数字芯片限流比较器

1、一种新颖的限流比较器的设计，610031）（西南交通大学学院，来源：微计算机信息摘要：设计了一个新颖的基于 Step-Down电源管理的 PFM（脉冲频率调制）限流比较器电路，在轻载时使进入 PFM 工作模式，因此能够延长电池并且大幅度的提高 Step-Down电源管理的效率。经分析和仿真表明：该比较器延迟小，具有简单、实用、可靠性高等优点。:降压转换器 脉冲频率调制 比较器 开关电源1 引言近年来，LDO（Low Dropout）线性稳压器和 DC/DC 变换器等电源管理已广泛应用于便携式电子系统中 1。但是，开关稳压器相对线性稳压器降低了平均输入电流，提高了效率2-3。Step-Down

2、电源属于 DC/DC 变换器中的降压变换器，它的主要缺点是，在轻载时比如待机时，静态电流较高，显著降低了电池的使用，所以在低负载条件下，通过 PFM 限流比较器来控制使之进入 Idle 模式，这样就大大延长了电池，提高了的效率。2本文采用的 DC-DC 降压变换器电路结构本文采用的 DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管，极大地提高了DC-DC 降压变换器的效率，可达到 95%左右。的输入电压位于 2.7V 至 5V 之间，可工作在以下四种模式：固定频率的强制模式，同步模式，idle 模式，关断模式。13PFM 限流比较器的设计3.1比较器输入级的设计比较器输入级为射级耦合的

3、差分输入级。图 1比较器的输入级由上图可知 4，(Vi1V ) /ViE1 IES eET()1(Vi1V ) / V I ES eETiE 2()2则iC1可以近似为Iss1 (VI D / 2VT )IssIss VID1 (V/ 2V ) 1 (V/ 2V)iC1()322V2IDTIDTT同理 Iss Iss VIDi(4)C 222V2T可求得差分跨导为:iOIssGm ()5VID2VT在室温下,VT =26mV , 所以运放跨导等于2Gm 19.2Iss(6)此外，电阻R15，R16作为运放负载，出放大器输入级增益表达式如下： GmRout 19.2Iss(rO QP 46 |

4、R16)AV 1(7)3.2 比较器中间级比较器中间级由 D，E 输入，A 输出。MP724，MP725 的作用是减小 A 点电压的变化幅度，使得比较器具有较短的瞬态响应时间和较快的速度。现在计算折叠共源共栅运放的小信号电压增益，因为| Av | GmRout ，须计算Gm 和 Rout ，而Gm gmQP63(8)Rout (gmMN 662 gmbMN 6 62 )rOMN 662 (rOMN 653 | rOQP64 ) | rOMP722(9)所以， AV 2 表达式如下：AV 2 gmQP63 (gmMN 662 gmbMN 6 62 )rOMN 662 (rOMN 653 | rO

5、QP64 ) | rOMP722 (10)图 2 比较器中间级33.3 比较器输出级比较器的输出级（Active Load inverter）由 A 输入，B 输出（图 3），进一步提高放大器的增益，AV 3 gm PMOS (roPMOS| roNMOS )(11)因此，放大器总的增益 AV 表达式如下：AV AV 1 * AV 2 * AV 3(12)3.4PFM 限流比较器电路图图 3PFM 限流比较器电路图综合前面比较器输入级，输出级，中间级的设计，出图 3 所示的 PFM 限流比较器电路图。当功率管导通时，对电感电流充电，使得电感电流上升，同时功率管的漏端电压下降，电流采样电路通过采

6、样导通功率管的漏端电压，把采样得到的电压 LS2，LTH2 输入到PFM 限流比较器，当功率管的漏端电压下降到一定程度，使得 LS2 达到 PFM 限流比较器门限 LTH2 时，比较器输出至控制逻辑模块，从而使进入 PFM 工作模式以延长电池。4PFM 限流比较器的仿真4图 4PFM 限流比较器的仿真采用 HSPICE 对图 3 所示的电路进行了比较器功能的模拟，由图 4 可见当电感电流上升时，采样得到的电压 LS2 下降，当功率管的漏端电压下降到一定程度，使得 LS2 达到PFM 限流比较器门限 LTH2 时，比较器输出至控制逻辑模块，从而使进入 PFM工作模式以延长电池。此外，比较器延迟

7、70nS。5结束语本文成功地设计出一款应用到 DC/DC上的 PFM 限流比较器，并通过 HSPICE 进行了仿真。结果表明：电路结构简单，功耗低，响应速度快，完全满足新一代 DC/DC 产品的要求，且预计投入市场之后将获得上百万元的效益。本文作者创新点：本文采用的 DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管，极大地提高了 DC-DC 降压变换器的效率，可达到 95%左右。基于该 DC-DC 降压变换器结构设计了一个新颖的基于 Step-Down的 PFM 限流比较器电路，在电源管理轻载时使进入 PFM 工作模式，因此能够延长电池并且大幅度的提高 Step-Down电源管理的效率。参考文献51，孟祥瑞，.DC-DC 开关电源管理的设计.微计算机信息，2006，21（1）：1532Qun Zhao,Fred C.Lee. High-Efficiency,High Step-Down DC-DC Converters. IEEEtranions oner electronics,2003,18(1):65-74.3Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals, National Semiconductor Applicationnote. 1999.4AdelS.Sedra,