开关电源的高性能电压型PWM比较器设计

比较器速度

　　电路的反应速度与输入信号差的绝对值有关，该绝对值越大，反应速度也越快。该反应速度还与偏置电压有关，Vb电平很高时，差分对管流过的电流越小，对后级MOS管栅电容充放电的速度越小，比较器的反应速度降低。当Vb电平很低时，M11的偏置电压也较低，同样比较器的反应速度要下降。

　　比较器速度是由给寄生电容和电路电容充放电电流大小确定的。图3画出了比较器的主要寄生电容。C1是由M2与M4的漏扩散区造成的总耗尽电容;C2是由耗尽电容C1和栅源电容Cgs组成。

　　比较器的传输延迟主要是由三级延迟构成，第一级延迟是VDO从静态工作点跳变到第二级跳变点VTRP2所用时间。假设驱动第二级器件在跳变过程中大部分时间处于饱和区，近似认为有一恒定电流驱动寄生负载电容。求得第一级延迟为：

　　第二级的延迟是在第一级延迟时间结束时输出一个阶跃变化的信号，从输出任一电源跳变到下级跳变电压的时间计算出来，因而确定第二级输出速度。 求得第二级延迟为：

　　同样，第三级的延迟是由输出反相器产生的，延迟时间的计算主要是根据输入电压上升到50%与输出电压下降到50%的时间延迟。

　　因此，电路的总延迟为：

　　电路的功耗

　　电路的功耗不仅与偏置信号Vb的电平有关，还与两个进行比较的信号电平值有关，具体为Vb电平越低，电路功耗越大;输入的两个信号电平越低，电路功耗也越大。

　　仿真结果分析

　　根据以上的分析和计算，本文采用1.2μm CMOS工艺的HSPICE模型参数，对该电压型比较器性能进行了几个参数的仿真，电源电压为3V。在仿真开始时，所有器件都取其最小值，仿真过程中，根据需要和电路功能参数来调整。先确定i7之后，逐一调整M6和M7来满足输出电压摆幅，使器件工作在饱和状态。

　　根据图3，PWM比较器的正端输入是1MHz的锯齿波信号，要求在-3db时频宽要大于1MHz。调整后经仿真得到PWM比较器小信号仿真波形，如图4所示。增益达到了80db，在-3db频宽接近1MHz，截至频率大于100MHz。

图4 PWM比较器小信号波形

　　在图3中，加入差分对管可提升转换的速率，加快比较器的翻转。在输出3V时，上升时间约4ns，下降时间约5.5ns，完全满足在1MHz工作频率的高性能要求。

　　图5是调整后整体电路的输出仿真波形图，从仿真输出波形图中可以看出，PWM波形较陡峭，稳定性好，尖峰小，电路总功耗仅有618mW。

图5 PWM比较器输出波形和输入波形

　　结语

　　通过对整个PWM比较器总体电路结构分析和计算，采用多路电流源代替传统的电阻负载，输入采用差动放大电路，结合开关电源的最新设计技术，设计出一种新型开关电源电压型PWM比较器。该电路可以作为一个模块电路直接运用在开关电源的电压型控制芯片设计中，提高设计芯片的整体性能和系统集成化。设计的电路在1.2mm CMOS工艺下实现，仿真结果表明，电路各项指标达到了预期的要求。