一种基于降压DCDC转换器的高性能误差放大器设计.docx

一种基于降压 dc-dc 转换器的高性能误差放大器设计赵少敏，韩雨衡，张国俊，陆定红（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）摘要: 基于降压型 dc-dc 转换器的工作原理，从系统需要出发，提出一种高性能的误差放大器。该误差放大器的输入级采用偏置电流消除结构，避免其输入对基准电压产生影响；核心电路采用对称性的差分运放结构，引入 正反馈结构和负反馈电阻以提高其性能，电路结构采用 csmc 0.5 m bcd 工艺。仿真结果表明该误差放大器跨导 为 1.5 ms，共模下限可以从 0 开始，共模抑制比为 106 db，失调电压为 208.3 v，功耗约为 100 w，验证了该放 大器的良好性能。关键词: 误差放大器；差分运放；dc-dc 转换器；反馈；偏置电流消除结构；bcd 工艺doi: 10.14106/ki.1001-2028.2015.01.022中图分类号: tn433文献标识码:a文章编号:1001-2028（2015）01-0088-04design of a high-performance error-amplifier for buckdc-dc converterzhao shaomin, han yuheng, zhang guojun, lu dinghong(state key lab of electronic thin films and integral device, university of electronic science and technology of china, chengdu 610054, china)abstract: combined with the working principle of buck dc-dc converter, a high performance error-amplifier circuit, which met the system requirements, was presented. the input stage of the proposed error amplifier used bias current cancellation structure to reduce the impact on the reference voltage. by inducing positive feedback structure and negative feedback resistor, performance of the circuit were improved remarkably. the error-amplifier was designed and implemented by csmc 0.5 m bcd process. the simulation results show that the transconductance is 1.5 ms, the input common-mode voltage can begin from zero, the common mode rejection ratio is 106 db, input offset voltage is 208.3 v, the power consumption is 100 w, which proves a good performance of the amplifier.key words: error-amplifier; differential amplifier; dc-dc converter; feedback; bias current cancellation structure;bcd process随着当今电子产品向小型化和智能化方向发展，电子设备对电源的需求变得多样化和复杂化。 相比于线性电压调整器的体积大且低效率，buck dc-dc 转换器的效率高、体积小、可靠性高等特点 使其被广泛用于电源系统。在 buck dc-dc 转换器中，误差放大器是其中 非常重要的电路模块，考虑到其对系统的速度、精 度、稳定性1都有重要的影响，在设计电路时，误差 放大器要求有较大的共模范围、较高的跨导值、高的共模抑制比和电源抑制比以及低的失调电压；考虑到低功耗是今年来电源芯片发展的大趋势，在设 计误差放大器时，希望其功耗越低越好。笔者基于 以上要求，在传统 ota2（跨导运放）的基础上设 计了一款宽输入范围、高跨导、高共模抑制比、低 失调电压、低功耗的误差放大器。buck dc-dc 转换器控制原理电流模式 buck dc-dc 转换器控制拓扑如图 11收稿日期：2014-10-09通讯作者：张国俊作者简介：张国俊（1960），男，辽宁营口人，教授，主要从事新型功率半导体器件与集成电路设计 ； 赵少敏（1988），女，河北邯郸人，研究生，主要从事模拟集成电路芯片设计方面的研究，e-mail: 。传统误差放大389第 34 卷 第 1 期赵少敏等：一种基于降压 dc-dc 转换器的高性能误差放大器设计所示。电路主要包括 pwm（脉宽调制）控制电路、功率管 m1 及 m2、电感、电容、反馈电阻。pwm控制电路主要包括误差放大器、斜坡补偿、pwm 电m7m4m5m3v0阻检测输出电压的变化，与基准产生的 vref 进行比ibiasm1m2m6m8波信号通过斜坡补偿电路得到斜坡电流信号。rsense检测输出电感电流，与斜坡电流信号叠加之后送入 pwm 比较器，产生占空比可变的 pwm 信号，再经 过驱动模块控制功率管的通断，从而实现电流模式 dc-dc 控制器反馈回路的控制，稳定输出电压。m9m5图 2器fig.2 configuration of traditional error-amplifier（1）跨导受尾电流影响比较大，考虑到功耗问 题，如果尾电流比较小的话，传统误差放大器的跨 导会变小，所以其直流增益也会变小。（2）输入共模范围有限，以 vdd 为电源电压，vds、vbe、vgs 为极间电压，有下式：vinpwm 控制电路m1驱动 模块l0rsensevoutm2r3vds5 + vbe1 vin vdd - vgs1(1)控制 逻辑c0r2pwmr4由上式可看出，用 buck dc-dc 转换器的误差放大器输入端采样芯片的输出电压，当芯片的输出 电压很低时，误差放大器就不能正常工作。（3）mos 做输入对管的话，输入失调电压7 比较大，影响误差放大器的精度，进而影响 buck dc-dc 转换器输出电压的精度。2.2 改进设计的误差放大器针对传统误差放大器的不足，笔者在传统结构 的基础上进行改进，输入对管采用 bjt 而不是 mos 管，有效减小了电路的失调电压，采用偏置电流消 除结构8来消除其对基准产生的影响；另外输入级引 入正反馈9，既可以提高增益又可以加快电路反应速 度、降低电路功耗，利用源极负反馈电阻来得到稳 定的可调跨导；而且受控电流源的使用拓展了电路 的共模输入范围，使其工程应用性更好。具体电路 实现如图 3 所示。vfbeasoft-startvrefslope compr1osc图 1 buck dc-dc 转换器控制拓扑fig.1 control topology of buck dc-dc converter2误差放大器原理和实现2.1 传统误差放大器图 2 所示是传统的跨导误差放大器结构，m1、 m2 与偏置电流源 m5 组成差分输入级，跨导大小可 由偏置电流控制。m5m8 组成电流镜输出级，通过 m3、m4 管将 m1、m2 的电流镜像映射到输出级， 通过 m7、m8 管将 q1、q2 的电流差值输出。传统 误差放大器结构简单易实现，但是其工程应用性比 较差，原因有以下几点：m17m4m9m10m12m15m11m13m5m7m16m14m6m8m18v1v2m20m28ctrlq5q6vear2r1q2r4r3q4vfbvssvrefq3c1m27m23m25m3m2vb图改进的误差放大器的整体电路fig. 3configuration of improved error-amplifier circuitq1pgicmrrpsrrvddvinr(gm9 - g10 )2r(gm9 - gm10 )vol.34 no.1 jan. 201590赵少敏等：一种基于降压 dc-dc 转换器的高性能误差放大器设计2.2.1结构分析本设计的误差放大器主要有三部分：差分输入 级、电流镜输出级、尾电流偏置级。差分输入级由 q2q6、r1r4、m5m14、组成。 将 q2q4 三个源随器作输入端可以扩大输入共模范 围，具体过程如下：当转换器上电时 vfb 和 vss 比较 小，此时 ctrl 开启，m5、m6、m13、m14 电流流过 r1、r2，抬高 q5、q6 基极电压，保证其正常工作， 从而提高了共模下限范围。并且差分输入对管 q5、 q6 选用 bjt，m 值设为 2，采用同质心结构7，可 以提高匹配度，进一步减小误差放大器的失调电压。r3 和 r4 的作用是使电路输入跨导可以精确控 制，设 r3=r4=r，gm5r1（gm5 为 mos5 的跨导） 则输入级跨导 gm 为：2.2.2特性分析电路的总增益可以表示为：a = a1a2式中：a1 为第一级增益；a2 为第二级增益。 由前面分析可得：（5）=g m5 a = g r1m eq(1 + g r)(g- gm5m9m10 )(6)1r(gm9 - gm10 )考虑输出级管子跨导不相同时。第二级增益为：= 1 ( g m18 g m21 + ga)r(7)2m20out2gm19故该误差放大器差模增益为：gm5 1 1 gm18 gm21(8)g =(2)a=+ gr2r(gm9 gm10) gm20 outm1 + gm5 rrdmm19由于电阻阻值大小易于控制，这样可以方便控制 gm 的大小，以控制输出电流的能力。 输入级负载采用四个 pmos 管 m9m12 组成的交叉结构，其作用有两个：一是可以构成正反馈结 构，加速电路响应时间。具体实现过程如下：假如 v1 点电压降低，则 m11 电流会增加，v2 电压上升， m10 电流减小进一步使 v1 降低，从而加快电路反应 速度。另外 m9m12 可以看成将一组正向和一组负向 二极管的连接，以实现其等效电阻从 1/gm 到无穷大 之间的任意阻值：可见，调节 m9 和 m10 使其完全匹配，则该误差放大器的增益可以达到无穷大（理论上）。 共模增益为： gm18 gm21 - gr1a=20 out(9)cmr(gm9gm10) gm19共模抑制比为：adm = 1 gm18 gm21 + g19 g20cmrr =(10)acm2 gm18 gm21 - g19 g20电源抑制比为：vddpsrr = adm (= 0) = gm5 (gm18 gm21 + g19 g20 )(11)add (vin = 0)2(gm18 gm21 - g19 g20 )=1 r(3)eqgm9 - gm10可见，如果 m18 和 m20、m19 和 m21 匹配的话，则电路的 cmrr 和 psrr 将会趋于无穷大，而 实际值是有限的，主要原因就是电路中器件的不匹 配，如果提高器件匹配度可提高 cmrr、psrr 值。此外，与传统结构相比，引入正反馈做负载的 误差放大器功耗更小，具体分析如下：假设图 2 中 m4 和 m7 宽长比之比为 1:b，图 3 中 m12 和 m18 宽长比之比也为 1:b，m11 和 m12 宽长之比为 1:k，两个电路的偏置尾流源都为 2i ， 那么有传统结构误差放大器的总电流为：误差放大器的电流镜输出级由 m18m21 组成，输出节点电阻 rout 为 m20、m21 小信号电阻并联值：rout = rds20 / rds21(4)误差放大器的尾电流偏置级由 m22m27 组成，采用 self-cascode 结构，相比于单管，可以在节省面 积提高输出阻抗同时可以得到更精确的镜像电流。考虑到误差放大器的输入是带隙基准通过电阻 网络分压得到的基准电压 vref，为了消除基极电流对 基准分压网络的影响，电路的输入级利用了输入偏 置电流消除结构。在图 3 中，三极管 q1 和 q2 发射 极电流大小相等，其基极电流也相等，通过 m2 和 m3 的等比例镜像关系，q2 的基极电流完全流过 m3， 因此没有基极电流流过基准电压分压网络，从而不 会影响基准电压精度。(12)i= 2i + biall1加正反馈结构的误差放大器总电流为：kb i(13)iall2 = 2i +k + 1传统误差放大器的增益和尾电流关系为：91第 34 卷 第 1 期赵少敏等：一种基于降压 dc-dc 转换器的高性能误差放大器设计真结果可以看出，在低电压和高电压时系统性失调电压较高，但在误差放大器正常工作范围内，失调电 压很低，vos=208.3 v，满足低失调电压设计的要求。 1 mq2 l b2 i (14)a= gtrad加正反馈的误差放大器增益与尾电流关系为：15010050vos 1 ( k + 1) k + 1a= g(15)posimq6 lb2 i (k - 1)k0式中： 是沟道长度调制系数。由式（12）、（13）可以看出，改进之后的误差放大器消耗的电流更小； 由式（14）、（15）可以看出参数 k 越接近于 1，则改 进的误差放大器直流增益更大，性能更好。00.250.500.75vin / v1.001.25图 6 失调电压仿真波形fig.6 waveforms of vos from simulation图 7 表示的是频率仿真波形，可以看出，改进后3仿真结果及分析本文设计是基于 csmc 0.5 m bcd 工艺库，使 用 cadence specture 进行仿真，仿真条件为 25 下 全典型模型。在误差放大器输出端加入一个脉冲电流源，当 电流源中有一个脉冲电流 iout 流过时，输出电压会 变化 vout，以使误差放大器能提供该脉冲电流，那 么跨导 gm=iout/vout。仿真结果如图 4 所示，可以看出当电流源流过 5a 脉冲电流时，输出电压变化了 vout=3.31 mv，则 可以得出误差放大器的跨导 gm=1.51 ms。的误差放大器直流增益为 a =56 db，相位裕度为 50。v100 增益50050100150200200 相位15010050050100150200100101102103104 105106107108109f / hz图 7 频率特性仿真波形fig.7 waveforms of frequency from simulation图 8 给出共模抑制比的仿真，可以看出在低频 时该误差放大器的共模放大倍数为 ac=50 db，所以 有 cmrr=106 db，满足 dc-dc 转换器对误差放大 器 cmrr 的要求。40 ac6 iout543210801vout80079979860801001201400255075100t / ms125150175125 cmrr100图 4 gm 仿真波形fig.4 waveforms of gm from simulation对输入电压做 dc 扫描，输出波形如图 5 所示， 可以看出，改进后的误差放大器共模下限可以从零 开始，比传统的误差放大器更适合 dc-dc 转换器。2.5755025025100101102103104105106107108109f / hz图 8 cmrr 仿真波形waveforms of cmrr from simulationfig.82.0表 1列出了该误差放大器的其他参数仿真，可(1.403 v, 1.403 v)以看出正常工作时，该电路功耗很低，约为 100 w，满足电源芯片对低功耗的追求。表 1 其他参数仿真结果tab.1 simulation results of other parameters1.51.00.500.51.01.5vdc / v2.02.5图 5 共模输入电压仿真波形waveforms of input common-mode voltage simulationfig.5系统性失调电压仿真波形如图 6 所示，图从仿（下转第 95 页）vout / viout / mavout / vac / dbcmrr / db相位 / ()增益 / dbvos / mv参数仿真结果v0s(vin=0.8v)/v208.3增益带宽积 gbw/m2psrr/db116电压变化率 sr/(vs1)0.38功耗/w100f铝电解电容器专辑（七）该专辑收入电子元件与材料2009 年第 1 期至 2011 年第 12 期，有关铝电解电容器的工艺技术，原辅材料，应用技术及发展趋势方面的重要论文及特约稿件 1 篇，共 30 篇，104 页，约 20 多万字。是铝电解电容 器及其相关行业中，从事科研、生产、教学及应用人员收藏、查阅的重要参考资料。定价：80 元，邮资费：6 元（其中包括挂号费 3 元）。另铝电解电容器专辑（七）特推出电子文档，包括铝电解电容器专辑（七）全部 30 篇论文 及 39 篇文献摘录，此摘录为铝电解电容器方面的论文，如需要者可直接联系13618058457 联系人：朱蓓。订阅方式：邮局汇款方式：银行汇款方式：地址：成都市一环路东二段 8 号宏明商厦 702 室户名：电子元件与材料杂志社邮编：610051开 户 行：中国工商银行成都市沙河支行营业室收款单位：电子元件与材料杂志社账号：440221100900699335495第 34 卷 第 1 期李娟等：多层瓷介电容器绝缘特性 rc 的研究亟需解决的问题。绝缘特性 rc 反映了介质材料本身的一种属性， 而绝缘特性 rc 考核指标可以衡量“氧空位”缺陷控 制水平，就目前厂家控制情况来看，ni 内电极多层 瓷介电容器在高可靠长寿命电路使用时应提高其绝 缘特性 rc 考核指标。4结论理论研究显示：多层瓷介电容器的绝缘特性 rc 等于 0r，反映了介质材料本身的一种属性，代表 电容器通过本身绝缘电阻放电的时间常数 。通过采用 n-沟道 mos 场效应晶体管设计搭建 测试电路，测得了多层瓷介电容器通过本身绝缘电 阻放电的时间常数 ，其结果有效验证了该理论。对比分析了最新 ni 内电极和传统 pd/ag 内电极 多层瓷介电容器的绝缘特性 rc 考核指标，结果显示 ni 内电极多层瓷介电容器绝缘特性 rc 考核指标相 对于 pd/ag 内电极降低了一个数量级，从 1 000 s 下 降到 100 s，这也暴露出 ni 电极多层瓷介电容器在大 幅降低成本，提高容量、实现小型化后的短板所在。这要求在进行生产加工、质量控制和选型应用时，应更加重视绝缘性能 rc 指标，在高可靠长寿命 电路使用 ni 内电极多层瓷介电容器时应提高其绝缘 特性 rc 考核指标，以确保所选用的 ni 内电极瓷介 电容器的各项性能参数满足用户诉求，可以长时间 稳定可靠，保证整个电子系统的良好工作，确保装 机运行的可靠性。参考文献：1 钟建薇, 梁力平. 多层片式瓷介电容器贱金属电极的制造方法 j.电 子元件与材料, 2004, 23(12): 32-35.2 吴大鹏. 镍电极x7r抗还原瓷料的研制 d. 成都: 电子科技大学, 2013: 1-4.3 宋子峰, 张尹. 片状多层瓷介电容器可靠性问题分析 j. 世界电子元 器件, 2004, 3(3): 78-79.4 丁祥金, 高霞, 盛玫, 等. mlcc 的质量控制与失效分析 j. 世界电 子元器件, 2002, 1(9): 47-48.5 龙毅.串联电容器组的耐压能力j. 渝西学院学报: 自然科学版, 2003,2(1): 29-316 秦曾煌. 电工技术 m. 北京: 高等教育出版社, 2006: 78-81.7 华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础 m. 高等教育出版社, 200