一種用于開關(guān)電源的高性能誤差放大器設(shè)計(jì)

潘福躍，李現(xiàn)坤

（中國電子科技集團(tuán)公團(tuán)第58研究所，江蘇 無錫，214035）

一種用于開關(guān)電源的高性能誤差放大器設(shè)計(jì)

潘福躍，李現(xiàn)坤

（中國電子科技集團(tuán)公團(tuán)第58研究所，江蘇 無錫，214035）

設(shè)計(jì)了一種用于開關(guān)電源的高性能誤差放大器。該誤差放大器的核心是一個三級放大結(jié)構(gòu)，其中第二級放大是基于傳統(tǒng)折疊式共源共柵放大器，增加了“交叉耦合結(jié)構(gòu)”，以此實(shí)現(xiàn)高增益設(shè)計(jì)。另外，高低電平鉗位設(shè)計(jì)增強(qiáng)了誤差放大器在不同工作條件下的性能。為提高電路在開關(guān)電源中的實(shí)用性，還設(shè)計(jì)了補(bǔ)償選擇電路。設(shè)計(jì)的誤差放大器采用TSMC 0.35 μm BCD工藝流片，電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能良好，在46XX電源模塊中得到實(shí)際應(yīng)用。

誤差放大器；共源共柵；交叉耦合；補(bǔ)償；鉗位

1　引言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展以及工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，各式各樣的消費(fèi)電子產(chǎn)品、便攜式電子設(shè)備逐步占據(jù)人們工作和生活的方方面面。小型化的電子設(shè)備要求相應(yīng)的供電設(shè)備也必須滿足體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)定性高等要求。因此，開關(guān)電源逐步占據(jù)電源市場。開關(guān)電源是一種通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的一類電源［1］。開關(guān)電源的特點(diǎn)是：高效率、低功耗、智能化、集成度高［2］。

開關(guān)電源要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)定

的負(fù)反饋環(huán)路。而誤差放大器是開關(guān)電源負(fù)反饋環(huán)路中不可或缺的重要組成部分。圖1是傳統(tǒng)模擬開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)［3］。

圖1　傳統(tǒng)模擬開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，誤差放大器EA的作用是采樣電源輸出電壓，并將采樣電壓與基準(zhǔn)參考電壓比較，其輸出信號就是原始的負(fù)反饋信號。因此，誤差放大器性能的優(yōu)劣直接影響開關(guān)電源的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)的用于開關(guān)電源的誤差放大器EA，有“內(nèi)部補(bǔ)償”和“外部補(bǔ)償”兩種補(bǔ)償方式，如此設(shè)計(jì)，在很大程度上避免了工藝偏差對EA性能以及開關(guān)電源穩(wěn)定性的影響，電路實(shí)用性較強(qiáng)。另外，本文設(shè)計(jì)的誤差放大器還具有高增益、高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2　電路整體結(jié)構(gòu)和功能分析

整個誤差放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，誤差放大器整體結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）、補(bǔ)償選擇電路（Compensation Select）、鉗位電路（CLAMP）。

圖2　誤差放大器EA的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其中，內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）是本文主要設(shè)計(jì)的電路，其作用是將開關(guān)電源輸出電壓的采樣信號與基準(zhǔn)電壓比較，輸出信號EAOUT_Inside是開關(guān)電源負(fù)反饋環(huán)路的關(guān)鍵信號。補(bǔ)償選擇電路（Compensation Select）除了用于選擇EA的補(bǔ)償方式，還可以選擇用于開關(guān)電源的EAOUT信號來源。鉗位電路（CLAMP）用于EA最終輸出信號的高電平鉗位。由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的EA，輸出信號上限值是1.5 V。

3　具體電路分析與設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)部誤差放大器設(shè)計(jì)

內(nèi)部誤差放大器（EA-Inside）的具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

如圖3所示，內(nèi)部誤差放大器（EA Inside）的整體結(jié)構(gòu)是一個三級運(yùn)算放大器。V+和V-是電路的兩個輸入端，EAOUT是電路的輸出端。VDD、Vb1、GND、VEN和LVDD都是電路的輸入信號，其中LVDD是開關(guān)電源內(nèi)部LDO的輸出端，其電壓為1.8 V。Vb1信號是偏置電壓，用于為電路各支路提供偏置電流。VEN信號是使能信號，通過控制MN7管的通斷來實(shí)現(xiàn)對電路的使能控制。

圖3　內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）的具體電路設(shè)計(jì)

虛線圓圈內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）輸出信號的高電平鉗位，1.5 V的電壓輸入來自于開關(guān)電源內(nèi)部基準(zhǔn)分壓模塊。虛線框內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）輸出信號的低電平鉗位，同樣0.2 V的電壓信號輸入來自于開關(guān)電源內(nèi)部基準(zhǔn)分壓模塊。

電路的第一級放大是由Q1、Q2實(shí)現(xiàn)的射隨器，其放大倍數(shù)約為1。

電路的第二級放大是本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)的電路部分，其基本結(jié)構(gòu)是一個折疊式共源共柵放大器［4］，由圖3可知，Q3、Q4這一對三極管是共源輸入管，而MP4、MP6兩個PMOS管是共柵管，其漏端分別是第二級放大器的兩個輸出端。另外為提高這一級運(yùn)放的增益，本文還設(shè)計(jì)了“交叉耦合”結(jié)構(gòu)，見圖3中的MN8、MN9兩管。MN6、MN10兩管寬長比為W/L，而MN8、MN9兩管的寬長比是k（W/L），k＜1。MN8、MN9兩管可等效為第二級放大器輸出端的兩個“負(fù)電阻”，由此實(shí)現(xiàn)增益提高，參數(shù)k的值越大，增益越大［5］。因?yàn)榈诙壏糯笃魇请p端輸入雙端輸出的對稱電路，所以，其增益的計(jì)算可用半邊電路等效法來計(jì)

算，具體計(jì)算見公式（1）：

公式（1）中，gm，Q3是三極管Q3的跨導(dǎo)，gm，MN6是MN6管的跨導(dǎo)，gm，MP4是MP4管的跨導(dǎo)，Ro，MP3和Ro，MP4分別是MP3管和MP4管的漏源輸出電阻?？紤]到

因此可以得到：

由公式（2）可以看出，k值越大，第二級放大倍數(shù)越大。因此，合理設(shè)計(jì)k的值，可以得到開關(guān)電源所需的誤差放大器增益。

電路的第三級放大是普通的共源放大結(jié)構(gòu)，用于進(jìn)一步增大誤差放大器的整體增益。該結(jié)構(gòu)通過MP7、MP8兩管組成的電流鏡結(jié)構(gòu)，將輸出整合為一路。另外MP9、MP10、MN13、MN14四只MOS管組成一條支路，這條支路僅在誤差放大器使用外部補(bǔ)償方式時工作，其使能控制信號為CP、CN。設(shè)計(jì)這一條支路的目的在于保證誤差放大器的驅(qū)動能力，避免因外部補(bǔ)償過大導(dǎo)致EA驅(qū)動能力不足的風(fēng)險(xiǎn)［6］。

3.2補(bǔ)償選擇電路設(shè)計(jì)

補(bǔ)償選擇電路（Compensation Select）的具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

如圖4所示，補(bǔ)償選擇電路的主要控制信號是VFB和ITH，電路工作原理是通過信號VFB、ITH的組合選通不同的傳輸門，進(jìn)而選擇不同的補(bǔ)償方式以及EAOUT信號來源。虛線框內(nèi)的電阻電容網(wǎng)絡(luò)是內(nèi)部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其主要作用是為誤差放大器設(shè)置主極點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性補(bǔ)償。外部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與內(nèi)部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)一樣，只是相關(guān)電阻電容的參數(shù)值不同。我們設(shè)計(jì)的外部補(bǔ)償力度要高于內(nèi)部補(bǔ)償，以此保證EA在開關(guān)電源環(huán)路中工作的穩(wěn)定性。補(bǔ)償選擇電路實(shí)現(xiàn)結(jié)果見表1。

表1　EA電路中SELECT電路的選擇機(jī)制描述表

本文設(shè)計(jì)的誤差放大器EA用于開關(guān)電源，VFB信號是對開關(guān)電源輸出電壓的采樣信號，該信號也是內(nèi)部誤差放大器EA的反相輸入信號。通常情況下，VFB信號的電壓幅值小于電源電壓。由表1可知，ITH信號連接方式?jīng)Q定了EA的補(bǔ)償方式。當(dāng)VFB信號幅值為電源電壓時，內(nèi)部誤差放大器被停用。這種情況適用于兩片開關(guān)電源級聯(lián)主從操作。這種工作模式屬于主從開關(guān)電源的單主控器操作，在該模式下，主從開關(guān)電源用同一個EAOUT信號，這樣的工作方式不僅更容易對開關(guān)電源環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，還有利于實(shí)現(xiàn)主從電源更加準(zhǔn)確的級間電流分配。

圖4　補(bǔ)償選擇電路（Compensation Select）的具體電路設(shè)計(jì)

圖4所示為電路結(jié)構(gòu)中的比較器，被設(shè)計(jì)為單位增益緩沖器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖2所示的鉗位電路（CLAMP）一樣，具體見3.3部分所述。

3.3鉗位電路設(shè)計(jì)

鉗位電路（CLAMP）的具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　鉗位電路（CLAMP）的具體電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，鉗位電路（CLAMP）是典型的“雙端輸入單端輸出”差分放大器。鉗位電路的主要作用是為誤差放大器最終的輸出信號設(shè)置高電平鉗位，從而提高其工作穩(wěn)定性。

4　電路仿真驗(yàn)證

完成對誤差放大器EA的具體電路設(shè)計(jì)，我們用Cadence環(huán)境進(jìn)行了仿真，仿真溫度是常溫27℃，電源電壓為3.3 V。將EA的輸出端接到反相輸入端，組成單位增益放大器。通過設(shè)置，將內(nèi)部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)接到EA的輸出端。補(bǔ)償參數(shù)為：R=10K，C1=200p，C2=269.2p。對電路進(jìn)行stb穩(wěn)定性仿真。圖6是誤差放大器EA 的stb穩(wěn)定性仿真結(jié)果。

如圖6所示，低頻下EA的增益為54.55 dB，換算之后約為533.95。仿真結(jié)果驗(yàn)證了EA的高增益設(shè)計(jì)。由圖6可以得出，誤差放大器EA的-3 dB帶寬為1.174 kHz，0 dB帶寬為938.1 kHz，相位裕度為PM = 48.81deg。

圖7是對EA進(jìn)行的瞬態(tài)仿真結(jié)果。同樣將EA接入內(nèi)部補(bǔ)償，并接成單位增益放大器結(jié)構(gòu)。在同相輸入端加入一個階躍信號，仿真得到輸出端波形，并由此計(jì)算EA的建立時間（Settle Time）和擺率（Slew Rate）。

圖6　誤差放大器EA的stb穩(wěn)定性仿真結(jié)果

圖7　誤差放大器EA的瞬態(tài)仿真結(jié)果

如圖7所示，同相輸入端階躍信號在2 μs時加載到電路中，建立時間（Settle Time）一般是指輸出端信號從對輸入階躍響應(yīng)開始到幅值誤差小于0.1%所用的時間。從圖7可以看出，本文設(shè)計(jì)的EA，建立時間約為3.42 μs。

對瞬態(tài)仿真波形加以處理，可以得到輸出信號的擺率SR，見圖8。

圖8　誤差放大器EA的擺率計(jì)算

如圖8所示，利用Cadence下的計(jì)算器Calculator計(jì)算輸出信號的擺率，計(jì)算選取的時間區(qū)間是輸出信號幅值由10%上升到90%的時間。最終計(jì)算得到SR = 379.4 mV/μs。

一個高性能的誤差放大器，要求具有較高的共模抑制比CMRR和電源抑制比PSRR。共模抑制比直觀反映了誤差放大器放大差模信號抑制共模信號的能力，電源抑制比PSRR還分為對電源擾動的抑制PSRR+和對地信號擾動的抑制PSRR-。圖9～圖11是對誤差放大器共模抑制比和電源抑制比的AC頻率仿真結(jié)果。

如圖9～圖11所示，誤差放大器EA的CMRR = 68.8 dB，PSRR+ = 62.24 dB，PSRR- = 67.97 dB。這樣的結(jié)果滿足誤差放大器高性能的要求。

5　結(jié)束語

本文介紹了一種用于開關(guān)電源的高性能誤差放大器設(shè)計(jì)，具體分析了電路的設(shè)計(jì)原理，并對誤差放大器的增益、帶寬、相位裕度、CMRR等基本參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)的誤差放大器已通過流片測試驗(yàn)證，成功應(yīng)用于開關(guān)電源46XX模塊中，取得了良好的使用效果。

圖9　誤差放大器EA的CMRR AC頻率仿真結(jié)果

圖10　誤差放大器EA的PSRR+ AC頻率仿真結(jié)果

圖11　誤差放大器EA的PSRR- AC頻率仿真結(jié)果

［1］ 周志敏.開關(guān)電源的分類及應(yīng)用［J］.電子質(zhì)量，2001，3：36-37.

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Design of a High Performance Error Amplifi er for Switching Power Supply

PAN Fuyue， LI Xiankun
（China Electronics Technology Group Corporation， No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

A high performance error amplifi er for switching power supply was presented. Its core design is a three stage amplifi er. In order to get high gain， we design a “cross coupling structure” for the second stage amplifier which is based on traditional folding cascade. In addition， the high-low level clamp design can enhance the amplifi er’s working performance. To improve the EA’s practicality in fi eld of switching power supply， a compensation selecting circuit was designed. The EA in this paper has been chipped by TSMC 0.35 μm BCD process and get a high performance. Also it has been applied in 46XX power supply.

error amplifi er； cascade； cross coupling； clamp； compensation

TN433

A

1681-1070（2015）11-0021-05

潘福躍（1989—），男，山東濟(jì)南人，2013年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，碩士學(xué)歷，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所從事模擬集成電路設(shè)計(jì)研發(fā)工作，主要研究方向?yàn)橹悄芄β始呻娐?、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、復(fù)位監(jiān)控電路等。

2015-6-4