摘要：基于LED驅(qū)動(dòng)的微功耗DC—DC轉(zhuǎn)換器，針時(shí)低壓高穩(wěn)定性的要求設(shè)計(jì)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(zhǔn)比較器、射極跟隨器和遲滯比較囂。整個(gè)電路采用Bipolar工藝設(shè)計(jì)，利用HSpice軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。結(jié)果表明，遲滯比較器的遲滯電壓為8 mV，翻轉(zhuǎn)門(mén)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(zhǔn)；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(dú)立發(fā)光，必須要有背光源才能發(fā)光，因此LED驅(qū)動(dòng)變得越來(lái)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(dòng)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(dòng)LED。
    本電路沒(méi)有設(shè)計(jì)單一的基準(zhǔn)源模塊。這是因?yàn)樗淖畹洼斎腚妷簽?．2 V。如果采用基準(zhǔn)源模塊的設(shè)計(jì)方法，要獲得一個(gè)與溫度和電源電壓無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)源，整個(gè)電路的輸入電壓基本上要超過(guò)2 V，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此，采用一個(gè)自身具有恒定翻轉(zhuǎn)門(mén)限的遲滯比較器，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)源和使能比較器的功能。

1 電路設(shè)計(jì)
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(mén)限電壓相比較，控制其他模塊是否正常工作。當(dāng)反饋電壓VFB比內(nèi)部上門(mén)限電壓高時(shí)，遲滯比較器的輸出將使其他模塊不工作；當(dāng)反饋電壓VFB比內(nèi)部下門(mén)限電壓高時(shí)，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(zhǔn)遲滯比較器由3部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，帶隙基準(zhǔn)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(zhǔn)門(mén)限電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入端電壓超過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)門(mén)限時(shí)，Q12集電極中沒(méi)有電流流過(guò)，即輸出電流IOUT為0；當(dāng)輸入端電壓低于較低門(mén)限時(shí)，Q12集電極中有電流流過(guò)，即有IOUT流過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)了輸出電流IOUT的遲滯控制。
1．2．1 帶隙基準(zhǔn)比較器
    圖1中左邊部分是帶隙基準(zhǔn)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(shè)流過(guò)Q1集電極的電流為Ic1流過(guò)Q2集電極的電流為Ic2。其工作原理是：當(dāng)反饋電壓VFB較低時(shí)，Ic2>Ic1，A點(diǎn)電壓比B點(diǎn)電壓高；當(dāng)VFB從低電平逐漸增加時(shí)，電流Ic2，Ic1均增加，Ic2曲線斜率比Ic1曲線斜率小；當(dāng)VFB達(dá)到帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門(mén)限時(shí)，Ic2=Ic1，A點(diǎn)電壓與B點(diǎn)電壓相等；當(dāng)VFB超過(guò)帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門(mén)限時(shí)，Ic2<Ic1，A點(diǎn)電壓比B點(diǎn)電壓低，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

[!--empirenews.page--]
    計(jì)算帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門(mén)限電壓。由Q1，Q2構(gòu)成了帶隙電路中△VBE的NPN對(duì)，電流設(shè)置電阻是R1，增益電阻是R2。R3可限制驅(qū)動(dòng)Q2的基極電流，這可以防止其進(jìn)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(mén)限電壓就等于VTH。
    在T=300 K時(shí)，；VT與絕對(duì)溫度成正比，此時(shí)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(xiàng)是正溫度系數(shù)，第2項(xiàng)是負(fù)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(wú)關(guān)的翻轉(zhuǎn)門(mén)限電壓。
1．2．2 遲滯比較器
    遲滯比較器的設(shè)計(jì)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(mén)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(lái)實(shí)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(jiǎn)化原理方框圖。其工作原理是：當(dāng)VIN+為低電平并逐漸增加時(shí)，比較器輸出OUT為低電平，反饋回路使得開(kāi)關(guān)K打開(kāi)。當(dāng)VIN+>VIN-+VOS時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，反饋回路使得開(kāi)關(guān)閉合。VIN+由高電平開(kāi)始下降時(shí)，反饋回路使得開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，當(dāng)VIN+<VIN-時(shí)，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(shí)際電路設(shè)計(jì)
    圖1電路中，Q11，Q12，Q9，R10提供遲滯反饋回路。Q13相當(dāng)于圖3中的開(kāi)關(guān)K。Q11，Q12，Q13構(gòu)成電流鏡，當(dāng)Q12集電極有電流流過(guò)時(shí)，Q11，Q13集電極也有電流流過(guò)。當(dāng)C點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)電壓時(shí)，Q10導(dǎo)通，Q12集電極中有電流流過(guò)，Q11的集電極，電流流過(guò)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(dāng)于圖3中K閉合)，設(shè)此時(shí)流過(guò)R8中的電流為IH。當(dāng)C點(diǎn)電壓低于D點(diǎn)電壓時(shí)，Q10截止，Q12集電極中沒(méi)有電流流過(guò)，Q9的集電極電位變低，Q9導(dǎo)通，遲滯比較器處于另一種工作狀態(tài)(相當(dāng)于圖3中K打開(kāi))，設(shè)此時(shí)流過(guò)R8中的電流為IL。
    遲滯過(guò)程為：當(dāng)C點(diǎn)電壓從低電平逐漸增加時(shí)，Q10截止，Q12集電極中沒(méi)有電流流過(guò)，Q9的發(fā)射極電位變低，Q9導(dǎo)通，流過(guò)R8中的電流為IL；當(dāng)C點(diǎn)電壓與D點(diǎn)電壓相等時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，設(shè)此時(shí)D點(diǎn)電壓為VH，Q10導(dǎo)通，Q12集電極中有電流流過(guò)，Q11的集電極電流流過(guò)R10，Q9的發(fā)射極電位升高，Q9截止，流過(guò)R8中的電流變?yōu)镮H，Q9由截止變?yōu)閷?dǎo)通，引起流過(guò)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(dāng)于遲滯比較器的負(fù)端電壓減少△V，當(dāng)C點(diǎn)電壓低于VH-△V時(shí)，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(mén)限電壓和遲滯電壓
    當(dāng)VFB從低電平逐漸增加時(shí)，Ic2>Ic1，于是C點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)電壓，Q10導(dǎo)通，Q9截止。當(dāng)輸入電壓VFB達(dá)到帶隙比較器的翻轉(zhuǎn)門(mén)限時(shí)，Ic2=Ic1，此時(shí)遲滯比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10截止，Q9導(dǎo)通，設(shè)此時(shí)的VFB=VOH，則有：
   
    當(dāng)VFB從超過(guò)VOH電壓逐漸減小時(shí)，遲滯比較器的工作點(diǎn)發(fā)生變化，只有當(dāng)遲滯比較器的電壓達(dá)到下翻轉(zhuǎn)門(mén)限時(shí)，遲滯比較器才翻轉(zhuǎn)，于是當(dāng)VFB減小到VFB=VOH時(shí)，Q10并不導(dǎo)通，VFB繼續(xù)減小，當(dāng)遲滯比較器的電壓達(dá)到下翻轉(zhuǎn)門(mén)限時(shí)，遲滯比較器才會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10導(dǎo)通，設(shè)此時(shí)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(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流、R8大小有關(guān)。調(diào)節(jié)R9，R10的大小可以改變Q9導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流，也就可以調(diào)節(jié)這個(gè)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(yàn)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(hào)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(mén)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(mén)限隨溫度和電壓變化均較小，驗(yàn)證了電路的穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)語(yǔ)
    傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)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(shè)計(jì)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。