（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式开关电源中振荡器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着电子产品的普及和对节能要求的不断提高，电源管理芯片的应用日 益广泛。高性能、高效率、小体积、低功耗、低成本的开关电源成为其发展 趋势，而振荡器作为p w m 控制系统中一个不可或缺的模块，其输出时钟信 号的频率决定着开关电源的开关频率。本文在分析和比较现有开关电源调制 模式和控制方式的基础上，设计了一种应用于混合调制电流控制模式开关电 源的振荡器。该振荡器结构简单，频率稳定，在典型条件下能够提供中心频 率为7 5 0 k h z 的低脉冲信号，同时通过对振荡电路中斜坡源的引用，能够产生 消除电流控制模式开关电源中占空比大于5 0 时出现开环不稳定等缺点所需 要的斜坡补偿信号，通过整形电路和使能信号的控制能够得到振荡器可同步 的频率范围。 论文研究了振荡器的基本组成单元和工作原理，在总结两种片内常用振 荡器的优缺点和分析传统弛张振荡器工作过程的基础上，结合论文的设计要 求，提出了本文所设计的振荡器结构。由恒流源充放电环路和r c 充放电环路 组成结构简单的双环路振荡产生电路。为了得到稳定的时钟输出信号，通过 自偏置结构产生受电源电压影响较小的充电电流，同时在恒流源产生电路中 采用电阻补偿技术以减小充电电流的相对温度系数。通过对电流模式中的系 统不稳定问题的分析，得出补偿信号的斜率大小，斜坡补偿信号产生电路通 过对振荡产生电路中斜坡源的引用以及斜率的调整得到系统所需要的斜坡补 偿信号。结合本文所设计的振荡产生电路，通过使能信号和整形电路参数的 设定，控制振荡器的可同步范围在5 0 0 k h z 到1 0 0 0k h z 之间。 设计基于u m c0 6 o nb i c m o s 工艺，利用h s p i c e 仿真软件对振荡器 电路在电源电压，温度变化以及工艺漂移的条件下进行了仿真验证，结果表 明：该振荡器能够实现设计所要求的功能，同时输出时钟信号频率在以上三 种条件变化组合下，其变化范围为1 2 2 9 8 8 ，能够满足设计要求。 关键词开关电源；振荡器；同步；斜坡补偿；基准电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fe l e c t r o n i cp r o d u c t sa n dt h er e q u i r e m e n to fe n e r g ys a v i n g ，p o w e r m a n a g e m e n ti ci sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e d s m p s ( s w i t c h e d m o d ep o w e rs u p p l y ) w i t h 1 1 i g hp e r f o r m a n c e ，h i g he f f i c i e n c y , s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e ra n dl o wc o s tb e c o m e st h e r e s e a r c hh o t s p o to fp o w e r m a n a g e m e n ti c t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yi sd e c i d e db yt h eo u t p u t 厅e q u e n c yo fo s c i l l a t o rw h i c hi s a l li n d i s p e n s a b l em o d u l ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mo fs m p s b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fm o d u l a t i o na n dc o n t r o lm o d e so fs m p s ，a i l o s c i l l a t o ra p p l i e di nt h eh y b r i dc o n t r o lc u r r e n tm o d es m p si sp r e s e n t e d t h i sn o v e lo s c i l l a t o r w i t hs i m p l es t r u c t u r ea n ds t a b l ef r e q u e n c yc a ng e n e r a t el o wp u l s es i g n a lw h o s ec e n t r a l f r e q u e n c yi s7 5 0 k h zu n d e rt h et y p i c a lc o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，s l o p ec o m p e n s a t i o ns i g n a l w h i c hi sn e e d e dw h e nt h ed u t yc y c l ei sm o r et h a n5 0 i nc u r r e n tm o d es m p s i so b t a i n e db y c i t i n gt h es l o p es o u r c eg e n e r a t e di nt h eo s c i l l a t i n gc i r c u i t a l s o ，t h r o u g he n a b l es i g n a la n dt h e s e t t i n go ft h ep a r a m e t e r so fs h a p i n gc i r c u i t ，t h er a n g eo fe x t e r n a ls y n c h r o n i z a t i o nc a nb e c o n t r o l l e dp r e c i s e l y t h eb a s i cu n i t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo s c i l l a t o ra r es t u d i e d m e a n w h i l e ，b a s e do n t h ea n a l y s i so fm e r i t sa n dd e m e r i t sa b o u tc o m m o ns t r u c t u r eo fo s c i l l a t o ro nc h i pa n dt h e w o r k i n gi ) r o c e s so fc o n v d n t i o n a lr e l a x a t i o no s c i l l a t o r , a n dc o m b i n e dw i t h t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，t h es t r u c t u r eo ft h eo s c i l l a t o ri sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h et w o - c i r c l e s o s c i l l a t i n gg e n e r a t i o nc i r c u i ti sc o m p o s e do fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec h a r g i n g d i s c h a r g i n g c i r c u i ta n dr cc h a r g i n g d i s c h a r g i n gc i r c u i t i no r d e rt oo b t a i nt h es t a b l ec l o c ks i g n a l ，t h e c h a r g i n gc u r r e n t ，w h i c hi sl e s ss e n s i t i v et ot h es u p p l yv o l t a g e ，i sg o tb ym e a n so ft h e s e l f - b i a s e ds t r u c t u r e s i m u l t a n e o u si nt h ec o n s t a n tc u r r e n tg e n e r a t i o nc i r c u i tr e s i s t o r c o m p e n s a t i o ni su s e dt or e d u c et h er e l a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t t h em a g n i t u d eo ft h e s l o p eo fc o m p e n s a t i o ns i g n a li sg o tb ys t u d y i n gt h ei n s t a b i l i t yp r o b l e mo fs y s t e mi nc u r r e n t m o d e b yc i t i n gt h es l o p es o u r c ei nt h eo s c i l l a t i n gg e n e r a t i o nc i r c u i ta n da d j u s t i n gt h e m a g n i t u d eo ft h es l o p e ，t h ee s s e n t i a ls l o p ec o m p e n s a t i o ns i g n a li nt h es y s t e mi so b t a i n e d c o m b i n i n gt h eo s c i l l a t i n gg e n e r a t i o nc i r c u i tp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa n dt h r o u g he n a b l es i g n a l a n dt h es e t t i n go ft h ep a r a m e t e r so fs h a p i n gc i r c u i t ，t h er a n g eo fe x t e r n a ls y n c h r o n i z a t i o ni s s e tb e t w e e n5 0 0 k h za n d1 0 0 0 k h z t h ec i r c u i ti sr e a l i z e di nu m co 6p mb i c m o sp r o c e s s h s p i c es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h er e q u i r e df u n c t i o n so fo s c i l l a t o rh a v eb er e a l i z e d a n du n d e r 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1 ii 页 t h ef l u c t u a t i o no fs u p p l yv o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n dp r o c e s sc o m e r , t h ee l - r o ri s a c c e p t a b l eb e t w e e n - 1 2 2 a n d9 8 8 t h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：s w i t c h e d - m o d ep o w e rs u p p l y ；o s c i l l a t o r ；s y n c h r o n i z a t i o n ；s l o p ec o m p e n s a t i o n ； r e f e r e n c ec u r r e n t 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 不保密孕，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：j 豳眵 日期：如8 4 - 弓 指导老师签名：乡弓莹器 日期：加8 峰7 ， 西南交通大学学位论文创新性声明 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。对本文的研究做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： 本文所设计的应用于电流模式开关电源的振荡器在简单电路结构的基础 上得到了稳定性较好的时钟信号和斜坡补偿信号。主要采用以下电路结构：1 ) 采用恒流源充放电环路和r c 充放电环路组成双环路结构，能够在简单电路 结构的基础上得到比较稳定的时钟信号；2 ) 采用电阻补偿技术减小了基准电 路的相对温度系数；3 ) 引用斜坡源，在基本对称的电路结构上生成一对斜坡 补偿信号，减少了共模扰动对斜坡信号产生的影响，提高了斜坡补偿信号的 稳定性。4 ) 采用使能信号和整形电路相结合的方法，确定了振荡器能够同步 的频率范围。以上电路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 弓 言 第1 章绪论 电源管理芯片是电子产品的个重要组成部分，其质量的好坏直接影响 着电子设备的性能【l 。3 1 。近几年，随着便携式消费电子、笔记本电脑、通信以 及汽车电子等产品产量的大幅增长，电源管理芯片的应用规模在我国也随之 快速增长。2 0 0 6 年我国大陆电源管理芯片市场销售额已经达到3 4 亿美元，同 比增长3 0 8 ，这个数字大大高于全球1 2 9 的增长速度。已经占据全球电源 管理芯片市场份额的1 3 7 。随着手机、数码相机、p c 电脑以及l c d 显示器 的普及，2 0 0 7 年继续成为电源管理芯片高速增长的一年。2 0 0 8 年，伴随着奥 运会的召开，各类通信应用产品将催生更大的市场商机，预计电源管理芯片 市场规模将达到5 4 亿美元，占据全球市场规模的1 8 3 【4 】。 而随着油价和半导体原材料的上涨，各类产品对节能的要求越来越高， 这给电源管理芯片带来了机遇和挑战。小体积、高集成、低功耗、高性能的 电源管理芯片成为市场的宠儿。 1 2 项目研制的背景和选题的意义 d c d c 开关电源由于其便携、高效率、低成本等优点成为电源管理芯片 的研究热点。在d c d c 开关电源中对输出电压进行调节时，通常采取两种调 制方式，分别为脉冲宽度调$ j j ( p w m ) 和脉冲频率调制( p f m ) p 】。 采用脉冲宽度调制模式时，功率开关管的开关频率是固定的，通过控制 功率开关管的导通时间，即改变占空比来实现对输出电压的控制。这种方法 在重载时效率较高，输出纹波较小，并且噪声频谱恒定，方便芯片的电磁兼 容设计。但是当负载减小时，效率也会随之降低。 采用脉冲频率调制模式时功率开关管在每个周期中导通( 或关断) 时间 是固定的，通过调节开关管关断( 或导通) 的时间长度来调节占空比，即改变功 率开关管的频率来稳定输出电压。其优点是能够较好的解决脉冲宽度调制轻 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 载时效率明显降低这个问题，但是也存在着带载能力较低，重载时输出纹波 较大的问题。 通过分析以上两种调制模式的优缺点，我们可以看到将这两个调制模式 合理的结合起来，当重载时采用p w m ，轻载时采用p f m ，可以有效地提高 开关电源的效率【6 8 】。本文的设计正是基于这种混合调制模式。 不管是采用p w m 还是p f m ，根据反馈取样控制信号的不同，都有两种 控制模式：电压控制和电流控制。电压控制是指反馈回路根据输出电压偏离 设定值的大小，产生控制量直接调整占空比，对于降压型电压控制模式开关 电源依据关系式1 o = n d 来达到调整输出电压的目的。电压控制属于单环负反 馈控制。在该模式中不必对电感电流进行实时检测，但电感l 和输出电容c 对于控制回路都会带来低频极点，是一个二阶系统，使电压控制回路的频率 补偿比较复杂，同时由于在控制过程中芯片电路内的电流值没有参与进去， 只采用控制输出电压的方法，使得任何输入或输出的变化只能在输出改变时 才能检测到并作为反馈输入进行矫正，所以响应速度比较慢、稳定性差。 电流控制模式是指反馈回路根据输出电压偏离设定值的大小，产生控制 量对电感电流进行控制调节，从而间接地调整输出电压的工作模式。电流控 制模式包括一个采样电压的外环和一个采样电流的内环，是一个双环控制系 统，由于采用电流内环使得电感电流不再是独立变量，因而只存在一个主极 点和一个高频极点，近似为一阶电路，所需要的补偿网络更简单；由于增加 电流内环，相当于引入电压前馈电路，使得响应速度变快；同时由于存在电 流内环而不需要另外设计过流保护电路，但是电流控制模式也存在着占空比 大于5 0 时将会出现开环不稳定现象以及峰值电流与平均电流之间存在误差 等问题，这些都需要引入斜坡补偿技术来消除。相比而言，电流控制模式具 有更为突出的优点，其在开关电源的设计中得到了更广泛的应用，本文基于 电流控制模式对电路进行设计。 根据以上分析我们基于混合调制电流控制模式降压型开关电源进行研 究，其结构框图如图1 1 所示。从图中我们可以看到振荡器是开关电源中一个 不可或缺的模块，它所产生的时钟信号决定了功率开关管的开关频率，同时 振荡器也产生针对电流控制模式开关电源的开环不稳定等问题所需要叠加的 斜坡补偿信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 1 电流模式降压型开关电源结构框图 1 3 开关电源中振荡器的研究现状 振荡器是开关电源控制系统的基本模块，其输出时钟信号的频率决定了 开关频率，它所能提供的频率大小也是系统重要参数之一。在现有的开关电 源中，有几千赫兹到几兆赫兹不等的内部振荡器频率，如1 0k h z 的i c l 7 6 6 0 、 1 5 0k h z 的l m 2 5 9 6 、5 0 0k h z 的i a 9 7 1 l m l 5 7 2 、1 2 5 m h z 的l t l 7 6 5 以及 1 6m h z 的l m 2 7 3 3 等等【9 】。为了缩小开关电源的体积和提高其功率密度，可 以提高开关电源中内部振荡器的频率。但是随着高频化的发展，也产生了开 关损耗增大以及高频e m i 等问题。 在开关电源中现有的内部振荡器电路结构有环形振荡器结构【1 0 以6 】和弛张 振荡器结构【1 7 。2 4 1 。环形振荡器结构简单、功耗低，但是其采用门延时来决定 振荡器的频率，由于门延时比较短，想要获得低一些的振荡频率比较困难， 同时输出信号的频率不易调节且受电源电压变化波动较大【”】。为了克服传统 环形振荡器存在的缺点，文献 1 6 1 在环路振荡器中加入恒定电流源，以恒定电 流对电容充电，改善了电源电压对频率的影响，当电源电压在3 v 到5 v 之间 变化时，其频率误差小于3 ，但是如果考虑m o s 管阈值电压、电阻和电容 精度的影响时将有2 0 的偏差。也有改进的结构是在环形振荡器结构的基础 上增加了r c 延时电路，其克服了环形振荡器振荡频率高且不易调节的缺点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 但是该电路输出信号的占空比和周期都会随着温度的变化而变化，文献 2 5 】 中通过调节外部的电阻电容元件来修正。在恒流源充放电的弛张振荡器结构 中采用迟滞比较器作为开关器件，需要在两个比较门限之间切换，振荡器周 期由电容的充放电时间决定，但是有限带宽比较器引入的过充电压会影响电 容的充放电时间，因此比较器延时对振荡器输出时钟信号周期影响较大【2 3 1 。 此后发展了双比较器的恒流源充电弛张振荡器结构，该结构需要两个比较器， 两个电容，通常情况下其电容和充电电流的大小是一样的，得到的振荡器输 出信号的占空比为5 0 t 2 4 】。 1 4 论文主要研究内容及结构安排 本文的主要工作是设计了一种应用于电流模式开关电源的可同步振荡 器。通过对应用背景以及主流技术的分析，本文所设计的振荡器中心频率为 7 5 0 k h z 且具有外同步功能。为了克服电流控制模式开关电源中的开环不稳定 等问题，利用振荡电路内部产生的斜坡源，振荡器能够产生芯片所需要的斜 坡补偿信号。电路采用u m c0 6 a n b i c m o s 工艺实现，本文给出了电路的设 计并结合h s p i c e 进行了电路的功能验证、性能仿真和容差分析。 本文各章节内容安排如下： 第一章绪论。介绍了本文所设计振荡器的应用环境，并分析和总结 了现有开关电源中内部振荡器的研究现状。 第二章振荡器概述。对振荡器的分类作了介绍，同时研究了本次设 计所属非正弦波振荡器的基本组成部分和工作原理。重点分析了两种常用片 内振荡器的电路结构和工作过程，同时总结了这两种电路结构的优缺点。 第三章振荡器电路的设计。我们分为四个子电路进行设计，分别为 振荡产生电路、恒流源产生电路、斜坡补偿信号产生电路和同步整形电路。 通过分析和比较，我们选择r c 充电环路和恒流源充电环路相结合的方式组成 振荡产生电路。由于振荡输出信号的周期主要由恒流源充电环路决定，且该 环路还提供斜坡补偿信号产生电路所需要的斜坡源，因此需要得到一个稳定 性较好的基准电流。在恒流源产生电路中，由峰值电流源和基本电流镜组成 自偏置结构，同时采用电阻补偿技术改善了基准电流的温度特性。最后进行 外同步设计，分析和比较了其他文献中给出的外同步方式，结合本文所设计 的振荡器结构，通过整形电路使得该振荡器的可同步频率范围为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 5 0 0 k i - i z - 10 0 0 k h z 之间。 第四章对电路进行功能验证、性能仿真和容差分析，给出了仿真结果并 进行了讨论。同时在本章最后一部分将本文的设计和同类文章进行了比较和 总结。 最后在结论部分，总结了工作所取得的成果，并分析了其中存在的不足 和提出下一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 振荡器的分类 第2 章振荡器概述 随着电子技术的不断发展，振荡器已作为一种极为实用的功能电路应用 在各种仪器及控制设备中，其形式也发展成多种多样，根据侧重点不同，其 分类也不一样。 振荡器按工作原理分为：反馈振荡器和负阻振荡器； 振荡器按电路元件分为：分立元件振荡器、集成振荡器和晶体振荡器； 振荡器按输出波形分为：正弦波振荡器和非正弦波振荡器； 振荡器按输出频率分为：超低频振荡器、低频振荡器、高频振荡器和超 高频振荡器【2 6 1 。 2 2 振荡器的组成及原理 根据振荡器输出的波形不同，振荡器可分为正弦波振荡器和非正弦波振 荡器两太类。所谓正弦波振荡器就是指振荡波形为正弦或接近理想正弦波形 的振荡器，常见的电路有文氏桥振荡电路、石英晶体振荡电路和l c 振荡电路。 产生矩形波、锯齿波和三角波等波形的振荡器均属于非正弦波振荡器，结合 设计要求在本文中讨论的振荡器为非正弦波振荡器。 非正弦波振荡器有3 个基本组成部分：开关器件、反馈网络和延迟环节。 其中开关器件是核心，利用其开关特性控制电路的通断，从而产生非正弦波。 开关器件可以是具有开关特性的三极管，也可以是电压比较器或集成模拟开 关等；反馈网络是为了将输出电压恰当地反馈给开关器件，以自动地改变开 关器件的开关状态；延迟环节则是为了获得所需要的振荡频率和波形，它可 以利用r c 充放电或者恒流源充放电技术来实现，也可以利用开关器件的延迟 时间来实现，在有些场合，延迟环节和反馈网络是结合在一起的。图2 1 ( a ) 所示为矩形波振荡器的结构示意图【2 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 。_ l - _ _ _ _ l l _ _ _ l l _ _ _ - _ _ _ l - - l _ - 一l ： u d u o , , - z 0 u o l 1 五五 f l f 2 f ( a ) 结构( b ) 波形 图2 - 1 矩形波振荡器示意图 结合图2 一l ( b ) 所示的波形，说明产生矩形波信号的原理。设t = o 时甜。为 高电平u o h ，经过延迟网络后，反馈信号“r 使“。从u o h 跳变到u o l ( 卢f l 时刻) ， 又经过一段延时，u f 使输出从u o l 跳变到u o h ( t = t 2 时刻) 如此周期性地 持续下去，在输出端得到了矩形波电压信号。 从上面的分析我们可以得出振荡器的振荡条件是：无论开关器件的输出电 压是高电平还是低电平，如果经过一定的延迟时间后，可以使开关器件的输 出改变状态，就能产生振荡，否则就不能振荡。 2 3 常用的片内振荡器 振荡器是许多电子系统的重要组成部分，应用的范围从微处理中的时钟 产生到蜂窝电话中的载波合成。在不同的应用场合，对振荡器结构和性能参 数的要求差别很大【1 5 】。随着集成电路的发展，高精度、低功耗、低工作电压、 小型化成为片内集成振荡器的发展趋势。常用的片内集成振荡器有环形振荡 器和多谐振荡器。 2 3 1 环形振荡器 图2 - 2 环形振荡器基本形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 环形振荡器是由奇数个具有一定传输延迟的反相器级联所构成的闭合环 路【2 8 1 ，其最基本的形式如图2 2 所示。假设第一级输入为高电平，经过这个 环路，在一定延迟时间之后，将得到一个低电平，这个低电平又反馈给第一 级作为输入，在环路各结点，电平高低变换，产生固定周期的振荡。 假设图2 2 所示的电路刚开始工作时每个节点的初始电压为反相器的阈 值电压，如果各级反相器相同且没有噪声，那么该电路将永远保持这个状态， 但噪声成分会扰动每个节点的电压，结果产生不断放大的波形，最终信号达 到电源电压的摆幅。假设初始时吆= v d d ，那么吩= 0 、吃= v d o ，这样当电 路开始工作时，吆开始降到零( 因为第一个反相器输入为高) ，强迫吩在经 过一个反相器延时后上升到v d d ，而吃在经过另一个反相器延时易后降为 零。那么电路在连续节点电压之间以延时振荡，从分析可以得到该电路产 生的振荡周期为6 2 9 1 。 反相器本身存在一些寄生电容，设c 肼为反相器中n m o s 管的漏极输出寄 生电容和后一个反相器的栅极输入电容以及连线电容，c 。为p m o s 管的相应 寄生电容，在忽略其他寄生电容的情况下，我们得到每一级反相器的负载电 容为： c 工c 0 + c 印锣c 。( 三。+ 三，) ( 2 - 1 ) 首先分析反相器的上升延迟时间。假设c m o s 反相器中的上拉p m o s 管 对电容c ：充电的整个过程都处于饱和工作状态，其饱和电流为： 1 ，：丝9 鱼i 二! 堕睦(22)dsp = 一 、二一二 式中岛：脚( 孚) p ；风：“c 以( 孚) 。是和材料、工艺有关的参数，矽和 分别为m o s 管的沟道宽度和长度，和v i n e 分别为其栅源电压和阈值电压。 i d s p 也就是对负载电容c 上的充电电流，在分析中近似为恒定电流，因此负载 电容上的电压为： ：軎r i d s p d t ：半 ( 2 3 ) o 工”o 工 将i d s p 代入，并且设输出电压= ，整理可得电容c 工通过p m o s 管充 电的上升延迟时间t p l h 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 r 脚2 雨际2 c l 阿v d d ( 2 4 ) 同理，我们可以得到电容吼通过n m o s 管放电的下降延迟时间肚为： r 础2 万瓦2 c l 可p d o ( 2 5 ) 假设l l = l i - v n s ，则环形振荡器的周期可以表示为 r ：2 n t 。2 n ( t p u t + t p m ) ，：! 竺墨鳖：o + 上) ( 2 6 ) 2 哆d d v m ) 2 pp p 4 一 以上的公式推导，都是基于沟道长度大于0 6 r a n 的电路，对于0 。6 r a n 以下 的短沟道电路，还需要考虑短沟道效应，包括沟道长度对阈值的影响、垂直 电场对电子迁移率的影响、速度饱和、热载流子效应、漏源电压对输出阻抗 的影响等，所以还要加上一些修正项。实验表明，通常短沟道的值为长沟道 的2 3 倍【15 1 。 从以上分析结果可以看出，环形振荡器的振荡频率会随电源电压的变化 发生严重的变化。由式2 - 6 可知，当v t h 一定时，分母( 一) 2 减小对延迟 时间的增大起决定性作用。延迟时间的增大显然降低了振荡频率，v d d 越小， 延迟时间增加就越明显，振荡频率就越低。此外，温度是影响环形振荡器振 荡频率不稳定的另一个因素。当温度增加时，振荡频率就下降。这是因为当 温度增加时，载流子的迁移率下降，导致m o s 晶体管的导通能力下降，门电 路的延迟时间就增加，振荡频率下降。因此普通环形振荡器只能应用于对频 率稳定性要求不高的低端应用场合。 2 3 2 多谐振荡器 环形振荡器通过门延时来决定输出信号的周期，因为门电路的延迟时间 极短，t t l 电路大概只有几十纳秒，c m o s 电路也不过一二百纳秒，所以想 获得低一些的振荡频率是很困难的，而且频率不易调节。为了克服上述缺点， 可以在环形振荡器电路的基础上附加r c 延迟环节，组成带r c 延迟电路的 环形振荡器，也称为多谐振荡器。 接入r c 电路不仅能够获得较低的振荡频率，同时也可以通过调节r c 的 参数实现输出信号周期和占空比的调节。采用多谐振荡器电路设计简单，占 用面积小，根据电阻跨接方式的不同，可分为两种形式，其结构如图2 3 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 示【3 0 1 。一种是电阻跨接一个反相器，另一种是电阻跨接三个反相器，它们的 振荡原理是相同的。以图2 3 ( b ) 为例，假设电容c 上的初始电压为0 ， 接通电源时，振荡器的输出为高电平，为低电平。由于电容电压不能突变， 圪随一起产生负跳变，通过电阻r 向电容c 充电，随后圪随屯容器充 电逐渐升高。这期间，电路处于第一暂稳态，持续时间为乃。当升高到反相 器的阈值电压v - m 时，振荡器的输出由高电平变为低电平，为高电平。同 样电容电压不能突变，圪随一起产生正跳变，随后吃随电容器放电逐渐降 低。这期间，电路处于第二暂稳态，持续时间为乃。当降低到反相器的阈值 电压v t h 时，振荡器的输出又变为高电平。于是，电路在两种状态之间交替 变换，不停振荡，产生周期矩形脉冲输出。 ( a ) ( b ) 图2 - 3 多谐振荡器的两种基本电路结构 由于反相器的传输延时远远小于时间常数r c ，可以忽略不计。 多谐振荡器的振荡周期为： 乃孙乏= r c l n 彘 t ， 1 1 = r c h 去 兀：尺c l n 堕 豫 其中，v m 为n m o s 管和p m o s 管电流相等时的输入电压，即 争( 一一i i ) 2 = 争( 一v r m ，) 2 所以r c ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 可以推出 = 型一。 沼 其中= 心“i w ，、分别为n m o s l 、p m o s l 的阈值电压，因此 v t r 与i n v l 中n m o s l 、p m o s l 的宽长比有关。通常取卢。，= 小即可以得到 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 = o 5 。因此我们可以得到周期t = i 4 r c 的对称方波，调节r 、c 的值， 就可改变振荡周期。 多谐振荡器原理和结构比较简单，但由于片内振荡器要求的频率越来越 高，设计时所需要的电容和电阻值越来越小，于是振荡精度受工艺的影响( 如 寄生电容，电容和电阻的制作精度等) 越来越大，因此，对于要求工作频率 和振荡精度较高的振荡器来说，采用现有的多谐振荡器结构是不合适的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章振荡器的设计 3 1 电路设计指标 振荡器是产生稳定周期变化信号且占空比可控的模拟电路，它所产生的 各种振荡信号可提供各种时序或开关控制，在现代电子电路中，尤其是开关 电源的p w m 控制电路中，它对电路的性能有着很大的影响【z 1 1 。本文所设计 的振荡器应用于峰值电流模式的开关电源中，它是控制系统的基本模块，其 输出信号频率决定了开关频率，该频率大小也是系统的重要参数之一。频率 高，可以减小外围器件，尤其适用于体积上有严格要求的产品，但是由于开 关的频繁切换，功率的损耗也非常大。频率小，减少了开关损耗，却需要较 大的外围器件以满足系统纹波的要求。在设计中需要在功耗和体积上进行折 中。 本文所设计的振荡器要求在典型条件下能够提供中心频率为7 5 0 k h z 的 低脉冲信号，能够产生系统所需要的斜坡补偿信号，同时该振荡器还要求在 5 0 0 k h z , - , 1 0 0 0 k h z 频率范围内具有外同步功能。在设计中振荡器工作的最低、 典型和最高电压分别为2 7 v 、3 6 v 、5 5 v ；最低、典型和最高工作温度分别 为一4 0 、2 5 、8 5 ，工艺的漂移对输出信号的频率也有影响，在设计中我 们要求在工艺漂移的影响以及电源电压变化( 2 7 v 5 5 v ) 和温度变化( 一4 0 c 8 5 c ) 条件下，振荡器输出的低脉冲信号频率误差范围为2 0 。 3 2 电路设计思路 在第二章的分析中我们可以看到：环形振荡器输出信号的频率受温度和 电源电压的影响很大，而且由于该电路中门的延迟时间很短，导致输出信号 频率较高，要获得7 5 0 k h z 的频率，需要大量的门进行延时，电路面积较大。 r c 环形振荡器结构简单，成本低，功耗也较低。但是该电路的频率受工艺等 影响非常明显，产生的三角波信号畸变也非常大。在设计中，要求在得到高 精度脉冲信号的同时得到一个斜率恒定的斜坡信号，并且希望电路尽可能的 具有低功耗和小的电路面积，因此仅仅使用这两种常用的片内振荡电路结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 是不理想的，于是本文采用另一种片内振荡方案一弛张振荡器。 弛张振荡器是利用各种具有双稳态的开关元件，如p m o s 或n m o s 开关 管、比较器、施密特触发器等，轮流对节点负载电容进行充电，或进行放电， 结点电容上电压波形的上升或下降的变化，将触发该节点及后续门电路状态 的周期性改变，形成振荡输出f 3 l 】。其传统结构如图3 1 所示【2 3 】。 图3 - 1 传统弛张振荡器及其波形示意图 对于图3 1 所示的弛张振荡器，其工作过程如下假设初始时振荡器输出 电平使可控开关l 关闭、可控开关2 打开，即电流源1 1 导通、1 2 断开。于是 1 1 向电容c 充电，这时电容c 上的电压会不断上升，同时该电容上的电压通 过比较器与设定的门限电压进行比较。当电容上的电压高于高位比较器的门 限电压v h 时，控制部分将会控制开关动作，使1 1 断开、1 2 导通，电容开始通 过1 2 放电，电容c 上的电压开始下降，当电容上的电压下降到低于低位比较 器的门限电压v l 时，控制部分再次使开关动作，使i l 导通、1 2 断开，i l 又重 新对电容进行充电，电路如此循环工作，在输出端得到所需要的振荡波形。 当充电电流i l 与放电电流1 2 相等时，得到其波形示意图如图3 1 所示。可以 看到电容上的电压波形为锯齿波，在充电阶段，电压线性增加，在放电阶段， 电压线性减小，在设计中要求得到一个斜率恒定的斜坡补偿信号，因此用恒 流源充电所产生的电容上的恒定斜率的信号正是我们所需要的斜坡源。 从分析中可以看到电路中需要两个门限电压，输出信号的周期由电容在 两个门限电压之间的充放电时间决定。我们得到其频率为 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 缸= 丽扬 ( 3 - 1 ) i 式( 3 1 ) 是在忽略比较器延时时得到的理想频率表达式，然而，在实际 应用中，比较器因为其有限的带宽，总会存在延时乃( 一个周期中总的延迟 时间) ，因此我们可以得到其实际的频率表达式为 k ，- _ 譬! ( 3 2 ) i 十1 d _ ，诎， 我们可以看到，乃越小，实际的振荡频率将越接近理想振荡频率。从传 统弛张振荡器的工作过程中我们可以看到其输出信号周期由电容的充放电时 间决定，在充电阶段，由于比较器有限带宽所产生的延时，使得充电将继续 进行，得到的过充电压将影响电容的放电时间，当充电电流和放电流相等时， 需要相同的延迟时间对电容上的过充电压进行放电，相同的道理，当放电由 于比较器的延时超过其低位比较器的门限电压v l 时，需要又一个延迟时间对 这部分电压进行充电，因此在传统弛张振荡器中在一个周期内总的延时乃等 于4 t d ( 如图3 一l 所示) 。因此为了减小乃，本文设计的振荡器在传统弛张振 荡器的结构上进行了改进，通过采用双电容结构，使得振荡器的周期由电容 的充电时间决定，那么，过充电压所需要的额外的放电时间对振荡器的周期 没有影响，可以减小延迟时间乃，同时可以使用简单的比较器代替传统弛张 振荡器中需要的迟滞比较器。 在设计中要求产生一个低脉冲振荡电路，即高电平持续时间较长，低电 平持续时间相对较短，同时因为在斜坡补偿电路中只需要一个斜率恒定的斜 坡源，于是我们采用非对称的充电环路结构。采用恒定电流充电结构决定振 荡器输出波形的高电平持续时间，同时该结构提供斜坡补偿电路所需要的恒 定斜率的斜坡源；与此同时采用r c 充电环路决定振荡器输出波形的低电平持 续时间，提供简单的电路结构，减小电路面积和功耗。 通过以上分析，在设计中我们采用双环路的振荡产生电路，振荡器的组 成框图如图3 2 所示。其主要由四部分组成，包括振荡产生电路、恒流源产生 电路、斜坡补偿信号产生电路和同步整形电路。下面对这四个子电路进行分 析和设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 c 己d c k 3 3 子电路的设计 图3 - 2 振荡器组成框图 3 3 1 振荡产生电路设计 根据设计要求，振荡器可以工作在自振荡和外同步两种工作模式下。当 振荡器工作在自振荡模式时，控制信号c l o c ke n 为低电平、c l o c k s y n c 为 高电平。基于图3 3 所示的振荡产生电路结构框图，其在自振荡模式下的工作 原理如下：假设输出信号c l o c k 为低电平，此时开关s w l 、s w 2 导通，s w 3 关 断。这时d 通过开关s w 2 、电阻r 。开始向电容c ：充电，导致c ：上的电压开 始升高，。当电压达到反相器i n v i 的阈值电压时，输出信号c l o c k 发生翻转， 信号c l o c k 变为高电平；该信号使得开关s 形、s w 2 关断，s w 3 导通，电容c ： 通过开关s r ：3 进行放电，与此同时由恒流源，。对电容c 1 进行充电，使得c 1 上的 电压圪。，上升，当电压达到比较器的门限电压v 他f 时，输出信号c l o c k 再次 翻转变为低电平，c ：进行充电同时c 1 进入放电阶段。电路如此循环工作，在 输出端产生振荡信号。其中v 耐为比较器的门限电压，由基准模块产生的1 2 5 v 的基准电压经过电阻分压得到。c l o c k e n 和c l o c k s y n c 为同步控制信号。 为该模块产生的时钟信号，在自振荡模式下，其频率为。为 与c l 时o c 钟k 信号同频率的锯齿波信号，其作为斜坡源提供给斜坡补7 偿5 0 信k h 号z 产生电 路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图3 3 振荡产生电路结构框图 在图3 3 所示的结构框图中使用了比较器和r s 触发器，下面首先分析 r s 触发器和比较器的工作原理及其特点。 1 ) r s 触发器 触发器是能够存储l 位二值信号的基本单元电路，为了实现1 位二值信号 的功能，触发器具备以下两个基本特点：第一，具有两个能自行保持的稳定 状态，用来表示逻辑状态的0 和1 ；第二，根据不同的输入信号可以置l 或置 0 状态【3 2 1 。在图3 3 所示的振荡产生电路结构框图中触发器是低电平有效的 r s 触发器，它由两个与非门组成的。其具体电路图如图3 4 所示。 r v $ 8 图3 - 4 基本r s 触发器逻辑电路 根据与非门的逻辑关系，我们得到该r s 触发器的逻辑表达式为： q ”“= s 否” ( 3 3 ) 否州：一r q ( 3 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 输入信号r 、s 组合状态的不同，触发器输出也有不同情况。图3 5 为该 r s 触发器的仿真结果。从图3 5 可以看到，输入情况有3 种，分别为( o ，1 ) 、 ( 1 ，1 ) 、( 1 ，o ) ，在仿真中没有( 0 ，0 ) 态是因为从表达式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 我们可以看到当输入都为0 时，输出q 和虿都可以为1 ，为不定状态，因此在 设计中我们选择前三种输入状态。同时从仿真结果我们可以看到当输入为( 1 ，