电流模式开关电源中的高精度锯齿波振荡器设计

摘要：提出了一种用于开关电源芯片的高性能锯齿波振荡器。基于U-I转换器原理，设计了精密电流产生电路；利用系统内部基准电压，设计了一种门限电压产生电路，从而有效地提高了振荡器频率稳定度和精度。基于TSMC 0．5μm BCD工艺，利用Spectre软件进行电路仿真，在芯片典型应用环境下仿真得到锯齿波振荡频率为132kHz。频率随电源电压在3．6～6．4V变化范围和温度在-27～27℃变化范围以内可控制其偏移在±3％以下。该锯齿波振荡器已经成功应用于一款AC／DC降压开关电源芯片的设计中。
关键词：振荡器；开关电源；锯齿波振荡器；基准电压

近年来，开关电源芯片被广泛应用于通信电子产品的电源供电系统。目前，关电源主要采用PWM控制电路，锯齿波振荡器是PWM控制电路
的核心功能部件。在电源电压、温度、工艺和环境负载变化或者漂移的条件下，要求振荡器能够产生频率稳定的信号输出。许多锯齿波振荡器虽然具有稳定性好、精度高的特点，但受环境温度和电源电压影响较大，基于以上要求，本文设计一种锯齿波产生电路。

1 电路结构及原理
1．1 电路整体框架及原理
图1为RC振荡器的原理图。本文提出的锯齿波振荡器主要由三部分构成，一部分是基准产生的电流I1和I2，一部分由电容C和开关K1、K2组成，最后一部分是控制电路。

该电路利用基准源产生的电流I1对电容C进行充电，利用电流I2进行放电，从而产生对开关K1和K2的控制信号。
产生脉冲的工作过程如下：假设输出信号Um为低电平，使开关管S1导通，S2关断。这时电流I1对C进行充电，使a点电压Ua升高，经过控制电路作用后，使输出信号Um变为高电平；然后，Um使开关管S1关断，S2导通，电流I2对C进行放电，使a点电压Ua降低，输出Um又变为低电平。电路如此反复循环工作，便在输出端产生振荡信号，Ua是产生的锯齿波信号。
1．2 具体电路设计实现[p]
振荡器实际电路结构如图2所示，其中Uref引脚输入的是来自带隙基准的参考电压，Um是输出给后级的最大占空比信号，Uout是所要求的锯齿波输出信号。

VT2和VT3，VT6和VT7组成两组电流镜，则充放电电流I1和I2为：

假设振荡器输出信号Um初始值为低电平，VT4打开，VT5关断，电流通过VT4流到电容，电容进行充电。此时Ua低于VH，COMP1输出高电平，Ua高于VL，COMP2也输出高电平，Um保持低电平。直到C的电压上升到高于VH一点，COMP1输出低电平，使得Um翻转为高电平。此时VT5打开，VT4关断，电流通过VT5，电容C通过VT6支路进行放电，逐渐减小。直到C的电压降低到低于VL一点，COMP2输出低电平，Um翻转为低电平。电路如此循环，在输出端产生振荡信号。[p]

如图3所示，门限电压是由Uref1对Uref2产生，Uref1对Uref2是来自基准模块的电压，不随温度和电源电压变化，所以VH和VL基本保持恒定。
1. 3 输出频率的计算
不同的充放电电流决定了输出高低电平的不同脉宽，所以决定了方波信号的占空比。具体原理如下：
在一个充放电周期内设电容的充电时间为Tr，放电时间为Tf，电容充放电的周期为Ts，由电容的电流公式：

调整VT6和VT7的宽长比，可以得到较小的充电电流和较大的放电电流，当I2>>I1时，可以得到

得到锯断波的下降沿近似垂直。通过调整电容C或者R的大小，可以得到预期的锯齿波振荡周期为Ts=7．6μs，即振荡器的周期为132kHz。其中VH和VL都是由基准电压而得到的，故不随外界条件变化，从而使振荡频率不受电源电压和温度的影响而维持恒定。
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2 仿真结果与分析
此电路采用TSMC 0．5μm工艺实现，用Spectre进行仿真。在5．8V电源输入，27℃环境温度下，图4是振荡器产生的锯齿波信号以及最大占空比输出信号，由仿真结果可知锯齿波的频率精确控制在132kHz，且上升沿线性度好，下降沿陡峭，最大占空比达。

表1给出了振荡器在不同电源电压和温度下的振荡周期仿真结果，由表格所示结果可知，振荡频率最小为129kHz，最大为135kHz。频率漂移范围在±3％内，可见频率随电源电压和温度变化的影响较小，振荡器的精度较高。