CN101534052A - 斜率补偿电路、其方法和脉宽调制升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明的斜率补偿方法包含下列步骤：检测电感电流，并据此产生反馈信号；产生斜率增加变率为定值的斜率补偿信号，且所述斜率变动随所述脉宽调制切换式调节器的占空比的增加而增加；总计所述反馈信号和所述斜率补偿信号以产生锯齿状信号；以及利用所述锯齿状信号来进行具有电流模式的脉宽调制控制。

Description

斜率补偿电路、其方法和脉宽调制升压电路

技术领域

本发明涉及一种斜率补偿电路、其方法和脉宽调制升压电路，尤其涉及一种斜率补偿电路及其方法，其利用斜率增加变率为定值的斜率补偿信号。

背景技术

图1是常规脉宽调制升压电路1，其包含升压电路10、脉宽调制器(pulse widthmodulator)11、振荡器(oscillator)12、误差放大器(Error amplifier)13、分压电路14和稳定电路15。当脉宽调制升压电路1启动时，参考电压Vref施加于所述误差放大器13的非反相输入端，所述误差放大器13的反相输入端连接来自所述分压电路14的反馈电压V_FB，以定义直流输出电压Vout的大小。所述振荡器12输出前振荡信号S_OSC到所述脉宽调制器11，以生成脉宽调制信号S_PWM。所述脉宽调制信号S_PWM用以开启晶体管开关SW1同时使电感电流上升，将能量存储于电感器中，误差放大器的输出E_O与一定频率锯齿波的比较，决定SW1关闭的时间，使得由输入电压Vin产生且流经所述升压电感器L的电感电流I_L可间歇地对电容器C1充电，而使存储在电容器C1中的电荷产生所述直流输出电压Vout。其中二极管D1限制电容器C1放电的方向。当SW1关闭(开路)时，D1就导通。

脉宽调制升压电路又分为电流模式脉宽调制控制和电压模式脉宽调制控制。电流模式脉宽调制控制利用电感电流作为反馈信号，因此在斜率补偿上比电压模式脉宽调制控制更为容易。此外，电流模式脉宽调制控制的相位容限(phase margin)比电压模式脉宽调制控制在无须进行提早补偿(leading compensation)的情形下多了90度，因此在操作上更为稳定。

一般来说，在电流模式脉宽调制控制中，当脉宽调制切换式调节器的占空比(dutyratio)大于50％时，需要进行斜率补偿。而补偿斜率ma需满足以下公式： $\frac{m2}{2}<\mathrm{ma},$ 以避免不稳定或效率不佳，当ma＝m2时，为最佳补偿斜率，其中(-m2)是电感电流在晶体管开关SW1关闭时的斜率。

图2是所述切换式开关电路10的电感电流IL的波形图。如图2所示，其中电感电流在晶体管开关SW1开启时的斜率m1为

电感电流在晶体管开关SW1关闭时的斜率(-m2)为

而

因此如果取ma＝m2，那么

斜率补偿最大的难处在于所述切换式开关电路10的输入电压与输出电压均会变动，占空比也随之变动，因此不易找出相应的变动斜率补偿。

第6,611,131号美国专利揭示一种分段线性(piecewise-linear)的斜率补偿，但其采用电阻器检测电感电流且利用BJT晶体管进行斜率补偿，因此功率消耗大。此外，电压箝位的电平会随电压源而变化，还使整体的设计更加复杂。再者，此现有技术的限流方式是将电感电流反馈信号进行箝位而得，然而所述方法在与斜率补偿信号总计后将产生扭曲的现象。

图3A例示没有斜率补偿的高占空比和低占空比输出电压的波形图，而图3B例示具有斜率补偿的高占空比和低占空比输出电压的波形图。从图3B中可以发现，具有斜率补偿的高占空比输出电压因加入较大斜率的斜率补偿电压，因此与低占空比输出电压相比较易触及限流电平。

第6,522,116号美国专利揭示另一种斜率补偿的技术，但其必需检测输出电压的变化才能进行斜率补偿。然而检测输出电压的变化原本就是一件很因难的工作。而如果检测电路过于简化，那么将影响整体的精确度。此外，所述常规技术采用大电阻作为线性效应，因此还造成功率消耗。

第5,717,322号美国专利揭示另一种斜率补偿的技术。但其斜率补偿为固定斜率，因此并不能满足业界的需要。

由于常规技术均不能满足业界的需要，因此有必要设计一种工艺容易、节省功率消耗且可随占空比变动而变动斜率的补偿技术。

发明内容

本发明的斜率补偿电路的一实施例包含电平移位源极跟随器、电容器、第一电阻器和第二电阻器。所述电平移位源极跟随器包含第一晶体管和第二晶体管，其中所述第一晶体管流通第一电流，所述第二晶体管流通第二电流，而所述第一电流包含一比例的所述第二电流。所述电容器连接到所述第一晶体管的源极。所述第一电阻器连接到所述第二晶体管的源极。所述第二电阻器流通第三电流，其中所述第三电流和所述第二电流互成比例，且所述第二电阻器与所述斜率补偿电路的输出电压有关。

本发明的斜率补偿电路的另一实施例包含补偿单元、跨导放大器和电流镜。所述补偿单元的输出电压的斜率增加变率为定值。所述跨导放大器用于检测电感器的电流值。所述电流镜用于将所述跨导放大器的输出电流成一比例映射到所述补偿单元。

本发明的脉宽调制升压电路的一实施例包含斜率补偿电路、升压电路、分压电路、误差放大器、脉宽调制器和脉宽调制逻辑电路。所述升压电路具有电感器和晶体管开关。所述分压电路连接到所述升压电路的输出。所述误差放大器的反向输入端连接到所述分压电路的输出。所述脉宽调制器的一输入端连接到所述误差放大器的输出，另一输入端连接到所述斜率补偿电路的补偿单元的输出电压。所述脉宽调制逻辑电路的一输入端连接到所述脉宽调制器的输出。

本发明的斜率补偿方法的一实施例包含下列步骤：检测电感电流，并据此产生反馈信号；产生斜率增加变率度为定值的斜率补偿信号，且所述斜率变动随所述电感电流的占空比的增加而增加；总计所述反馈信号和所述斜率补偿信号以产生锯齿状信号；以及利用所述锯齿状信号来进行具有电流模式的脉宽调制控制。

附图说明

图1显示常规的脉宽调制升压电路；

图2显示图1的切换式开关电路的输出电流波形图；

图3A和图3B分别例示没有和具有斜率补偿特性的高占空比和低占空比的输出电压波形图；

图4显示本发明的斜率补偿电路的一实施例；

图5显示本发明的变动斜率随占空比的增加而增加；

图6显示本发明的斜率补偿电路的一实施例；

图7显示本发明的斜率补偿电路的另一实施例；

图8显示本发明的斜率补偿电路的另一实施例；以及

图9显示本发明的脉宽调制升压电路的一实施例。

具体实施方式

图4显示本发明的斜率补偿电路40的一实施例。所述斜率补偿电路40的左半部提供电流源，而右半部用以提供变动斜率输出。晶体管P1、P2互成电流镜，且晶体管P3、P4、P7互成电流镜。如果假设晶体管P3、P4、P7具有相同的尺寸，那么I2＝I4＝I5，且等于B点的电压除以R1电阻值。而A点电流I3＝I1+I2，且因为向电容器Cs充电，因此 $\frac{{\mathrm{dV}}_A}{\mathrm{dt}}=\frac{I1+I2}{C}.$ 晶体管N5、N6构成电平移位源极跟随器(level shift source follower)41。如果取晶体管N5、N6具有相同的尺寸，那么A点的电压接近于B点的电压，因此 $\frac{{\mathrm{dV}}_A}{\mathrm{dt}}=\frac{I1+I2}{C}=\frac{I1+V_A\&times;t/R1}{C},$ 而 $\left(\frac{{\mathrm{dV}}_A}{\mathrm{dt}}\right)\&prime;=\frac{1}{R1\&times;C}.$ 也就是说，A点电压对时间的二次微分为定值，其代表斜率增加的速度为定值。所述斜率补偿电路40的斜率输出点C的电压为 $V_C=I5\&times;R2=\frac{V_B\&times;R2}{R1}=V_A\&times;\frac{R2}{R1}.$ 因此C点的电压具有与A点的电压相同的特性，即斜率为变动式，且其增加的速度为定值。

图5显示本发明的斜率变动随电感电流的占空比的增加而增加。

图6显示本发明的斜率补偿电路的一实施例。跨导放大器(transconductanceamplifier)61用于将输入电压差转换为电流。由于此时输入电压差ΔV＝I_L×R_on，其中I_L代表流经电感器L的电流，而R_on代表晶体管开关62导通时的等效电阻，因此跨导放大器61的输出电流I7为GM×ΔV。而由于晶体管P8、P9互成电流镜，如果假设晶体管P8、P9具有相同的尺寸，那么I6＝I7，C点的电压等于R2×(I5+I7)＝R2×(I5+GM×I_L×R_on)。因此，本发明的斜率补偿电路和方法可总计电感电流反馈信号和斜率补偿信号以作为电流模式脉宽调制控制的锯齿状信号，并可据此输出到脉宽调制器92(请参看图9)。

图7显示本发明的斜率补偿电路的另一实施例。为了避免高斜率的斜率补偿电流造成较易触及限流电平的缺点，本发明的实施例另外加入晶体管P10，其与P8、P9互为电流镜，因此D点的电压等于R3×I8＝R3×(GM×I_L×R_on)，其不受斜率补偿电流的影响。D点电压经由比较器71与对应于限流电平的电压进行比较，并据此输出到脉宽调制逻辑电路93(请参看图9)。

图8显示本发明的斜率补偿电路的另一实施例，其使用电流源81替代图7的电阻器R3，且所述电流源81的电流等于限流电平。本实施例可节省图7的比较器71。当D点电压为逻辑高电平时，代表尚未达到限流电平，此时经由反相器82输出的D′点电压为逻辑低电平。

图9显示本发明的脉宽调制升压电路的一实施例。所述脉宽调制升压电路包含升压电路10、分压电路14、脉宽调制器92、误差放大器91、脉宽调制逻辑电路93、斜率补偿电路40和跨导放大器61。所述斜率补偿电路40的C点电压输出到所述脉宽调制器92的输入端，用于与误差放大器91的输出进行比较。而所述斜率补偿电路40的D′点电压输出到所述脉宽调制逻辑电路93的输入端。当电感电流到达限流电平时，就将晶体管开关SW1关闭，以保护整体电路的安全性。

本发明的斜率补偿方法和电路是检测电感电流而非电阻电流，且可适用于CMOS工艺，因此可节省功率消耗。此外，本发明的补偿斜率随占空比的变动而变动，因此可以优化回路补偿。再者，本发明的斜率补偿方法和电路可总计电感电流反馈信号和斜率补偿信号以作为电流模式脉宽调制控制的锯齿状信号。且因为构成斜率值参数的电阻值分别位于分母和分子，其受工艺变异的影响可相互抵销，因此本发明的斜率值不受工艺变异的影响。另外选择性地，本发明的限流功能可不受斜率补偿效应的影响。

上文已揭示本发明的技术内容和技术特点，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作出种种不背离本发明精神的替换和修改。因此，本发明的保护范围不应限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修改，并由所附权利要求书涵盖。

Claims (18)

1.一种斜率补偿电路，其特征在于包含：

电平移位源极跟随器，其包含第一晶体管和第二晶体管，其中所述第一晶体管流通第一电流，所述第二晶体管流通第二电流，而所述第一电流包含一比例的所述第二电流；

电容器，其连接到所述第一晶体管的源极；

第一电阻器，其连接到所述第二晶体管的源极；以及

第二电阻器，其流通第三电流，其中所述第三电流和所述第二电流互成比例；

其中所述第二电阻器与所述斜率补偿电路的输出电压有关。

2.根据权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述斜率补偿电路的输出电压与所述第二电阻器的电阻值成正比，与所述第一电阻器的电阻值成反比。

3.根据权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述第一晶体管与所述第二晶体管具有相同的大小尺寸。

4.根据权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述第一晶体管与所述第二晶体管依据所述第一电流和所述第二电流而具有等比例的大小尺寸。

5.一种斜率补偿电路，其特征在于包含：

补偿单元，其输出电压的斜率增加变率为定值；

跨导放大器，其用于检测电感器的电流值；以及

电流镜，其用于将所述跨导放大器的输出电流成一比例映射到所述补偿单元。

6.根据权利要求5所述的斜率补偿电路，其中所述补偿单元包含电平移位源极跟随器、电容器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述电容器和第一电阻器分别连接到所述电平移位源极跟随器的两个输出端，而所述第二电阻器与第一电阻器所流通的电流互成比例。

7.根据权利要求5所述的斜率补偿电路，其中所述跨导放大器的输入电压是所述电感器的电流值乘以晶体管开关导通时的等效电阻值。

8.根据权利要求5所述的斜率补偿电路，其另外包含比较器，所述比较器的一端为限流电压，另一端连接到所述电流镜。

9.根据权利要求5所述的斜率补偿电路，其特征在于另外包含电流源和反相器，所述电流源和反相器共同连接到所述电流镜。

10.一种脉宽调制升压电路，其特征在于包含：

根据权利要求5所述的斜率补偿电路；

升压电路，其具有电感器和晶体管开关；

分压电路，其连接到所述升压电路的输出；

误差放大器，其反相输入端连接到所述分压电路的输出；

脉宽调制器，其一输入端连接到所述误差放大器的输出，另一输入端连接到所述斜率补偿电路的补偿单元的输出电压；以及

脉宽调制逻辑电路，其一输入端连接到所述脉宽调制器的输出。

11.根据权利要求10所述的脉宽调制升压电路，其中所述斜率补偿电路另外包含比较器，所述比较器的一端为限流电压，另一端连接到所述电流镜。

12.根据权利要求11所述的脉宽调制升压电路，其中所述脉宽调制逻辑电路的另一输入端连接到所述比较器的输出。

13.根据权利要求10所述的脉宽调制升压电路，其中所述其另外包含电流源和反相器，所述电流源和反相器共同连接到所述电流镜。

14.根据权利要求13所述的脉宽调制升压电路，其中所述脉宽调制逻辑电路的另一输入端连接到所述反相器的输出。

15.根据权利要求10所述的脉宽调制升压电路，其中所述斜率补偿电路的补偿单元包含电平移位源极跟随器、电容器、第一电阻器和第二电阻器，其中所述电容器和第一电阻器分别连接到所述电平移位源极跟随器的两个输出端，而所述第二电阻器与第一电阻器所流通的电流互成比例。

16.一种斜率补偿方法，其特征在于包含下列步骤：

检测电感电流，并据此产生反馈信号；

产生斜率增加速度为定值的斜率补偿信号，且所述斜率变动随所述脉波调制的占空比的增加而增加；

总计所述反馈信号和所述斜率补偿信号以产生锯齿状信号；以及

利用所述锯齿状信号来进行具有电流模式的脉宽调制控制。

17.根据权利要求16所述的斜率补偿方法，其特征在于另外包含仅根据所述反馈信号而进行限流的步骤。

18.根据权利要求16所述的斜率补偿方法，其中所述反馈信号利用跨导放大器检测所述电感器的电流值。

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