一种用于DC-DC开关稳压器的锯齿波振荡器设计

范少川，高 博，龚 敏，王洪全

（1.四川省微电子技术重点实验室，成都 610064；2.成都华微电子科技有限公司，成都 610000）

1 引言

电子设备性能的提升要求其内部的电源管理模块能够有更高的效率、更小的体积以及更低的功耗[1～3]。DC-DC开关电源芯片是常用的电源管理模块之一，一款DC-DC开关电源芯片主要由误差放大器、锯齿波振荡器、比较器、驱动、功率开关和滤波器构成。锯齿波振荡器是其中一个重要的单元，其产生的锯齿波信号与误差放大器的输出比较产生PWM波来控制开关。如果锯齿波信号有一个大的下降时间，将会使得比较器输出的PWM波产生抖动，影响占空比的精度，使得电源芯片的输出出现误差，在高频应用中这个误差还会进一步加大[4,5]。

本文提出的结构通过将两个交替产生的三角波信号叠加的方式生成锯齿波，能够显著减小锯齿波信号的下降时间，得到了一种高精度的锯齿波振荡器。

2 传统锯齿波振荡器

如图1所示为一个常规的锯齿波振荡器，通过一恒流源对电容充电，然后用一个开关使电容快速放电，就可以产生一个锯齿波信号[6～8]。假设初始状态下输出电压Vout=0，则比较器COM1的输出为高，比较器COM2的输出为低，可以得到RS触发器的输出Q为高、Q为低，使得开关S1闭合、S2关断，恒流源I0开始给电容C0充电，输出电压Vout随时间线性增大，可表示为：

当Vout增大到VH时，则比较器COM1的输出为高，比较器COM2的输出为低，从而RS触发器发生翻转，输出Q为低、Q为1，使得开关S2闭合、S1关断，恒流源停止充电，电容C0开始放电，输出Vout随之减小。

当输出电压Vout减小至VL时，比较器COM1的输出为低，比较器COM2的输出为高，可以得到RS触发器的输出Q为高、Q为低，使得开关S1闭合、S2关断，开始新一轮的充放电过程[9]。

图1 传统的锯齿波振荡器

对于常用的采用恒流源技术的锯齿波振荡器，其产生的锯齿波信号的下降沿不是由高电位立即跳变为低电位，而是会有一个大的下降延迟，这是因为电容放电需要一定的时间。这个时间由两部分构成，一个是由于电容放电通路上的导通电阻以及寄生电阻产生的RC延时；另一个是由于比较器和触发器电路响应时间带来的延迟，同时这个比较器和触发器电路响应时间带来的延迟会使得产生的锯齿波信号没有立即上升或下降，产生向上和向下的过冲，这个下降沿将会造成后级的PWM比较器输出方波产生抖动，使得最终输出产生误差。

3 本文设计

为解决上述问题，本文提出了一种新的结构，如图2所示。采用电流交替给两个电容充电产生两个互补的三角波信号，首先锯齿波输出跟踪电容C1的充电过程得到一个随时间线性变化的电压信号，当电容C1充电完成将要开始放电时，通过控制开关的导通立即给另一个电容C2充电，同时让锯齿波输出跟随电容C2的电压变化，此时输出信号陡落至电容C2的初始电压随即线性上升，这样输出信号就避开了电容的放电下降过程，始终跟随电容充电上升过程，而没有放电的过程。本文提出的锯齿波信号仍然有一个微小的下降时间，该下降时间主要由触发器和比较器的响应时间构成，而没有RC延时，与常规锯齿波振荡器相比下降时间大大降低。同时本文通过一定的补偿有效抑制了锯齿波的过冲，得到了一个较理想的锯齿波信号，其充放电过程如图3所示。

图2 本文提出的锯齿波振荡器

图3 锯齿波振荡器时序图

设电容C1充电时间为T1，电容C3充电时间为T2，锯齿波信号的周期T由T1与T2构成，可分别表示为：

其中ΔV为比较器翻转电压VH与充电启始电压VL的差值。

通过比较器COM2，对锯齿波信号的上限电压VMAX进行了一个补偿，即当VC1上升至翻转电压VH时开关S2没有立即关断，使得电流源I1继续给C1充电了一段时间T2，T2即为电容C3的充电时间，上限电压VMAX可表示为：

其中VX为补偿电压，锯齿波的峰峰值Vpp为：

其中VMIN等于充电启始电压VL。

假设 t1时刻 S2、S4、S5、S7闭合，如图 4 所示，恒流源I1开始给电容C1充电，输出电压Vout随着VC1线性变化，电容C2上的电压为VL。

图4 锯齿波振荡器充电过程

在t2时刻，Vout不断增加到等于VH，比较器COM1翻转输出高使得S10打开，I2开始给电容C3充电。

在t3时刻，C3电压VC3由于电流充电上升到VH，比较器COM2翻转由0跳变为1送给D触发器的时钟 clk，从而使得 RS 触发器的输出翻转，S2、S4、S5、S7断开同时 S1、S3、S6、S8闭合。如图 5 所示，此时 C1充电完成开始放电，恒流源I1转而给C2充电，输出Vout等于VC2。

图5 锯齿波振荡器放电过程

在 t4时刻，C1、C3放电完成，其电压等于 VL；t5时刻，VC2上升到VH，COM1输出高使得C3开始充电；t5时刻，VC3上升到VH，COM2输出高，使得RS触发器输出翻转，开始新一轮充放电过程。

4 仿真

本文采用了X-Fab XT06(0.6 μm Modular Trench SOI CMOS)工艺以及Candence spetre仿真工具对所设计锯齿波振荡器的性能特性进行了验证，参数设置如下：Vdd=2.8 V，I1=5.6 μA，I2=14 μA，C1=C2=16 pF，C3=2 pF，VH=1.725 V，锯齿波振荡器的频率为 350 kHz，即周期为2.857 μs，斜坡峰值VMAX为1.75 V，谷值VMIN为0.75 V，峰峰值Vpp为1 V。

如图6所示为电容电压VC1和VC2的仿真结果，即常规锯齿波信号的波形，仿真结果显示其最大值VMAX为1.748 V，最小值VMIN为0.693 V，峰峰值Vpp为1.055 V，与理想值1 V相比误差5.5%，其上升时间3.066 μs，下降时间为 280 ns。

图6 电容电压VC1和VC2仿真结果

图7 所示为本文锯齿波振荡器的输出波形仿真结果，仿真结果显示其最大值VMAX为1.750 V，最小值VMIN为0.755 V，峰峰值Vpp为0.995 V，与理想值1 V相比误差0.5%，上升时间为2.854 μs，下降时间为9 ns。图8为一款DC-DC电源管理芯片中的振荡器模块版图，由于本文结构与常规振荡器相比只是增加了几个数字逻辑单元和开关，所以模块面积没有大的改变。

图7 锯齿波输出仿真结果

本文提出的电路结构能够很好地消除锯齿波信号的下降时间和下降沿过冲，减小了幅值误差和振荡频率误差，得到一个理想的具有陡峭下降沿的锯齿波信号。由上述仿真结果可知，在相同周期下（2.85 μs）常规振荡器的下降时间为280 ns，而本文结构的下降时间为9 ns。

图8 本文振荡器版图

5 结论

基于恒流源技术设计了一种高精度具有陡峭下降沿的锯齿波振荡器，本文提出的结构通过将两个互补三角波信号交替生成锯齿波的方式，得到了一种高精度的能够显著减小锯齿波信号下降时间的锯齿波振荡器，并基于X-Fab XT06(0.6 μm Modular Trench SOI CMOS)工艺以及Candence spetre仿真工具对所设计的电路进行了仿真验证。在2.8 V电源电压及27℃条件下，电路获得了振荡频率为350.39 kHz（周期2.854 μs）的锯齿波信号，其下降时间为9 ns。

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