降壓型dcdc轉換器斜率補償設計分析案例

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1、-降壓型DCDC轉換器斜率補償設計案例電源網(wǎng)訊摘　要:PWM電流模控制方式在DC-DC轉換器設計電路中得到了廣泛應用,也帶來了斜率補償問題。討論了降壓型DC-DC轉換器中斜率補償技術的原理,分析了傳統(tǒng)的線性補償技術并詳細介紹了一種改進的分段線性補償電路,給出了在1.6MHz降壓轉換器中的實際應用電路。電路基于CSMC0.5μmCMOS工藝設計,通過CadenceSpectre仿真驗證,該斜坡補償電路有效解決了子諧波振蕩以及過補償問題。?關鍵詞:峰值電流控制;斜坡補償;分段線性補償;降壓轉換器;脈沖寬度調制

2、1　引　言Buck型DC-DC轉換器設計中常采用PWM反饋控制方式以調節(jié)輸出電壓或電流。PWM.---控制方式分電流模式控制和電壓模式控制兩種方式。電流模式控制方式是電流內環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制[1],輸入電壓和負載的變化將首先反應在電感電流上,在輸入電壓或負載改變時具有更快的響應速度。電流模式控制方式有峰值電感電流控制和平均電感電流控制兩種方式。峰值電感電流控制由于其優(yōu)點被廣泛應用[2],但其存在固有的開環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象,在提高快速性的同時,也帶來了穩(wěn)定性的問題。當輸入電壓降至一個接近輸出電壓的值時,占空比向

3、最大導通時間增加,輸入電壓的進一步降低將使主開關在超過一個周期的時間里保持導通狀態(tài),直到占空比達100%,這時電路可能會發(fā)生子諧波振蕩,需要通過一個斜率補償電路來保持這種恒定架構的穩(wěn)定性,在大占空比情況下是通過給電感電流信號增加一個補償斜坡來實現(xiàn)的[3]。設計降壓型DC-DC轉換器時,解決固定頻率峰值電流控制方式的開環(huán)不穩(wěn)定情況需要做深入的研究。文章從一般的線性斜率補償電路入手,分析了分段線性斜率補償電路,提出一種改進的實際應用電路圖,并給出了分析和模擬仿真結果。2　原理分析2.1　斜率補償原理PCM控制

4、的Buck型DC-DC轉換器如圖1所示。由于增加了電流內環(huán)控制,電感電流采樣后,疊加斜率補償電路,合成信號與誤差放大器的輸出送入PWM比較器比較,誤差電壓進入PWM比較器參與占空比的調節(jié),經(jīng)過RS觸發(fā)器等邏輯控制單元,有效保證輸出Vout的穩(wěn)定。其中占空比D=Vout/V.---in。峰值電感電流調節(jié)系統(tǒng)有其固有的局限性,占空比變化時對峰值電感電流IL的影響如圖2所示,VOSC是振蕩器的一路輸出控制電壓,對應占空比的變化。其中:在N個周期后,(ΔIL)，如果m2

5、擾動收斂;如果m2>m1,即占空比大于50%時,峰值電感電流的擾動發(fā)散,擾動在每個周期的放大后,使得系統(tǒng)極不穩(wěn)定,所以未加斜率補償?shù)南到y(tǒng)電源的抗干擾性極差。圖1　PCM控制的Buck型DC-DC轉換器.---?圖2　占空比變化時IL的擾動過程加入補償電流后的電感電流IL擾動過程如圖3所示。此時(ΔIL)1=-m2-m/m1+m,(ΔIL)0,當m>0.5m2時的補償可以使電感電流明顯收斂,能很好地使系統(tǒng)達到穩(wěn)定[4]。圖3　補償后IL擾動過程2.2　線性補償電路的原理及方法.---從前一節(jié)的基本原理可以得

6、出,在采樣電感電流上疊加一個斜坡電流可以達到預期要求。補償方式有多種,下面研究圖4所示的差分放大器結構。這是一個典型的差分放大器電路,也可以說是比較器電路。設V1為參考電壓Vref,如圖4所示,在V2遠小于參考電壓時,I1基本為0,Iss全部流入M4,即I2=Iss;當V2等于參考電壓時,I1=I2=Iss/2,事實上M2進入線性區(qū)時M1就漏入電流,即在Vref-Vid,max時就已經(jīng)存在電流,事實上的翻轉點提前Vid,max,如圖5所示。其中Vid,max為最大過驅動電壓。圖4　差分放大器結構.---?

7、圖5　線性區(qū)電流翻轉點可以得到:I1的一個支路流出作Islope,于是得到一個斜率固定的補償斜坡。但是,用此斜率來補償所有占空比條件使芯片都能穩(wěn)定工作,往往會因為補償量過大而影響峰值電感電流,空載時甚至使電流?？刂剖?。設計時往往會考慮兩段或多段補償甚至自適應補償來滿足整個系統(tǒng)的要求。.---3　分段線性斜率補償及改進型斜率補償電路?圖6是兩種線性斜率補償電路,均可提供兩段線性補償斜坡。Vosc均為振蕩器的一路輸出,圖6(a)中Vref1和Vref2為基準輸出,且Vref1>Vref2,大占空比時Vctr

8、l關斷M3管;Vosc較小時,M1和M2均關斷,沒有補償電流,Vosc逐漸增大,由于Vref1>Vref2,M1首先導通,I1提供斜率補償電流;Vosc繼續(xù)增大,M2導通,I1+I2.---共同提供斜率補償電流。圖6(b)中Vref為基準輸出,M5和M6均為有源負載,如果把圖中M1和M3的寬長比取值為(W/L)1∶(W/L)3=1∶4,利用公式,根據(jù)Vid,max1∶Vid,max3=2∶1,M1和M3線性區(qū)的寬度不同,二者導