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引言：提出了一种用于峰值电流模式控制的高压BUCK变换器的振荡器，并具有特殊电流限保护功能。在BUCK变换器正常工作时，该振荡器提供频率为340KHz的时钟信号；当振荡器处于异常状态，如负载过重或输出电压较低时，振荡器频率会随着输出电压的降低逐渐减小，该振荡器可以有效地防止电流失控现象的发生，并且减小了在异常情况时系统的功耗，同时也克服了功率管在电流过大时烧毁的危险；另外该振荡器还提供具有前沿消隐功能的斜坡补偿信号。该电路是基于CSMC的0.6 μm 25V BCD工艺实现的，并通过电路模拟软件Hspice对振荡器电路完成了仿真验证。
目前，开关电源芯片由于具有高效率、大的输出电流及较小的静态电流，被广泛的用于消费市场中，诸如电源管理、个人数字产品、音频设备等。开关电源从控制方式上分为电压模式控制和电流模式控制。电流模式控制属于双环控制，相对于单环控制的电压模式控制而言其具有更强的负载调整特性和抗输入扰动能力。除此之外，峰值电流模式控制的BUCK转换器还具有动态响应快、调整性能好、易于实现限流和过流保护等优点。
FB通过电阻分压器采样输出端信号，实时监测输出端变化，通过误差放大器放大变化的信号。在正常工作模式下，每个时钟周期开始时置位锁存器开启功率管。当电感电流的采样信号Vs达到误差放大器输出信号Ve时，产生锁存器复位信号关断功率管。在异常情况出现（负载过重）时，电感电流增大超过所设定的电流限值，可以直接关断功率管。在实际的转换器中从产生过流关断信号到功率管完全关断存在一个传输延迟。在负载过重的情况下，如输出电阻降到0欧姆，输出电压降的比较低时，电压环会控制电路工作在比较大的占空比，而电流限比较器会通过一段传输延迟关断功率管屏蔽电压环的控制。由于有一定的传输延迟，峰值电感电流会超过所设定的电流限，这样就会产生过量的尾电流，过量的尾电流会使功率管受到损坏，减小转换器的使用寿命。为了解决上述问题，我们引入了频率折返技术。在负载过重或输出电压降低时，通过降低频率使得电感电流有足够的时间降到设定的电流值以下，削弱传输延迟的影响[2-6]。
本文正是基于这样一个原理设计了一款具有频率折返功能的振荡器，在正常模式下工作在一个固定频率下，当负载过重，输出电压降低时，逐渐降低时钟频率，防止功率管功耗过大烧毁芯片。
1.电路结构及原理分析
1.1整体电路框架及原理分析
本文提出的具有频率折返功能的振荡器主要由四部分组成，一部分是由基准源产生的零温飘电流I0，一部分由电容C和开关SW组成，一部分是通过输出反馈电压FB控制的可变电流I1，最后一部分是逻辑控制电路。
假设初始时刻CLK为高电平关断开关SW，I0-I1对电容C进行充电，当电容上电压超过参考电压VREF时，通过控制电路使得CLK翻转为低电平开启开关SW，电容C以较快的速度放电到地，比较器翻转，开始下一个周期的循环，产生具有一定频率的CLK信号。其中可变电流I1，在FB比较高时基本为零，此时产生频率较高的时钟信号。当FB逐渐降低时可变电流I1逐渐增加，使得时钟信号的频率也逐渐降低，从而实现频率折返的目的。
1.2频率折返振荡器电路分析
其中IFREQ为输出反馈电压FB控制的可变电流。关于IFREQ的产生将在下面分开叙述。
首先该电路通过V-I转化器产生一个恒定的参考电流I0，该参考电流由参考电压VREF 1通过单位增益缓冲器A0和电阻R产生，其中电阻R是由正温度系数的阱电阻和负温度系数的多晶电阻串联而成，通过合理的阻值设置可以得到一个零温飘电流，从而降低温度对频率的影响。
通过后面的控制电路得到不同的开关控制信号从而选择不同电流对电容C1、C2进行充放电，来控制振荡器的占空比。两个触发器均为主从式触发器，其是下降沿触发控制。一个时钟周期进行一次完整信号的传输。使能端信号EN初始时刻值为低电平，通过观察控制电路可以看到对应的两个触发器输入值为高电平，ψ1和ψ2的初始值均为低电平，ψ3的初始值为高电平，当使能信号端EN的值变为高电平后，振荡器开始正常工作。
1.3可变电流的产生电路
通常电流模BUCK变换器中都带有逐周期电流限功能，当变换器负载过重或输出短路时，由于从限流比较器产生过流关断信号到功率管关闭需要一定的延时td，所以当功率管关断时电感电流IL要略高于设定的电流限阈值ITH；当负载过重时，由于输出电压较低，导致电感电流的IL下降速率减慢，使得在下一个周期功率管开启时电感电流仍旧高于ITH。同样，由于延时使得功率管再次关断时的IL较前一周期时的略有增加；随着周期的增加，IL不断增加，最终发生失控现象。
为了防止负载过大时电流失控现象的发生，需要降低时钟的频率（频率折返），从而使IL在功率管再次打开之前有足够的时间降低到ITH以下。本文所设计的频率折返电路如图6所示，V07为0.7V的参考电压，VFB为输出反馈电压，当整个芯片开始正常工作后，该电路通过FB端实时检测输出电压，其中ISS是图3中电流I0通过一定的镜像比例产生，设定为3/4I0。
2.电路的仿真
本文所设计的电路是基于CSMC的0.6 μm 25V BCD工艺实现的，通过电路模拟软件Hspice对振荡器电路进行了仿真验证。振荡器电路在典型条件下（电源电压3.6V，温度为25℃）的仿真波形，V（CLK）为振荡器的输出时钟信号，频率为340KHz，在其下降沿到来时可控制上端功率管开启，V（MAXD）为控制整个系统的最大占空比信号，其值在输出反馈电压为0.8V时达到90%，控制上端功率管达到最大导通时间，此信号的下降沿可控制上端功率管关断，防止功率管导通时间太长而烧毁。V（RAMP）为振荡器输出的斜坡补偿信号，在上端功率管开始导通时，斜坡补偿信号为0，避免了功率管刚刚导通时电流过冲与斜坡信号叠加导致的功率管误关断现象。实际的斜坡补偿信号在功率管导通一小段时间之后，从仿真波形可以看出大概为211ns。
输出反馈电压为0.5V时，振荡器电路在典型条件下（电源电压3.6V，温度为25℃）的仿真波形，V（CLK）为振荡器的输出时钟信号，频率为110KHz。可知通过降低频率防止了负载过大时电流失控现象的发生，从而使IL在功率管再次打开时有足够的时间降低到ITH以下。
3.结束语
本文采用电流源对电容进行充放电并带有频率折返电路的结构，设计了一种基于BCD工艺的高性能高稳定性振荡器。该振荡器可实时监控输出反馈信号使得在负载电流过大输出电压降低时，降低振荡器频率，防止功率管功耗过大而烧毁。该电路在较宽的电压和温度范围内产生频率稳定的方波信号；同时产生用于斜坡补偿的锯齿波信号，该斜坡补偿信号可以屏蔽上端功率管刚开始导通的瞬间电流过冲与斜坡信号叠加造成的功率管误关断的现象。对设计的振荡器进行了仿真验证。在最坏条件下，其最大频率偏差为6.2%，完全可满足低成本电源管理芯片的要求。
参考文献
[1]黄可，冯全源.一种基于BCD工艺的高性能振荡器的设计[J].微电子学，2009，39（5）：677-679，695.
[2]C.F.Lee and P.K.T.Mok，“A monolithic current-mode CMOS DC-DC converter with on-chip current-sensing technique，”IEEE J. Solid-State Circuits， 2000.3-14.
[3]Z.K.Zhou，Z.Huang，X.Ming，B.Zhang and Z.J.Li，“An Enhanced Double Current Limit Technique Used in High Power Buck Converter，”IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits， 2009.376-379.
（作者单位： 中国电子科技集团公司54研究所）
目前，开关电源芯片由于具有高效率、大的输出电流及较小的静态电流，被广泛的用于消费市场中，诸如电源管理、个人数字产品、音频设备等。开关电源从控制方式上分为电压模式控制和电流模式控制。电流模式控制属于双环控制，相对于单环控制的电压模式控制而言其具有更强的负载调整特性和抗输入扰动能力。除此之外，峰值电流模式控制的BUCK转换器还具有动态响应快、调整性能好、易于实现限流和过流保护等优点。
FB通过电阻分压器采样输出端信号，实时监测输出端变化，通过误差放大器放大变化的信号。在正常工作模式下，每个时钟周期开始时置位锁存器开启功率管。当电感电流的采样信号Vs达到误差放大器输出信号Ve时，产生锁存器复位信号关断功率管。在异常情况出现（负载过重）时，电感电流增大超过所设定的电流限值，可以直接关断功率管。在实际的转换器中从产生过流关断信号到功率管完全关断存在一个传输延迟。在负载过重的情况下，如输出电阻降到0欧姆，输出电压降的比较低时，电压环会控制电路工作在比较大的占空比，而电流限比较器会通过一段传输延迟关断功率管屏蔽电压环的控制。由于有一定的传输延迟，峰值电感电流会超过所设定的电流限，这样就会产生过量的尾电流，过量的尾电流会使功率管受到损坏，减小转换器的使用寿命。为了解决上述问题，我们引入了频率折返技术。在负载过重或输出电压降低时，通过降低频率使得电感电流有足够的时间降到设定的电流值以下，削弱传输延迟的影响[2-6]。
本文正是基于这样一个原理设计了一款具有频率折返功能的振荡器，在正常模式下工作在一个固定频率下，当负载过重，输出电压降低时，逐渐降低时钟频率，防止功率管功耗过大烧毁芯片。
1.电路结构及原理分析
1.1整体电路框架及原理分析
本文提出的具有频率折返功能的振荡器主要由四部分组成，一部分是由基准源产生的零温飘电流I0，一部分由电容C和开关SW组成，一部分是通过输出反馈电压FB控制的可变电流I1，最后一部分是逻辑控制电路。
假设初始时刻CLK为高电平关断开关SW，I0-I1对电容C进行充电，当电容上电压超过参考电压VREF时，通过控制电路使得CLK翻转为低电平开启开关SW，电容C以较快的速度放电到地，比较器翻转，开始下一个周期的循环，产生具有一定频率的CLK信号。其中可变电流I1，在FB比较高时基本为零，此时产生频率较高的时钟信号。当FB逐渐降低时可变电流I1逐渐增加，使得时钟信号的频率也逐渐降低，从而实现频率折返的目的。
1.2频率折返振荡器电路分析
其中IFREQ为输出反馈电压FB控制的可变电流。关于IFREQ的产生将在下面分开叙述。
首先该电路通过V-I转化器产生一个恒定的参考电流I0，该参考电流由参考电压VREF 1通过单位增益缓冲器A0和电阻R产生，其中电阻R是由正温度系数的阱电阻和负温度系数的多晶电阻串联而成，通过合理的阻值设置可以得到一个零温飘电流，从而降低温度对频率的影响。
通过后面的控制电路得到不同的开关控制信号从而选择不同电流对电容C1、C2进行充放电，来控制振荡器的占空比。两个触发器均为主从式触发器，其是下降沿触发控制。一个时钟周期进行一次完整信号的传输。使能端信号EN初始时刻值为低电平，通过观察控制电路可以看到对应的两个触发器输入值为高电平，ψ1和ψ2的初始值均为低电平，ψ3的初始值为高电平，当使能信号端EN的值变为高电平后，振荡器开始正常工作。
1.3可变电流的产生电路
通常电流模BUCK变换器中都带有逐周期电流限功能，当变换器负载过重或输出短路时，由于从限流比较器产生过流关断信号到功率管关闭需要一定的延时td，所以当功率管关断时电感电流IL要略高于设定的电流限阈值ITH；当负载过重时，由于输出电压较低，导致电感电流的IL下降速率减慢，使得在下一个周期功率管开启时电感电流仍旧高于ITH。同样，由于延时使得功率管再次关断时的IL较前一周期时的略有增加；随着周期的增加，IL不断增加，最终发生失控现象。
为了防止负载过大时电流失控现象的发生，需要降低时钟的频率（频率折返），从而使IL在功率管再次打开之前有足够的时间降低到ITH以下。本文所设计的频率折返电路如图6所示，V07为0.7V的参考电压，VFB为输出反馈电压，当整个芯片开始正常工作后，该电路通过FB端实时检测输出电压，其中ISS是图3中电流I0通过一定的镜像比例产生，设定为3/4I0。
2.电路的仿真
本文所设计的电路是基于CSMC的0.6 μm 25V BCD工艺实现的，通过电路模拟软件Hspice对振荡器电路进行了仿真验证。振荡器电路在典型条件下（电源电压3.6V，温度为25℃）的仿真波形，V（CLK）为振荡器的输出时钟信号，频率为340KHz，在其下降沿到来时可控制上端功率管开启，V（MAXD）为控制整个系统的最大占空比信号，其值在输出反馈电压为0.8V时达到90%，控制上端功率管达到最大导通时间，此信号的下降沿可控制上端功率管关断，防止功率管导通时间太长而烧毁。V（RAMP）为振荡器输出的斜坡补偿信号，在上端功率管开始导通时，斜坡补偿信号为0，避免了功率管刚刚导通时电流过冲与斜坡信号叠加导致的功率管误关断现象。实际的斜坡补偿信号在功率管导通一小段时间之后，从仿真波形可以看出大概为211ns。
输出反馈电压为0.5V时，振荡器电路在典型条件下（电源电压3.6V，温度为25℃）的仿真波形，V（CLK）为振荡器的输出时钟信号，频率为110KHz。可知通过降低频率防止了负载过大时电流失控现象的发生，从而使IL在功率管再次打开时有足够的时间降低到ITH以下。
3.结束语
本文采用电流源对电容进行充放电并带有频率折返电路的结构，设计了一种基于BCD工艺的高性能高稳定性振荡器。该振荡器可实时监控输出反馈信号使得在负载电流过大输出电压降低时，降低振荡器频率，防止功率管功耗过大而烧毁。该电路在较宽的电压和温度范围内产生频率稳定的方波信号；同时产生用于斜坡补偿的锯齿波信号，该斜坡补偿信号可以屏蔽上端功率管刚开始导通的瞬间电流过冲与斜坡信号叠加造成的功率管误关断的现象。对设计的振荡器进行了仿真验证。在最坏条件下，其最大频率偏差为6.2%，完全可满足低成本电源管理芯片的要求。
参考文献
[1]黄可，冯全源.一种基于BCD工艺的高性能振荡器的设计[J].微电子学，2009，39（5）：677-679，695.
[2]C.F.Lee and P.K.T.Mok，“A monolithic current-mode CMOS DC-DC converter with on-chip current-sensing technique，”IEEE J. Solid-State Circuits， 2000.3-14.
[3]Z.K.Zhou，Z.Huang，X.Ming，B.Zhang and Z.J.Li，“An Enhanced Double Current Limit Technique Used in High Power Buck Converter，”IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits， 2009.376-379.
（作者单位： 中国电子科技集团公司54研究所）