基于Bipolar工藝的峰值電流斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

陳 昆,張 濤

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430081)

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基于Bipolar工藝的峰值電流斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

陳 昆,張 濤*

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430081)

針對(duì)現(xiàn)代峰值電流控制模式DC-DC芯片中的亞諧波振蕩及不穩(wěn)定問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于Bipolar工藝的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路。該電路能夠產(chǎn)生隨輸入輸出電壓變化的補(bǔ)償信號(hào),以簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采樣電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。電路基于CSMC 2 μm Bipolar工藝設(shè)計(jì),Spectre仿真結(jié)果表明該補(bǔ)償電路避免了因過(guò)補(bǔ)償帶來(lái)不良影響并使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提高了31.5%,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

DC-DC轉(zhuǎn)換器;Boost轉(zhuǎn)換器;峰值電流模式;動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償

DC-DC變換器廣泛應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)、個(gè)人PDA、數(shù)碼相機(jī)等便攜式設(shè)備中。與傳統(tǒng)的電壓控制模式相比,電流控制模式具有動(dòng)態(tài)性能好、輸出精度高、增益帶寬大和逐周期的電流限制等優(yōu)點(diǎn)。然而,其特有的電流內(nèi)環(huán)也存在固有的缺陷,如占空比大于50%時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象、亞諧波振蕩及噪聲敏感等問(wèn)題[1]。為解決這些問(wèn)題,近年來(lái)提出了各種斜坡補(bǔ)償技術(shù)。通過(guò)斜坡補(bǔ)償能夠很好的解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)及不穩(wěn)定問(wèn)題。根據(jù)斜坡補(bǔ)償信號(hào)的不同,傳統(tǒng)的斜坡補(bǔ)償主要分為線性補(bǔ)償和分段線性補(bǔ)償。

本文基于一款雙極升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器,介紹了開關(guān)電源中斜坡補(bǔ)償?shù)幕驹?在此基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路。該芯片采用峰值電流控制模式,主要用于手機(jī)背光顯示及LED驅(qū)動(dòng)。隨著智能手機(jī)等數(shù)字終端設(shè)備的迅速普及和發(fā)展,相比CMOS工藝具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力的Biploar工藝具有相當(dāng)大的吸引力。采用該動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路后,其穩(wěn)定性問(wèn)題得以解決,性能得到極大的提高。

1 斜坡補(bǔ)償原理

電流模式控制是一種固定時(shí)鐘開啟,峰值電流關(guān)斷的控制方法[2]。在雙環(huán)控制中,電流內(nèi)環(huán)檢測(cè)電感電流峰值,電壓外環(huán)的輸出電壓決定控制電壓,二者共同決定開關(guān)管的通斷。Boost開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

平均電感電流是決定輸出電壓的唯一因素,而峰值電感電流與平均電感電流并不能一一對(duì)應(yīng),從而造成在占空比大于50%時(shí),存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差,容易發(fā)生亞諧波振蕩。如圖2(a)所示,當(dāng)占空比大于50%時(shí),電感上的擾動(dòng)信號(hào)被逐漸放大導(dǎo)致系統(tǒng)失控,電源抗干擾能力差。

圖2 斜坡補(bǔ)償原理

圖2中Vc是誤差放大器輸出的控制電壓,ΔI0是擾動(dòng)電流,m1、-m2(m1、m2>0)分別表示電感電流的上升和下降斜率,D為占空比。經(jīng)一個(gè)周期后,由ΔI0電流引起的誤差ΔI1為:

(1)

由式(1)可知,當(dāng)m2>1,即D>50%時(shí),電流誤差被逐漸放大,產(chǎn)生振蕩,從而導(dǎo)致系統(tǒng)失控不能正常工作。為了使占空比大于50%時(shí)系統(tǒng)仍穩(wěn)定,故引入斜坡補(bǔ)償信號(hào)。補(bǔ)償?shù)姆绞椒譃閮煞N,一種是保持采樣電流信號(hào)不變,給誤差放大器輸出信號(hào)加上一個(gè)負(fù)的斜坡電壓;另一種是保持誤差放大器輸出不變,給電流采樣信號(hào)加上一個(gè)正的斜坡電壓;兩種補(bǔ)償方式的結(jié)果是一樣的,因后者實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單,在應(yīng)用中一般采用后者。

如圖2(b),-m為斜坡補(bǔ)償信號(hào)的斜率?？梢宰C明,經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后,由ΔI0電流引起的誤差ΔI1為:

(2)

由上面的推導(dǎo)可知,要使電流環(huán)路在整個(gè)工作范圍內(nèi)穩(wěn)定,則必須滿足

(3)

又因?yàn)?D×m1=(1-D)×m2,代入式(3)可得:

(4)

為了保證在最壞情況下(D=100%)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作,則應(yīng)使

(5)

然而實(shí)際應(yīng)用中占空比基本不會(huì)達(dá)到100%,這會(huì)導(dǎo)致斜坡補(bǔ)償過(guò)量,使電流模式轉(zhuǎn)換為電壓模式,嚴(yán)重影響開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)及帶載能力,這樣使電流模式的優(yōu)點(diǎn)盡失。因此傳統(tǒng)的線性補(bǔ)償已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代高性能開關(guān)電源芯片的需求。

針對(duì)傳統(tǒng)線性補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn),文獻(xiàn)[3-5]提出了分段線性補(bǔ)償方法,其基本原理為:改進(jìn)傳統(tǒng)的固定斜率斜坡補(bǔ)償,使補(bǔ)償?shù)男逼滦盘?hào)在不同的占空比情況下產(chǎn)生不同的補(bǔ)償斜坡。

然而,分段線性補(bǔ)償一般將占空比分為3個(gè)～4個(gè)區(qū)間,其補(bǔ)償斜率并不能隨輸入輸出實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)致其不夠靈活。若要提高精度則應(yīng)劃分更多的占空比區(qū)間,但是,隨著分段區(qū)間的增多,電路的復(fù)雜程度將成倍增加[6]。

2 提出的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路

在不同的占空比區(qū)間設(shè)計(jì)補(bǔ)償信號(hào)具有不同的斜率實(shí)現(xiàn)分段線性補(bǔ)償,只是一種近似的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,其存在補(bǔ)償不夠靈活等缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償?shù)幕驹頌楦鶕?jù)不同的輸入、輸出電壓產(chǎn)生不同斜率的補(bǔ)償斜坡[7-10]。

對(duì)于升壓型DC-DC,電感電流上升、下降的斜率為:

(6)

(7)

又由式(3)可得:

(8)

綜合式(6)～式(8)可得:

(9)

由式(9)可知,補(bǔ)償斜坡斜率能夠隨著輸入、輸出電壓變化,從而在采樣電流上加入不同的補(bǔ)償斜坡。當(dāng)占空比增大時(shí),加入的斜坡補(bǔ)償斜率也隨之增大,達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康腫11]。

在現(xiàn)在的主流工藝中,MOS工藝的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟,而且MOS電路的功耗小,易于集成,成本低等優(yōu)點(diǎn)使MOS電路在集成電路中占有很大的市場(chǎng)分額,運(yùn)用也相當(dāng)廣泛,成為集成電路行業(yè)的主流工藝。但是由于MOS器件是表面器件,其抗噪聲和抗輻射能力弱,頻率特性較差,輸出電流小等缺點(diǎn),導(dǎo)致MOS電路在某些應(yīng)用受到限制。而BJT電路能很好的彌補(bǔ)MOS電路的缺陷,BJT是體內(nèi)器件,能做到很強(qiáng)的抗噪聲和抗輻射能力以及具有很好的頻率特性。所以研究一款基于BJT工藝下的DC-DC芯片具有很大的使用價(jià)值,雖然BJT的wafer成本低,但是如果做些模塊嵌套的電路時(shí),BJT的芯片的DieSize是非常大。因此它的優(yōu)勢(shì)是在集成度要求不高的電路中,比如TL431、TL7805、TL358等芯片。

設(shè)計(jì)的DC-DC芯片采用CSMC2μm36V雙極高壓工藝,具有很寬的輸入電壓范圍:2.6V～16V;開關(guān)頻率為1.5MHz;溫度范圍-40 ℃～85 ℃,基準(zhǔn)溫漂達(dá)到44×10-6/℃;輸出電壓最高可達(dá)29V,最大負(fù)載為500mA,負(fù)載調(diào)整率低于0.04mV/mA,效率可達(dá)81%。

該芯片的版圖面積為786μm×1290μm,與之同類型的另一款CMOS工藝升壓型芯片9293的版圖面積為770μm×1 100μm。該芯片面積比COMS工藝芯片面積大19.7%,雖然犧牲了一定的面積,但是其驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng)以及電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn),使得其在集成度要求不太高的電路中有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路如圖3所示,BJT管組成的電流鏡電路不僅具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力而且具有較快的響應(yīng)速度,提升了芯片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[12]。

圖3 提出的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路

圖3中PNP1、PNP2、NPN1和NPN2組成電流鏡,產(chǎn)生與輸入輸出電壓相關(guān)的電流。在PNP1和PNP2,NPNV1和NPN2個(gè)數(shù)比例為1:1的情況下,VX≈VY,則

(10)

又因?yàn)?

(11)

設(shè)R1=R2,則

(12)

PNP3～PNP5形成共源共柵結(jié)構(gòu),設(shè)PNP3和PNP4,PNP5和PNP6的比例為1∶N,NPN2和NPN3的比例為1∶M。則

(13)

電流I3給電容C充電產(chǎn)生斜坡補(bǔ)償電壓,振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)決定電容的充、放電過(guò)程,通過(guò)選擇合適的電容、電阻值及管子比例即可產(chǎn)生合適的斜坡補(bǔ)償電壓。

3 仿真結(jié)果

結(jié)合該款升壓型DC-DC芯片,基于CSMC2μm36VBipolar模型進(jìn)行Spectre仿真。圖4為動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路產(chǎn)生的斜坡補(bǔ)償電壓,可以看出在輸入電壓為10V的情況下,補(bǔ)償斜坡電壓隨著輸出電壓的上升而上升,斜率也隨之增大,也就是說(shuō)占空比越大,補(bǔ)償量就越大,達(dá)到了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖4 補(bǔ)償電壓隨輸入輸出電壓的變化

在輸入電壓8 V～10 V,輸出電壓24 V,負(fù)載電阻600 Ω～1 000 Ω的條件下進(jìn)行芯片的整體仿真。圖5中分別為采樣電流、補(bǔ)償斜坡電壓及PWM輸出控制電壓。

圖5 PWM模塊各節(jié)點(diǎn)波形

可以看到,采樣電流與補(bǔ)償電壓疊加后經(jīng)比較后得到脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。

圖6為加入斜坡補(bǔ)償前、后的電感電流波形?？梢钥闯?當(dāng)占空比大于50%時(shí),未加斜坡補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鳟a(chǎn)生了亞諧波振蕩,系統(tǒng)不穩(wěn)定;加入斜坡補(bǔ)償后電感電流亞諧波振蕩消失。

圖7為加入斜坡補(bǔ)償前、后的輸出電壓波形。可以看出,未加斜坡補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定時(shí)間為263 μs,加入斜坡補(bǔ)償后系統(tǒng)輸出穩(wěn)定時(shí)間為180 μs,與未加斜坡補(bǔ)償相比,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間提高了31.5%。由此可得,加入斜坡補(bǔ)償后系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)有了很大的提高。

將本設(shè)計(jì)的芯片與文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)類似的同類型芯片9293的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行比較,得到表1如下。

圖6 加入斜坡補(bǔ)償前后電感電流波形

圖7 加入斜坡補(bǔ)償前后輸出電壓波形

表1

參數(shù)文獻(xiàn)[6]本設(shè)計(jì)工藝CMOSBipolar輸入范圍/V2．5～5．52．6～16工作頻率/MHz11．5最大負(fù)載電流/mA135500線性調(diào)整率1%3．3%輸出穩(wěn)定時(shí)間/μs215180版圖面積(μm×μm)770×1100786×1290

由表1可知,使用Biplor工藝的芯片雖然在面積上有一定的犧牲,但跟CMOS工藝相比,其具有更大輸入電壓范圍、更強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4 結(jié)論

峰值電流控制模式中的亞諧波振蕩及不穩(wěn)定問(wèn)題可以通過(guò)加入斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改善,斜坡補(bǔ)償?shù)男甭逝c占空比成正比,即占空比越大,所需的補(bǔ)償斜率也越大。本文提出的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于提出的Bipolar工藝芯片。經(jīng)仿真驗(yàn)證,該補(bǔ)償電路很好的改善了系統(tǒng)的亞諧波振蕩及不穩(wěn)定問(wèn)題,提高了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

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陳昆(1990-),男,湖北荊州人,武漢科技大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌笠?guī)模模擬集成電路設(shè)計(jì),rgttg@163.com;

張濤(1967-),男,湖南湘潭人,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程系系主任,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閿?shù)模混合集成電路設(shè)計(jì),開關(guān)電源與功率電子學(xué),信號(hào)與信息處理等。

DesignofanAdaptiveSlopeCompensationCircuitinPeak-CurrentModeControlBasedonBipolarProcess

CHENKun,ZHANGTao*

(School of Information Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

To overcome sub-harmonic oscillation and stability problems,an adaptive slope compensation circuit is designed based on bipolar process. The circuit can produce proper compensation signal along with the vibration of input and output voltage. The design is implemented base on CSMC’s 2 μm process,the Spectre simulation results show that the compensation circuit avoids the bad effects of over-compensation and reduces the dynamic response time more than 30%.

DC-DC converter;boost regulator;peak-current mode;dynamic slope compensation

2013-11-11修改日期:2013-12-12

TN79

:A

:1005-9490(2014)06-1076-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.014