可用于AC/DC控制器中電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種新穎的可用于AC/DC控制芯片中的基準(zhǔn)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(shù)可相互補(bǔ)償?shù)奶匦裕a(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的柵源電壓。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既無(wú)啟動(dòng)電路也無(wú)運(yùn)放，避免了運(yùn)放失調(diào)對(duì)基準(zhǔn)源的影響，設(shè)計(jì)采用CSMC0.5μm BCD工藝。仿真結(jié)果表明，該基準(zhǔn)電壓源具有較低的溫度系數(shù)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的集成度有了很大的提高，逐漸成為現(xiàn)代主流的電源技術(shù)。在開(kāi)關(guān)電源AC/DC控制芯片中，基準(zhǔn)源是一個(gè)非常重要的模塊。需要有精確的基準(zhǔn)電壓與輸出端的反饋電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果（誤差電壓）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而抑制輸出電壓的波動(dòng)。基于遷移率和閾值電壓相互補(bǔ)償?shù)臏囟刃?yīng)實(shí)現(xiàn)的MOS柵源電壓基準(zhǔn)是近幾年基準(zhǔn)源研究的焦點(diǎn)之一。與帶隙基準(zhǔn)相比，MOS柵源電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)現(xiàn)電壓值的范圍比較廣，既可以產(chǎn)生小于1.25 V的基準(zhǔn)也可以產(chǎn)生大于2 V的基準(zhǔn)電壓。MOS柵源電壓基準(zhǔn)在設(shè)計(jì)電壓基準(zhǔn)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 遷移率和閾值電壓相互補(bǔ)償效應(yīng)

在MOS管中由于存在遷移率和閾值電壓的溫度系數(shù)相互補(bǔ)償效應(yīng)，存在零溫度系數(shù)點(diǎn)（ZTC:zerotemperature coefficient）。當(dāng)一個(gè)大小在ZTC 點(diǎn)的PTAT電流偏置二極管連接的MOS管時(shí)，能產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的柵源電壓，可以用柵源電壓來(lái)作為基準(zhǔn)電壓。設(shè)PTAT電流源I_D（T）為：

式中，T0是參考溫度，γ是一個(gè)正常數(shù)。MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)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(shù)。遷移率μ（T）與溫度T 的關(guān)系式為：

式中，α_μ0和α_μ1都是正常數(shù)。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(duì)α_μ的影響，把α_μ看成一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的正常數(shù)。閾值電壓與溫度的關(guān)系可以近似看成呈線性遞減關(guān)系為：

式中，α_VT是一個(gè)正常數(shù)，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(dá)式為：

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

式中：

假設(shè)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(gè)PTAT電流源，與它相關(guān)的參數(shù)λ和γ滿(mǎn)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(zhǔn)電壓源。

2 電路設(shè)計(jì)

在控制器中電壓基準(zhǔn)源的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含5個(gè)模塊：PTAT電流源模塊、基準(zhǔn)電壓模塊、內(nèi)部電源產(chǎn)生模塊、電流偏置模塊和穩(wěn)壓模塊。

圖1 電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)

PTAT電流源模塊是由電阻R1和R2、三極管Q1~Q4及M1管組成，產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)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(jí)管Q1與Q2和Q3與Q4發(fā)射結(jié)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(gè)系統(tǒng)正常工作過(guò)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(nèi)部其他電路模塊的電源電壓。

內(nèi)部電源電壓產(chǎn)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(zhuǎn)移作用的三極管Q5和Q6、對(duì)大電流緩沖作用電容C1組成的。

其功能是產(chǎn)生一個(gè)與U_CC無(wú)關(guān)且具有大電流驅(qū)動(dòng)能力的電壓U_DD作為內(nèi)部電源電壓。系統(tǒng)在高壓?jiǎn)?dòng)完成后會(huì)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，電流偏置模塊通過(guò)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(gè)電平控制信號(hào)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管M17來(lái)控制流過(guò)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(duì)輸入電壓U_CC起限壓的作用。

電壓基準(zhǔn)源模塊的作用是產(chǎn)生兩個(gè)基準(zhǔn)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(duì)M1管進(jìn)行1:1的鏡像，則流過(guò)M4管的漏極電流為：

當(dāng)模塊中所有的MOS管都工作在飽和狀態(tài)時(shí)，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(wú)關(guān)。以U_REF1為例，要使得U_REF1在溫度T0時(shí)有零溫度系數(shù)點(diǎn)。在T=T0時(shí)，有：

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

把式（12）和式（19）代入式（13）得：

因此，當(dāng)M10寬長(zhǎng)比的值滿(mǎn)足式（20）時(shí)，U_REF1就近似與溫度無(wú)關(guān)，可作為基準(zhǔn)電壓。在U_REF1確定的基礎(chǔ)上，基于相同的原理選取M5的寬長(zhǎng)比使得|U_GS5|與溫度無(wú)關(guān)，進(jìn)而產(chǎn)生與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓U_REF2.為了提高基準(zhǔn)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(jié)果

利用Cadence Spectre工具對(duì)基準(zhǔn)源電壓隨溫度和輸入電壓UCC的變化情況進(jìn)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(shí)，對(duì)基準(zhǔn)源的溫度特性從-20℃~100℃范圍內(nèi)進(jìn)行直流掃描，仿真結(jié)果如圖2所示（tt工藝角）。在溫度T=35℃附近基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2具有零溫度系數(shù)點(diǎn)（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(shí)，基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2電壓變化值分別為3.769 mV和7.455 mV,對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)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(bǔ)償作用產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓具有較好的溫度特性。

圖2 基準(zhǔn)電壓的溫度變化特性曲線

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，在U_CC變化范圍內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2進(jìn)行DC直流掃描仿真（tt工藝角），結(jié)果如圖3所示。在U_CC從7.5 V變化到12.5 V時(shí)，基準(zhǔn)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(duì)U_CC的直流變化具有很好的抑制作用。為了使基準(zhǔn)電壓對(duì)電源電壓U_CC的噪聲有較好的抑制能力，應(yīng)確保PSRR大于40 dB。

圖3 基準(zhǔn)電壓隨UCC變化特性曲線

在U_CC直流電壓為10 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2對(duì)U_CC電源電壓抑制比（PSRR）的頻率特性仿真結(jié)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(dá)到261 kHz時(shí)，加入了低通RC濾波器開(kāi)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(jié) 論

在電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)中，基于MOS管的遷移率和閾值電壓溫度系數(shù)相互補(bǔ)償?shù)男?yīng)，以PTAT電流源偏置二極管連接的MOS管，產(chǎn)生一個(gè)不隨溫度而改變的柵源電壓來(lái)作為基準(zhǔn)。這種方法實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)源具有較低的溫度系數(shù)和高PSRR,且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源AC/DC控制器中對(duì)電壓基準(zhǔn)源的要求。