一种用于DC/DC变换器中的BiCMOS迟滞比较器电路设计 |
| 2013-03-05 10:29 作者：吴海波 谭传武 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，比较器是DC/DC电荷泵转化器中的重要组成部分，其性能优劣决定着DC转换的速度和精度。基于BiCMOS0.6um工艺设计一种高速低功耗的迟滞比较器电路，利用Hspice仿真结果表明：在电压电压变换时比较器电路增益达到72dB，迟滞电压为0.1V，DC/DC变换器输出稳定5V，出现30mV的纹波电压。
关键词：比较器；迟滞；BiCMOS
0引言
DC/DC变换器是电子设备必不可少的组成部分，DC转换器的性能优劣直接关系到系统的可靠性。比较器是判断DC/DC变换器电荷泵启动或关断的依据，为了得到宽电源范围下的稳定电压输出，并提供稳定、高精度的基准电压和偏置电流，需要提高比较器分辨率及精度，因此比较器电路性能的优劣决定了电荷泵转化器的输出是否精准。
本文在综合考虑功耗、比较器的增益和迟滞范围的基础上，设计一种结构新颖的BiCMOS迟滞比较器电路。该电路在宽电压范围内有很低的功耗和失调电压，有较高的转换速度和比较精度，非常适合应用在DC/DC变换器中。
1电路结构设计
比较器电路如图4-10所示，为DC/DC变换器的一个电路模块，其偏置电压VB与参考电压BG都由带隙基准模块来提供。M15与M16为比较器电路提供电流参考。DC/DC变换器输出电压VOUT通过内部电阻R1与R2分压，得到反馈电压VF接误差放大器的输入端，比较器完成两个输入信号进行比较。
图1比较器电路图
比较器的输出控制DC/DC变换器振荡器模块的工作，在输出电压低于目标电压的时候振荡器启动，打开功率开关进行电荷泵倍压充电，一直充电到输出电压稳定为5V，电荷泵停止工作。当BG>VF，M1、M2、M3、M4、M5组成的运放输出，使得M9导通性能变差，比较器输出OUT为低电平。当BG<VF，M1、M2、M3、M4、M5组成的运放输出，M9导通性能更好，比较器输出OUT为高电平。
如果输出电压刚低于5V时经比较器检测出来启动电荷泵，高于5V时关掉电荷泵，会使得MOS功率管总是在输出为5V上下动作，必然导致功率管开关过于频繁，进而增加芯片内部功耗，所以需要为比较器引入迟滞。
图1中M7、M14、M6的存在使得比较器具有迟滞功能，如果DC/DC变换器的输出电压VOUT进一步增大，则比较器的OUT端口输出高电平，M7检测OUT端的高电平信号马上导通，此时VOUT端振荡器模块停止工作，输出主要靠输出电容放电维持并慢慢下降，由于M7的导通分流作用，使得M3进入线性区，并且TE点的电位随之下降，实现比较器的迟滞功能。当VOUT继续下降，误差放大器检测到VF<BG，使得输出OUT端为低电平时，M7关闭，TE点电位回到VDD-VGS4。
2电路仿真结果
基于华润上华0.6um工艺采用Hspice对比较器蒂娜路进行仿真，仿真如图2所示，比较器在低频下的增益达到72db，电路能很准确的判断VF与BG的大小，达到了预期的精度指标。
图2比较器的增益仿真
比较器迟滞功能仿真如图3所示。从4-5.5V扫描得到，比较器的迟滞范围为0.1V，当芯片高于5V时DC/DC变换器振荡模块停止工作，当芯片输出电压低于4.9V时，DC/DC变换器振荡模块启动开始充电。
图3比较器迟滞功能仿真波形
DC/DC变换器电压输出VOUT仿真如图4所示，从图4可以看出，反复的充电放电，使得输出电压出现纹波。
图4DC/DC变换器输出仿真波形
3结论
本文设计了一款高速高精度低噪声的比较器，该比较器采用了两级放大器级联的结构，能很准确的判断DC/DC变换器的输出电压与基准电压的大小，并实现了迟滞功能。仿真结果表明，比较器的增益达72dB，有很高的精度，并实现了迟滞，非常适合应用在DC/DC变换器之中。
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