電流型PWMDC_DC升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性分析與實現(xiàn)

1、1引言在電流型DC-DC 升壓芯片的設(shè)計中,電路的穩(wěn)定性是一個非常關(guān)鍵的指標(biāo),它必須在比如輸入電壓、負(fù)載發(fā)生變化等各種不太穩(wěn)定的情況下,盡量保持一個恒定的輸出電壓,用作其他應(yīng)用電路的電源電壓,同時,電路的穩(wěn)定性又會影響電路的效率、功耗等其它重要指標(biāo)。本文的目標(biāo)就是通過對升壓轉(zhuǎn)換器電路中存在的影響電路穩(wěn)定性的因素進行研究,然后在電路的設(shè)計實現(xiàn)上,除了采用一些傳統(tǒng)的措施,比如盡可能提高誤差放大器的增益、盡可能提高基準(zhǔn)電壓的精度的方法外,還提出了其它的改進辦法,創(chuàng)新提出了增加COMP 管腳并增加環(huán)路補償電路,來保證電壓反饋環(huán)路的穩(wěn)定,最后設(shè)計的電路通過Hspice 仿真,在電源電壓由2.6V 到5.

2、5V 變化時,轉(zhuǎn)換器的線性調(diào)整率達(dá)到0.02%/V ;在負(fù)載電流由1mA 到100mA 變化時,其負(fù)載調(diào)整率為-0.3%/mA ,輸出電壓的波動很小,電路的穩(wěn)定性非常好。2電流型PWM 升壓轉(zhuǎn)換器原理分析本文研究所涉及的雙環(huán)電流型PWM 升壓轉(zhuǎn)換器,其電路框圖如圖1所示。主要由振蕩器模塊、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、斜坡補償電路、誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器、開關(guān)功率NMOS 管及其控制和驅(qū)動電路等模塊組成。另外,還包括軟啟動模塊和輸入欠壓保護等輔助電路。其工作原理是,在1.2MHz 固定頻率下,通過兩條反饋環(huán)路系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是一個良好的受控電流放大器,把誤差電流采樣信號轉(zhuǎn)變成電壓信號和來自于斜坡補償電路的斜

3、坡電壓疊加后輸入到PWM 比較器的同相輸入端;而外環(huán)則是把經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓的輸出電壓反饋到誤差放大器,與基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓,后輸入到PWM 比較器的反相輸入端。PWM 比較器的輸出信號和其它一收稿日期:2005-09-01電流型PWM DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性分析與實現(xiàn)鄭朝霞鄒雪城邵軻李陽(華中科技大學(xué)集成電路設(shè)計中心,湖北武漢430074摘要:文章先對影響電流型DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器電路的系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素進行分析,然后在電路設(shè)計實現(xiàn)上提出了具體的改進辦法:在誤差放大器模塊增加頻率補償電路來消除放大器反饋環(huán)路可能存在的振蕩現(xiàn)象;采用斜坡補償電路來增強反饋電流環(huán)路的穩(wěn)定;為了提高電

4、壓反饋環(huán)路的穩(wěn)定性,創(chuàng)新提出在芯片外部增加COMP 管腳,內(nèi)部增加環(huán)路補償電路;輸入管腳增加旁路電容以減少噪聲;輸出管腳增加旁路電容以增強芯片反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性;通過采取這些措施,保證了芯片電路的的穩(wěn)定性能,并極大的提高了輸出電壓的精度,設(shè)計取得了很大成功。關(guān)鍵詞:脈沖寬度調(diào)制,電容寄生等效電阻,斜坡補償,環(huán)路補償中圖法分類號:TN452文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-7180(200606-229-04An Analysis and Implementation on the Stability of CurrentType PWM DC-DC Boost ConverterZHENG Zh

5、ao-xia,ZOU Xue-cheng,SHAO Ke,LI Yang(IC Design Center,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan 430074China Abstract:Based on the analysis of the principle of current type PWM DC-DC Boost converter and the factors whichcause the circuit unstable,several methods have been developed to improve the circuit

6、 stability:miller compensation,slope compensation and loop compensation circuit as well as output bypass capacitor and Input bypass capacitor have been added for loop circuit stability.The whole DC-DC boost converter Hspice simulation result shows the output volt-age has a high accuracy.Key words:Pu

7、lse width modulation,ESR,Slope compensation,Loop compensation些控制信號一起,在周期脈沖上控制功率管的開關(guān)狀態(tài),使輸出電壓保持穩(wěn)定。電流型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性是由誤差放大器增益變化、反饋環(huán)路起振、取樣電阻的容差、基準(zhǔn)電壓的精度、以及噪聲干擾等因素決定的。誤差放大器如果反饋過深,發(fā)生相移,使相位裕度小于60°,電路就可能不能穩(wěn)定工作,出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象;電源電壓、溫度的變化會使基準(zhǔn)電壓發(fā)生漂移,也會影響輸出電壓的穩(wěn)定性。開關(guān)電源中的噪聲干擾源很多,影響最大的噪聲干擾源可歸納為:二極管的反向恢復(fù)時間引入的干擾;開關(guān)管工作時產(chǎn)生

8、的諧波干擾;交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。當(dāng)控制電路出現(xiàn)噪聲時,由于控制環(huán)路增益較高,IC的微小擾動IC,將造成占空比D的變化量D很大。判斷DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的電路穩(wěn)定性,有兩個重要技術(shù)指標(biāo):線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率。線性調(diào)整率即輸入電壓大小變化對輸出電壓的影響程度,計算公式為V OV I V O(N O M×100%,這里V O是輸入電壓變化引起的輸出電壓變化,一般來說,基準(zhǔn)電壓電源電壓抑止比越高,該項指標(biāo)性能就越好;負(fù)載調(diào)整率定義了輸出負(fù)載大小變化對輸出電壓的影響程度,計算公式為V OI O V O(N O M×100%,這里V O是輸出負(fù)載變化引起的輸出電壓變化。一般來說,

9、升壓器直流開環(huán)增益越高,該項指標(biāo)性能就越好。3提高穩(wěn)定性的辦法該誤差放大器是一個寬共模輸入范圍、高增益的兩級BiCMOS運放。從圖2可以看出,第一級放大器采用折疊式共集共基結(jié)構(gòu),具有輸入阻抗大,差模輸入電壓及共模輸入電壓范圍大,輸出擺幅大,頻率相應(yīng)特性好等優(yōu)點,但增益不是太高;第二級采用電流源作負(fù)載的共射極放大器,能夠保證高的電壓增益和高的輸出阻抗;C3和R44串聯(lián),加在輸出級Q30的輸入與輸出之間,構(gòu)成密勒補償電路,用來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對圖2進行穩(wěn)定性分析,可看出系統(tǒng)有五個極點:第一個極點P1為輸出端極點,由于負(fù)載電容可能很大,所以這個極點可能非?？拷c。第二個極點P2對應(yīng)于第一級的輸出

10、,即Q30的基極,由于第一級的輸出阻抗很大,所以這個極點也很靠近原點。第三個極點P3對應(yīng)于X12的集電極,是一個鏡像極點,它與前兩個相比,離原點遠(yuǎn)些。第四個極點P4對應(yīng)于X12(X14的發(fā)射極,由于對地電阻很小,是一個高頻極點,離原點最遠(yuǎn)。第五個極點P5對應(yīng)于X17(X16的射極,由于該點對地的阻抗比較小,因此也是一個高頻極點。綜上,電路有兩個主極點,即第一級的輸出端的極點P2和電路的輸出端極點P1,它們兩個誰更靠近原點和負(fù)載電容大小有關(guān)。由于補償后的單位增益帶寬不可能超過開環(huán)系統(tǒng)的第二極點的頻率,所以如果采用在第一級輸出節(jié)點和地之間加補償電容的方式,則電路可達(dá)到的帶寬被限制在一個較低的值,約

11、為P1。而且,要求主極點變?yōu)楹苄〉闹?這需要一個很大的補償電容。于是我們采用密勒補償方法,密勒補償不僅可以用較小的電容實現(xiàn)兩級間的極點向原點移動,而且使輸出極點向離開原點的方向移動。同時, 與單純的在級間節(jié)點與地之間連接一個補償電容相比較,密勒補償提供大得多的帶寬。但單純的在第一級輸出與第二級輸出間加一個電容的密勒補償法,會引入一個右半平面的零點,其值約為Z=g m Q30/ (C C B Q30+C C。這是由于C C B Q30+C C形成從輸入到輸出的寄生信號通路。這個零點增加了相移,同時減緩了增益的下降,因而使增益交點(gain crossover point外推,更遠(yuǎn)離原點,結(jié)果大大

12、降低了穩(wěn)定性。針對這種情況,我們采用另一種方法,增加一個與補償電容串聯(lián)的電阻,從而改善零點頻率。增加串聯(lián)電阻后,零點為:Z=1C3(g-1mQ30-R44(1因此,如果R44!g-1mQ30,則Z"0。且可以把零點移到左半平面,以便消除第一個非主極點。這種情況發(fā)生的條件是:1C3(g-1mQ30-R44=-g m Q30C1+C O1(2其中CL 為負(fù)載電容,CO1為第一級輸出端的對地電容。即:R44=C L+C O1+C3g m Q30C3C L+C3g m Q30C3與此同時,電路的主極點(-3dB極點為:!pdom i1R O1(1+g m Q30(C3+C C B Q30+C

13、 O1+R L(C3+C B Q30+C L沒有進行零點移動前,第一個非主極點為!pnondo1g m Q30C O1+C L,在零點抵消后,第一個非主極點為P31(r cbX12/r O Q28C eq 這個極點頻率比!pnondo1高得多。圖3是增加密勒補償電路后誤差放大器的增益與相位曲線圖,從圖上可以看出,增加密勒補償電路后誤差放大器的相位裕度約為90°,足以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。在占空比大于50%時,電流反饋環(huán)不穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為:擾動信號產(chǎn)生的誤差被逐漸放大,將導(dǎo)致系統(tǒng)失控,電源的抗干擾性能差;輸出輕載或空載時電源失控。可以采用斜坡電流補償技術(shù),使電流環(huán)的不穩(wěn)定問題得到改善。同時,

14、由于占空比的使用范圍增大,提高了開關(guān)電源變壓器的利用效率,在輸出相同功率時可使用體積更小的變壓器,提高電源小型化和輕量化。圖4是該種補償方法的原理框圖。通過斜坡補償電路,在電流反饋電壓上疊加由振蕩器振蕩波形形成的斜坡補償電壓,產(chǎn)生反饋電壓輸入到PWM 比較器的一端,與PWM比較器另一端的電壓進行比較,去控制電源的占空比。電壓反饋環(huán)路需要合適的補償才能避免由電路不穩(wěn)定引起的過大的電壓波動和很低的效率。在COMP管腳和GND之間以串聯(lián)方式連接一個電阻R4和一個電容C4,再連接一個電容C5就可以解決問題,如圖5所示。選擇R4來設(shè)置高頻積分增益是為了快速瞬態(tài)響應(yīng);選擇C4來設(shè)置積分零點是為了保持環(huán)路穩(wěn)

15、定;第二個電容C5,是為了抵消由輸出電容的ESR 而引入的零點。為了達(dá)到性能最優(yōu)化, 使用以下公圖1部分存儲器結(jié)構(gòu)圖Message DescriptorBlock Message Number Address in LUT1553B LUTReserved MRT DDB AddressDATA BUFFERS Time Tag HI Time Tag LODataDDB Options mask Data buffer Address HI Data buffer Address LO5結(jié)束語由于采用了定長指令字格式,因此大大的簡化了譯碼邏輯的設(shè)計,同時,為滿足1553B 實際應(yīng)用中多路實時

16、通信的要求,將寄存器進行分塊設(shè)計,使數(shù)據(jù)的傳輸、保存、校驗等可以并行執(zhí)行,提高了程序的性能,也增強了數(shù)據(jù)的可靠性。參考文獻(xiàn)1SBS Technologies Inc.An Interpretation of MIL -STD -2Western Avionics Ltd.MIL-STD-1553B Intelligent Inter-控制計算機,1993,3:1417統(tǒng)的設(shè)計方法.計算機工程與應(yīng)用,2004,2:10135顧明劍,殷德奎.1553B 控制方法研究.紅外,2004,12:2127劉建明男,(1982-,碩士研究生。研究方向為嵌入式系統(tǒng)。!(上接第228頁式來選擇參數(shù):R4=315

17、×V IN ×V O U T ×C O U TL ×I M A IN (M A X (3C4=V O U T ×C O U T10×I M A IN (M A X ×R C O M P (4C5=0.0036×R ESR ×L ×I M A IN (M A X V IN ×V O U T (5對于陶瓷電容,其ESR 很小。頻率補償正確性的最佳判斷方法是對瞬態(tài)響應(yīng)分析,調(diào)整R4和C4的值可獲得最佳的瞬態(tài)性能。增加輸入電容C1能減少輸入端漏電流的峰值,并且能減少轉(zhuǎn)換器的輸入噪聲。在典型的工

18、作電路下,因為有高的源級阻抗(source impedance,故使用一個10F 的陶瓷電容。足夠大的C1可以保證IN 端的低噪聲。另外,如果輸入端使用一個RC 低通濾波器從C1中去耦合,C1也能夠承受更大的電壓變化范圍。在輸出管腳V O U T 和GND 之間連接一個電容,利用其輸出電容的寄生等效電阻(ESR 來產(chǎn)生一個零點,從而抵消有極點引起的相移和增益下降。本芯片最后選擇一個2.2!F 的電容,確保在整個溫度和輸入電壓范圍內(nèi),空載和滿載的情況下,整個系統(tǒng)無條件的穩(wěn)定。大的電容有良好的瞬態(tài)特性,該電容可以無限制的增大;但是該電容的ESR 應(yīng)該小于3",并且諧振頻率在1MHz 以上。4結(jié)束語電流型PWM DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器工作原理并不復(fù)雜,但是要設(shè)計一個高效率、高穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換器卻存在相當(dāng)大的難度,本文首先分析轉(zhuǎn)換器的工作原理,明確了影響電路穩(wěn)定性設(shè)計的關(guān)鍵因素,然后在具體實現(xiàn)電路上,既采用了傳統(tǒng)的補償電路,又提出了新的改進辦法,增加一個COMP 端,在電壓反饋環(huán)路上引入環(huán)路補償電路,在不增加電路復(fù)雜性的前提下,顯著的提高了轉(zhuǎn)換器輸出電壓的穩(wěn)定性,并在仿真結(jié)果中得到了很好的驗證。參考文獻(xiàn)1畢查德拉扎維.陳貴燦等譯.模