可用于AC/DC控制器中電壓基準源的設計

摘要：提出了一種新穎的可用于AC/DC控制芯片中的基準電壓源電路。此電路以PTAT（proportional to absolutetemperature）電流為偏置電流，利用二極管連接的MOS晶體管遷移率和閾值電壓的溫度系數可相互補償的特性，產生與溫度無關的柵源電壓。該電路結構簡單，既無啟動電路也無運放，避免了運放失調對基準源的影響，設計采用CSMC0.5μm BCD工藝。仿真結果表明，該基準電壓源具有較低的溫度系數和高電源電壓抑制比，可作為AC/DC控制芯片中遲滯比較器的參考源。

0 引 言

近幾年隨著集成電路和功率半導體技術的發(fā)展，開關電源的集成度有了很大的提高，逐漸成為現代主流的電源技術。在開關電源AC/DC控制芯片中，基準源是一個非常重要的模塊。需要有精確的基準電壓與輸出端的反饋電壓進行比較，根據比較的結果（誤差電壓）產生脈寬調制信號來調節(jié)輸出電壓，從而抑制輸出電壓的波動?；谶w移率和閾值電壓相互補償的溫度效應實現的MOS柵源電壓基準是近幾年基準源研究的焦點之一。與帶隙基準相比，MOS柵源電壓基準電路結構簡單且實現電壓值的范圍比較廣，既可以產生小于1.25 V的基準也可以產生大于2 V的基準電壓。MOS柵源電壓基準在設計電壓基準方面已經得到了廣泛的應用。

1 遷移率和閾值電壓相互補償效應

在MOS管中由于存在遷移率和閾值電壓的溫度系數相互補償效應，存在零溫度系數點（ZTC:zerotemperature coefficient）。當一個大小在ZTC 點的PTAT電流偏置二極管連接的MOS管時，能產生一個與溫度無關的柵源電壓，可以用柵源電壓來作為基準電壓。設PTAT電流源I_D（T）為：

式中，T0是參考溫度，γ是一個正常數。MOS管工作在飽和區(qū)時的漏電流為：

式中，遷移率μ（T）和閾值電壓U_TH（T）是受溫度影響的參數。遷移率μ（T）與溫度T 的關系式為：

式中，α_μ0和α_μ1都是正常數。α_μ0的取值范圍一般為1.5~2,α_μ1的取值范圍一般為0.01~0.05。忽略溫度T 的變化對α_μ的影響，把α_μ看成一個與溫度無關的正常數。閾值電壓與溫度的關系可以近似看成呈線性遞減關系為：

式中，α_VT是一個正常數，其值大約在1 mV/℃ 到4 mV/℃之間。在BSIM4.6.0模型中α_VT的精確表達式為：

式中，K_T1是閾值電壓溫度系數；K_T1L是由于有效溝道長度對閾值電壓溫度效應影響的系數；K_T2是由于體偏置對閾值電壓溫度效應影響的系數。將式（3）和（6）代入式（2）中得：

式中：

假設溫度T 從T0稍微增大到T0+əT,將式（1）代入式（7）中并采用近似得：

因此可以得到MOS管柵源電壓的變化量δ_UGS為：

式中：

若有這樣一個PTAT電流源，與它相關的參數λ和γ滿足以下式子：

則可以得到MOS管的柵源電壓值UGS不隨著溫度的變化而發(fā)生改變，可作為基準電壓源。

2 電路設計

在控制器中電壓基準源的電路結構如圖1所示，主要包含5個模塊：PTAT電流源模塊、基準電壓模塊、內部電源產生模塊、電流偏置模塊和穩(wěn)壓模塊。

圖1 電壓基準源電路結構

PTAT電流源模塊是由電阻R1和R2、三極管Q1~Q4及M1管組成，產生一個與絕對溫度成正比的電流為后續(xù)電路提供電流或電壓偏置。三級管Q1與Q2和Q3與Q4發(fā)射結的面積之比為1:2 和2:1.可得PTAT電流為：

在AC/DC變換控制器中，U_CC的電壓在整個系統(tǒng)正常工作過程中變化很大，從7.5 V 到12.5 V,因此U_CC不能作為芯片內部其他電路模塊的電源電壓。

內部電源電壓產生模塊由起電流鏡像作用MOS管M2和M3、二極管連接的M6~M9管、起電平轉移作用的三極管Q5和Q6、對大電流緩沖作用電容C1組成的。

其功能是產生一個與U_CC無關且具有大電流驅動能力的電壓U_DD作為內部電源電壓。系統(tǒng)在高壓啟動完成后會進入正常的工作狀態(tài)，電流偏置模塊通過U_B1和U_B2端為芯片的其他模塊提供電流或電壓偏置。Main_con是一個電平控制信號，通過控制開關管M17來控制流過M16管漏極電流的大小。穩(wěn)壓模塊是由反向偏置的齊納穩(wěn)壓二極管D1和D2組成的，穩(wěn)壓模塊對輸入電壓U_CC起限壓的作用。

電壓基準源模塊的作用是產生兩個基準電壓U_REF1和U_REF2作為后續(xù)電路遲滯比較器的參考電壓。M4管對M1管進行1:1的鏡像，則流過M4管的漏極電流為：

當模塊中所有的MOS管都工作在飽和狀態(tài)時，則電壓U_REF1和U_REF2分別為：

可得U_REF1和U_REF2的大小與U_CC無關。以U_REF1為例，要使得U_REF1在溫度T0時有零溫度系數點。在T=T0時，有：

根據2節(jié)的原理分析，結合式（1）和式（18）得PTAT電流的溫度系數為：

把式（12）和式（19）代入式（13）得：

因此，當M10寬長比的值滿足式（20）時，U_REF1就近似與溫度無關，可作為基準電壓。在U_REF1確定的基礎上，基于相同的原理選取M5的寬長比使得|U_GS5|與溫度無關，進而產生與溫度無關的基準電壓U_REF2.為了提高基準電壓電源的電源電壓抑制比（PSRR）和降低輸出噪聲，增加了由電阻R3、R4和電容C3、C4組成的RC低通濾波器。采用的RC低通濾波器可以改善低通濾波器帶寬外的PSRR特性和噪聲性能。

3 電路仿真結果

利用Cadence Spectre工具對基準源電壓隨溫度和輸入電壓UCC的變化情況進行仿真。在電路處于典型的工作狀態(tài)即輸入電壓U_CC=10 V時，對基準源的溫度特性從-20℃~100℃范圍內進行直流掃描，仿真結果如圖2所示（tt工藝角）。在溫度T=35℃附近基準電壓U_REF1和U_REF2具有零溫度系數點（ZTC），它們的值分別為1.063 V 和2.499 V.在溫度從-20℃變化到100℃時，基準電壓U_REF1和U_REF2電壓變化值分別為3.769 mV和7.455 mV,對應的溫度系數分別為31.40 ppm/℃和62.12 ppm/℃。因此利用遷移率和閾值電壓相互補償作用產生的基準電壓具有較好的溫度特性。

圖2 基準電壓的溫度變化特性曲線

當系統(tǒng)正常工作時，在U_CC變化范圍內對基準電壓U_REF1和U_REF2進行DC直流掃描仿真（tt工藝角），結果如圖3所示。在U_CC從7.5 V變化到12.5 V時，基準電壓U_REF1和U_REF2的電壓變化值分別為1.909mV和5.201 mV,因此可以看出對U_CC的直流變化具有很好的抑制作用。為了使基準電壓對電源電壓U_CC的噪聲有較好的抑制能力，應確保PSRR大于40 dB。

圖3 基準電壓隨UCC變化特性曲線

在U_CC直流電壓為10 V時，基準電壓U_REF1和U_REF2對U_CC電源電壓抑制比（PSRR）的頻率特性仿真結果（tt工藝角）如圖4所示。在低頻段，U_REF1和U_REF2電源電壓抑制比分別為68.5 dB和59.7 dB;隨著頻率的升高，電源電壓抑制比PSRR 逐漸降低。在頻率達到261 kHz時，加入了低通RC濾波器開始起作用，提高了高頻段的電源電壓抑制比。

圖4 電源電壓抑制比仿真圖

4 結 論

在電壓基準源的設計中，基于MOS管的遷移率和閾值電壓溫度系數相互補償的效應，以PTAT電流源偏置二極管連接的MOS管，產生一個不隨溫度而改變的柵源電壓來作為基準。這種方法實現的基準源具有較低的溫度系數和高PSRR,且電路結構簡單，滿足開關電源AC/DC控制器中對電壓基準源的要求。