差分放大器和推挽放大器( 假设输出级为推挽放大器) 厂面t一 的增益都和g m 有关，而在差分放大器中g m = 2 l 。c 0 x 孚二詈，在推挽放大 ll 厂磊一 器中g 。= 1 7 2 “n c 0 x 旱i d ，上两式中i s s 和i d 均表示每个子模块相应的静态 i l 电流，所以提高增益的另一方法是增大每级的静态电流。但是增大静态电流 的一个缺点是会相应增大整个比较器模块的静态功耗，在实际的开关电源芯 片应用中，要选择折衷的静态电流大小，既增加了增益又使得静态功耗不会 超过预先所规定的标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 5 2 失调电压 v o v o h 7 i v i i ，l v i h n 二 图2 - 1 1 包含输入失调电压的比较器的传输特性曲线 没有失调电压的比较器当输入之差过零时，输出发生变化；如果直到输 入之差达到某个十v o s 时输出才有变化，那么这个差值就被定义为失调电压。 图2 1 1 中表示的即是比较器的输入失调电压，在某些需要精度很高的系统中， 失调电压是一个相当重要的特性【7 】。 如果已设计的比较器模块经过仿真验证后失调电压过高，可以通过改变 两个输入差分对管的对称性，原理是如果失调电压为v o s ，即比较器输出信号 在。一：= v & 时才跳变，那么在：端增加一静态电压v o s ，使得输入之 差为零时，在差分放大器内部相当于输入之差为v o s ，比较器发生跳变。 在开关电源芯片中，限流比较器的失调电压参数相当重要，如果此参数 过高，则会使芯片中开关管的关断时间推迟，导致芯片效率降低，严重会烧 毁芯片开关管，通过上述方法可以降低失调电压。 2 5 3 传输时延 比较器的传输时延即是比较器的响应时间，如图2 1 2 所示。比较器的传 输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使时延较短。输入电平会增 大到一个上限，这里即使输入电平再增大也无法对时延产生影响，这时电压 的变化率被称为摆率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 1 ， 卸1 ： v o 、 i l i 图2 1 2 比较器的传输时延 假设比较器增益可表示为： ” 一 = 五a v ( 0 ) = 筹 ( 2 _ 1 3 ) 其中，a v ( o ) 是比较器直流增益，c o c = 是比较器频率响应单极点( 主 。 c 极点) 的3 d b 频率。通常比较器的a v ( 0 ) 比运算放大器的a v ( 0 ) 小，但比较 器的c o c 比运算放大器的c o c 大。设比较器的最小输入电压差为比较器的精度， 定义比较器的最小输入电压为： u ( 最小) = 鼍挚 ( 2 - 对于一个阶跃输入电压，当以v 0 ( 最小) 加在比较器上时，我们得到： 半- - a v ( o ) 1 - - e - t p t c 最小) - a v ( o ) 1 一k 】避挚( 2 - 1 5 ) 因此，阶跃输入为u ( 最小) 时的传输时延可写为： t p ( 最大) = 乍ci n ( 2 ) = 0 6 9 3 x c ( 2 1 6 ) 一 这一传输时延对于比较器的正向或负向输出均有效。很明显，比较器的输入 越大，传输时延越短。随着比较器输入的增大，比较器最终进入大信号模式。 在大信号模式下，由于电容充放电电流的限制，将出现摆率限制。如果传输 时延由比较器的摆率决定，那么这_ 时延可以写为： t ，= t = 西a v = 1 v o h 两- - v r o l ( 2 - 1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 当传输时延由摆率决定时，减小传输时延的重要手段是增加比较器供出 或吸入电流的能力【7 】。 所以，通过上述分析可以知道，当比较器的输入无法控制时，减小比较 器的传输时延的方法便是增加静态电流，但此方法在实际的开关电源芯片应 用中，同样会受到静态功耗特性的限制，改良此特性的另一方法便是在电流 支路上尽可能减小结点电容，使电容在相同静态电流的条件之下，冲放电时 间变短，从而达到减小比较器传输时延参数的要求。 2 6 几种常见比较器结构 这节我们简单分析已有的两种比较器结构。 2 6 1 两级比较器 两级比较器是比较常见的比较器之一，它通过两级结构提供高增益，并 通过最后一级增大输出的摆幅。如图2 1 3 所示为一简单的两级比较器结构。 图2 - 1 3 两级比较器 上图中，m p l 和m p 2 管是输入差分对管，m p 3 作为尾电流源给比较器第 一级提供尾电流，m n l 和m n 2 管为电流镜负载，将比较器第一级产生的单 端输出信号提供给第二级 m n 3 和m p 4 管构成电流源反相器作为比较器的第 二级增大增益，产生输出信号v c 岍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 假设l v i p l 和l v i p 2 对称，m n l 和m n 2 对称，我们得到整个比较器的增益 为： a v * g m p g m n ( 0 r 0 p ) 2 ( 2 - 1 8 ) 两级比较器是最简单的比较器结构，它能提供的增益不是很大，精度不 够高，如上式所述，但是两级比较器因为其的简单结构，导致延时特性可以 很好，能通过稍微的调节增大静态电流而得到较短的延时；综合各方面特性， 两级比较器还是很难出现在实际应用中，因为较小的增益不能保证比较器的 精度。在实际应用中，比较器的结构还是以三级为主。 f 2 6 2m a x l7 6 5 开关电源芯片中限流比较器结构 图2 1 4 某实际开关电源芯片中p p _ i 模式下的限流比较器 图2 1 4 所示为m a x l 7 6 5 开关电源芯片中p w m 模式下的限流比较器。该电 路使用三级结构，第一级利用三极管q n l 和q n 2 作为差分对管，二极管连接 的三极管q p l 和q p 2 分别与电阻r l 和r 2 串联构成第一级差分放大器的负载， n m o s 管m n l 作为尾电流源为第一级差分放大器提供尾电流；比较器第二级仍 然采用差分放大器结构：将第一级两个输出电压直接作为输入信号，使用0 p 3 和q p 4 作为差分对管，l v i n 2 和m n 3 以二极管连接方式作为负载产生输出信号输 出到第三级，r 3 作为尾电流源为第二级提供静态电流；比较器的第三级采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 m p 2 和删5 管构成反相器结构产生输出信号l i m _ _ o u t ，但第三级的输入信号不 是与第二级输出信号简单直接连接，而是m n 5 管与第二级一输出相连，比较 器第二级另一输出信号通过共源放大器( e n 4 管，m p l 管采用二极管连接作为 负载) 放大后输入到m p 2 管的栅极。c t r l l 和c t r 2 信号是控制此模块导通关 断的控制信号，在此比较器模块工作时，c t r l l 信号连接电源电压，而c t r l 2 信号连接地。 通过观察得到，此比较器采用三级结构，应具有足够的增益，能提供很 高的精度。第一二级差分放大器的输入差分对管均采用三极管而不是m o s 管， 目的是为了减小比较器的延时，因为前面已叙述，三极管的传输速度比m o s 管的传输速度要快。最后一级之所以不将第二级输出电压直接作为第三级输 入信号，是因为肝2 管的栅极信号不能和n 管的栅极信号相同，在同一模块 中，p m o s 管的栅极信号通常要比n m o s 管的栅极信号大，所以第二级输出信号 经过放大之后再接入第三级m p 2 管的栅极，这样才能保证整个比较过程的正 确进行。 ： 此比较器的性能参数将在后面章节与本次设计比较器的性能参数比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第三章开关电源中限流比较器的设计 通过前面章节结合开关电源实际应用对比较器原理的分析，我们已经对 比较器的设计有了初步的认识。本章结合实际应用，设计出了一个用于开关 电源芯片中的限流比较器，并给出了详细的设计图，并对设计思路作出了详 细说明，采用h s p i c e 仿真软件对比较器的各种性能进行了仿真和分析。结果 表明，该比较器能达到开关电源中对于限流比较器的各种要求。 3 1 开关电源中的限流比较器 开关电源的控制方式可分为电压模式控制和电流模式控制两种【8 】。在电压 模式控制中，首先对输出电压进行采样，得到采样电压k v o ，此电压进入限 流电压比较器与参考电压进行比较，如果大于参考电压比较器就将输出限 流信号使开关关断，反之开关继续导通直到k v o 信号大于信号。有时在限 流比较器前增加一个误差放大器，将k v o 信号放大之后再输入比较器模块以 方便比较，这要视实际情况而定。在电流模式控制中，首先是对电感电流进 行采样，有的开关电源芯片将采样信号转换成电压信号使用电压比较器进行 比较，而有的芯片直接生成电流采样信号并使用电流比较器进行比较输出控 制信号。 虽然上述两种开关电源控制方式各不相同，但都需要比较器模块进行比 较操作，所以，限流比较器在开关电源芯片中有着非常重要的作用。它必须 要具有高的增益和低的失调电压，以保证比较的精度，使比较器能在系统要 求的时间点进行跳变形为，同时它必须具有相当短的响应时间，因为响应时 间过长，会导致开关关断的信号延迟，使得开关管必须经过一段时间的延迟 之后才能关断，这就会引起输出电压过大，严重会烧毁开关管而导致芯片不 会正常工作等问题，、以至于该芯片不能应用于实际之中。所以，要使芯片能 正常准确的检测采样信号并及时的反馈到开关管进行相应的导通关断工作， 限流比较器的设计最为关键。也可以说，设计好的开关电源芯片的前提是设 计一个满足需要的限流比较器。而我们在设计限流比较器的时候，不能只考 虑它的增益或延时等单一特性，我们需要对所有特性进行折衷，不需要特殊 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 某个特性具有特别好的指标，而是需要每个参数都满足实际开关电源中的要 求。以上述标准作为参考，结合第三章所述设计比较器的原理知识，我们设 计了一个适合作为开关电源芯片中限流比较器模块的电路，现详细阐述如下。 3 2 本文设计的用于开关电源中的限流电压比较器 本文设计的用于开关电源内部检测峰值电流的比较器，偏置模块采用共 源共栅结构引入外部偏置电压，通过负反馈结构获得更稳定的直流偏置。比 较器模块主要由三部分构成：射极耦合差分对构成的输入级；由折叠共源共 栅放大器构成的中间级和一个具有有源负载反相器结构的输出级。本次设计 的比较器模块主要是对各种参数进行折衷使之满足开关电源检测电流的要 求。本文仿真结果是在0 6 u mc m o s 工艺和3 6 v 电源电压的条件下采用h s p i c e 软件模拟所得。 3 3 本文设计的电压比较器结构 3 3 1 偏置电路 在开关电源芯片内部，通常都有一个偏置电路模块，负责生成提供给各 级模块的偏置电压。但往往只能给每个模块提供一个偏置电压。所以在比较 器模块内部，必须设计一个偏置电路，将偏置模块提供的电压转变成几个用 于比较器内部各级的不伺的偏置电压。设计此偏置模块的目标是通过已有外 部偏置电压生成稳定的内部偏置电压，所以我们设计了如图3 一l 所示偏置电 路结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 - 1 比较器的偏置电路 在上图中，v b l 是外部偏置模块输入的偏置电压信号。我们首先使用共 源共栅结构将v b l 引入。我们采用c o n c i 信号作为共源共栅结构的共栅 m o s 管m n b i 和m n b 2 管的偏置信号，因为考虑到所设计比较器是开关电 源芯片中的二个子模块，在必要时需要有自动关断功能，所以我们将c o n c l 信号设计为开关电源内部控制各子模块工作与否的信号，正常工作时为高电 平。如果c o n c l 信号为低电平，则姗l 管截止，i v y 2 管截止，v b l 信 号对于产生模块偏置信号无用，导致b i ，b 4 信号为高电平，b 2 ，b 3 ，b 5 信 号为低电平，模块不能工作。此偏置模块的原理是利用电流镜结构得到内部 所需要的偏置信号，再通过负反馈结构使各个偏置电压信号更加稳定i 负反 馈子模块结构如图3 - 2 所示，m n b i 和m n b 3 构成共源共栅结构，这种结构能减 小输入偏置信号v b l 波动对m n b l 管漏极的影响同时使c o n c i 信号能够控制模 块的工作情况。m p b l ，m p b 2 ，m p b 3 和q p b i 构成负反馈系统。通过q p b i 的共 集电极结构将m n b l 管的漏电压映射到m p b l 管的栅漏极，m p b i 管和m p b 2 管构 成电流镜结构通过m p b 3 管和m p b 2 管构成的共源共栅结构将m p b 2 管的栅电压 也就是输出信号b l 反馈到q p b i 的基极。此处使用m p b 2 和m p b 3 管构成的共 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 源共栅结构作为反馈系统，作用是使输出信号b 1 更加稳定，不易因为v b l 的 波动而影响模块偏置信号的波动，并且可以通过调节m p b 2 管的宽长比能轻易 的调节输出信号b 1 的大小。同理，心b 4 ，洲b 2 ，r i o ，q p b 2 ，肝b 4 ，i 蛆p b 5 ， r 9 构成同类结构生成b 4 。此处唯一不同的是在下面n 管构成的共源共栅结构 的