一种CMOS绿色模式AC／DC控制器振荡器电路

摘要：此振荡器专门针对恒压恒流(CV-CC)控制、频率抖动(Frequency Shuffling)技术。采用电流模脉宽调制控制方案的电池充电芯片设计，锯齿波信号的线性度较好，当负载电路减小时，自动进入Burst Mode状态提高系统的效率。整个电路基于1．Oμm 40 V CMOS工艺设计，通过Hspice完成了整体电路前仿真验证和后仿真，仿真结果表明，振荡电路的性能较好，可广泛应用在PWM等各种电子电路中。
关键词：OSC；AC／DC；CMOS；绿色节能

    本文以比较器为基本电路，采用恒流源充放电技术，设计了一种基于1．0μm CMOS工艺的锯齿波振荡电路，并对其各单元组成电路的设计进行了阐述。同时利用Cadence Hspice仿真工具对电路进行了仿真模拟，结果表明，锯齿波信号的线性度较好，同时电源电压在5．0 V左右时，信号振荡频率变化很小；在适当的电源电压和温度变化范围内，振荡电路的性能较好，可广泛应用在PWM等各种电子电路中。

1 电压比较器
    在以往的比较器电路中，存在单级增益不高，并以牺牲输出电压范围来提高增益，进而不能达到满幅度输出，导致电路性能差。本文所设计的比较器电路如图1所示，采用三级放大，第一级是差分输入级将双端变单端输出，两只NMOS管作为电流源负载，第二级为CMOS共源放大器，第三级为推挽式CMOS单级放大器，即为普通CMOS反相器，由于CMOS反相器作为输出级，所以能达到满幅度输出。在设计中保证了放大器的MOS管在静态条件下处于饱和区，第二级、第三级保证静态时输出电压在电源电压中点，以保证后级CMOS反相器工作在高增益区。电压比较器在开环条件下工作，因此不需要考虑放大器闭环稳定工作的频率补偿问题。

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2 振荡器的工作模式
    恒流／恒压(CC／CV)充电是一种更快速充电方法，当开始充电时，CC／CV充电器首先施加一个等价于电池容量C的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压源工作模式。即使电池封装两端的电压达到终止电压，但因为在ESR上存在电压降，所以实际的电池电压将低于终止电压。在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。
    经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的85％。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流决定是否结束充电。与恒压充电器一样，当充电电流减小到O．1C以下时，充电周期结束，恒流／恒压充电主要通过改变振荡器的工作模式来实现。
    间歇工作模式：也可称为跳周期控制模式(Burst Mode)，是指当处于轻载或待机条件时，轻载时输出电压上升，反馈脚电压降低到一定值时MOSFET停止工作，输出电压降低到一定值时MOSFET导通，这个过程大量减少了MOSFET的开关动作，减少了开关损耗。由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。
    但是降频和Burst Mode方法在提高待机效率的同时，可能会带来一些问题，首先是频率降低导致输出电压纹波的增加，其次如果频率降至20 kHz以内，可能有音频噪音。

    图2为Burst Mode电压控制电路，当S43电平>C54(此时C54和电平C96相等为0．84 V)，时，Burst_on信号为低电平，关断功率管；当S43<C54时(此时C54和电平C55相等为0．65 V)，Burst_on信号为高电平，打开功率管。

3 振荡器充放电电流设定电路
    振荡器的起振频率为12 kHz，随着INV的增大，振荡器的频率逐步增大到50 kHz，图3为INV控制下的频率图。随着INV的继续增大，振荡器的频率降到22 KHz，进入Burst Mode模式。

    振荡器的充放电电流由偏置电压控制产生的电流和INV控制产生的电流两部分组成，起振时因为INV太小，电流完全由固定电平值控制，当INV>300 mV，充放电电流随INV的增大而增大。
    仿真结果可以看出，起振时由于INV电压很小，充电电流固定在1．5μA，当反馈电压INV>0．7 V时，充电电流开始线性增大，振荡器的振荡频率随之增大。

4 锯齿波电路的产生设计
    图4为锯齿波电路产生图，利用恒流源电路给电容充放电，使得电容NA41上的电压C38上升到比较器的高阈值限制电压S66时，使电容放电；电压C38降到比较器的低阈值限制电压时电容充电，如此反复形成锯齿波。

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    在OSC的设计上，采用了固定充放电电流的方式，在不改变OSC电容的前提下，在电路的设计上采用了两个锯齿波复合的方式，这样可以实现固定充放电电流下的频率调整。该电路的基本工作过程是：当C42充电到电压>C100时，C38开始充电，当C38上升到C58(C38的上限电压)时，C38、C42的放电开关打开，它们开始放电；C42放电的极限电压为C45，C38放电的极限电压为S66，在放电的过程中，若C42电压先降到C45，则需等待C38电压降到S66后C42才能再次充电，同时需注意的还有只有等到B42充电到电压>C100时，C38才能开始充电，这样与FB有关的电压C45就成为了调节两个OSC频率的关键。从上面的工作原理可以看出，C45和C100的大小关系直接决定了OSC的频率。若C45>C100，则OSC的频率完全是由C38的充放电组成；若C45<C100，在OSC的周期中增加了C42电压从C45上升到C100的时间，所以OSC的周期会增加，频率会降低。图5分别描绘了这两种情况下的工作过程：FB=1．2 V时，C45>C100；FB=1．3 V时，C45<C100。图5为Burst Mode模式下OSC的频率；图6为CV模式下OSC的频率。

5 结束语
    本文所设计的振荡器可广泛应用在PWM等各种电子电路中，在实际应用中作为AC／DC控制器芯片的核心组成部分之一，已随AC／DC控制器流片并通过测试，转换效率>75％，待机功耗<150 mW，达到了绿色节能的需要。