峰值電流控制模式中的分段線性斜坡補(bǔ)償技術(shù)

1、維普資M nttp:/ |維普資M nttp:/ |第陽卷第3期2006年9月電子器件Chiuew JoruEal of Election DevicesVol. 29 No. 3Sep.2006維普資M nttp:/ |維普資M nttp:/ |Rchndof Piecewise Linear Slope Condensation in Peak Current-Mode Contndled Circuit77AN, WANG Song-lin2 T LAI Xin-qun2, WANG Liuyie2/L Huaihai IjutitiM of Tchrruficgy i i.ian yu

2、nJianf；皿* 2E2W5、2. Initituteof ElKtronic CADt Xitlian Untytriiiy, Xifan 71007 fChina )Abstract:PWM feedback technology is widely used in madorn 1)C-DC chip, "fhe paper discusses the func tion of slope compensafion in the peak current mode control of PWM mode. Combining with the peak current-mod

3、e, a method of piecewise linear slope compensation for DC-DC converter is presented, which pro* vides compensation signal that its slopes are different at different duty cycles* 丁his paper introduces the spirit of the design and presents the factual circuit finally- 1 his circuit is designed on the

4、basis of Hynix 0* 5 pm CMOS Standard ljgic processt anti its performance has l)een verified by Hspice simulation, The op timization design of piecewise linear slope compensation circuit improves the outpul current capability and transient response of the system*Key words：piecewise linear? slope comp

5、ensation； EX3/X converter； peak current modeEEACC：2570D峰值電流控制模式中的分段線性斜坡補(bǔ)償技術(shù)田錦明I,王松林S來新泉備王留杰?zl.淮晦工學(xué)院電子系，江蘇連云港222005J匕西安電子科技大學(xué)CAD研究所,西安710071)摘 M：PWM反慣技術(shù)在現(xiàn)代DCDC芯片中得到了廣匹的應(yīng)用在此越礎(chǔ)上討論f PWM模式峰值電流控制中的斟坡補(bǔ) 償?shù)囊饬x*井結(jié)合峰值電流盛控制方式，提出一種分段線性斜坡補(bǔ)煙方法詳細(xì)的介紹了分段線性斜坡補(bǔ)償電蹈的設(shè)計(jì)思想, 并目黠出了最終設(shè)計(jì)電路.該電路提供的補(bǔ)償信號(hào)在不同的占空比區(qū)間具有不同的料率。電路基于Hynix0

6、.5 pnCMCK Standard Lo前:工藝設(shè)計(jì).并經(jīng)Hspitc仿真驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。該斛坡補(bǔ)償電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)避免了因過補(bǔ)償而帶來的泵統(tǒng)瞬 態(tài)響應(yīng)慢和帶載能力低尊不腿彫響。關(guān)鍵詞：分段戰(zhàn)性J斜圾補(bǔ)禮+直疣/直流;轉(zhuǎn)換器1峰值電流摸中圖分類號(hào):TN432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：1005-9400 (2006)«3-0»644)4維普資M nttp:/ |維普資M nttp:/ |IJWM反謨控制技術(shù)是電源芯片中常用的一種 技術(shù)它的基本頂理就是在輸人變化、內(nèi)部參數(shù)變化* 外接負(fù)載變化的情況下,控制電路通過被控制信號(hào)與 基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋,凋節(jié)主電路開關(guān)的動(dòng) 態(tài)脈

7、沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控 制信弓穩(wěn)定。FWM的控制方式主要有兩種,即電壓維普資M nttp:/ |維普資M nttp:/ |收稿日期皿(X)冋32基金項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)同資iitr軍用電子聯(lián)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)"(K1101020201)件者簡(jiǎn)弁；田擁明U969-)，男，工程師.碩士研究生+現(xiàn)左要從事電力電子技術(shù)的研究與電源變換器i醮的進(jìn)計(jì)，甌mn昭42131陋 切“ 王松林(19開男個(gè)I教授*國家電工電產(chǎn)教學(xué)基地副主枉主要從事抿成電躋滾計(jì)與毎統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)I 來新泉(1963 ),，博士，教授+研究所副所長(zhǎng)來期從事集戰(zhàn)電蹈設(shè)it.KDA軟件開發(fā)的科研和教學(xué)工作； 王

8、惘杰(19S0-),女碩士研究生，現(xiàn)主要從爭(zhēng)電源骨理婁芯片的設(shè)計(jì)與研究a維普資訊 nttp:/ |866電子器件865田錦明，王松林等:峰值電流控制模式中的分段踐性齡坡補(bǔ)償技術(shù)維普資訊 nttp:/ |866電子器件維普資訊 nttp:/ |866電子器件?？刂品绞胶碗娏髂？刂品绞?。電壓模控制方式的 控制取樣信號(hào)有:輸出電壓、輸入電壓、功率管源漏電 壓、輸出電感電壓;電流?？刂频娜有盘?hào)有:輸出電 流、輸出電感電流、開關(guān)器件峰值電流。在中小功率DC/DC開關(guān)電源中，定頻PWM 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中的峰值電流模式控制技術(shù) 由于具有動(dòng)態(tài)性能好、輸出精度奇、增益帶寬大 和瞬間限流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的采用

9、由于 在占空比D>50%時(shí)，固定頻率峰值電流模式控 制方式存在著固有的開環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象，我們通過 引人適當(dāng)?shù)男逼卵a(bǔ)償來防止工作在大占空比情 況下的亞諧披振蕩，從而為恒定頻率結(jié)構(gòu)帶來穩(wěn) 定*但若用同一不變的補(bǔ)償斜率來滿足芯片 在所有占空比且在最大的di/dt下即最壞悄況 下）都能穩(wěn)定工作，這經(jīng)常導(dǎo)致斜坡補(bǔ)償量大大 的過剩，嚴(yán)重的影響了開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性 和峰值電感電流；特別是空載狀態(tài)，輸岀電流為 零時(shí)*過堪的補(bǔ)償還可能導(dǎo)致峰值電流?？刂妻D(zhuǎn) 變?yōu)殡妷耗？刂?#39;這不是所期望的。這就要求有 一種電路能在不同占空比下產(chǎn)生不同的補(bǔ)償斜 率來解決上述問題。本文首先對(duì)斜坡補(bǔ)償技術(shù)作簡(jiǎn)要的闡述，最

10、后 給出了一種可在不同占空比區(qū)間產(chǎn)生不同斜率的分 段線性斜坡補(bǔ)償信號(hào)電路，它廣泛的適用于峰值電 流模控制方式的DC/DC轉(zhuǎn)換器。1斜坡補(bǔ)償?shù)囊爰霸黼娏髅娇刂剖且环N固定時(shí)鐘開啟、峰值電流 關(guān)斷的控制方法。因?yàn)榉逯惦姼须娏魅菀讉鞲?，?且在邏輯上與平均電感電腕大小變化相一致。但 是，峰值電感屯流的大小不能與平均電感電流大小 一一對(duì)應(yīng),因此在占空比不同的情況下，相同的峰值 電感電流的大小可以對(duì)應(yīng)不同的平均電感電流大 小。而平均電感電流大小才-是唯一決定輸出電壓大 小的因素。若要電感的峰值電流與其平均電流一 對(duì)應(yīng)，從而唯一決定輸岀電壓，則需要對(duì)電感的峰值 電流做進(jìn)一步的處理，并需注意當(dāng)占空比D大

11、于 50%時(shí)開環(huán)不穩(wěn)定（如圖1）,其存在難以校正的峰 值電流與平均電流的誤差；容易發(fā)生次諧波振蕩。 故在峰值電流模控制的PWM模式中引人了豁坡補(bǔ) 償信號(hào)現(xiàn)使輸入到PWM比較器的合成波形信號(hào) Vi要有斜坡補(bǔ)償信號(hào)與實(shí)際電感電流信號(hào)兩部分 合成構(gòu)成。由圖1容易看出峰值電流模控制的很大 的缺點(diǎn)在于；當(dāng)占空比大于50%時(shí)，其系統(tǒng)不穩(wěn) 定.主要表現(xiàn)在:擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的誤差被逐漸放圖1 DA5O%（無補(bǔ)償?shù)碾娨怆娏鞑ㄐ危?大，這將導(dǎo)致系統(tǒng)失控，電源的抗干擾性能差。圖1 是占空比050%時(shí)峰值電流控制的電感電流波 形。圖1中的譏是誤差放大器輸出的控制電壓, A）是擾動(dòng)電流 分別代表電感電流的上 升和下降斜率。

12、由圖1可知，經(jīng)過一個(gè)周期，由為 電流引起的誤差人為；Aii A7o X（1）（注網(wǎng)為上升、下降斜率，單位A/sJ同 理，可以證明經(jīng)過»個(gè)周期后，人引起的電流誤 差ZXA為:=簫）"由上式可以得出如下結(jié)論：當(dāng)恥<叭，艮卩DV50%時(shí)，電流誤差人將逐 漸檔于山故而系統(tǒng)穩(wěn)定#當(dāng)也>期1,即D>50%時(shí)，電流誤差人將逐 浙放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失控.電源的抗干擾性能差, 不能穩(wěn)定工作。為了使當(dāng)占空比大于50%時(shí)，系統(tǒng) 仍穩(wěn)定故引人斜率為的斜坡補(bǔ)償信號(hào)。該方法就 是在控制電壓肌上疊加斜坡補(bǔ)償電壓形成新的控 制電壓輸人到PWM比較器一端，與PWM比較器 另一端的電流反懺電

13、壓比較。圖2是該種補(bǔ)償方法 的原理示意圖。其中是補(bǔ)償斜坡電壓的斜率。ffl 2 D>50%（補(bǔ)償后的電感電潦j由圖2可以證明，經(jīng)過一個(gè)周期，由【（）引起 的電流誤差ZVi為：A/, = Mo Xmi十秫經(jīng)過幵個(gè)周期后，由引起的電流誤差仁為：類似地，由上式可以推導(dǎo)出在占空比從0到1的范鬧內(nèi)，便電流環(huán)穩(wěn)定的條件為,ZM十附又因?yàn)?DXtHi -（1D）mZ1結(jié)合上面兩式，則得到在控制電壓譏上檯加斜坡補(bǔ) 償電壓后保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件；m 2D 12D也就是說,要保持系統(tǒng)始終穩(wěn)定，則需要使補(bǔ)償斜率 大于電感電流下降斜率的一半，即枷5列他現(xiàn)2電路設(shè)計(jì)2A分戰(zhàn)線性斜坡補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思怨由斜坡補(bǔ)償?shù)脑淼弥?/p>

14、,如果斜坡補(bǔ)少了側(cè)當(dāng) 占空比大于50%時(shí)仍存在開環(huán)不穩(wěn)定性.這時(shí)我 們就希望寧多勿少。但如果斜坡過大即補(bǔ)的過 多兒電流?？刂茖⒆?yōu)殡妷耗？刂?電流模控制的 優(yōu)點(diǎn)將盡失.所以在補(bǔ)償過程中，必須對(duì)所補(bǔ)償?shù)?斜坡大小進(jìn)行必要的控制，得到合適的斜坡。如果 釆用單一斜率進(jìn)行補(bǔ)償，必須滿足在繪壞情況下（D = 100%）,都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，則應(yīng)使但是，這通常導(dǎo)致斜坡補(bǔ)償過敖嚴(yán)重影響開關(guān) 電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性和峰值電感電流*5因此釆 用葩占空比變化的分段線性斜坡補(bǔ)償更有優(yōu)勢(shì)，其 基本思想如下.把所有的占空比分成4個(gè)區(qū)間來進(jìn)行分段補(bǔ) 償口由式可知，在0<50%時(shí)，不加斜坡補(bǔ)償S =0）即可滿足系統(tǒng)穩(wěn)是性

15、條件。考慮留有一定的裕 量，我們?cè)谡伎毡瘸^40%時(shí)為電感電流信號(hào)増加 一補(bǔ)償斜線“由于補(bǔ)償斜率以是占空比D的壇函 數(shù)，所以每個(gè)區(qū)間的補(bǔ)償斜率由該區(qū)間的最大占空 比決定:將該區(qū)間的最大占空比代人式（&）可得該區(qū) 間的補(bǔ)償斜率戟后得到分段線性補(bǔ)償電流曲線如 圖3的實(shí)線所示乜若僅用單一斜率的補(bǔ)償斜坡來對(duì)圏3 分戟婕性時(shí)嫂補(bǔ)樓電流曲線系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，那么補(bǔ)償斜率必須滿足乘統(tǒng)在最 壞情況下設(shè)所需最大補(bǔ)償斜率為也門開環(huán)穩(wěn)定性 要求，對(duì)應(yīng)補(bǔ)償信號(hào)如圖3虛線所示°在占空比D 情況下系統(tǒng)在這兩種情況下均能穩(wěn)定（如圖3卄對(duì) 比這兩曲線，可以看出用單一斜率補(bǔ)償?shù)男逼码娏?幅度為而采用分段線性補(bǔ)償?shù)?/p>

16、斜坡電 MffiA 其差值A(chǔ)h A為過剩的補(bǔ)償電艇幅度，該 差值造成的不良影響就暑梗系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)待性變 壞和大大的降低了電感峰值電流使帶載能力下降。 囚此采用進(jìn)行分段線性補(bǔ)償能很好的改善系統(tǒng)上述 性能。2.2分段線性斜坡補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)分段線性斜坡補(bǔ)償電路由兩部分構(gòu)成（如圖 4）：分段線性斜坡產(chǎn)生電路和電流傳輸電路。分段 線性補(bǔ)償斜坡產(chǎn)生電路實(shí)際上是三個(gè)獨(dú)立OTA運(yùn) 放的井聯(lián)*我們?cè)O(shè)計(jì)三對(duì)管的寬長(zhǎng)比各不相同，充 分利用寬長(zhǎng)比對(duì)差分對(duì)傳輸特性的線性區(qū)寬窄及 fitn的闊節(jié)特性產(chǎn)生分段線性斜坡倉號(hào)*圖中譏曲 為振蕩器電容上的鋸齒波信號(hào),忙囲一和酹是兩個(gè)基 準(zhǔn)電壓三個(gè)OTA的尾電流均為 也 將Mi和

17、 和加、隨和岡組咸的0TA分別命名為 A（.A2和A汀三者的增益分別拘恥忙叫和臥計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)三奩差分對(duì)寬長(zhǎng)比的關(guān)系如下：又因?yàn)?環(huán)珂32堆、可以得到陰1甌1呂閲=4 7 7<10）設(shè)計(jì)變化范圍為V-AV.V-FAV1.A,. 他和民的線性區(qū)分別為Wrl hVrEL + AV,、W 一億，心+ 叫和忙馴-, VftH+AVj. V材是彼躋器中對(duì)電容進(jìn)行恒流充 放電產(chǎn)生，則在每個(gè)周期叭疋線性變化據(jù)壓和凡的線性區(qū)范1臥可知；D宀-iVi-v-i-iV 2V(11)a-Vri-AVz-Vf AV 2AV(12)-AV3-V-HiV 2iV(13)該電路的具體工作過程為：VCAP«VRL

18、時(shí)，輸出電旄兒乎為 零，對(duì)應(yīng)圖3中斜率為處 的區(qū)同卡呀叭腫連新增加 至W札一AV,>增益堆小的Ai疔先進(jìn)入線性區(qū)皿】 輸岀電流至可表示作：(14)I叫 w% X （Vcaj-VrtJ| 維普資訊 h ttp:/| 維普資訊 h ttp:/第3期田錦明.王松林等；出值電流控制模式中的分段域性軒坡樸償技術(shù)867project slope Mm孤4 piT»re(li») CTIME)ffl 4 分輕線圧補(bǔ)償科玻電躋 此時(shí)進(jìn)人斜率為也 的區(qū)間隨著VeAP繼續(xù)上升至 Vri-AV：,益居中的A2也進(jìn)人線性區(qū).皿開始 輸岀電流，此時(shí)有士仏=（珀 +恥 >X<V -V

19、K!r）（15）此時(shí)進(jìn)入了斜率為叫 的區(qū)間；叭尬進(jìn)一步上升至 %,入也進(jìn)人線性區(qū)輸出電流由A，i.A21 氏共同提供此時(shí)* f叫=+ 叫十I叫=S叫 + 恥（“CAP "礎(chǔ)）+呂叫（VcAp VttJ （16） 這時(shí)可產(chǎn)生斜坡補(bǔ)償?shù)膷勾蠓葹殡娏鱾鬏旊娐酚蓛蓚€(gè)電酰鏡構(gòu)成+將產(chǎn)生的斜 坡電流放大井號(hào)像出來、圖中：0陽5 補(bǔ)償電流洼形仿臭蛉罷04500u600u70OuROOuTime (Lin) (TIME匚二電匕口Urr J r d i r |:畑；1J. 亠二L 厶 L 亠, wii 1»I亠. 幾亠L(fēng) _ _Ij _ ,I-i-1Pl>ibI-1bri114b1F

20、-i1. L -J .1ill1it1P1-i1ild|111i-ii 4卜* - *彳11fF"1L-F5（叮沒有斟坡補(bǔ)償1亠屯1結(jié)合式（16）和【1門、可衍實(shí)際的斜坡補(bǔ)償電流為三SE§O(18)StMhj6Wu700uTime (LihJ (TIMJ )MWSUOu0y 口Mcatdt旳DI入心*碣+皿+現(xiàn)）mi771 = AX葉=AX J嶼對(duì)吟求導(dǎo)，可得到補(bǔ)償斜坡的斜率:(19)由上面推辟可以看出”在址計(jì)電路時(shí)沖丁根據(jù)電 路本身的需要來設(shè)計(jì)不同的棊準(zhǔn)電壓心L嚴(yán)汕及三 個(gè)OTA的寬氏比和電流鏡比例A"得到不同的 分段線性補(bǔ)償斜率及相應(yīng)的補(bǔ)償占空比區(qū)間.2.3整

21、體電路仿牡結(jié)果結(jié)合一款峰值電流模降壓【變換器，惡 于Hynix 0. 5m Standard 1辭模型，用1【陽ice仿 真結(jié)果如下；圖5為分段線性斟坡補(bǔ)償電流波形7BUCK型IX：-IX：占空比計(jì)算公式：加入斟坡補(bǔ)爍后圖6輸出電壓芍屯嘉電潦渡彰慢慢減小，占空比逐漸墻大，此吋可以看出分段線性 補(bǔ)償電流的斜率也隨之增大，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性; 也就實(shí)現(xiàn)了在不同占空比區(qū)間的分段錢性補(bǔ)償。圖 6為DC/IX變換器在無斜坡補(bǔ)償和仙人斜坡補(bǔ)償 兩種怖況下的輸出電壓和電感電流仿口波形，加人 斜坡補(bǔ)償?shù)妮攲绮ㄐ蔚玫搅嗣黠@的改善3結(jié)束語(20)當(dāng)VrtH定時(shí)，電源電壓隨看供電時(shí)間的增長(zhǎng)本文簡(jiǎn)述了斜坡補(bǔ)償原理，在

22、此基礎(chǔ)上提出了 一種分段線性斜坡補(bǔ)償方法，戰(zhàn)后利用寬氏比對(duì)差 分對(duì)傳輸特性的線性區(qū)寬窄及gm的調(diào)芳持性來實(shí) 現(xiàn)分段線性斜坡補(bǔ)償電路。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，克服 了可能出現(xiàn)的過補(bǔ)僕現(xiàn)象'它在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的 同時(shí)乂很好地改善了芯片瞬態(tài)響應(yīng)特性和提高了芯 片的帶載能力;它廣泛地適用于固建頻率架構(gòu)峰值 電疏模控制方式的DC/DC轉(zhuǎn)換器。（下轉(zhuǎn)第873頁）| 維普資訊 h ttp:/周求湛，孔亞婷等：塞于生務(wù)啟發(fā)的半導(dǎo)體器件可靠性免瘦系統(tǒng)研究873M3AMicraelectren 艮山站，1995, 35C4Jt 731-734.17j Jevtk M M,口 a Disgrustic 時(shí)iJ Pf

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