用于DCDC开关电源的模拟加法器设计

摘要：采用恒流源技术设计了1种适合于DCDC开关电源的模拟加法器。基于CSMC 0.5 μm混合标准CMOS工艺对所设计电路进行了仿真验证。在3 V电源电压条件下，瞬态仿真结果显示模拟加法器输出VA为参考电压Vref与输入信号VA1的加权。当输入信号VA1从0～1.2 V变化时，模拟加法器的输出电压VA与VA1成线性关系，且VA与VA1的差值恒为一常数。当温度在0～110 ℃范围内变化时，模拟加法器的输出VA偏差仅为1.18 mV。仿真结果显示：该模拟加法器具有非常好的性能特性，适用于DCDC开关电源。

关键词：DCDC开关电源；模拟加法器；恒流源；误差放大器

中国分类号：TN433文献标识码：A文章编号：10053824（2013）03000503

0引言

电源管理IC因具有体积小、转换速率高等优点，已被广泛应用于电子、通信、电气、能源、航空航天及家电等领域。电源管理IC主要分为线性稳压电源转换器和DCDC开关电源转换器。相对于线性稳压电源转换器， DCDC开关电源转换器具有电压转换效率高和输出电压范围较宽的特点，因而DCDC开关电源转换器已成为主要的电源产品之一[1]。

降压型脉冲宽度调制型（pulse width modulation， PWM） DCDC开关电源是目前被广泛应用的1种DCDC开关电源结构[24]，其电路结构如图1所示。由图1可知，模拟加法器是PWM型DCDC开关电源转换器的核心模块，其性能特性直接影响PWM型DCDC开关源的性能特性，因而要求模拟加法器在电源电压、温度等变化或漂移条件下，均能获得稳定的性能。针对这些要求，本文设计了1种适用于DCDC开关电源的模拟加法器。

1模拟加法器原理及构成

本文所设计的模拟加法器的原理图如图2所示。该模拟加法器主要由误差放大器A1，误差放大器A2，MOS晶体管M1―M4，电阻R1，R2以及电容C1，C2组成。其中，误差放大器A1与误差放大器A2完全相同，Vref为带隙基准参考提供的1.2 V带隙参考电压，其具有与温度、电源电压波动以及工艺无关的参考电压源。VA1为图1所示的DCDC开关电源转换器的放大器的输出信号。电容C1与电容C2在图2所示电路中起滤波以及电荷存储作用。

图1DCDC开关电源转换器电路结构图图2模拟加法器原理图误差放大器A1，MOS管M1与电阻R2构成负反馈系统。误差放大器A1强制放大器的两输入端电压相等，即V1=Vref，因而流过电阻R1的电流I1为I1=VrefR1（1）图2中，MOS晶体管M1与M2构成基本电流镜，因而流过M2的漏电流I2为I2=WL2WL1I1（2）（2）式中：WL1与WL2分别为晶体管M1与M2的宽长比，因而电阻R1的压差VR1为VR1=I2R2=WL2WL1×R2R1×Vref（3）同理，误差放大器A2与MOS管M4也构成负反馈系统。误差放大器A2强制其两输入端电压相等，即V2=VA1（4）由（3）式与（4）式可得模拟加法器的输出电压VA，其可表示为VA=VA1+WL2WL1×R2R1×Vref（5）在电路设计时，若M1与M2为完全相同的PMOS管，即WL1=WL2，同时R2与R1为同一类型电阻且具有相同的阻值，则（5）式可表示为VA=VA1+Vref（6）（6）式说明图2所示的电路能有效地实现两模拟电压求和的功能。

2误差放大器的分析与设计

在图2所示的电路中，误差放大器A1以及误差放大器A2为模拟加法器的重要单元模块，其性能特性直接影响模拟加法器的性能特性，其中误差放大器A1与误差放大器A2完全相同。针对此问题，本文所设计的误差放大器A1与误差放大器A2采用折叠式共源共栅结构[5]，如图3所示。误差放大器主要由晶体管Ma0―Ma10、电阻R构成。其中Vp和Vn分别为误差放大器的差分输入端，Vb1―Vb3为偏置电压，Ma0与Ma1为PMOS输入对管，Ma3，Ma4与Ma5，Ma6形成电流镜对负载，实现双端输入和单端输出。图4为放大器的交流仿真曲线。仿真结果显示，在一定负载电容条件下，本文所设计的误差放大器获得65.5 dB的低频增益以及80°相位裕度，能够满足模拟加法器的要求。

图3误差放大器电路图图4误差放大器交流仿真波形图3仿真结果与分析

为验证所设计的模拟加法器的性能特性，在电源电压VDD=3 V的条件下，采用CSMC的0.5 μm标准CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对电路进行了仿真验证。

当Vref=1.2 V以及VA1=1 V时，模拟加法器的瞬态仿真结果如图5所示。仿真结果显示模拟加法器的输出VA≈2.2 V，有效地实现了加法器功能。图6给出了VA与输入信号VA1的直流扫描关系曲线。仿真结果显示，模拟加法器的输出电压VA与输入电压VA1成线性关系，其差值恒为一常数。

图7为模拟加法器输出电压VA与温度的关系仿真曲线。仿真结果显示，当温度在0～110 ℃范围变化时，输出电压VA变化量仅为1.18 mV。

图5模拟加法器瞬态仿真

图6模拟加法器输出VA与输入VA1的关系曲线

图7模拟加法器输出电压与温度关系仿真曲线

4结语

本文设计了一种适用于DCDC开关电源的模拟加法器，其具有简单的电路结构。采用CSMC 0.5 μm CMOS混合工艺以及Cadence的Spectre仿真工具对所设计的电路进行了仿真验证。仿真结果显示模拟加法器具有非常好的性能，能够满足DCDC开关电源的要求。参考文献：

[1]顾亦磊，吕征宇，钱照明.DC/DC拓扑的分类及选择标准[J].浙江大学学报，2004，38（10）：13751379.

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[3]TAN Min， ZHOU Qianneng. A endpoint prediction scheme with constant amplitude ramp signal suitable for high voltage applications [C]//Electron Devices and SolidStatc Circuits（EDSSC）， 2010IEEE International Conference. Hong Kong：[s.n.]，2010： 14.

[4]SIU M， MOK P K ， LEUNG K N， et al. A voltagemode PWM buck regulator with endpoint prediction[J]. IEEE Transaction on Circuits and SystemsII： Express Briefes，2006，53（4）：294298.

[5]RAZAVI B. Design of analog CMOS integrated circuits[M].[S.l.]： McGrawHill Companies， 2002.