CN102412724A - 具有片内频率补偿的电压模dc/dc电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，主要解决现有补偿技术中，环路稳定性对输出电容等效串联电阻值的依赖和补偿元件难以完全集成的问题。该DC/DC转换器包括误差放大模块，补偿模块，调制模块，LC滤波模块和反馈模块。该补偿模块由电阻R1、R2和电容C1、C2构成，C1的两端分别与R1和R2的一端连接，R1的另一端接地，R2的另一端通过C2接地；C1和R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连接，C2和R2的公共端与误差放大模块的第二输出端b连接，误差放大模块的输出端通过补偿模块与调制模块连接，调制模块的输出端经LC滤波模块滤波后又通过反馈模块送回误差放大器的输入端。本发明具有补偿元件数目少、便于集成，印制电路板面积小的优点。

Description

具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种片内频率电路，可用于电压模DC/DC转换器中。

背景技术

DC/DC转换器是将输入DC电压转变为固定DC输出电压的电源管理类芯片。按照拓扑结构可将DC/DC转换器可分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。每种转换器根据需求可采用三类控制：脉宽调制PWM控制，频率调制PFM控制，脉宽/频率调制PWM/PFM转换型。同时根据内部控制环路的不同又可分为电压模DC/DC和电流模DC/DC。目前DC/DC转换器正广泛用于手机、MP3、数码相机等便携式电子产品中。

在DC/DC转换器的设计中，电路的稳定性是一个非常关键的指标。稳定性良好的DC/DC系统应在任何环境，任意负载下都能够提供稳定的输出电压，且能够使系统带宽根据需要灵活设置。故为了维持稳定，DC/DC转换器的控制环路中要有补偿模块。同时限于目前便携式电子产品小型化的趋势，补偿元件也应当尽量精简，并且能够完全集成于芯片内部以节省印制电路板PCB面积。

图3显示了电压模PWM DC/DC降压型转换器的电路简图，其中基准产生电路、斜坡产生电路在此图中省略。如图3所示，电压模DC/DC转换器的控制环路由一个电压反馈环路构成，输出电压经过电阻网络分压后反馈到误差放大器的反相输入端，与基准电压比较后产生误差电压，然后送入PWM比较器与斜坡电压比较，产生周期性的方波信号控制功率管的开关状态，从而使输出占空比保持恒定，并通过输出LC滤波器获得平滑的输出电压。这种控制环路由于电感L0及输出电容C0构成的输出LC滤波器会产生双极点，使系统相位快速变化，因此易产生180°的相移，使系统极易受到多种因素包括：环路直流增益变化，环路单位增益带宽变化，反馈环路起振以及噪声等干扰而不稳。

为解决这个问题，传统补偿一般将补偿元件跨接在误差放大器反相输入端与输出端，有两种环路补偿方式，一种为传统二类环路补偿，另一种为传统三类环路补偿。

图1显示了传统二类环路补偿的电路图。由于此补偿电路自身只能产生一个零点，为了抵消LC滤波器双极点带来的不良影响，这种传统的二类环路补偿就必须依赖由输出电容的等效串联电阻ESR产生的零点，以获得足够的相位裕度使系统稳定。然而，由于系统LC滤波器所产生的双极点通常靠近低频，所以应用此种补偿电路的DC/DC需要庞大的输出电容以获得精确的电容值和很大的ESR值来补偿，故其输出电容通常选择ESR值较大的电解电容。相比陶瓷电容而言，这种电容体积庞大且ESR的值常随温度变化严重，同时大的ESR值又会导致DC/DC输出电压纹波较大。

图2显示了传统三类环路补偿的电路图，这种补偿电路虽然克服了应用二类环路补偿时，DC/DC稳定性对输出电容ESR值的依赖，但是此种补偿电路不仅复杂，补偿元件多，而且需要在上反馈电阻R1两端并联一对电阻电容，这种结构对于输出电压可调的DC/DC转换器而言，由于R1很难集成在芯片内部，影响与其并联的电阻电容的集成，导致系统应用时消耗了更多的PCB面积。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述采用现有环路补偿的DC/DC电路的不足，提供一种具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，以在不依赖输出电容ESR值的条件下，保证DC/DC芯片稳定工作，同时简化电路、便于完全集成。

为实现上述目的，包括误差放大模块，频率补偿模块，脉宽调制PWM比较模块，驱动模块，输出LC滤波模块、反馈模块和功率管MP1、MN1，这些模块和两个功率管一起构成DC/DC的控制环路；误差放大模块的输入端与反馈模块连接，比较模块的输出端通过驱动模块分别连接到功率管MP1、MN1的输入端；功率管MP1、MN1的输出信号经输出LC滤波模块滤波后，作为整个DC/DC的输出电压，通过反馈模块又送回误差放大器的输入端以闭合环路；其特征在于：

环路补偿模块，由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与电阻R1和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地；电容C1和电阻R1的公共端与误差放大器的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公共端与误差放大器的第二输出端b连接；

所述的补偿模块连接在误差放大器的输出端与PWM比较器的输入端之间，以摆脱依赖输出电容的等效串联电阻值提高环路稳定性的制约，扩大DC/DC应用器件的选择范围。

上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：所述误差放大器采用双通路跨导运算放大器，它由两级放大电路组成，第一级放大电路的两个输入端分别与反馈网络的输出端和控制环路外的一个固定基准电压相连接，输出端连接到第二级放大电路的输入端。

上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第一级放大电路由PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅极相连接，构成电流镜结构，将偏置电流I镜像到M3，M4的源端；该M3、M4构成放大器的差动输入对；该M5、M6作为放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M3、M4的漏端，漏端均接地；该R1、R2连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R2的公共端与M5、M6的公共栅端相连接，以实现共模负反馈。

上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第二级放大电路由PMOS管M9、M10、M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS管M11作为第一条通路的输入，其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连接成有源电流镜结构，构成第一条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13的漏端作为误差放大模块的第一输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入对管，其栅端分别与M5、M6的漏端相接；PMOS管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负载，其漏端分别连接到M7、M8的漏端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出端b。

上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：脉宽调制PWM比较模块有两个输入端，其中一个输入端连接到误差放大器的输出端，另一端连接到控制环外一个固定的斜坡电压。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明由于采用了具有双放大通路的误差放大模块，同时将双通路的两个输出端均与补偿模块连接，使补偿元件在误差放大模块的两条放大通路共同作用以维持环路稳定，减少了补偿元件个数，同时克服了系统稳定性对输出电容ESR值的依赖，扩大了DC/DC外围应用器件的选择范围。

(2)本发明中由于采用的补偿模块仅连接在误差放大模块与PWM比较模块之间，故能够完全集成于芯片内部，节省了PCB面积。

附图说明

图1是传统二类补偿模块的电路图；

图2是传统三类补偿模块的电路图；

图3是用传统频率补偿的DC/DC电路简图；

图4是采用本发明频率补偿的DC/DC电路简图；

图5是本发明中的双路跨导放大器电路图；

图6是本发明中的频率补偿模块的电路图；

图7是本发明调制模块的电路简图；

图8是本发明频率补偿模块工作的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图4，本发明具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路包括：误差放大模块1，补偿模块2，调制模块3，输出LC滤波模块4和反馈模块5。其中：

误差放大模块1，采用双通路跨导运算放大器，如图5所示。它由两级放大电路组成，第一级放大电路的两个输入端分别与反馈模块5的输出端和控制环路外的一个固定基准电压相连接，输出端连接到第二级放大电路的输入端；该第一级放大电路由PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅极相连接，构成电流镜结构，将偏置电流I镜像到M3、M4的源端；该M3、M4构成放大电路的差动输入对；该M5、M6作为放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M3、M4的漏端，漏端均接地；该R1、R2连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R2的公共端与M5、M6的公共栅端相连接，以实现共模负反馈，为第一级输出电压提供合适的共模工作点；该第二级放大电路由PMOS管M9、M10、M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS管M11作为第一条通路的输入，其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连接成有源电流镜结构，构成第一条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13的漏端作为误差放大模块的第一输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入对管，其栅端分别与M5、M6的漏端相接；PMOS管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负载，其漏端分别连接到M7、M8的漏端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出端b。

补偿模块2，连接在误差放大模块1的输出端与调制模块3的输入端之间，其结构如图6所示。它由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与电阻R1和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地；电容C1和电阻R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公共端与误差放大模块的第二输出端b连接。

调制模块3，设有两个输入端，这两个输入端分别连接误差放大模块1的输出端和控制环路外一个固定的斜坡信号，其结构如图7所示。它由PWM比较器、驱动电路和功率管MN1、MP1构成；PWM比较器的两个输入端分别连接误差放大模块1的输出端Vcomp和控制环外一个固定的斜坡电压，其输出端连接在驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接两个功率管的栅端，控制功率管的导通和关断，功率管的公共漏端构成调制模块的输出端，连接输出LC滤波模块4的输入端。

输出LC滤波模块4，由电感L0和输出电容C0串联组成，其输出端连接反馈模块5。

所述的误差放大模块1将其输入端的电压信号差转化为两路电流信号放大后输出给补偿模块2，设误差放大模块1两条放大通路的增益分别为Gm1、Gm2。这两路电流信号经补偿模块2补偿后形成电压信号Vcomp提供给调制模块3，调制模块将产生震荡的输出信号，经输出LC滤波模块4滤波后转变为平滑的输出电压Vout并通过反馈模块5送回到误差放大模块1的反相输入端，实现负反馈以维持输出电压恒定。

以下参照图8所示的等效电路图简述本发明的补偿原理：误差放大模块1有两条电流小信号通路，其增益分别为Gm1、Gm2。采用电路叠加法，首先断开通路二，仅考虑第一通路工作时的情况，得到传输函数如下：

$H_1\left(S\right)=G_{m1}{R}_1{C}_1\·\frac{1+s{R}_2{C}_1}{s(R_1+R_2)C_1{C}_2+C_1+C_2}$

同理，断开通路一，仅考虑第二通路工作时，得到另一传输函数为：

$H_2\left(s\right)=G_{m2}\·R_{\mathrm{out}}\·\frac{1+s{R}_1{C}_1}{s^2{R}_{\mathrm{out}}(R_1+R_2)C_1{C}_2+s(R_{\mathrm{out}}{C}_1+R_{\mathrm{out}}{C}_2+R_1{C}_1+R_2{C}_1)+1}$

当R_out＞＞R₁，R₂时，

$H_2\left(s\right)\≈G_{m2}\·\frac{1+s{R}_1{C}_1}{s[s(R_1+R_2)C_1{C}_2+(C_1+C_2)]}$

其中，R_out是第二通路的输出电阻。将两个传输函数相加得到DC/DC整体环路的传输函数如下：

$H\left(s\right)=H_1\left(s\right)+H_2\left(s\right)$

$=\frac{1}{C_1+C_2}\·\frac{s^2{G}_{m1}{R}_1{R}_2{C}_1{C}_2+s(G_{m1}+G_{m2})R_2{C}_1+G_{m2}}{s[1+s(R_1+R_2)\·\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}]}$

以上各传输函数中的R₁、R₂、C₁、C₂分别对应图6中的补偿元件R₁、R₂、C₁、C₂，s是频率复变量。由于环路传输函数H(s)的表达式中，分子是s的二次函数，故系统自身产生了两个零点。只要适当调节补偿模块2中各元件的参数，使这两个零点分布在频域合适的位置，即可抵消输出LC滤波模块4所产生的双极点对稳定性的不良影响。可见，即使不考虑输出电容ESR产生的零点，本补偿电路自身仍能产生足够的零点数目，以维持DC/DC环路稳定。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (5)

1.一种具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，包括误差放大模块(1)，频率补偿模块(2)，调制模块(3)，LC滤波模块(4)和反馈模块(5)，这些模块构成了DC/DC的控制环路；误差放大模块(1)的输入端与反馈模块(5)连接，调制模块(3)的输出端经LC滤波模块(4)滤波后，作为整个DC/DC的输出电压，通过反馈模块(5)又送回误差放大器的输入端以闭合环路；其特征在于：

环路补偿模块(2)，由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与电阻R1和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地；电容C1和电阻R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公共端与误差放大模块的第二输出端b连接；

所述的补偿模块(2)连接在误差放大模块(1)的输出端与调制模块(3)的输入端之间，以摆脱依赖输出电容的等效串联电阻值来提高环路稳定性的制约，扩大了DC/DC应用器件的选择范围。

2.根据权利要求1所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：误差放大模块(1)采用双通路跨导运算放大器，它由两级放大电路组成，第一级放大电路的两个输入端分别与反馈模块(5)的输出端和控制环路外的一个固定基准电压相连接，输出端连接到第二级放大电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第一级放大电路由PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅极相连接，构成电流镜结构，将偏置电流I镜像到M3、M4的源端；该M3、M4构成放大电路的差动输入对；该M5、M6作为放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M3、M4的漏端，漏端均接地；该R1、R2连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R2的公共端与M5、M6的公共栅端相连接，以实现共模负反馈。

4.根据权利要求2所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第二级放大电路由PMOS管M9、M10、M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS管M11作为第一条通路的输入，其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连接成有源电流镜结构，构成第一条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13的漏端作为误差放大模块的第一输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入对管，其栅端分别与M5、M6的漏端相接；PMOS管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负载，其漏端分别连接到M7、M8的漏端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出端b。

5.根据权利要求1所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：调制模块(3)有两个输入端，其中一个输入端连接到误差放大模块(1)的输出端，另一端连接到控制环外一个固定的斜坡电压。

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