一种用于BuckDC—DC转换器的自适应斜坡补偿电路
2020-04-19
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Application of Integrated Circuits 一种用于Buck DC—DC转换器的 自适应斜坡补偿电路术 李帅 ,张志勇 ,赵武 ,程卫东 (1.西北大学信息科学与技术学院,陕西西安710127; 2.西安微电子技术研究所,陕西西安710054) 摘要:从斜坡补偿的基本原理出发,设计了一种用于Buck型DC—DC转化器的自适应斜坡补偿 电路。该电路可以跟随占空比的变化,相应提供适当的补偿量,从而避免了因过补偿而引起的系统瞬 态响应慢和带载能力低等问题。该电路基于标准0.6 m CMOS工艺设计,经Cadence Spectre验证达 到设计目标。 关键词:斜坡补偿;Buck型DC—DC转换器;自适应 中图分类号:TN432 文献标识码:A A self-reacting slope compensation circuit for Buck DC——DC converter LI Shuai。,ZHANG Zhi Yong ,ZHAO Wu ,CHENG Wei Dong; (1.School of Information Science and Technology,Northwest University,Xi an 710127,China; 2.Xi all Institute of Micmelectronics,Xi an 710054,China) Abstract:This paper designs a self-reacting slope compensation circuit applied to Buck DC-DC converters on the basis of the principle of slop compensation.The circuit can provide proper slope compensation with the variation of duty cycles,which avoids some negative effects caused by excessive compensations,such as s low transient response speed of the system and low out— put current capability.This circuit is desined on tghe basis of 0.6 m CMOS process and verified to achieve the desining purpos—g es by Cadence Spectre. Key words:slope compensation;Buck DC—DC;serf-adaption 开关电源的控制模式分为电压控制和电流控制模 式,其中,电流控制模式因为其动态响应快、补偿电路简 单、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点而被广泛 应用。电流控制模式又可分为平均电流控制模式和峰值 电流控制模式,当采用峰值电流模式并且占空比大于 50%时存在如下问题:次谐波振荡、系统开环不稳定以 及由此而引起的抗干扰能力差,特别是当电感中的纹波 等问题。本文在分析斜坡补偿原理的基础上,设计了一 种自适应斜坡补偿电路,其补偿量自动适应系统占空比 的变化,消除了过补偿现象及由此引发的不良影响。 1斜坡补偿原理分析 图1是Buck型DC—DC转化器峰值电流控制原理 图。误差比较器(Error AMP)对输出电压采样信号 隋与 基准电压Vref的差值进行放大,得到控制信号 e。在一 电流成分很小时,这种情况更为严重。解决上述问题的 方法是引入一个斜坡补偿电路。 个开关周期内, 阳的变化很小,因此可以近似认为 e 在一个开关周期内保持不变。 e与斜坡补偿模块(slop) 产生的斜率为k的斜坡电压 相减,产生一个斜率 为一k的周期性控制电压 z。电流采样放大器(I SENS) 对开关电流进行采样并放大,得到电流采样信号 s,输 目前常规的补偿方式有一次线性补偿和分段线性 补偿两种。但这两种方式产生的补偿量都相对固定,容 易造成过补偿,这将导致系统瞬态响应慢和带载能力低 }基金项目:教育部“春晖”计划项目(Z2005一l一61001) 《电子技术应用》2010年第2期 5l Application of Integrated Circuits 统存在小稳足的IⅡ_J题,凼此需要引入斜坡补偿。 图3是引入斜率为一k的斜坡信号后扰动对电感电 压的影响情况,由图可得: = (2) 为: 经过//,个周期,电流误差 =I等] 由(3)式容易得出,要保持系统稳定,就要满足: (3) (4) k 2+k<1 图1 Buck型DC—DC转化器峰值电流控制原理图 入到PWM比较器(PWM CMP)正向端,当电流上升,Vs:V ∑时,PWM比较器翻转输出高电平,关断功率管,电感电 流线性下降,直到下一个时钟周期到来。可以得出结论: 在一个时钟周期内,控制电压V∑为本周期内的电流设 定了最大值。故称为峰值电流控制模式。 1.1扰动对系统稳定性的影响 图1所示电路在未加斜坡补偿模块时,在占空比D> 50%的情况下系统是不能稳定工作的,这种情况可由图2 形象地说明。图2中,V = ∑是电压反馈回路的误差放大 信号,实线所示波形为电感电流,虚线所示波形为叠加 扰动△,0后的电感电流,k-、kz分别为电感电流上升和下 降的斜率, 为经过一个周期,由△,0引起的电流误差。 图2 D<50%(上)D>50%(下)扰动对稳定性的影响 由图2可得,没有引入斜坡补偿的情况下,有: , △,1 / ̄2 a/o (1) ,c1 由(1)式可以看出,当占空比D<50%(I后 I<I.}i。f)时,电流 误差△,周期性地减小,系统是稳定的;当占空比D>50% (I|j}:I>lk。1)时,△,周期性地增大,系统是不稳定的。 1.2固定斜坡补偿 峰值电流控制模式在占空比D>5O%的情况下,系 52 欢迎网上投稿www.chinaaet.tom 图3 D>50%时引入斜坡补偿后的情况 由图3可以看出: D・kl=一(1一D)k2 (5) 由(5)式可得:kl=(1一 1) ,代人(4)式: .i}>(亩一1).i}: (6) 式(6)即为系统保持稳定所必须满足的条件。由(6) 式可知:当k>一0.5k2时,在0<D<1的范围内,式(6)恒成 立,即系统始终保持稳定。考虑到补偿余量,一般将k取 为k2的一0.7—-0.8倍。 然而,这种固定斜率的补偿方式在占空比较小的情 况下,会产生过补偿现象,过补偿会加剧补偿信号对电 感电流限制指标 ∑的影响,从而导致系统的带载能力 降低。 1.3自适应斜坡补偿原理 对于图1所示的Buck型DC—DC转换器,忽略功率 管MO的导通压降,有: kl= (7) J} :一 L (8) 其中,£为输出滤波电感值,将(7)、(8)式代入(5)式可得: D= (9) in 将(7)、(8)、(9)式代人(6)式有: k>(Vout-0.5Vin)/L (10) 可见,只要斜坡补偿信号的斜率与输入输出电压的 关系满足式(10)所示的关系,系统就可以保持稳定。因 此,可以根据输人、输出电压的变化采用不同的补偿斜 率,即在占空比较小的情况下采用较小的补偿斜率,从 而减轻或消除过补偿现象对系统带载能力的影响。 《电子技术应用》2010年第2期 Application of Integrated Circuits 2自适应斜坡补偿电路分析 々 本文基于CMOS工艺,设计了一种可以根据输入、 T =.3。 / ’ / / 输出电压的变化而自动调整补偿信号斜率的自适应斜 : / 坡补偿电路,如图4所示。图中MO与R。构成源极跟随 器,将M1的栅源电压 岱 偏置在恒定状态,使得流过 M1、M2的电流保持恒定;R 与 :组成分压网络,将 . /,= . 分压后得到V0;M1与M2组成PMOS源极跟随器:V1= 0+Il,cs2I,由于流过M2的电压恒定,所以 cs2恒定;M3 与R,组成源极跟随器:V =V1一 ∞,由于尺,阻值较大, 因此,流过M3的电流 较小;又因为M3的宽长比较 大,所以可认为 ∞是近似恒定的。由以上推论可得: V2=V0+I l— Gs3 (11) 合理调节相关参数,使得l cs2l_ ∞,有:V2=Vo,由此可得: Io=一R V2= f R l+R2)尺3 (12)由M4、M5组成的电流镜将,0镜像为, ,设置M5与M4 王々O O.5OU l/1. / 0 1.5 2.、U /‘ 的宽长比为A,可得: 时间/ s (R1+R2: ) 3 (13) 图6 Vout不变,斜坡补偿斜率随Vin变化情况 设置M11与M12的宽长比为B,同理可得,流过M11的 图6所示。 电流如为: 由图中可以看出,该电路所产生的补偿信号斜率随 ,2= B .R 6Vi. (14) 输出、输入电压差的变化而变化,从而实现了补偿斜坡 斜率随占空比的变化而变化的自适应补偿,因此可以消 根据KCL定律,电流,。和,2在点P相减,得到电流,3, 除由于过补偿所引起的带载能力低等缺点。 由M8、M9组成的电流镜将,3镜像为,4,设置M9与M8 本文从基本的斜坡补偿原理出发,设计了一种适用 的宽长比为D,可得: 于Buck型DC—DC的自适应斜坡补偿电路;利用源极跟 厶=D・I3=D(/-一12)=D[ 一 B "R丽6Vi ̄】(15) 随器和电流镜得到与输入输出电压差值成正比的电流, 从而建立起占空比和补偿斜率之间的关系,实现了斜坡 厶对电容C进行充电,得到斜坡补偿电压 , 的斜 斜率自适应调节。最后通过了仿真验证。 率k为: 参考文献 :譬:Dc【[(即A"R 2V ̄ 一 】(16) 【l】陈富吉,来新泉,李玉山.一种自适应斜坡补偿电路的设 计与实现.半导体学报,2008,27(3):494. 合理设置式(16)中A、日、C、D的值,即可满足(10)式关于 自适应斜坡补偿斜率的要求。 【2】LAI Xin Quan,ZHOU Li Xia,CHEN Fu Ji.Design of a dynamic slope compensation circuit for boost DC—DC 3仿真验证 eonve ̄er.Mieroelectronies,2005,35(4):420. 基于标准0.6 p.m CMOS工艺模型,运用Cadence 【3】PHILLIP E A,DOUGLAS R H.CMOS analog circuit design Spectre对图4所示的电路进行仿真验证,结果如图5、 fM】.Second Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Vout in gnd 图4自适应斜坡补偿电路图 f]:转第57页) 《电子技术应用》2010年第2期 53 参考文献 【1】YTFERDAL T.CMOS bandgap voltage re,fence circuit for Jouranl of Semiconductors,2007,28(10):1546—1550. 『5 1 TOLED0 L.LANC10NI W,PETRASHIN P.A new CMOS voltage reference scheme based On Vth—diference principle supply voltages down to 0.6 V【J】.Electronics Letters, 2003,39(20):1427-1428. 【2】HUANG Po Hsuan,LIN Hong Chin,LIN Yen Tai.A simple subthreshold CMOS voltage reference circuit with channel- 『C1.IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 07),2007:3840-3843. 【6】RAZAVI B.模拟CMOS集成电路设计【M】.陈贵灿译.西安: 西安交通大学出版社,2o03. 【7】彭伟,谢海情,邓欢.一种新型高精度CM0S电压基准源 length modulation c0mpensation【J】.IEEE Transaction on Circuits and System-II:Express Briefs,2006,53(9):882- 885. fJ】.电子器件,2007,30(3):863—865. f收稿日期:2009一O9—24) 【3]WANG Jian Ping,LAI Xin Quan,LI Yu Shan.A novel low—voltage low-power CMOS voltage reference based on 作者简介: 叶侃,男,1985年生,硕士研究生,主要研究方向:数模 混合集成电路设计和集成智能传感器系统。 刘诗斌,男,1960年生,教授,博士生导师,主要研究方 subthreshold MOSFETs[C].The 6 international conference on ASIC(ASICON 05),2005:369—373. 【4】KONG Ming,GUO Jian Min,ZHANG Ke,et a1.A novel CMOS voltage reference based on threshold voltage difer- 向:无人机传感器系统,数模混合集成电路设计,集成智能 传感器系统。 ence between p-type and n-type MOSFETs[J].Chinese (上接第53页) Industry,2002:167-438. integrated cicuirts[M】.India,Replike Press,2001:38-72, 197—203,407—408. 【4】RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M]. 陈贵灿译.西安:西安交通大学出版社,20o3:50—63. (收稿日期:2009—09—12) 作者简介: 李帅:男,1984年生,硕士研究生,主要研究方向: CM0S模拟集成电路设计。 张志勇:男,1957年生,教授,主要研究方向:宽禁带半 【5]LI Yah Ming,LAI Xin Qnan,WANG Hong Yi.Design of a self—regulation slop compensation cicuirt for buck DC—DC conve ̄er.Microelectronics&Computer,2005,22(3):274. [6】PRESSMAN A I.Switching power supply design.Beijing: Publishing House of Electronics Industry.2005:107. 导体材料与器件。 赵武:男,1970年生,副教授,主要研究方向:宽禁带半 导体材料与器件。 【7】GRAY P R,HURST P J.Analysis and design of analog 《电子技术应用》2010年第2期 57