第三章 遲滯控制升壓電源轉換電路
3.4 遲滯比較器
圖 3.14 是遲滯比較器與回授電阻簡構圖。本論文的實驗目的是將供應電源 V
8 .
=1
VDD 的電壓值經由轉換電路轉換為輸出Vout =2.5V左右，而在電壓轉換的過 程中，輸出電壓會有最大值與最小值並產生輸出漣波，在本論文的設定中，輸出 電壓最大值Vout(max)約為2.53V，最小值Vout(min)約為2.47V。而輸出訊號會在 2 回 授電阻Rfb1、Rfb2之間的端點Vfb產生最大值約為0.81V，最小值約為0.79V的電 壓值。
我們選擇 PMOS 差動放大器作為遲滯比較器的主體，如圖 3.15 所示，並串聯 4 個反相器增加比較器的 gain，為了能順利傳輸 swen 控制訊號與推動下一級電路，
我們將 4 個反相器以遞增的方式，分別並聯 2 個、4 個、8 個數目的 NMOS 與 PMOS 電晶體組成的反相器，如圖 3.16 所示，M 為電晶體並聯的數目。
遲滯比較器會輸出 2 種 swen 控制訊號：
1. 當 PMOS 差動放大器的負端
( )
Vin− 電壓較正端( )
Vin+ 大時，電晶體Mpcpa1導通較 多，電晶體Mncpa1、Mncpa2順利工作，如圖 3.17 所示，端點 out 的訊號為 0，傳送過 4 個反相器後再經由遲滯比較器輸出swen=0操作下一級的開關電路。
2. 當 PMOS 差動放大器的負端
( )
Vin− 電壓較正端( )
Vin+ 小時，電晶體Mpcpa2導通較 多，使電晶體Mpcpa1、Mncpa1、Mncpa2導通較少，如圖 3.18 所示，端點 out 的 訊號為VDD，傳送過 4 個反相器後再經由遲滯比較器輸出swen=VDD操作下一 級的開關電路。swen Rfb1
Rfb2 Vout
Vfb hysteresis comparator
圖 3.14 遲滯比較器與回授電阻簡構圖
20
Mpcpa1Mpcpa2
Mncpa2
inv out swen
VDD
Mncpa1
Vin+ out V
in-Vin+ V
in-圖 3.15 PMOS差動放大器
inv
M=1 M=2 M=4 M=8
圖 3.16 並聯不同數目串接的 4 個反相器
Mpcpa1 Mpcpa2
Mncpa2 inv 0 swen
VDD
Mncpa1
V
in-Vin+
圖 3.17 負端
( )
Vin− 電壓大於正端( )
Vin+21
Mpcpa1 Mpcpa2
Mncpa2
inv
swen VDD
Mncpa1
VDD
V
in-Vin+
圖 3.18 負端
( )
Vin− 電壓小於正端( )
Vin+遲滯比較器電路如圖 3.19 所示，由三個分壓電阻R 、1 R 與2 R 串聯產生欲比較3 的電壓值0.81V與0.79V，分別經由電晶體M 、n4 M 傳送進入 PMOS 差動放大器n3 正端。
VDD
swen= 時，如圖 3.20 所示，電晶體M 關閉，電晶體n3 M 導通，選擇電壓n4 值0.81V進入 PMOS 差動放大器正端，此時 swen 訊號控制開關電路操作升壓電路 開啟，升壓電路開始對負載電容Cout充電，輸出電壓Vout逐漸上升，當Vout電壓值 大於2.53V，回授端點V 電壓值大於fb 0.81V時，與 PMOS 差動放大器正端的電壓 值0.81V比較後，由於比較器的負端電壓較大，比較器輸出swen=0，如圖 3.21 所示，電晶體M 導通，電晶體n3 M 關閉，選擇電壓值n4 0.79V進入 PMOS 差動放 大器正端，此時 swen 訊號控制開關電路操作升壓電路關閉，負載電容Cout開始放 電，輸出電壓Vout 逐漸下降，當Vout 電壓值小於2.47V，回授端點Vfb電壓值小於
V .79
0 時，與 PMOS 差動放大器正端的電壓值0.79V比較後，由於比較器的負端 電壓較小，比較器便輸出swen=VDD，控制開關電路操作升壓電路工作，負載電容 Cout充電，輸出電壓Vout上升，如此週而復始完成升壓電源轉換的目的。圖 3.22 為 遲滯比較器的特性曲線圖。
22
VDD Vfb
Mn4 Mn3 R1
R2
R3
0.81 V
0.79 V swen
inv
圖 3.19 遲滯比較器
VDD Vfb
Mn4
Mn3
R1
R2
R3
0.81 V
0.79 V swen
inv
圖 3.20 遲滯比較器swen=VDD狀態
VDD Vfb
Mn4
Mn3
R1
R2
R3
0.81 V
0.79 V swen
inv
圖 3.21 遲滯比較器swen=0狀態
23 Vfb (V)
0.80 0.0
swen (V)
0.8
0.79 0.2
0.4 1.8
0.6 1.0 1.2 1.4 1.6
0.81
圖 3.22 遲滯比較器特性曲線圖
3.5 遲滯控制升壓電源轉換電路
圖 3.23 為遲滯控制升壓電源轉換電路簡圖，這個電路的功能是將供應電源 V
8 .
=1
VDD 的電壓值轉換為約2.5V的電壓值輸出，並減少輸出漣波。在電路初始 狀態時，swen=VDD控制開關電路工作，開啟升壓電路，開始對負載電容Cout充電，
輸出電壓Vout逐漸上升，當Vout電壓值大於2.53V，經由回授電阻Rfb1、Rfb2分壓 的端點V 電壓值大於fb 0.81V時，遲滯比較器便輸出swen=0，控制開關電路關閉 升壓電路，於是負載電容Cout開始放電，輸出電壓Vout 逐漸下降，當Vout電壓值小 於2.47V，端點Vfb電壓值小於0.79V時，遲滯比較器便輸出swen=VDD控制開關 電路開啟升壓電路工作，如此週而復始便完成升壓電源轉換，輸出電壓Vout理論上 會如圖 3.24 所示，線段 1 是輸出電壓Vout由初始狀態開始充電上升，端點 2 是輸出 電壓充電上升至最大值2.53V，端點 3 是輸出電壓放電下降至最低值2.47V。
24
clk2 inv2
Mp2
25 開始
swen=VDD
Vout電壓上升
swen = VDD
切換為 swen = 0
swen = 0 切換為 swen = VDD
控制開關電路 關閉升壓電路 判斷Vout狀態
Vout > 2.53 V
判斷Vout狀態
Vout < 2.47 V Vout電壓下降
Yes Yes
No No
控制開關電路 開啟升壓電路
圖 3.25 遲滯控制升壓電源轉換電路的工作流程圖
26
Mpcpa1
Mpcpa2
Mncpa2
swen inv
out VDD
Mncpa1
inv MTGn1