一種電流模式多輸入可控PWM比較器設計*

吳鐵峰 ，張鶴鳴，胡輝勇

1.西安電子科技大學微電子學院， 寬禁帶半導體材料與器件重點實驗室， 西安710071；

2.佳木斯大學信息電子技術學院， 黑龍江 佳木斯154007

在DC-DC開關電源電路中，開關控制電路的控制模式一般采用脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)，而脈沖寬度調制(PWM)方式的控制和實現都較脈沖頻率調制來簡單，因此其在開關電源中的應用更為普遍[1]。

PWM技術控制模式主要可以分為兩種：電壓控制模式和電流控制模式。針對電壓模式PWM控制技術的不足，出現了電流模式PWM控制技術，這種控制方式可以有效地改善開關電源的電壓調整率和電流調整率，也可以改善整個系統的瞬態響應。由于電流模電路具有動態范圍大、速度快、頻帶寬、非線性誤差和失真小等特點，所以電流模式PWM控制技術成為目前PWM控制技術中的主流[2]。

PWM比較器[3-4]是PWM控制器電路中的關鍵模塊電路之一，其作用是對輸入的電壓信號進行比較，輸出一定占空比的脈沖寬度調制(PWM)信號。本文針對常見比較器只比較兩路信號進行輸出的特點，在雙極工藝下研究設計一個基于電流模式[5]控制的多輸入，同時具有鎖存功能和比較器延遲時間短的可控比較輸出電路。該電路能夠同時對三路輸入信號進行比較輸出并對輸出信號進行鎖存，其中一個同相輸入端控制比較器是否產生輸出信號，從而可以降低開關頻率，對PWM控制電路起到保護作用。仿真和測試結果表明，該電路能夠完成設計所要求的功能并且具有極佳的性能。

1 常見壓控輸出控制比較器

電壓模式PWM控制技術[6]，其工作原理如圖1所示，比較器只接受兩端輸入，由誤差放大器的輸出電壓V1和斜坡電壓V2同時輸入到PWM比較器進行比較，最后得到一定占空比的PWM信號Vo輸出。輸出電壓能及時反饋回輸入回路，這就是電壓模式的PWM控制技術的原理，明顯的缺點就是只有電壓反饋而沒有電流反饋。由于開關電源的電流要流經電感，因此相應的電壓信號會有一定的延遲，而且對于穩壓電源來說，需要不斷地調節輸入電流，以適應輸出電流的變化和負載的需求，從而達到穩定輸出電壓的目的[7-8]。

圖1 壓控PWM比較器控制輸出原理示意圖

2 新型電流模式控制比較器設計

2.1 電流模式控制的比較器工作原理

電流模式控制的比較工作原理如圖2所示， V-端直接輸入到PWM比較器，這一端也可以作為電流控制模式的電流感應端來工作。在應用中，感應電流通過電阻RCS接地。通過電阻R1提供流過R2的失調電流，以便于誤差放大器和錯誤關斷都可以使電流降為零。R2也連同電容CF一起作為濾波器削弱負載電流的峰值信號。在這種模式下，通過R3/R4的分壓可以對電流進行限制。PWM功能的核心是PWM比較器，它只接納最小正輸入，輸出脈沖始于時鐘的終點，結束于斜波掃過三個正確輸入中的最低電壓值。

圖2 電流模式比較器控制輸出原理

2.2 電流模式控制的比較器電路設計

本文設計的PWM比較器電路模塊具體電路如圖3所示。

在電路設計中，為了縮短比較器的傳播延遲時間，應用了提高帶負載能力，增大放大部分的增益的方法。電路設計中采用了雙端輸入，單端輸出的差分

圖3 PWM比較器模塊電路圖

方式。由于對任何放大電路來說，其輸出都可以等效成一個有內阻的電壓源，如假設從放大電路輸出端看進去的等效內阻為Rc， U′o為空載時輸出電壓的有效值， Uo為帶負載后輸出電壓的有效值， RL為負載，則：

等效內阻Rc越小，則電路帶負載能力越強。對于差分電路來說，雙端輸出方式的輸出電阻Ro值為：

而對于單端輸出方式，輸出電阻值為：

比較而言，單端輸出的電阻僅是雙端輸出時的一半，這樣就提高了電路的帶負載能力。

而雙端輸出為：

雙端輸出的增益要高于單端輸出的增益。若設流入T15基極的電流為i15， T11的集電極電流為i11，那么調整電阻可使

即輸出電流為單端輸出時的兩倍，因而本電路設計中，單端輸出的電壓放大倍數接近于雙端輸出時的情況。通過這種方式，從仿真和測試結果中，能夠看到比較器的傳播延遲時間得到有效改善。

DC-DC開關電源在啟動過程中，容易產生浪涌電流，可能對系統產生損害。為避免啟動時輸入電流過大，輸出電壓過沖，在設計中采用V+1控制端來控制電路輸出，其作用是給輸出端的電壓設定一個固定的閾值，當電壓未達到該閾值時，輸出電路不工作，讓電路開始工作時不能在全占空比下啟動，使輸出電壓以受控的上升速率增加至穩定點。圖4是V+1控制電路工作時的仿真波形圖，顯示了電路開始工作時的過程，圖中V+1是控制器電路啟動時，充電電容上的電壓變化波形；V+2是由誤差放大器輸出端提供的電壓；V-是斜坡發生器產生的三角波電壓，其中， V+1， V+2輸入到PWM比較器的同相端，而三角波電壓V-則輸入到PWM比較器的反相端。根據以上的分析可知，為了在電路啟動的時候讓輸出脈沖占空比從小到大逐漸變化，對電路起到保護作用， V+1端除了控制輸出電路啟動外，還具有對輸出PWM脈沖進行占空比鉗位的作用，給電路的輸出提供了寬范圍的占空比。因為只要滿足V+1＜V+2+0.7 V這個條件，所以輸出PWM脈沖的占空比就由V+1和V-來決定；若兩個同相輸入端滿足V+1＞V+2+0.7 V時， V+2端起作用，否則V+1起作用。

圖4 輸出控制原理示意圖

圖5給出了PWM控制器中比較器部分的版圖。

圖5 比較器部分版圖

在PWM輸出控制電路中， PWM比較器模塊電路除了要有比較器的功能外，還要具有能受控于其它反饋控制信號的功能，其中， Vcl是限流比較器電路輸出的一路控制信號；Vdr為驅動開關的使能信號，用以控制此模塊電路是否處于的工作狀態；Vdd是電源電壓輸入端；Vref是基準電壓源輸入端；VR端為振蕩器的輸出端；PWM-out是此模塊的輸出端。另外，在PWM比較器設計中還設計了鎖存功能，這是為確保每周只有一個脈沖輸出，且在PWM比較器交迭時抑制振蕩。

3 仿真與測試結果

為簡單起見，首先仿真分析Vcl端和VR端都是低電平時的工作情況。當給比較器的同相端V+2加上一個直流電壓，反相端V-加上一個三角波電壓時，如果V+2＞V-，晶體管T6導通而T5截止。從而T15導通，導致T17和T19截止， V3是由驅動偏壓提供的約30 V的高壓，所以此時PWM-out端輸出為高電平。反之，若V+2＜V-，則晶體管T5導通T6截止， PWM比較器輸出端為低電平，此時，晶體管T15和T16截止， T17和T19導通，T19工作在飽和區，從而輸出端PWM-out為低電平。

因為之前假定Vcl端和VR端都是低電平，故此時整個PWM比較器模塊功能就相當于一個普通的比較器電路。

當Vcl和VR端至少有一個為高電平時，晶體管T12導通，故此時，不管比較器兩端輸入如何，其輸出均為低電平，故整個模塊電路輸出PWM-out端為低電平。從而實現在電路在其它異常情況下，使此模塊輸出為低電平的功能，以對輸出進行控制。

對以上分析的兩種情況，本文對電路模塊功能Cadence環境下使用spectre進行模擬仿真，仿真模型基于華越雙極SB45工藝，得到了圖6和圖7。

(1)Vcl和VR端都是低電平

此時電路功能就相當于一個簡單的比較器模塊，輸出PWM-out為一個脈沖，其占空比完全由兩個輸入端V+2和V-控制，如圖6所示。

圖6 PWM比較器輸出波形1

(2)Vcl和VR端至少有一個為高電平

此時，模塊電路輸出端PWM-out的脈沖占空比除了受比較器兩個輸入端控制外，還受Vcl和VR端的影響。當Vcl和VR端有一個為高電平時， 輸出PWM-out就為低電平，如圖7所示。

圖7 PWM比較器輸出波形2

電路的仿真與測試結果對比如表1所示，為了避免浪涌電流對系統的損害，要求占空比具有一定的范圍，從測試結果上看，設計的比較器輸出電路能夠控制占空比在一個較寬的范圍內變化，并最終保持高的穩定值。同時，比較器的延遲時間也較短，提高了PWM控制器性能。就本設計所關心的問題在圖8和圖9給出測試結果，圖8是控制電路關斷時間的測試結果，圖中給出輸出電壓和占空比的鉗位電壓，與仿真結果基本一致。圖9在不同的溫度下對輸出飽和電壓進行了測試，符合PWM控制器的工作要求。

表1 仿真與測試結果對比

圖8 關斷時間

圖9 PWM輸出飽和電壓

4 結論

本文設計了一個基于華越SB45 雙極工藝的用于PWM控制器輸出的比較器電路，該電路基于電流模式控制，能夠同時對三路輸入信號進行比較輸出并對輸出信號進行鎖存。在比較器電路設計的時候，使用了兩個同相輸入端，其中一個同相輸入端控制PWM比較器是否產生輸出信號，從而可以降低開關頻率，對PWM控制電路起到保護作用。仿真和測試結果顯示該比較器能有效地控制PWM輸出，并且延遲時間短和具有寬范圍的占空比。

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