一種大負(fù)載峰值電流模DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

李　楊

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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一種大負(fù)載峰值電流模DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

李楊

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

摘要從DC-DC變換器的技術(shù)指標(biāo)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種大負(fù)載輸出集成變換器。針對(duì)峰值電流?？刂葡拢伎毡?50%出現(xiàn)的次諧波振蕩問(wèn)題，引入了斜坡補(bǔ)償電路。通過(guò)采用自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力。利用動(dòng)態(tài)箝位電路，消除斜坡補(bǔ)償對(duì)帶載能力的影響，有效提高了芯片輸出電流的能力。

關(guān)鍵詞DC-DC變換器；斜坡補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)箝位

隨著電子產(chǎn)品性能的不斷提升，要求電源管理芯片DC-DC變換器具有更強(qiáng)的輸出電流能力[1]。對(duì)于峰值電流?？刂疲逼卵a(bǔ)償?shù)囊胧沟梅逯惦娏鲿?huì)隨著占空比而變化[2]。本文通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路和動(dòng)態(tài)箝位電路，消除了斜坡補(bǔ)償對(duì)帶載能力的影響，保證了不同輸出輸入電壓下相同的大負(fù)載輸出[3]。峰值電流模式控制降壓型DC-DC的反饋系統(tǒng)原理圖如圖1所示。首先利用電流采樣信號(hào)與斜坡信號(hào)疊加產(chǎn)生的信號(hào)和誤差放大器輸出電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生輸出控制脈沖，該脈沖是周期不變脈寬可調(diào)的方波信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

圖1　峰值電流模式控制

1斜坡補(bǔ)償原理

峰值電流?？刂频腄C-DC變換器占空比D>50%時(shí)，電感電流擾動(dòng)量會(huì)隨著周期的增加不斷被放大，這會(huì)導(dǎo)致不同周期內(nèi)電感電流起始值不同，輸出電壓紋波增加等不良現(xiàn)象，即亞諧波振蕩現(xiàn)象。不同占空比下峰值電流模式控制的電感電流波形如圖2所示。

圖2　不同占空比下的峰值電流模式控制的電感電流波形

斜坡補(bǔ)償是將一斜坡電壓信號(hào)疊加于電感采樣電壓信號(hào)。斜坡補(bǔ)償原理如圖3所示。圖中ΔI0是初始時(shí)電感電流存在的擾動(dòng)量，ΔI1是下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)電感電流的擾動(dòng)量，電感電流上升的斜率為m1，電感電流下降的斜率為m2，補(bǔ)償信號(hào)的斜率為mc，T是系統(tǒng)的周期，Δd是占空比的擾動(dòng)量。由幾何原理可得

ΔI0=(m1+mc)ΔdT

(1)

ΔI1=-(m2-mc)ΔdT

(2)

(3)

由式(3)得出結(jié)論：只要斜坡補(bǔ)償?shù)男甭手禎M(mǎn)足上述關(guān)系式，便可保證電流環(huán)路的穩(wěn)定。

圖3　斜坡補(bǔ)償原理圖

2斜坡補(bǔ)償技術(shù)

目前斜坡補(bǔ)償技術(shù)有3種：固定斜率斜坡補(bǔ)償、分段線(xiàn)性斜坡補(bǔ)償和自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償。固定斜率補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但其補(bǔ)償斜率固定不變，可能導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償，這會(huì)降低芯片的帶載能力[4]。分段線(xiàn)性斜坡補(bǔ)償是通過(guò)對(duì)占空比劃分區(qū)間，使不同的區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的補(bǔ)償斜率，這樣既可以保證該占空比下系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)又避免了補(bǔ)償過(guò)大對(duì)帶載能力的影響[5]。分段線(xiàn)性補(bǔ)償斜率不能隨輸入輸出電壓連續(xù)變化，因此在分段線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)膮^(qū)間內(nèi)，仍有可能出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償或帶負(fù)載能力下降問(wèn)題。自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償是根據(jù)不同的輸入和輸出電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償斜率，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最佳補(bǔ)償[6-7]。

3自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

本文提出了一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，補(bǔ)償斜率隨占空比變化動(dòng)態(tài)地變化，有效降低了系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)帶負(fù)載能力。自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路包括兩部分：一部分是斜坡電流產(chǎn)生電路；另一部分是斜坡電流平方產(chǎn)生電路[8]。自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償實(shí)際電路如圖4所示。

圖4　自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償實(shí)際電路圖

晶體管M1、M2和M3組成了偏置電路提供偏置電流。晶體管M4、M5和電容C1構(gòu)成了斜坡電壓產(chǎn)生電路，當(dāng)M5關(guān)斷時(shí)，電流I1給電容C1充電，電容電壓VC線(xiàn)性上升，當(dāng)M5打開(kāi)時(shí)，電容C1放電到地，電容電壓變?yōu)榱?。晶體管M6～M11和電阻R1組成了一階LDO，因此兩端輸入電壓VC=VR1。晶體管Q1、Q2、Q3和Q4構(gòu)成了跨導(dǎo)線(xiàn)性電路，用于產(chǎn)生電流平方項(xiàng)。由上述分析可得

(4)

其中，D為變換器的占空比；T為變換器的開(kāi)關(guān)周期。假設(shè)M12和M13的鏡像比例為1∶1，則可得I2=VR1/R1，由跨導(dǎo)線(xiàn)性原理可得

(5)

又VC=VR1，將式(4)帶入式(5)可得

(6)

對(duì)式(6)兩邊對(duì)時(shí)間求微分可得

(7)

由式(7)可知，不同的占空比D將有不同的斜坡補(bǔ)償斜率，因此系統(tǒng)補(bǔ)償量能動(dòng)態(tài)變化，有效提高了帶負(fù)載能力。

自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償能提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，但不能完全消除斜坡補(bǔ)償對(duì)帶載能力的影響?？赏ㄟ^(guò)改變箝位電壓的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，消除斜坡補(bǔ)償對(duì)最大電感電流峰值的影響，使峰值電流與斜坡電流和電阻徹底無(wú)關(guān)，箝位電壓產(chǎn)生電路圖如圖5所示。

圖5　箝位電壓產(chǎn)生電路圖

為提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，一般在誤差放大器的輸出端置有箝位電壓，即將放大器輸出端電壓變化控制在相對(duì)較小的范圍內(nèi)，降低系統(tǒng)瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間。圖5中VSENSE+和VSENSE-分別為采樣電壓的正相端和負(fù)相端，VITH為誤差放大器輸出電壓，Vclamp為誤差放大器輸出端箝位電壓，VREF為基準(zhǔn)電壓，Islope為斜坡電流。系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下箝位電壓Vclamp與VBE1之和大于放大器輸出端電壓VITH，三極管Q1截止，箝位電路不起作用。當(dāng)負(fù)載突然發(fā)生變化時(shí)，放大器輸入端電壓VFB不再等于0.6V，由于放大器的直流增益較大，因此輸出端電壓VITH會(huì)變的較大，此時(shí)箝位電壓Vclamp與VBE1之和小于電壓VITH，三極管Q1導(dǎo)通，將放大器輸出端電壓箝位至Vclamp與VBE1之和。箝位電壓Vclamp由基準(zhǔn)電壓和斜坡電壓疊加產(chǎn)生

Vclamp=VREF+Islope·R1

(8)

(9)

VSENSE+-VSENSE-=IL·RDCR

(10)

當(dāng)系統(tǒng)處于響應(yīng)輸出負(fù)載變化時(shí)，箝位電壓Vclamp與VBE1之和等于誤差輸出電壓VITH，此時(shí)電感電流IL為最大峰值電流IPK，由式(8)、式(9)和式(10)可得

(11)

在式(11)中，電壓VBE1和VREF為固定參考量，通過(guò)設(shè)置電阻R1與R3的比值，能使最大電感電流峰值IPK與斜坡電流和占空比無(wú)關(guān)，進(jìn)而消除引入斜坡補(bǔ)償對(duì)帶載能力的影響。

4電路仿真驗(yàn)證

基于Cadence仿真環(huán)境，對(duì)自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路進(jìn)行仿真，斜坡電流仿真波形如圖6所示。從仿真結(jié)果可看出：當(dāng)占空比較低時(shí)，斜坡補(bǔ)償電流斜率較小，隨著占空比的變大，單位周期內(nèi)系統(tǒng)導(dǎo)通時(shí)間增加，斜坡補(bǔ)償電流斜率迅速增大，較好地解決了小占空比下過(guò)補(bǔ)償和大占空下不穩(wěn)定問(wèn)題，提高了系統(tǒng)帶負(fù)載能力。

圖6　自適應(yīng)斜坡仿真電路圖

芯片工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形如圖7所示，穩(wěn)定工作狀態(tài)下輸入電壓12V，輸出電壓1.45V。從仿真波形圖可看出，當(dāng)負(fù)載電流為0A時(shí)，系統(tǒng)工作在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式，輸出電壓紋波約為2mV；當(dāng)負(fù)載電流為4A時(shí)，系統(tǒng)工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，輸出電壓紋波約為2mV。

圖7　芯片瞬態(tài)響應(yīng)仿真波形

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種大負(fù)載峰值電流模DC-DC變換器，研究了影響系統(tǒng)帶載能力的主要因素。針對(duì)峰值電流模DC-DC變換器電流環(huán)路存在次諧波振蕩問(wèn)題[9]，加入了斜坡補(bǔ)償。但斜坡補(bǔ)償?shù)囊胧沟孟到y(tǒng)的帶負(fù)載能力降低，通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路優(yōu)化了過(guò)補(bǔ)償和不穩(wěn)定問(wèn)題，有效提高了系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。雖自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償能給系統(tǒng)提供最優(yōu)的補(bǔ)償量，但不能完全消除斜坡補(bǔ)償對(duì)帶載能力的影響，通過(guò)改變箝位電壓使得帶載能力與斜坡補(bǔ)償無(wú)關(guān)，使電源芯片在不同輸入輸出電壓應(yīng)用下，具有較寬的輸出電流范圍。

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Design of A Large Load Peak Current Mode DC-DC Converter

LIYang

(SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

AbstractIn this paper, a large load output integrated converter is designed based on the technology of DC-DC converter. For the problem of the harmonic oscillation in the peak current mode control, the slope compensation circuit is introduced. An adaptive slope compensation circuit is designed to improve the load capacity. In order to eliminate the slope compensation effect on the load capacity, a dynamic clamping circuit is introduced, which improves the chip output current capability effectively.

KeywordsDC-DC converter; slope compensation; active clamp

收稿日期:2015- 11- 18

作者簡(jiǎn)介:李楊(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.037

中圖分類(lèi)號(hào)TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-128-04