一种电流模DC-DC芯片中低延时电流比较器的设计

一种电流模DC-DC芯片中低延时电流比较器的设计
吴勃庆;薛晓磊;陈锡明
【摘要】文中设计了一种应用于电流模DC-DC芯片的低延时电流比较器.其主要
作用是将电感的峰值电流与所需电流进行比较,输出控制信号,以达到调节输出电压
的目的.利用0.35 μm BCD工艺HSPICE模型参数对该电流比较器的性能进行仿真模拟,结果表明该电流比较器的功耗为100 μW,延迟时间最小为11 ns,满足设计要求,并提高了芯片性能.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)004
【总页数】2页(P96-97)
【关键词】DC-DC;电流模;电流比较器
【作者】吴勃庆;薛晓磊;陈锡明
【作者单位】西安电子科技大学,陕西西安710071;西安电子科技大学,陕西西安710071;西安电子科技大学,陕西西安710071
【正文语种】中文
集成DC-DC变换器的高电压、高效率、快速响应、小体积使得其应用前景非常广阔[1-3]。

峰值电流模式控制是DC-DC最常用的控制方式，其中电流比较器的延
时主要影响了峰值电流模式控制PWM降压型DC-DC反馈系统的最小导通时间。

如果DC-DC系统导通时间小于最小导通时间，则系统会发生周期跳变，输出纹波增大[4]。

本文设计了一种应用于电流模DC-DC芯片的低延时低功耗电流比较器，
仿真结果表明，比较器延时低，功耗小，显著提高了系统性能。

本文提出的低延时电流比较器简化原理图如图1所示，该电流比较器为二级比较器，第一级为电流比较结构，比较电感电流与基准电流并输出差分信号。

第二级为输出级，将双端输出转为单端输出。

图1中，Q1、Q2、R1、R2、R3构成比较器第一级电流比较结构，Q2、Q3和
M1～M6构成该比较器的输出级，其中M3～M6构成共源共栅电流镜。

Iss1和Iss2为电流比较器的偏置电流。

Iref为电流比较器基准电流。

Q1、Q2的基极分
别为正向和负向输入端，记为Usense+和Usense-。

所有管子都工作在饱和区。

Iss1=Iss2，R1=R2，通过调节Iss1、Iss2、R1和R2的大小为Q3和Q4提供合
适的直流工作点。

当流过Q1和Q2的电流相等时，R3上的电压为
R3上的电流为
式中，IL为电感电流；Rsense为电感电流采样电阻；K为电感电流比例系数；
Iref为电流比较器基准电流。

当电感电流IL小于(1/2K)Iref时，U1大于U2，Uout输出为低电平，主开关管打开，电感继续充电，当IL大于(1/2K)Iref时，U1小于U2，Uout输出为高电平，主开关管关断，电感充电结束。

采用双极型晶体管作为该比较器第一级和第二级输入对管的优点是速度快、失调小、噪声小。

输出级采用共源共栅电流镜作为负载具有推挽输出的优点，即比较器可以灵活地从负载得到电流或向负载提供电流。

利用0.35 μm BCD工艺HSPICE模型参数对该电流比较器的性能进行了仿真模拟，电源电压为5 V。

为了模拟输入电压变化时的延时时间，将输入信号Usense+设
为脉冲电压，参考端Usense-电压设为1.2 V。

由于电感电流采样电阻采到的峰值感应电压最大为64 mV，所以Usense+-Usense-电压幅值为64 mV，上升时间
为100 ns。

图2给出了不同温度下瞬态仿真的特性波形。

由图2可知电流比较器的上升沿延时最小为11 ns，增大比较器偏置电流或减小MOS管的W/L可以减小延时，但是这样会增加功耗和降低比较器增益。

本文对功耗和增益特性进行了折中，在满足最小导通时间要求的同时做到功耗最低，不同偏置电流和温度情况下的延时如表1。

本文设计了一种应用于电流模DC-DC芯片的低延时电流比较器，利用0.35 μm BCD工艺HSPICE模型参数对该电流比较器的性能进行仿真模拟，结果表明该电流比较器的功耗为100 μW，延迟时间最小为11 ns，显著减小了DC-DC最小导通时间，提高了系统性能。

该电路已经成功应用于某型高压高效率同步降压型DC-DC芯片的设计中。

【相关文献】
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