潘福躍，李現(xiàn)坤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公團(tuán)第58研究所，江蘇 無(wú)錫，214035）

一種用于開(kāi)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(guó)電子科技集團(tuán)公團(tuán)第58研究所，江蘇 無(wú)錫，214035）

設(shè)計(jì)了一種用于開(kāi)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(gè)三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，其中第二級(jí)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源逐步占據(jù)電源市場(chǎng)。開(kāi)關(guān)電源是一種通過(guò)控制功率開(kāi)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(lèi)電源［1］。開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是：高效率、低功耗、智能化、集成度高［2］。

開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)［3］。

圖1　傳統(tǒng)模擬開(kāi)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(hào)就是原始的負(fù)反饋信號(hào)。因此，誤差放大器性能的優(yōu)劣直接影響開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)的用于開(kāi)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(duì)EA性能以及開(kāi)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(gè)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(kāi)關(guān)電源輸出電壓的采樣信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較，輸出信號(hào)EAOUT_Inside是開(kāi)關(guān)電源負(fù)反饋環(huán)路的關(guān)鍵信號(hào)。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(kāi)關(guān)電源的EAOUT信號(hào)來(lái)源。鉗位電路（CLAMP）用于EA最終輸出信號(hào)的高電平鉗位。由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的EA，輸出信號(hào)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(gè)三級(jí)運(yùn)算放大器。V+和V-是電路的兩個(gè)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(hào)，其中LVDD是開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部LDO的輸出端，其電壓為1.8 V。Vb1信號(hào)是偏置電壓，用于為電路各支路提供偏置電流。VEN信號(hào)是使能信號(hào)，通過(guò)控制MN7管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）輸出信號(hào)的高電平鉗位，1.5 V的電壓輸入來(lái)自于開(kāi)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(duì)內(nèi)部誤差放大器（EA_Inside）輸出信號(hào)的低電平鉗位，同樣0.2 V的電壓信號(hào)輸入來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部基準(zhǔn)分壓模塊。

電路的第一級(jí)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(jí)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(gè)折疊式共源共柵放大器［4］，由圖3可知，Q3、Q4這一對(duì)三極管是共源輸入管，而MP4、MP6兩個(gè)PMOS管是共柵管，其漏端分別是第二級(jí)放大器的兩個(gè)輸出端。另外為提高這一級(jí)運(yùn)放的增益，本文還設(shè)計(jì)了“交叉耦合”結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3中的MN8、MN9兩管。MN6、MN10兩管寬長(zhǎng)比為W/L，而MN8、MN9兩管的寬長(zhǎng)比是k（W/L），k＜1。MN8、MN9兩管可等效為第二級(jí)放大器輸出端的兩個(gè)“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?jí)放大器是雙端輸入雙端輸出的對(duì)稱(chēng)電路，所以，其增益的計(jì)算可用半邊電路等效法來(lái)計(jì)

算，具體計(jì)算見(jiàn)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。考慮到

因此可以得到：

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

電路的第三級(jí)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(guò)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(shí)工作，其使能控制信號(hào)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(dòng)能力，避免因外部補(bǔ)償過(guò)大導(dǎo)致EA驅(qū)動(dòng)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(hào)是VFB和ITH，電路工作原理是通過(guò)信號(hào)VFB、ITH的組合選通不同的傳輸門(mén)，進(jìn)而選擇不同的補(bǔ)償方式以及EAOUT信號(hào)來(lái)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?cè)O(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(kāi)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(jiàn)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(kāi)關(guān)電源，VFB信號(hào)是對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的采樣信號(hào)，該信號(hào)也是內(nèi)部誤差放大器EA的反相輸入信號(hào)。通常情況下，VFB信號(hào)的電壓幅值小于電源電壓。由表1可知，ITH信號(hào)連接方式?jīng)Q定了EA的補(bǔ)償方式。當(dāng)VFB信號(hào)幅值為電源電壓時(shí)，內(nèi)部誤差放大器被停用。這種情況適用于兩片開(kāi)關(guān)電源級(jí)聯(lián)主從操作。這種工作模式屬于主從開(kāi)關(guān)電源的單主控器操作，在該模式下，主從開(kāi)關(guān)電源用同一個(gè)EAOUT信號(hào)，這樣的工作方式不僅更容易對(duì)開(kāi)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(jí)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(jiàn)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(hào)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(gè)階躍信號(hào)，仿真得到輸出端波形，并由此計(jì)算EA的建立時(shí)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(hào)在2 μs時(shí)加載到電路中，建立時(shí)間（Settle Time）一般是指輸出端信號(hào)從對(duì)輸入階躍響應(yīng)開(kāi)始到幅值誤差小于0.1%所用的時(shí)間。從圖7可以看出，本文設(shè)計(jì)的EA，建立時(shí)間約為3.42 μs。

對(duì)瞬態(tài)仿真波形加以處理，可以得到輸出信號(hào)的擺率SR，見(jiàn)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(hào)的擺率，計(jì)算選取的時(shí)間區(qū)間是輸出信號(hào)幅值由10%上升到90%的時(shí)間。最終計(jì)算得到SR = 379.4 mV/μs。

一個(gè)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(hào)抑制共模信號(hào)的能力，電源抑制比PSRR還分為對(duì)電源擾動(dòng)的抑制PSRR+和對(duì)地信號(hào)擾動(dòng)的抑制PSRR-。圖9～圖11是對(duì)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(yǔ)

本文介紹了一種用于開(kāi)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(duì)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(guò)流片測(cè)試驗(yàn)證，成功應(yīng)用于開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)及應(yīng)用［J］.電子質(zhì)量，2001，3：36-37.

［2］ 孫剛.開(kāi)關(guān)電源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的討論［J］.電子工程師，2002，35：45-46.

［3］ Abranham I Pressman著，王志強(qiáng)等譯.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.7-16.

［4］ Phillip E Ellen， Douglas R Holberg著，馮軍，李志群譯.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.162-166.

［5］ Behzad Razav著，陳貴燦，程軍，張瑞智等譯.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì) ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.109-110.

［6］ Jie Yah，Randall L，Geiger.A negative conductance voltage gain enhancement technique for low voltage high speed CMOS op amp design［C］.Roe 43rdIEEE Midwest Symp on Circuit and system， Learning MI. 8-11.

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(guó)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