适用于纹波控制型DC-DC变换器的比较器设计*

杨 靖，冯全源

(西南交通大学信息科学与技术学院/微电子研究所，成都610031)

适用于纹波控制型DC-DC变换器的比较器设计*

杨 靖，冯全源*

(西南交通大学信息科学与技术学院/微电子研究所，成都610031)

设计一种适用于纹波控制(Output-Ripple-Based Control)的Buck型DC-DC变换器的比较器，根据PSIM搭建的仿真模型，分析主环比较器性能对系统的影响，设计具有三级预放大的高增益，低延时，低失调电压的比较器电路，采用两种温度系数的电流补偿比较器增益，稳定增益，采用0.5μm BiCOMS工艺进行仿真验证，下降沿延时27 ns，增益123 dB，随温度最大增益变化3.2%，失调电压90μV，达到系统要求。

比较器;纹波控制;恒定导通时间;延时优化

随着电子技术的快速发展，诸如手机、照相机等便携式消费类电子产品的功能越来越强大，CPU主频越来越高，系统的功耗大幅上升，但电池容量大幅增加比较困难，因此系统的可运行时间成为了限制此类产品使用的主要因素之一。一方面是通过采用更先进的工艺，更低的工作电压，降低子模块的功耗，更低功耗的架构等方式降低系统功耗;另一方面则是不断提高电源芯片的转换效率，增加系统运行时间。

DC-DC转换器的控制模式有很多种，电压控制模式VM(Voltage Mode)DC-DC转换器，虽然控制环路比较简单，抗干扰能力强，但由于其输入或输出的变化只能在输出电压改变后才能检测到，并反馈进行调整，因此相应速度比较慢，需要复杂的补偿网络，同时需要额外的限流电路来对输出电流进行限制。电流型控制模式CM(Current Mode)DC-DC转换器，由于采用输出电流前馈控制，与电压控制模式相比，有更快的负载和输入瞬态响应速度，同时具有天然的限流功能，便于实现过流保护，但在占空比大于50%时要产生次谐波振荡，影响稳定性，需要斜坡补偿电路，此外开关周期受振荡器限制。迟滞控制由于不需要振荡器，只是通过比较器检输出电压，使其控制在一定范围内，因此环路响应非常快，不用补偿，但其开关频率受输入输出，及负载的影响，无法稳定。恒定导通时间COT(Constant On-Time)则是针对迟滞模式的改进，具有响应快，同时在占空比确定时，开关频率相对稳定，频率和输出电压纹波随占空比变化而变化，因为开关频率不稳定，会引起电磁干扰(EMI)的问题。自适应开启时间AOT(Adaptive On-Time)是对COT控制的改进，将开启时间确定为与占空比成正比的非固定时间，使开启时间随占空比变化，以保证在占空比变化时，频率保持相对稳定［1］。

1 系统设计分析

COT控制或是AOT控制，都是一种利用输出电压纹波来产生PWM波的控制方式。如图1所示，由于电容的等效串联电阻RESR的存在，在电容充放电过程中，输出电压会产生几十mV的纹波，经过芯片外的反馈分压电阻分压后，产生 VFB反馈信号。利用VFB与基准电平进行比较，On-Timer计时开始，S1导通，S2打开，电感电流上升，输出电压上升，计时结束后S1关闭，S2导通，电感电流下降，输出电压下降，当降到低于比较器阈值时，比较器输出翻转，S1关闭，S2导通，如此就实现了恒定导通时间的PWM信号。

图1 COT控制的Buck电路原理图

此架构通过反馈电阻RFB1和RFB2的精确选取，使得反馈电压达到内部比较器阈值，实现不同的输出电压，因此在芯片生产过程中需要对产生此比较器阈值Vref的分压电阻进行修整。

对于Buck型AOT控制，On-Timer定时器时间

其中D表示占空比，k为一系数，TDelay为比较器延时(包含PWM比较器与On-Timer比较器延时)，实际的开启时间:

如式(3)所示，由于比较器延时的存在，fsw和D相关，开关频率随占空比变化。

在PSIM软件中搭建COT模型，将主环比较器的延时分别设置为10 ns和40 ns，开关频率为700 kHz，输入电压4.5 V，输出电压1.05 V，仿真结果如图2所示，Vo表示延时为10 nS的Vout输出结果，Vo(PWM_Y)表示延时为40 ns的Vout输出结果，延时变大后，输出电压上移，对比占空比信号SW，可见，比较器的延时直接加在了开启时间Ton上面，比较器延时加大，使得Ton增加，高端管导通时间加长，Vout电平上升。对于COT控制，如果比较器延时，或者驱动级延时、反馈控制信号延时相对固定，则可以调整Ton时间，将延时直接算在Ton时间内，可降低延时对Vout的影响。

图2 比较器两种延时对系统影响仿真结果

比较器延时不仅受温度、电源电压、工艺偏差等影响，还受输入比较量斜率的影响，因为比较器具有一定的失调电压，在输入信号斜率较小时，达到失调电压的时间会加长，比较器才跳变，使得延时随占空比变化而发生变化，这就增加了系统的不稳定性，所以就需要降低比较器失调电压，以减弱这一影响［2］。通过系统分析，均衡各个模块的指标，对于开关频率小于1MHz，COT架构的DC-DC变换器，需要PWM比较器的失调电压小于200μV，增益大于100 dB，下降延时小于30 ns，同时延时随温度偏差要小于10%，以保证系统的稳定性。

2 比较器的设计

由于系统高增益，低延时，低失调电压的要求，本文设计的比较器如图3所示，采用0.5μm BiCMOS工艺，结合BJT和CMOS的优点，如传统的纯BJT比较器和纯CMOS比较器相比，在保证高速，高增益的同时降低功耗［3］。比较器是三级预放大，前两级采用NMOS做负载的NPN放大，以保证较宽的带宽和较小的延时，第三级采用CMOS差分放大，进一步提高增益，并对波形进行整形，最后加一输出级，以转化成全摆幅信号。

第一级和第二级放大，采用NMOS做负载，对于这NPN差分对的负载等效输出电阻为:

图3 PWM比较器原理图

通过NMOS管M1提高NPN差放的输出阻抗，以提高增益。

与CMOS相比，BJT的速度更快，具有更好的带宽，前两级采用NPN放大，但BJT的缺点是在集电极电流相对稳定时，受温度变化大，故需要正温度系数电流，以稳定NPN差放的增益，从基准模块出来的正温度系数电流IPTC

因为NPN的跨导gm是

如果电流IC是通过IPTC电流镜像过来的，那么IC就是IPTC的k倍，所以，

如式(9)所示，NPN放大级的增益就和温度无关了。但第3级和输出级是CMOS，受温度影响很小，采用温度系数低的电流偏置，以稳定其增益。

在COT或者AOT控制模式中，高端管导通时间相对固定，PWM比较器比较的是在低端管导通时，Vout下降至低于参考电压时，控制低端管关闭，高端管打开，故更关注的是这单侧边沿的延时，因而对比较器做了单侧边沿延时的优化。

同时，PWM比较器并非随时需要准备着比较，不用一直在工作状态，可以只在Ton计时结束后，才开始工作，检测Vout下降时，产生边沿信号控制高端管打开，高端管开启后，停止工作，关闭比较器的两路偏置电流，关断比较器的电流镜，以使比较器完全关断，停止工作，降低功耗。

3 仿真结果

本文设计的适用于纹波控制型Buck型DC-DC变换器的PWM比较器，采用0.5μm BiCMOS工艺仿真验证，采用VDD=5.5 V，在-40℃、25℃、85℃、125℃这4个温度点进行仿真。

如图4所示，增益较稳定，在-40℃ ～125℃温度范围内最高增益126 dB，最低增益122 dB，随温度最大偏差3.2%，3 dB带宽600 kHz以上。传输延时如图5所示，下降延时26.5 ns～28.5 ns，受温度影响最大2 ns偏差，随温度最大偏差3.7%，失调电压如图6所示，59μV～124μV。完全达到开关频率在1 MHz以下，COT架构的DC-DC变换器的PWM比较器的要求。

图4 PWM比较器增益

图6 失调电压

4 结论

本文分析了基于输出电压纹波控制 Buck型DC-DC转换器的PWM比较器系统需求，并根据这一需求，设计了一种三级预放大达到高增益，用两种温度系数电流供给比较器，以实现稳定增益的比较器。通过，最后用0.5μm BiCMOS工艺仿真验证，达到了预期指标，增益120 dB以上，增益稳定，失调电压在90μV(25℃下)以下的高性能比较器。

［1］李演明，来新泉，袁冰，贾新章.自适应开启时间的Buck型DCDC控制器设计实现［J］.半导体学报，2008，29(7):1396-1402.

［2］吴铁峰，张鹤鸣，胡辉勇.一种电流模式多输入可控PWM比较器设计［J］.电子器件.2010(02).

［3］PAUL R.GRAY.Analysisand Design of Analog Integrated Circuits［R］.Beijing:Higher Education Publishing Company，Aug. 2003.P271.

［4］Linear Tech.Corp.LTC3406-1.5 MHz，600mA Synchronous Step-Down Regulator in Thin SOT［EB/OL］.Available:http:// www.linear.com/pc/downloadDocument.Do?id=2751.

［5］Ma Fengfei，Chen Weizen，Wu Jinchuan.Amonolithic current-mode buck converter with advanced control and protection circuits［J］. IEEE Trans Power Electron，2007，22(5):1836.

［6］Phillip E.Allen，Douglas R.Holberg，CMOSAnalog Circuit Design［M］.Oxford University Press，Inc.，2002.

［7］马红波，冯全源.低功耗高性能限流比较器的设计与仿真［J］.电子器件.2007(10).

［8］徐建，王志功，王欢，等.自适应门限比较器设计［J］.电路与系统学报，2011，16(6):6-12.

Design of PWM Comparator for DC-DC Converter Based on Ripple Control*

YANG Jing，FENGQuanyuan*
(Institute of Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

A kind of comparator applicable to Output-Ripple-Based Control DC-DCConverterwas put forward.By using PSIM to build simulation model，and analysing the main loop comparator’s performance，the influence of the system，a comparator circuitwith preamplifier of high gain，low delay，low disorder voltage were designed.The two kinds of temperature coefficient of bias current are using to compensate the comparator’s gain，By using 0.5μm Bi-COMS process to simulation verification，the falling edge delay is27 ns，gain is123 dB，the biggest gain 3.2%with temperature changes，offset voltage 90μV and they all reach the system requirements.

comparator;ripple control;constant on time;delay

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.009

TN43 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0034-04

项目来源:国家自然科学基金重大项目(60990320，60990323);国家高技术研究发展计划(863计划)重大项目(2012AA012305);国家自然科学基金面上项目(61271090);四川省科技支撑计划项目(2012GZ0101);成都市科技计划项目(12DXYB347JH-002)

2013-05-15修改日期:2013-06-08

EEACC:1290B

杨 靖(1988-)，男，汉族，四川人，西南交通大学硕士研究生，研究方向为模拟集成电路，开关电源，数模混合集成电路，victor.kid@163.com;

冯全源(1963-)，男，汉，教授，西南交通大学微电子研究所所长、博士生导师、IEEE高级会员，主要研究方向为数字、模拟、射频与混合信号集成电路设计，数字系统设计和嵌入式系统研究，现代天线技术、RFID技术(物联网技术)等，fengquanyuan@163.com。