由于具有体积小、效率高、稳定性好等优点,开关电源已逐渐取代传统线性稳压器,被广泛应用于各类电气电子设备的供电系统中。作为开关电源的重要组成部分,振荡器不仅为系统时序和逻辑控制提供同步时钟,还负责产生斜坡电压对电流内环进行补偿,还间接影响着系统芯片的面积。因此,时钟稳定性直接影响着开关电源性能的好坏,对高精度片内振荡器的研究具有极其重要的学术价值和现实意义。在对常见振荡器结构和工作原理进行分析对比的基础上,本文选择了适用于开关电源的张弛振荡结构。张弛振荡器输出频率容易受到环境温度、工艺偏差、电压波动等因素的影响,为了补偿时钟频率的稳定性,对振荡频率进行了公式推导,表明影响频率稳定性的参数主要有门限电压Vref、充电电流、比较器失调电压Vos。在传统张弛振荡器的基础上,本文提出了一种基于失调电压补偿的改进结构,使比较器门限电压和电容充电电压周期性地交换位置,从而削弱比较器失调电压对时钟频率的影响;利用经典的Broken带隙结构产生基准电压作为比较器门限电压,将带隙电路中IPTAT电流和另一路负温度特性的电流进行叠加,得到温度系数为零的基准电流作为振荡器充电电流,从而实现对振荡频率的温度补偿;在充电电容上并联数个大小依次减半的修调电容,当工艺出现偏差时,通过数字信号控制修调电容是否连接,对电容大小进行步进式调整,从而保证充电电容不随工艺偏差发生变化,实现对输出频率的工艺补偿。为了提高开关电源的电磁兼容性能,在振荡器主体上增加了频率扩展模块,通过周期性地改变充电电流的大小,使输出频率周期性抖动,时钟奇次谐波处的频带被拓宽,降低了开关电源的电磁干扰(EMI)。此外,为了满足开关电源在不同工作模式下对时钟的不同需求,振荡器还增加了分频和占空比调节等拓展功能。振荡器采用0.18 μm BCD工艺具体实现,用Hspice软件对电路进行直流、交流和瞬态仿真,仿真结果如下:典型工作条件下,振荡器输出频率为500 kHz、占空比为50%的方波时钟;在-40-125℃的温度范围内,振荡输出频率漂移为±0.91%;在三个不同工艺角(TT、FF、SS)条件下,时钟频率漂移在1.34%以内;在扩频模式下,输出频率在500 khz的中心频率处上下抖动,抖动范围为±6.44%,五次谐波处的频谱降幅高达12 dB;在降频模式下,时钟频率能进行八分频,输出62.5 kHz的低频时钟;在占空比调节模式下,可对时钟占空比向上调节。仿真结果表明,振荡器输出频率随温度和工艺偏差漂移较小,在扩频模式下能有效降低振荡器的电磁干扰,降频和占空比调节等拓展功能正常工作,所设计的振荡器性能稳定、实用性强,适用于各类开关电源管理芯片。