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电流模式开关电源中的高精度锯齿波振荡器设计

摘要：提出了一种用于开关电源芯片的高性能锯齿波振荡器。基于U-I转换器原理，

设计了精密电流产生电路；利用系统内部基准电压，设计了一种门限电压产生电路，从而有

效地提高了振荡器频率稳定度和精度。基于TSMC0．5μmBCD工艺，利用Spectre软件

进行电路仿真，在芯片典型应用环境下仿真得到锯齿波振荡频率为132kHz。频率随电源电

压在3．6～6．4V变化范围和温度在-27～27℃变化范围以内可控制其偏移在±3％以下。

该锯齿波振荡器已经成功应用于一款AC／DC降压开关电源芯片的设计中。

关键词：振荡器；开关电源；锯齿波振荡器；基准电压

近年来，开关电源芯片被广泛应用于通信电子产品的电源供电系统。目前，关电源主要

采用PWM控制电路，锯齿波振荡器是PWM控制电路

的核心功能部件。在电源电压、温度、工艺和环境负载变化或者漂移的条件下，要求振荡器

能够产生频率稳定的信号输出。许多锯齿波振荡器虽然具有稳定性好、精度高的特点，但受

环境温度和电源电压影响较大，基于以上要求，本文设计一种锯齿波产生电路。

1电路结构及原理

1．1电路整体框架及原理

图1为RC振荡器的原理图。本文提出的锯齿波振荡器主要由三部分构成，一部分是基准

产生的电流I1和I2，一部分由电容C和开关K1、K2组成，最后一部分是控制电路。

该电路利用基准源产生的电流I1对电容C进行充电，利用电流I2进行放电，从而产生

对开关K1和K2的控制信号。

产生脉冲的工作过程如下：假设输出信号Um为低电平，使开关管S1导通，S2关断。

这时电流I1对C进行充电，使a点电压Ua升高，经过控制电路作用后，使输出信号Um

变为高电平；然后，Um使开关管S1关断，S2导通，电流I2对C进行放电，使a点电压

Ua降低，输出Um又变为低电平。电路如此反复循环工作，便在输出端产生振荡信号，Ua

是产生的锯齿波信号。

1．2具体电路设计实现

振荡器实际电路结构如图2所示，其中Uref引脚输入的是来自带隙基准的参考电压，

Um是输出给后级的最大占空比信号，Uout是所要求的锯齿波输出信号。

图1中的开关S1、S2分别由PMOS管VT4和VT5代替。因此，图1中的倒相器在具体

电路中便不需要实现。在集成电路中不易直接实现精确的电流源，所以先产生一个精确的参

考电压Uref，然后通过一个U-I变换电路，产生两个精确的充放电电流I1和I2。图2中的

电阻R是外接的精密电阻，电路中运放将B点电位钳位在参考电压Uref，因此流过R的电

流为

VT2和VT3，VT6和VT7组成两组电流镜，则充放电电流I1和I2为：

假设振荡器输出信号Um初始值为低电平，VT4打开，VT5关断，电流通过VT4流到电

容，电容进行充电。此时Ua低于VH，COMP1输出高电平，Ua高于VL，COMP2也输出

高电平，Um保持低电平。直到C的电压上升到高于VH一点，COMP1输出低电平，使得

Um翻转为高电平。此时VT5打开，VT4关断，电流通过VT5，电容C通过VT6支路进行

放电，逐渐减小。直到C的电压降低到低于VL一点，COMP2输出低电平，Um翻转为低

电平。电路如此循环，在输出端产生振荡信号。

如图3所示，门限电压是由Uref1对Uref2产生，Uref1对Uref2是来自基准模块的电压，

不随温度和电源电压变化，所以VH和VL基本保持恒定。

1.3输出频率的计算

不同的充放电电流决定了输出高低电平的不同脉宽，所以决定了方波信号的占空比。具

体原理如下：

在一个充放电周期内设电容的充电时间为Tr，放电时间为Tf，电容充放电的周期为Ts，

由电容的电流公式：

调整VT6和VT7的宽长比，可以得到较小的充电电流和较大的放电电流，当I2I1时，

可以得到

得到锯断波的下降沿近似垂直。通过调整电容C或者R的大小，可以得到预期的锯齿波

振荡周期为Ts=7．6μs，即振荡器的周期为132kHz。其中VH