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振蕩器作為DC-DC變換器中的核心模塊之一，要求在電源電壓、溫度和工藝的容差范圍內產生低偏差的振蕩頻率和占空比。文獻[1]～[3]針對DC-DC變換器的應用提出了各自的振蕩器結構。文獻[1]實現了頻率選擇功能，但未考慮MOSFET工藝波動對時鐘信號的影響；文獻[2]采用了電阻溫度補償的方法實現了環形振蕩器在所有容差下的頻率穩定，但未對占空比的容忍度進行分析；文獻[3]將DC-DC變換器的外同步信號引入振蕩電路，實現了寬范圍內的頻率可調功能。本文在DC-DC變換器所采用的傳統振蕩器結構[2]基礎上做了如下改進： (1)采用雙電容充放電，利用RS觸發器的保持機制，實現高、低電平時間的分別控制； (2)在電容充電電路中，引入有源負反饋，減小電源和溫度對充電電流的影響； (3)將DC-DC變換器的反饋電壓引入該振蕩器，以實現過載或輸出短路情況下開關頻率和導通占空比的降低[4]。 1 振蕩器電路設計與分析 1.1 等效架構電路 振蕩電路由CLK低電平控制電路和CLK高電平控制電路兩部分構成（如圖1所示），分別用來控制時鐘信號CLK的低、高電平時間。VCC_A和VCC_D分別由DC-DC變換器內部的模擬電源和數字電源產生，本文設定其典型值為：VCC_A=3.3V，VCC_D=5.0V。FB為DC-DC變換器的反饋引腳，當VFBth2時，CLK頻率f=110kHz，低電平占空比D=96%，用于芯片過載和短路的情況；反之，芯片工作于正常模式，兩指標分別為340kHz和90%。 圖2為該振蕩器的工作時序波形。系統上電后，電流源I1開始為電容C1充電，比較器CMP1輸出低電平（R=‘0’）；同時，電容C2兩端電壓不可突變，經比較器CMP3輸出S=‘0’。這將迫使觸發器保持系統初態(Q=‘1’)，因此CLK保持低電平。當C1上端電壓達到門限Vth1時，CMP1輸出變為高電平(R=‘1’)，觸發器被復位（Q=‘0’），因此CLK跳變為高電平。之后，NMOS管M5和電流源I2被打開，電容C1迅速放電，電容C2開始充電，使觸發器再次進入保持態直到C2上端電壓到達門限Vth3。CLK端便在觸發器置位→保持→復位→保持→置位的循環機制中形成周期性的方波信號。 1.2 偏置電路 通常情況下，在電容充放電的振蕩機制中，頻率與充電電流呈線性關系，因此，偏置電流的溫度和電源壓控特性直接影響振蕩頻率。在圖3所示的偏置電路中，QB的基極電壓由普通帶隙基準產生的VREF(1.25V)提供。具有正溫度系數的電阻RB與Vbe的負溫度系數相抵消，產生溫度系數很小的參考電流IREF，通過電流分配技術[5]為振蕩器提供不同的偏置電流。 1.3 電壓比較器電路 比較器是振蕩器中的關鍵電路之一，其延時對高速時鐘信號的周期有較大影響。圖1中的電壓比較器CMP1和CMP2的實現如圖4所示，在兩級開環比較器的輸出增加兩級推挽反向器，可以在不降低轉換率的情況下提高負載驅動能力。 該比較器具有70dB以上的增益和100kHz的-3dB帶寬，因此只有幾十納秒的階躍響應，該性能對于中心頻率為340kHz的振蕩器來說，可以保證頻率有良好的穩定性和可控性。 1.4 振蕩器核心電路設計 圖5是圖1的具體實現，其中(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3。當VFB>Vth2時，C1的充電電流為： 式(1)中，R=R1+R2+R3+R4。為了減小VCC_A和溫度對I1的影響，除了采用較為精確的Triming電阻R5和R6，還加入PMOS管M2，在Q1射極端形成有源負反饋[6]，如圖6的小信號電路所示。等效跨導為： 如果ro2>>gm、ro>>gm，則式(2)簡化為Gm≈1/ro2，這表明Vin的變化大部分落在M2上，從而使M1電流和充電電流I1保持穩定。 在I1支路中串聯一個二極管連接的M4管，在RAMP端產生與CLK同步的用于電流模式DC-DC變換器的斜坡補償信號。通過1.1中振蕩機制的分析可得CLK的低電平時間（不考慮比較器延時）為： 圖5中，充電電流I2由偏置電壓VBais1決定，結合圖3和圖4中的尺寸關系（不考慮溝道調制效應），可得： CLK的高電平時間（忽略反向器延時影響）為： 其中，Vth3為反向器INV的翻轉電平。 因此，CLK頻率和占空比的計算公式為： 觀察式(1)、式(3)～式(6)可以發現：根據芯片所需的頻率和占空比選定電容，且反向器采用標準數字單元，則I1的確定通過調節R1～R6的阻值及比例實現，I2由M8的尺寸確定。從而分別實現CLK信號低、高電平的簡單可控。 2 仿真結果分析與討論 基于UMC 0.6μm BCD工藝，用HSPICE在-40℃～+85℃、三種電源(VCC_A vs.VCC_D=3.0V vs.4.5V；3.3V vs.5.0V；3.6V vs.5.5V)以及5個MOSFET工藝（TT、FF、SS、FS、SF）波動的環境下對振蕩器進行仿真驗證，給電源施加階躍激勵、FB施加線性上升 (0～0.9V)電壓，得到圖7所示兩種情況(下標L代表110kHz，H代表340kHz）的f-T、D-T特性曲線。表1給出了三種不同電源下的振蕩頻率和占空比。 圖7表明，一方面頻率隨溫度的變化并未呈現近似的線性關系，而是有峰值的出現，這是因為電阻、電容和MOSFET的溫度系數是非線性的。在低溫時，f表現為正溫度特性，在0℃附近，f轉為負溫度特性。另一方面，占空比與溫度接近線性關系。對于PWM型DC-DC變換器來說，輸出電壓是開關信號占空比的函數。因此，該線性關系有利于變換器溫度性能的調節。 將最壞情況下的數據列于表2中。統計結果表明，該振蕩器對容差的容忍度較好，適用于輸入電壓范圍較寬的DC-DC變換器的低成本設計。 本文提出了一種用于DC-DC變換器的振蕩電路，并對其電路特點和性能進行了詳細分析和仿真。結果表明，芯片過載時具有自動降頻保護功能，在偏置電流、電源電壓、溫度以及MOSFET工藝容差下有良好的頻率和占空比穩定性，且占空比與溫度的近似線性關系對于DC-DC變換器來說有利于開關信號對輸出電壓的調節。 |
