具有带隙结构的迟滞比较器电路设计

摘要：基于LED驱动的微功耗DC—DC转换器，针时低压高稳定性的要求设计了一款具有带隙结构的迟滞比较器电路，它的最低输入电压为1．2 V，其核心电路有带隙基准比较器、射极跟随器和迟滞比较嚣。整个电路采用Bipolar工艺设计，利用HSpice软件对所设计的电路进行了仿真与验证。结果表明，迟滞比较器的迟滞电压为8 mV，翻转门限电压随输入电压和温度的变化均很小。
关键词：DC—DC转换器；带隙基准；迟滞比较器；Bipolar

    在大多数的便携式产品中，它的显示器几乎都采用LCD，LCD本身不能独立发光，必须要有背光源才能发光，因此LED驱动变得越来越重要。在便携式产品中，它的电源几乎都采用电池供电，电池有镍镉、镍氢、锂离子和碱性电池，镍镉、镍氢、碱性电池的工作电压是1.2V，锂离子工作电压是3．6 V或3．7 V。要驱动串联的几颗LED。上述的几种电源均不能满足要求，所以必须采用升压型的DC—DC驱动LED。
    本电路没有设计单一的基准源模块。这是因为它的最低输入电压为1．2 V。如果采用基准源模块的设计方法，要获得一个与温度和电源电压无关的基准源，整个电路的输入电压基本上要超过2 V，不满足设计要求。因此，采用一个自身具有恒定翻转门限的迟滞比较器，实现了基准源和使能比较器的功能。

1 电路设计
1．1 电路功能
    迟滞比较器的功能是将反馈电压VFB与内部的门限电压相比较，控制其他模块是否正常工作。当反馈电压VFB比内部上门限电压高时，迟滞比较器的输出将使其他模块不工作；当反馈电压VFB比内部下门限电压高时，迟滞比较器的输出使其他模块正常工作。
1．2 具有带隙结构迟滞比较器的电路原理
    带隙基准迟滞比较器由3部分构成(见图1)，带隙基准比较器、射随器和迟滞比较器。工作原理为：输入端与内部的基准门限电压进行比较，当输入端电压超过内部基准门限时，Q12集电极中没有电流流过，即输出电流IOUT为0；当输入端电压低于较低门限时，Q12集电极中有电流流过，即有IOUT流过，从而实现了输出电流IOUT的迟滞控制。
1．2．1 带隙基准比较器
    图1中左边部分是带隙基准比较器。Q2的发射区面积是Q1的n倍。电流Ic2，Ic1与反馈电压VFB的关系如图2所示。设流过Q1集电极的电流为Ic1流过Q2集电极的电流为Ic2。其工作原理是：当反馈电压VFB较低时，Ic2>Ic1，A点电压比B点电压高；当VFB从低电平逐渐增加时，电流Ic2，Ic1均增加，Ic2曲线斜率比Ic1曲线斜率小；当VFB达到带隙基准比较器的翻转门限时，Ic2=Ic1，A点电压与B点电压相等；当VFB超过带隙基准比较器的翻转门限时，Ic2<Ic1，A点电压比B点电压低，比较器发生翻转。

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    计算带隙基准比较器的翻转门限电压。由Q1，Q2构成了带隙电路中△VBE的NPN对，电流设置电阻是R1，增益电阻是R2。R3可限制驱动Q2的基极电流，这可以防止其进入深饱和，维持电路正确的工作和限制偏置电流。R4，R5电阻值相等。

    于是带隙比较器的翻转门限电压就等于VTH。
    在T=300 K时，；VT与绝对温度成正比，此时VT=8．62×10-5T；VT随温度的增加而增加，而Vbe随温度的增加而减小，它的温度系数。在式(5)中，第1项是正温度系数，第2项是负温度系数，合理调节R2，R1的比值和n，就可以得到与温度、电源电压无关的翻转门限电压。
1．2．2 迟滞比较器
    迟滞比较器的设计不是采用比较器输出端加反馈电阻到输入端，即改变比较器输入门限的方法，而是采用改变电路的平衡性，在比较器的反相输入端引入一失调电压来实现迟滞功能。
    (1)迟滞比较器的框图
    图3是图1中迟滞比较器的简化原理方框图。其工作原理是：当VIN+为低电平并逐渐增加时，比较器输出OUT为低电平，反馈回路使得开关K打开。当VIN+>VIN-+VOS时，比较器发生翻转，输出高电平，反馈回路使得开关闭合。VIN+由高电平开始下降时，反馈回路使得开关处于闭合状态，当VIN+<VIN-时，比较器发生跳变，输出变为低电平。因此该比较器迟滞电压为VOS。

    (2)实际电路设计
    图1电路中，Q11，Q12，Q9，R10提供迟滞反馈回路。Q13相当于图3中的开关K。Q11，Q12，Q13构成电流镜，当Q12集电极有电流流过时，Q11，Q13集电极也有电流流过。当C点电压高于D点电压时，Q10导通，Q12集电极中有电流流过，Q11的集电极，电流流过R10，Q9的发射极电位升高，Q9截止，迟滞比较器处于一种工作状态(相当于图3中K闭合)，设此时流过R8中的电流为IH。当C点电压低于D点电压时，Q10截止，Q12集电极中没有电流流过，Q9的集电极电位变低，Q9导通，迟滞比较器处于另一种工作状态(相当于图3中K打开)，设此时流过R8中的电流为IL。
    迟滞过程为：当C点电压从低电平逐渐增加时，Q10截止，Q12集电极中没有电流流过，Q9的发射极电位变低，Q9导通，流过R8中的电流为IL；当C点电压与D点电压相等时，比较器发生翻转，设此时D点电压为VH，Q10导通，Q12集电极中有电流流过，Q11的集电极电流流过R10，Q9的发射极电位升高，Q9截止，流过R8中的电流变为IH，Q9由截止变为导通，引起流过R8的电流变化量△IR8=IL-IH，R8两端的电压变化量为△V=R8×△AIR8，相当于迟滞比较器的负端电压减少△V，当C点电压低于VH-△V时，迟滞比较器发生翻转。于是迟滞比较器的迟滞电压为△V。 [p]
    (3)整体电路的门限电压和迟滞电压
    当VFB从低电平逐渐增加时，Ic2>Ic1，于是C点电压高于D点电压，Q10导通，Q9截止。当输入电压VFB达到带隙比较器的翻转门限时，Ic2=Ic1，此时迟滞比较器发生翻转，Q10截止，Q9导通，设此时的VFB=VOH，则有：
   
    当VFB从超过VOH电压逐渐减小时，迟滞比较器的工作点发生变化，只有当迟滞比较器的电压达到下翻转门限时，迟滞比较器才翻转，于是当VFB减小到VFB=VOH时，Q10并不导通，VFB继续减小，当迟滞比较器的电压达到下翻转门限时，迟滞比较器才会发生翻转，Q10导通，设此时的VFB=VOL，则有：
   
    式中：△U是△V等效到IN端的输入电压；△V是迟滞比较器的迟滞电压。于是整体电路的输入端FB迟滞电压为△U。它与Q9导通时流过的电流、R8大小有关。调节R9，R10的大小可以改变Q9导通时流过的电流，也就可以调节这个迟滞电压。改变R8的大小可以直接调整迟滞电压。

2 仿真验证
    迟滞比较器的仿真波形如图4～图6所示，图4为输出电流IOUT与输入信号FB的关系图。从图中可以看出，该电路能够实现8 mV的迟滞功能。图5和图6分别为迟滞比较器翻转门限随电源电压和温度的变化结果。可以看出，迟滞比较器的翻转门限随温度和电压变化均较小，验证了电路的稳定性较高。

3 结语
    传统的带隙基准电路和迟滞比较器电路占芯片面积较大，工作电压和功耗都比较高。本文设计的具有带隙结构的迟滞比较器工作电压低至1．2 V，大大节省了芯片面积，适用于微功耗DC—DC转换器中，主要用于镍镉、镍氢和碱性电池供电的便携式产品。