CN103986311B - 适用于开关电源脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路，其包括电流源模块、阈值电压模块、储能控制模块和充放电模块。电流源模块的输出端分别与阈值电压模块和充放电模块连接。阈值电压模块的输出端连接储能控制模块，储能控制模块的输出端连接充放电模块，阈值电压模块为储能控制模块提供参考电压，储能控制模块控制充放电模块的充放电状态。锯齿波信号输出端口连接充放电模块，其输出的锯齿波信号又作为反馈输入到储能控制模块的输入端。采用上述方案，本发明线性度良好，生产成本低，并且其输出的锯齿波电压信号受输入电压变化和工作环境温度变化的影响很小，表现出良好的稳定性，特别适用于开关电源脉冲宽度调制电路。

Description

适用于开关电源脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路

技术领域

本发明涉及开关电源脉冲宽度调制技术领域，尤其涉及的是，一种适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路。

背景技术

开关电源具有体积小、重量轻和效率高等优越性，已广泛应用于电子电气领域。目前，开关电源普遍采用脉冲宽度调制的控制方式实现稳定输出。锯齿波振荡电路是开关电源脉冲宽度调制系统的核心，其输出的稳定性直接决定开关电源脉冲宽度调制的效果。通常，齐纳二极管在锯齿波振荡电路的设计中需要被使用，但CMOS集成工艺条件下无法使用齐纳二极管。因此，在设计CMOS集成电路时，锯齿波振荡电路需要新的结构，并且锯齿波振荡电路的稳定性应具有更高标准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路。

本发明的技术方案如下：一种适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路，其包括电流源模块、阈值电压模块、储能控制模块和充放电模块。电流源模块的输出端连接阈值电压模块的输入端。阈值电压模块的输出端连接储能控制模块的输入端。储能控制模块的输出端连接充放电模块的输入端。充放电模块的输出端即为锯齿波振荡电路的输出端。

锯齿波振荡电路中，电流源模块包括1号MOS管、2号MOS管、3号MOS管、1号电阻和误差放大器。其中1号MOS管的栅极与2号MOS管的栅极连接，构成镜像电流源结构。1号MOS管的漏极与3号MOS管的漏极连接。3号MOS管的源极与1号电阻的上端连接，1号电阻的下端接地。3号MOS管的源极与误差放大器的负输入端连接。误差放大器的输出端与3号MOS管的栅极连接。3号MOS管、1号电阻和误差放大器共同构成电流源的反馈回路。

锯齿波振荡电路中，阈值电压模块包括1号MOS管、1号电阻和2号电阻。其中1号MOS管的栅极连接电流源模块的3号MOS管的漏极。1号MOS管的漏极连接1号电阻的上端。1号电阻的下端连接2号电阻的上端，2号电阻的下端接地。

锯齿波振荡电路中，储能控制模块包括1号比较器、1号与非门、2号比较器和2号与非门。其中1号比较器的正输入端连接阈值电压模块1号MOS管的漏极。1号比较器的负输入端连接充放电模块的输出端。1号比较器的输出端连接连接1号与非门的上输入端。1号与非门的下输入端连接2号与非门的输出端。2号比较器的正输入端连接充放电模块的输出端。2号比较器的负输入端连接充放电模块2号电阻的上端。2号比较器的输出端连接2号与非门的下输入端。2号与非门的上输入端连接1号与非门的输出端。

锯齿波振荡电路中，充放电模块包括1号MOS管、充放电电容、锯齿波电压信号输出端。其中1号MOS管的栅极连接储能控制模块1号与非门的输出端。1号MOS管的源极接地。1号MOS管的漏极连接充放电电容的上端。充放电电容的下端接地。锯齿波电压信号输出端连接充放电电容的上端。

本发明在CMOS集成工艺条件下生产，并应用于开关电源的脉冲宽度调制系统。其输出的锯齿波电压信号受输入电压变化和工作环境温度变化的影响很小，表现出良好的稳定性，有效提升了开关电源脉冲宽度调制电路的性能。本发明线性度良好，适用范围广，生产成本低，特别适用于开关电源脉冲宽度调制电路。

附图说明

图1为本发明的模块结构方框图；

图2为本发明锯齿波振荡电路结构图；

图3为本发明储能控制模块电路结构图；

图4为本发明储能控制模块的比较器电路结构图；

图5A为本发明锯齿波振荡电路输出电压波形图；

图5B为本发明储能控制模块输出信号波形图；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

如图1所示，适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路包括四个模块，其分别为：电流源模块、阈值电压模块、储能控制模块和充放电模块。电流源模块的输出端分别与阈值电压模块和充放电模块连接，其输出电流Is供给阈值电压模块产生阈值电压VH和VL，并为充放电模块提供充电电流。阈值电压模块的输出端连接储能控制模块，其输出两个阈值电压，一个为上限阈值电压VH，另一个为下限阈值电压VL。储能控制模块连接充放电模块，并将锯齿波输出信号Vs作为反馈输入。储能控制模块的输出信号Vc控制充放电模块的充放电状态，当锯齿波反馈信号Vs小于下限阈值电压VL时，控制信号Vc为低电平，充放电模块处于充电状态，锯齿波输出信号Vs的值上升。当锯齿波反馈信号Vs大于上限阈值电压VH时，控制信号Vc为高电平，充放电模块处于放电状态，锯齿波输出信号Vs的值迅速下降。通过不断在充电状态和放电状态间装换，充放电模块产生并输出锯齿波信号Vs。

如图2所示，在锯齿波振荡电路中，MOS管M1、M2、M5、比较器A1和电阻R1共同构成电流源模块电路。其中MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极连接，MOS管M1的源极与MOS管M2的源极连接，并与电源Vcc连接。MOS管M5的漏极与MOS管M1的漏极连接，MOS管M5的源极与电阻R1的上端连接。电阻R1的下端接地。比较器A1的正输入端与参考电压Vref连接，比较器A1的负输入端与电阻R1的上端连接。比较器的输出端与MOS管M5的栅极连接。

MOS管M3、电阻R2和电阻R3构成阈值电压模块。其中MOS管M3的栅极与MOS管M1的栅极连接并构成镜像电流源。MOS管M3的源极与电源Vcc连接，MOS管M3的漏极与电阻R2的上端连接。电阻R2的下端与电阻R3连接，电阻R3的下端接地。电阻R2与电阻R3串联构成分压电路为储能控制模块提供阈值电压。

MOS管M4、电容C1和端口Vs构成充放电模块。其中MOS管M4的栅极与储能控制模块的控制信号输出端Vc连接。MOS管M4的漏极与电容C1的上端连接，MOS管M4的源极接地。锯齿波信号输出端口Vs与电容C1上端连接，电容C1的下端接地。

当控制信号Vc为低电平时，MOS管M4处于断开状态，电流源模块的输出电流Is对电容C1充电，锯齿波信号输出端Vs的电压线性上升。当控制信号Vc为高电平时，MOS管M4处于导通状态，电容C1通过MOS管M4放电，锯齿波信号输出端Vs的电压快速下降。

如图3所示，比较器P1、与非门N1、比较器P2和与非门N2共同构成储能控制模块。其中比较器P1的正输入端连接电阻R2的上端，并在此处获得上限阈值电压VH。比较器P1的负输入端连接锯齿波信号输出端Vs。比较器P1的输出端连接与非门N1的上输入端。与非门N1的下输入端连接与非门N2的输出端，与非门N1的输出端即为充放电信号输出端Vc。比较器P2的正输入端连接锯齿波信号输出端Vs，比较器P2的负输入端连接电阻R3的上端，并在此处获得下限阈值电压VL。比较器P2的输出端连接与非门N2的下输入端。与非门N2的上输入端连接与非门N1的输出端。

当锯齿波电压信号Vs小于下限阈值电压VL时，比较器P1输出高电平，比较器P2输出为低电平，充放电控制信号Vc为低电平。当锯齿波电压信号Vs大于上限阈值电压VH时，比较器P1输出低电平，比较器P2输出为高电平，充放电控制信号Vc为高电平。

如图4所示，储能控制模块的比较器包括两级放大电路和三级反相电路。其中MOS管CM1、CM2、CM8和CM9组成一级放大电路。MOS管CM1的栅极为负输入端，MOS管CM2的栅极为正输入端。MOS管CM1的源极连接MOS管CM2的源极，MOS管CM1的漏极连接MOS管CM8的漏极，MOS管CM2的漏极连接MOS管CM9的漏极。MOS管CM8的源极与MOS管CM9的源极分别接地。

MOS管CM3、CM4、CM10和CM11组成二级放大电路。其中MOS管CM3的栅极连接MOS管CM4的栅极，MOS管CM3的源极连接MOS管CM4的源极。MOS管CM3的漏极连接MOS管CM10的漏极，MOS管CM10的栅极连接MOS管CM9的栅极。MOS管CM4的漏极连接MOS管CM11的漏极，MOS管CM11的栅极连接MOS管CM8的栅极。MOS管CM10的源极和MOS管CM11的源极分别接地。

MOS管CM5和MOS管CM12组成一级反相电路，其中MOS管CM5的源极连接电源Vcc，MOS管CM5的栅极连接MOS管CM4的漏极。MOS管CM5的漏极连接MOS管CM12的漏极，MOS管CM12的栅极连接MOS管CM11的漏极。MOS管CM12的源极接地。

MOS管CM6和MOS管CM13组成二级反相电路，其中MOS管CM6的源极连接电源Vcc，MOS管CM6的栅极连接MOS管CM5的漏极。MOS管CM6的漏极连接MOS管CM13的漏极，MOS管CM13的栅极连接MOS管CM12的漏极。MOS管CM13的源极接地。

MOS管CM7和MOS管CM14组成三级反相电路，其中MOS管CM7的源极连接电源Vcc，MOS管CM7的栅极连接MOS管CM6的漏极。MOS管CM7的漏极连接MOS管CM14的漏极，MOS管CM14的栅极连接MOS管CM13的漏极。MOS管CM14的源极接地。比较器的输出端口Vo连接MOS管CM14的漏极。

如图5A、图5B所示，当电源Vcc电压值为4V，电容C1选取55PF，工作环境稳定为27摄氏度时，锯齿波振荡电路的输出波形Vs如图5A所示。当储能控制模块的上限阈值电压VH为1.8V，下限阈值电压为0V时，充放电控制信号Vc的波形如图5B所示。由图5A和图5B可以看出，当充放电控制信号Vc为低电平时，锯齿波信号Vs的幅值线性上升。当充放电控制信号Vc为高电平时，锯齿波信号Vs的幅值迅速下降。通过选取不同的电容C1的值，能够得到不同频率的锯齿波输出信号Vs。

Claims (2)

1.适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路，其特征在于，其包括电流源模块、阈值电压模块、储能控制模块和充放电模块;

电流源模块包括MOS管M1、M2、M5、比较器A1和电阻R1

MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极连接，MOS管M1的源极与MOS管M2的源极连接，并与电源Vcc连接;

MOS管M5的漏极与MOS管M1的漏极连接，MOS管M5的源极与电阻R1的上端连接，电阻R1的下端接地;

比较器A1的正输入端与参考电压Vref连接，比较器A1的负输入端与电阻R1的上端连接;比较器的输出端与MOS管M5的栅极连接;

充放电模块包括MOS管M4、电容C1和端口Vs;

MOS管M4的栅极与储能控制模块的控制信号输出端Vc连接;MOS管M4的漏极与电容C1的上端连接，MOS管M4的源极接地;

锯齿波信号输出端口Vs与电容C1上端连接，电容C1的下端接地;

储能控制模块的比较器包括两级放大电路和三级反相电路;

MOS管CM1、CM2、CM8和CM9组成一级放大电路;

MOS管CM1的栅极为负输入端，MOS管CM2的栅极为正输入端;MOS管CM1的源极连接MOS管CM2的源极，MOS管CM1的漏极连接MOS管CM8的漏极，MOS管CM2的漏极连接MOS管CM9的漏极;MOS管CM8的源极与MOS管CM9的源极分别接地;

MOS管CM3、CM4、CM10和CM11组成二级放大电路;

MOS管CM3的栅极连接MOS管CM4的栅极，MOS管CM3的源极连接MOS管CM4的源极;MOS管CM3的漏极连接MOS管CM10的漏极，MOS管CM10的栅极连接MOS管CM9的栅极;MOS管CM4的漏极连接MOS管CM11的漏极，MOS管CM11的栅极连接MOS管CM8的栅极;MOS管CM10的源极和MOS管CM11的源极分别接地;

MOS管CM5和MOS管CM12组成一级反相电路;

MOS管CM5的源极连接电源Vcc，MOS管CM5的栅极连接MOS管CM4的漏极;MOS管CM5的漏极连接MOS管CM12的漏极，MOS管CM12的栅极连接MOS管CM11的漏极;MOS管CM12的源极接地;

MOS管CM6和MOS管CM13组成二级反相电路;

MOS管CM6的源极连接电源Vcc，MOS管CM6的栅极连接MOS管CM5的漏极;MOS管CM6的漏极连接MOS管CM13的漏极，MOS管CM13的栅极连接MOS管CM12的漏极;MOS管CM13的源极接地;

MOS管CM7和MOS管CM14组成三级反相电路;

MOS管CM7的源极连接电源Vcc，MOS管CM7的栅极连接MOS管CM6的漏极;MOS管CM7的漏极连接MOS管CM14的漏极，MOS管CM14的栅极连接MOS管CM13的漏极;MOS管CM14的源极接地;比较器的输出端口Vo连接MOS管CM14的漏极。

2.根据权利要求1所述适用于脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路，其特征在于，电源Vcc电压值为4V，电容C1值为55PF，储能控制模块的上限阈值电压VH为1.8V，下限阈值电压为0V。