具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器電路設計

摘要：基于LED驅(qū)動的微功耗DC—DC轉(zhuǎn)換器，針時低壓高穩(wěn)定性的要求設計了一款具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器電路，它的最低輸入電壓為1．2 V，其核心電路有帶隙基準比較器、射極跟隨器和遲滯比較囂。整個電路采用Bipolar工藝設計，利用HSpice軟件對所設計的電路進行了仿真與驗證。結(jié)果表明，遲滯比較器的遲滯電壓為8 mV，翻轉(zhuǎn)門限電壓隨輸入電壓和溫度的變化均很小。
關(guān)鍵詞：DC—DC轉(zhuǎn)換器；帶隙基準；遲滯比較器；Bipolar

    在大多數(shù)的便攜式產(chǎn)品中，它的顯示器幾乎都采用LCD，LCD本身不能獨立發(fā)光，必須要有背光源才能發(fā)光，因此LED驅(qū)動變得越來越重要。在便攜式產(chǎn)品中，它的電源幾乎都采用電池供電，電池有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和堿性電池，鎳鎘、鎳氫、堿性電池的工作電壓是1.2V，鋰離子工作電壓是3．6 V或3．7 V。要驅(qū)動串聯(lián)的幾顆LED。上述的幾種電源均不能滿足要求，所以必須采用升壓型的DC—DC驅(qū)動LED。
    本電路沒有設計單一的基準源模塊。這是因為它的最低輸入電壓為1．2 V。如果采用基準源模塊的設計方法，要獲得一個與溫度和電源電壓無關(guān)的基準源，整個電路的輸入電壓基本上要超過2 V，不滿足設計要求。因此，采用一個自身具有恒定翻轉(zhuǎn)門限的遲滯比較器，實現(xiàn)了基準源和使能比較器的功能。

1 電路設計
1．1 電路功能
    遲滯比較器的功能是將反饋電壓VFB與內(nèi)部的門限電壓相比較，控制其他模塊是否正常工作。當反饋電壓VFB比內(nèi)部上門限電壓高時，遲滯比較器的輸出將使其他模塊不工作；當反饋電壓VFB比內(nèi)部下門限電壓高時，遲滯比較器的輸出使其他模塊正常工作。
1．2 具有帶隙結(jié)構(gòu)遲滯比較器的電路原理
    帶隙基準遲滯比較器由3部分構(gòu)成(見圖1)，帶隙基準比較器、射隨器和遲滯比較器。工作原理為：輸入端與內(nèi)部的基準門限電壓進行比較，當輸入端電壓超過內(nèi)部基準門限時，Q12集電極中沒有電流流過，即輸出電流IOUT為0；當輸入端電壓低于較低門限時，Q12集電極中有電流流過，即有IOUT流過，從而實現(xiàn)了輸出電流IOUT的遲滯控制。
1．2．1 帶隙基準比較器
    圖1中左邊部分是帶隙基準比較器。Q2的發(fā)射區(qū)面積是Q1的n倍。電流Ic2，Ic1與反饋電壓VFB的關(guān)系如圖2所示。設流過Q1集電極的電流為Ic1流過Q2集電極的電流為Ic2。其工作原理是：當反饋電壓VFB較低時，Ic2>Ic1，A點電壓比B點電壓高；當VFB從低電平逐漸增加時，電流Ic2，Ic1均增加，Ic2曲線斜率比Ic1曲線斜率??；當VFB達到帶隙基準比較器的翻轉(zhuǎn)門限時，Ic2=Ic1，A點電壓與B點電壓相等；當VFB超過帶隙基準比較器的翻轉(zhuǎn)門限時，Ic2<Ic1，A點電壓比B點電壓低，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

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    計算帶隙基準比較器的翻轉(zhuǎn)門限電壓。由Q1，Q2構(gòu)成了帶隙電路中△VBE的NPN對，電流設置電阻是R1，增益電阻是R2。R3可限制驅(qū)動Q2的基極電流，這可以防止其進入深飽和，維持電路正確的工作和限制偏置電流。R4，R5電阻值相等。

    于是帶隙比較器的翻轉(zhuǎn)門限電壓就等于VTH。
    在T=300 K時，；VT與絕對溫度成正比，此時VT=8．62×10-5T；VT隨溫度的增加而增加，而Vbe隨溫度的增加而減小，它的溫度系數(shù)。在式(5)中，第1項是正溫度系數(shù)，第2項是負溫度系數(shù)，合理調(diào)節(jié)R2，R1的比值和n，就可以得到與溫度、電源電壓無關(guān)的翻轉(zhuǎn)門限電壓。
1．2．2 遲滯比較器
    遲滯比較器的設計不是采用比較器輸出端加反饋電阻到輸入端，即改變比較器輸入門限的方法，而是采用改變電路的平衡性，在比較器的反相輸入端引入一失調(diào)電壓來實現(xiàn)遲滯功能。
    (1)遲滯比較器的框圖
    圖3是圖1中遲滯比較器的簡化原理方框圖。其工作原理是：當VIN+為低電平并逐漸增加時，比較器輸出OUT為低電平，反饋回路使得開關(guān)K打開。當VIN+>VIN-+VOS時，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，反饋回路使得開關(guān)閉合。VIN+由高電平開始下降時，反饋回路使得開關(guān)處于閉合狀態(tài)，當VIN+<VIN-時，比較器發(fā)生跳變，輸出變?yōu)榈碗娖?。因此該比較器遲滯電壓為VOS。

    (2)實際電路設計
    圖1電路中，Q11，Q12，Q9，R10提供遲滯反饋回路。Q13相當于圖3中的開關(guān)K。Q11，Q12，Q13構(gòu)成電流鏡，當Q12集電極有電流流過時，Q11，Q13集電極也有電流流過。當C點電壓高于D點電壓時，Q10導通，Q12集電極中有電流流過，Q11的集電極，電流流過R10，Q9的發(fā)射極電位升高，Q9截止，遲滯比較器處于一種工作狀態(tài)(相當于圖3中K閉合)，設此時流過R8中的電流為IH。當C點電壓低于D點電壓時，Q10截止，Q12集電極中沒有電流流過，Q9的集電極電位變低，Q9導通，遲滯比較器處于另一種工作狀態(tài)(相當于圖3中K打開)，設此時流過R8中的電流為IL。
    遲滯過程為：當C點電壓從低電平逐漸增加時，Q10截止，Q12集電極中沒有電流流過，Q9的發(fā)射極電位變低，Q9導通，流過R8中的電流為IL；當C點電壓與D點電壓相等時，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，設此時D點電壓為VH，Q10導通，Q12集電極中有電流流過，Q11的集電極電流流過R10，Q9的發(fā)射極電位升高，Q9截止，流過R8中的電流變?yōu)镮H，Q9由截止變?yōu)閷?，引起流過R8的電流變化量△IR8=IL-IH，R8兩端的電壓變化量為△V=R8×△AIR8，相當于遲滯比較器的負端電壓減少△V，當C點電壓低于VH-△V時，遲滯比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。于是遲滯比較器的遲滯電壓為△V。[!--empirenews.page--]
    (3)整體電路的門限電壓和遲滯電壓
    當VFB從低電平逐漸增加時，Ic2>Ic1，于是C點電壓高于D點電壓，Q10導通，Q9截止。當輸入電壓VFB達到帶隙比較器的翻轉(zhuǎn)門限時，Ic2=Ic1，此時遲滯比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10截止，Q9導通，設此時的VFB=VOH，則有：
   
    當VFB從超過VOH電壓逐漸減小時，遲滯比較器的工作點發(fā)生變化，只有當遲滯比較器的電壓達到下翻轉(zhuǎn)門限時，遲滯比較器才翻轉(zhuǎn)，于是當VFB減小到VFB=VOH時，Q10并不導通，VFB繼續(xù)減小，當遲滯比較器的電壓達到下翻轉(zhuǎn)門限時，遲滯比較器才會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10導通，設此時的VFB=VOL，則有：
   
    式中：△U是△V等效到IN端的輸入電壓；△V是遲滯比較器的遲滯電壓。于是整體電路的輸入端FB遲滯電壓為△U。它與Q9導通時流過的電流、R8大小有關(guān)。調(diào)節(jié)R9，R10的大小可以改變Q9導通時流過的電流，也就可以調(diào)節(jié)這個遲滯電壓。改變R8的大小可以直接調(diào)整遲滯電壓。

2 仿真驗證
    遲滯比較器的仿真波形如圖4～圖6所示，圖4為輸出電流IOUT與輸入信號FB的關(guān)系圖。從圖中可以看出，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)8 mV的遲滯功能。圖5和圖6分別為遲滯比較器翻轉(zhuǎn)門限隨電源電壓和溫度的變化結(jié)果?？梢钥闯?，遲滯比較器的翻轉(zhuǎn)門限隨溫度和電壓變化均較小，驗證了電路的穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)語
    傳統(tǒng)的帶隙基準電路和遲滯比較器電路占芯片面積較大，工作電壓和功耗都比較高。本文設計的具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器工作電壓低至1．2 V，大大節(jié)省了芯片面積，適用于微功耗DC—DC轉(zhuǎn)換器中，主要用于鎳鎘、鎳氫和堿性電池供電的便攜式產(chǎn)品。