峰值電流控制模式中的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償技術(shù)

張普杰，王衛(wèi)東

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

峰值電流控制模式中的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償技術(shù)

張普杰1，王衛(wèi)東2

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了解決PWM(脈沖寬度調(diào)制)峰值電流模式中當(dāng)占空比大于50%時(shí)發(fā)生次斜坡振蕩的問題,提出了一種當(dāng)輸入輸出電壓變化時(shí)補(bǔ)償量跟隨變化的斜坡補(bǔ)償電路方案。與固定斜坡補(bǔ)償電路相比，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)補(bǔ)償電路有更好的跟隨性，還可避免發(fā)生過補(bǔ)償問題。電路采用gpdk090 CMOS工藝仿真，由仿真結(jié)果可知，該電路可以很好地抑制次諧波振蕩，提高電路的穩(wěn)定性和性能。

自適應(yīng)；占空比；峰值電流模式；斜坡補(bǔ)償

Abstract: In order to Solve the problem of sub-harmonic oscillation in PWM peak current mode for duty cycle more than 50%, this paper presents a self-adaptable slope compensation circuit, whose compensation amount varies with input and output voltage automatically. Compared with fixed slope compensation circuit,the adaptive compensation circuits designed in this paper have better follow,also can avoid compensation. The circuit was simulated based on gppdk090 CMOS process. The results show that the circuit could effectively suppress sub-harmonic oscillations and improve stabilization of circuit and performances.

Key words:self-adaptation; duty cycle; peak current mode; slope compensation

0 引言

電流模式和電壓模式是開關(guān)電源中主要的控制模式，脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流模技術(shù)是現(xiàn)在開關(guān)電源管理技術(shù)中最常用的控制方法。但PWM電流控制技術(shù)也有其自身的缺點(diǎn)：當(dāng)占空比大于50%時(shí),電流模式控制電路不可避免地會(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此為保證系統(tǒng)能正常工作，必須加入補(bǔ)償電路，來消除開環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

相比于固定斜率補(bǔ)償方法會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)膯栴}，本文介紹了一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償方法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。文中對(duì)提出的電路方案給出了詳細(xì)的分析過程、電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，提出的電路結(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

1 斜坡補(bǔ)償概述

圖1、圖2中，D為占空比，T為時(shí)鐘周期，實(shí)線表示沒有加干擾前電感電流的波形，虛線表示加入一個(gè)干擾ΔI0后電感電流的波形[1]。

Ve為電壓反饋回路的誤差放大器的輸出，m1、m2分別為電感電流的上升、下降斜率。ΔI0、ΔI1分別表示電感電流的變化量。由圖1、2可以直觀地看出D<50%時(shí)電路的穩(wěn)定性和D>50%時(shí)電路的振蕩性。從圖1可看出經(jīng)過一個(gè)周期，電感電流的抖動(dòng)量滿足：

圖1D<50%時(shí)的電感電流波形 圖2D>50%時(shí)的電感電流波形

(1)

可以證明經(jīng)過n個(gè)周期后，ΔI0引起的電流誤差ΔIn為：

(2)

其中：

(3)

由公式(2)可知：當(dāng)占空比D<50%時(shí)，ΔIn將逐漸衰減到0，系統(tǒng)是收斂的；當(dāng)占空比D>50%(即D>1-D)時(shí)，正好相反，ΔIn將逐漸增大，這種情況下系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，將會(huì)產(chǎn)生振蕩[2]。

為解決當(dāng)占空比大于50%時(shí)發(fā)生振蕩的問題，固定斜坡補(bǔ)償電路或自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路是現(xiàn)在主要的兩種解決此類問題的方法。圖3 所示為固定斜坡補(bǔ)償原理，電路中疊加一個(gè)數(shù)值為-m(m>0)的斜坡電流信號(hào)，由圖得到:

(4)

圖3 固定斜坡補(bǔ)償

要使環(huán)路保持穩(wěn)定，需要滿足：

(5)

再由公式(3)和式(5)可推得：

(6)

如果取極限情況，讓占空比為1，則m的最小值為0.5*m2，一般實(shí)際設(shè)計(jì)中都會(huì)大于這個(gè)值。

固定斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袀€(gè)最大的缺點(diǎn)是可能會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象，為了防止由于過補(bǔ)償現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，文中設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)斜坡動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路：這種電路中占空比會(huì)跟著負(fù)載的變動(dòng)而發(fā)生改變，重載時(shí)占空比會(huì)變大，而輕載時(shí)占空比會(huì)變得非常小，通過電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)使系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)固定斜率補(bǔ)償電路時(shí)的過補(bǔ)償現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)更穩(wěn)定。從文獻(xiàn)[3]中可以得到：

(7)

(8)

(9)

由式(9)可以看出斜坡補(bǔ)償斜率和輸出輸入電壓差值(即Vout-0.5Vin)是有直接關(guān)系的，最終會(huì)為系統(tǒng)提供如圖4所示的補(bǔ)償信號(hào)。

圖4 自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償信號(hào)波形示意圖

隨輸入輸出信號(hào)改變的相對(duì)應(yīng)的斜坡補(bǔ)償信號(hào)，既能使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，又可以防止出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象。在圖4中，實(shí)線表示最壞情況下的斜坡補(bǔ)償波形，虛線表示隨著Vout-0.5Vin的差值改變而相對(duì)應(yīng)的斜坡補(bǔ)償信號(hào)波形。在實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，要考慮補(bǔ)償余度的問題，可使占空比小于0.4(即輸出輸入電壓差變?yōu)閂out-0.4Vin)時(shí)斜坡補(bǔ)償斜率為0[4]。

2 自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)

圖5所示為本文提出的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償方案的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)。

圖5 自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路

電路中運(yùn)放A和NMOS管M2組成電壓跟隨器結(jié)構(gòu)，M1管柵漏短接可以等效為有源電阻，M5、M6與M1原理一樣也相當(dāng)于有源電阻，其電阻值(假設(shè)λ=0)分別可表示為[5]：

(10)

(11)

根據(jù)前面分析，為了達(dá)到當(dāng)占空比在40%時(shí)使系統(tǒng)開始作用，R6對(duì)Vin的分壓應(yīng)為0.4Vin，調(diào)節(jié)M5、M6的寬長(zhǎng)比使其滿足M6對(duì)Vin的分壓。這里由于運(yùn)放A虛短的特性會(huì)使VD2=VD6=0.4Vin。M1相當(dāng)于有源電阻，所以流過M1的電流I1由Vout和0.4Vin決定，電流大小為：

(12)

電路中M3、M4、M7、M9的寬長(zhǎng)比相同，且都為M8、M10的1/X。R1為M1的等效地有源電阻值。也可得到流過M8/10的電流為：

(13)

由式(13)可以看出：斜坡補(bǔ)償電流Islope的大小與Vout-0.4Vin成線性關(guān)系，由此電流會(huì)隨Vout和Vin變化，電流對(duì)電容C1充電的電壓也會(huì)改變。根據(jù)微分公式[6]：

(14)

可得斜坡電壓的補(bǔ)償斜率：

(15)

對(duì)于公式(15)只要給出合適的C和X，以及M1的寬長(zhǎng)比，就可以得到合適的動(dòng)態(tài)斜坡補(bǔ)償信號(hào)。

圖6是該結(jié)構(gòu)中運(yùn)放A的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖。

圖6 運(yùn)放A的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證

最后對(duì)本文所提出的方案結(jié)合一款降壓型開關(guān)電源變換器，采用gpdk090 CMOS工藝設(shè)計(jì)，用Cadence軟件進(jìn)行仿真、驗(yàn)證。

仿真結(jié)果如圖7、8所示，由圖可以看出不管輸出電壓改變還是輸入電壓改變，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性都很好，可以產(chǎn)生相應(yīng)的斜坡補(bǔ)償信號(hào)，還可避免發(fā)生過補(bǔ)償問題。

圖7 輸出電壓從1.5 V變化到2.5 V時(shí)斜坡補(bǔ)償 電壓的變化(Vin=3.6 V)

4 結(jié)論

由于PWM電流模式控制電路在占空比大于50%時(shí)會(huì)出現(xiàn)開環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，來避免系統(tǒng)發(fā)生振蕩。文中詳細(xì)地分析了產(chǎn)生振蕩的原因，并提出了完整的補(bǔ)償電路方案，對(duì)電路進(jìn)行了仿真、驗(yàn)證。從結(jié)果可以看出：文中設(shè)計(jì)的電路不管輸出電壓變化還是輸入電壓變化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性都很好，可以產(chǎn)生相應(yīng)的斜坡補(bǔ)償信號(hào)，避免發(fā)生過補(bǔ)償問題的同時(shí)，很好地改善了系統(tǒng)的性能。

圖8 輸入電壓從2.5 V變到3.8 V時(shí)斜坡補(bǔ)償 電壓的變化(Vout=1.8 V)

[1] 陳富吉,來新泉,李玉山.一種自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2008,29(3):593-596.

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Technology of self-adaptation slope compensation in peak current mode controlled circuit

Zhang Pujie1, Wang Weidong2

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

TN432

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.014

張普杰，王衛(wèi)東.峰值電流控制模式中的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償技術(shù)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：46-48.

2017-03-25)

張普杰(1991-)男，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。

王衛(wèi)東(1956-) 男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：模擬集成電路與電流模式電路。