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0 引言
集成PWM开关电源已在通讯、电子计算机等领域获得了广泛应用。为适应便携式电子产品对电源提出的性能要求，开关电源必须以高效率、高精度、小体积为主要方向发展。一般情况下，开关电源多采用功率半导体器件作为开关，并通过输出PWM来控制开关的占空比以调整输出电压。开关电源根据定频控制方式可分为电压型和电流型PWM控制。而电流型PWM控制方式以其控制简单精确、易于实现且动态响应好等优点，而被广泛应用于多种电源与控制系统中。
1 电路原理
图1是电流控制型开关电源电路原理图，它采用PWM调制法将电压误差放大器采样放大后缓慢变化的直流信号与恒定频率的三角波斜波进行比较，从而根据脉冲宽度调制原理得到一定占空比的脉冲宽度信号，以推动开关功率管的开与关，最后经变压器耦合后得到恒定的输出电压。该电路的核心是PWM比较器。电路的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。为此，文中给出了一种新型高性能电流型开关电源PWM比较器的设计方法。
PWM比较器同相输入端是误差放大器输出的直流信号；反向输入端是锯齿波发生器产生的三角波信号；该信号经内部放大后，即可输出PWM信号。图2是电流型PWM比较器的工作波形。
2 PWM比较器电路设计与分析
本设计的PWM比较器电路原理图如图3所示。PWM比较器主要是将锯齿波发生器产生的三角波电压和来自误差放大器输出的采样电压，在PWM比较器内部进行比较来输出PWM波形。电路中的VC为控制信号，作为比较器的同相输入端；VCS为振荡器产生的锯齿波信号，作为比较器的反相输入端；Vb为电路中的偏置信号，可提供差分对管的偏置和有源负载；最后经过一个反相器输出脉冲宽度调制信号VO。图3中的三个电容是为计算延迟时间画出的等效电容。
该电路用两个尺寸完全一致且具有低驱动电流能力的PMOS管作为差分输入管。两个输入信号中，电压较低的，其开启状况较好，流过的电流也较大；相应的输出电压双会升高，这两个输入信号分别控制两个NMOS管M9和M10，当VC电压值较低时，M10的栅电压较高，M9则处于临界导通状态，此时V0输出高电平。图3中，M8是为防止M9栅电压过高时电流过大所设置的。该电路是双端输入转单端输出放大电路，经差分放大后输出微弱信号，由于信号弱，输出电压摆幅小，本设计中加入了共源共栅放大电路，末级输出的反相器就是为了增加电路的负载能力。
一般集成电路对比较器的性能要求主要从输入失调电压、响应速度、功耗和面积几个方面来考虑。 2.1 系统输入失调电压
电路的输入失调电压主要是实际电路中元器件参数值的不相同造成的，其中主要是两个输入管的阈值电压、导通电阻等区别。为了减小工艺误差对电路性能的影响，两个输入PMOS管的面积应做得很大，以便补偿掺杂浓度、沟道调制效应、氧化层电荷密度等因素起伏的影响，本电路采用输入PMOS管的宽长比为300μm／6μm。
推导系统输入失调电压时，可设电路完全平衡，即Vp的输入能以Vn输入相同的方式被传送到输出端。即M6和M7管完全匹配，M9、M10流过M5的电流平分流过M6、M7。故有：
根据M9和M5的尺寸比可得到M9的电流。同理，也可得到M10电流，将I10电流按M16和M4的尺寸比镜像到I16。即：
从上面公式中可以看出，在工艺参数一定的情况下，增益和失调电压成反比，这就要求我们在几个方面综合考虑。相比之下，90的增益就可以满足需要。为了减小输入失调电压，可以缩小眠的宽长比。经仔细调整各MOS管的宽长并综合仿真，本系统的失调电压仅为0.118
mV。
2.2比较器速度分析
电路的反应速度和输入信号差的绝对值有关，绝对值越大，反应速度越快。此外，该反应速度还与偏置电压有关，Vb电平越高，差分对管流过的电流越小，对后级MOS管栅电容充放电的速度越小，比较器的反应速度降低；而当Vb电平很低时，M11的偏置电压也较低，同样，比较器的反应速度也会下降。
比较器速度是由给寄生电容和电路电容充放电电流大小确定的。图3中，C1是由M2与M4的漏扩散区造成的总耗尽电容；C2则由耗尽电容C1和栅源电容Cgs组成。
比较器的传输延迟主要由三级延迟构成，第一级延迟是从静态工作点跳变到第二级跳变点所用时间，假设驱动第二级器件在跳变过程中大部分时间处于饱和区，并可近似认为有一恒定电流驱动寄生负载电容。那么，第一级延迟为：
第二级延迟是在第一级延迟时间结束时输出一个阶跃变化的信号开始的，可以通过输出的任一电源跳变到下级跳变电压的时间计算出来，因此，I6可用于确定第二级输出速度。这样，其第二级延迟为：
同样，第三级延迟是由输出反相器产生的，延迟时间的计算主要是根据输入电压上升到50％与输出电压下降到50％地的时间。
基于以上几点，本电路的总延迟为：
3仿真结果分析
根据以上分析和计算，本文采用1.2μmCMOS工艺HSPICE模型参数对该电流型比较器性能进行了几个参数的仿真，其中电源电压为3V。在仿真开始时，令所有器件都取其最小值，然后在仿真过程中，再根据需要和电路功能参数来调整。首先确定I7，之后再逐一调整M6和M7以满足输出电压摆幅，使器件工作在饱和状态。
根据图3，PWM比较器的正端输入是频率为1MHz的锯齿波信号，要求在-3 db时频率要大于1MHz。本设计在调整后经仿真得到的PWM比较器小信号仿真波形如图4所示。由图可见，其正常增益达到了80
db，在-3 db时的宽带接近1 MHz，截至频率大于100 MHz。
图3中加入差分对管的目的是提升转换速率，以便能够加快比较器的翻转。实验结果表明，本电路的输出达到3 V所用的上升时间约4 ns，下降时间约5.5
ns，完全可以满足1 MHz工作频率的高性能要求。
4 与其它PWM芯片的对比
UC3842是美国Unitorde公司生产的一种高性能单端输出电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率半导体器件，并具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，故广泛应用于计算机、显示器、便携式电子产品等系统电路中作开关电源控制芯片。表1所列是本设计电路与UC3842的特性仿真结果比较。
从表1中可以看出，本电路与UC3842开关电源控制芯片的相比，其工作环境温度、工作频率、响应时间等均有明显的优势。而增益没有UC3842芯片高，但是，该参数在综合各方面性能的情况下，已经完全可以满足要求了。
5 结束语
本文详细介绍了开关电源电流型PWM比较器，与普通PWM比较器相比，具有更低的系统失调电压，增益高，功耗低，转换速度快等优点。在设计开关电源电流型PWM控制芯片时，可以直接将该电路运用于设计的比较器中。从而实现模块化和高性能!
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