一种基于PWM 电源管理芯片的振荡器电路设计①

吴铁峰， 赵智超， 李丽敏， 陈珏晓

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154007)

0 引言

压变化时，其工作频率都不能产生超过要求的漂移，从而可以保证整个控制电路的稳定性[5]．

振荡器通常用来产生重复电子讯号(正弦波或方波)，由振荡器所构成的电路称为振荡电路，振荡电路可以把直流电转换为具有一定频率的交流电信号输出．振荡器有很多种类，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器;按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等;按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器．广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面[1]．

在 PWM 电源管理芯片电路[1，2]中，振荡器电路被广泛使用[3]，PWM芯片中振荡器电路由电容的充放电过程，产生一个脉冲，并将这个脉冲作为电路的时钟，以确定整个控制电路的周期[4]．因此，在设计振荡器电路时，需要保证当温度、电源电

1 电参数指标

设计振荡电路时，整个电路的工作频率由振荡器电路的工作频率决定，所以在振荡器电路的设计中，电参数指标是非常重要的，表1指明了电路设计时的电参数．

本文在设计振荡器电路时，考虑通过控制外接电容的大小来控制电路的周期．电路设计利用了比较器电路，比较器电路的一端保持恒定，另一端接充电电容，当电容的充电电压达到某值时，比较器翻转，这时电路将电容放电，可以在比较器电路的输出端形成脉冲，若电容放电，则电压降低，比较器又将翻转，对电容充电，从而形成了稳定的、周期性的输出脉冲[6]．

表1 振荡器电参数指标

2 电路设计

图1(a)是文中所设计的振荡器电路的具体电路图，图1(b)则是工作原理示意图．图中的Vref端是基准电压，可以提供稳定的 5．0V电压[7]，RT和CT分别为电阻和外接电容，Vin端为驱动电压，OUT端是振荡器的输出端．

图1(b)中，在开始给电容充电时，t=0，那么，充电电容上的初始电压就等于0，充电过程中，电容上的电压值将会逐渐增大，一直到等于比较器另一端V8上的电压值，电容开始放电，可以在电路设计时令三极管T11的面积很大，则可使放电电流增大，如果在一个周期内忽略电容的放电时间，振荡器的周期就等于充电电容上的电压从0增大到V8所需要的时间．

设充电时，流过电阻RT上的电流为i，

图1 振荡器电路

则

所以

所以有

代人初始条件VT(0)=0，得Vref+C=0，所以C=－Vref，所以

当VT(t)=V8，约为一个周期，则

可得

根据上述推导，可以得到振荡器电路频率的表达式，由模型(7)，(8)可以得到，基准电压源Vref和RT，CT，R4，R5的值决定了振荡器电路的周期和频率．

适当地调整振荡器电路中电阻R4和R5的值，可以使k≈1，得到式(9):

给电路的输入端(Vin)加高电压时，振荡器电路正常工作．通过基准电压Vref对电容CT充电，输入端9的电压将逐渐升高，假定比较器电路中三极管T8的基极电位是V8，则有模型(10)，

若V8＞V9，根据对管T7、T8的作用，晶体管T7截止的同时晶体管T8将导通，相应地晶体管T3～T6也将依次导通，由于晶体管T1和T2不会被导通，所以晶体管T14的基极是低电平，T14也不导通，此时，电容CT处充电．

当外接电容CT充电到电压，高于V8端电压时，由前所述，对管T7、T8的作用，T7导通，T8截止，T3～T6也都截止，T1、T2导通．当晶体管T14基极电位升高到一定电压值后也将导通，这时电阻R9上会流经一个比较大的电流，最后，在输出端(OUT端)形成脉冲输出电压．在输出稳定脉冲的同时，三极管T11管也将导通，该三极管的集电极的作用是电容CT放电，此时，则9端电压值降低，又开始同样的过程，V9＜V8，则T7截止、T8导通，外接电容CT重新开始充电．文中所设计的振荡器将不断重复上述过程，最后将会在输出端形成振荡器电路需要的具有一定频率的脉冲输出．

3 仿真结果与讨论

根据上述电路设计思想和过程，文中基于华越SB45工艺，利用Spectre软件对所设计的振荡器电路仿真，得到得振荡器电路的电参数仿真结果，如表2所示．

表2 振荡器仿真电参数

此外，如图2显示了仿真过程中，振荡器的输出结果以及外接电容CT上的电压变化．通过对仿真结果的分析，文中所设计的振荡器电路，其频率满足模型(8)的要求．由于电路工作环境等因素的影响，电路的仿真结果可能会产生一定程度的漂移．但根据设定的电参数要求，文中所设计的振荡器电路频率满足了芯片的使用要求，目前该振荡器已应用于实际电路中．

图2 振荡器输出波形

[1] 朱正涌．半导体集成电路[M]．清华大学出版社．2003．

[2] Salmon J，Liping Wang，Noor N，et al．A Carrier－ Based Unipolar PWM Current Controller That Minimizes the PWM－Cycle Average Current－Error Using Internal Feedback of the PWM Signals[J]．IEEE Transactions Power Electronics，2007，9，22(5):1708－1718．

[3] Lie Xu，Agelidis V．G．．VSC Transmission System Using Flying Capacitor Multilevel Converters and Hybrid PWM Control[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2007，1，22(1):693 －702．

[4] 敖强，尹东燕，王震，等．基于极点分析方法的晶体振荡器电路设计及仿真[J]．辽宁大学学报(自然科学版)，2011，38(4):307－310．

[5] 吴笑峰，刘红侠，石立春，等．新型高速低功耗CMOS动态比较器的特性分析[J]．中南大学学报，2009，10，40(5):1354－1359．

[6] 吴铁峰．基于PWM控制方式的电源管理芯片设计与实现[D]．西安:西安电子科技大学博士学位论文，2011．

[7] 吴铁峰，张鹤鸣，胡辉勇．基于PWM的低温度依赖基准电压电路设计[J]．中南大学学报，2010，41(6):2269－2273．