CN102522880B - 频率自适应斜坡补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有频率自适应功能的斜波补偿电路，主要解决现有斜坡补偿电路中，补偿斜波电流斜率固定、无法与不同系统频率相适应的问题。该斜波补偿电路包括斜坡电压产生模块、压流转换模块和频率自适应模块。该斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP分别连接到频率自适应模块的输出端和压流转换模块的输入端。该频率自适应模块该由直流分量提取单元、电平移位单元和跨导放大单元组成，该直流分量提取单元的输入端连接DC-DC的工作时钟信号OSC，输出端通过电平移位单元连接到跨导放大单元的反相输入端，以产生能够反映时钟信号OSC频率变化电流信号IS2，使整个斜坡补偿电路输出信号的斜率能够跟随工作时钟信号OSC的频率自动调整，实现频率自适应。

Description

频率自适应斜坡补偿电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，特别涉及一种频率自适应斜波补偿电路，可用于电流模DC-DC转换器中。

背景技术

采用电流模式控制的DC-DC开关电源，在传统电压模式控制的基础上，增加了电流采样的环路，使得DC-DC系统的动态特性显著增强。电流模式控制根据不同的反馈环路设计，分为峰值电流模式控制和谷值电流模式控制。但是无论在工作占空比大于50％的峰值电流模式还是在工作占空比小于50％时谷值电流模式下，DC-DC系统均会出现亚谐波震荡。因此需要在电流采样的环路中增加斜波补偿电路来实现电流环路良好的稳定性。斜波补偿斜率在决定环路稳定性方面具有重要作用，斜波补偿斜率过小，会引起系统不稳定；斜波补偿斜率过大，会使得系统环路动态相应特性变差，甚至转变为电压模式的环路。斜波补偿斜率的确定一般与DC-DC的工作占空比和工作频率有关。

现在多数DC-DC为扩大自身应用范围与降低应用成本，多具有外同步频率功能，即DC-DC的工作频率可随外部时钟信号频率变化。由于DC-DC在不同的工作频率下使用不同大小的外围电感，必须对应不同的斜坡补偿斜率。这样要求有能够跟随开关频率自动调整斜波补偿斜率大小的电路，使得在DC-DC开关频率变化时，斜波补偿斜率仍与之匹配，保持电流环路保持稳定。

图1显示了传统的斜坡补偿电路结构，通过调节补偿电容的大小，设置与工作频率和占空比匹配的斜坡补偿斜率。然而这种斜坡补偿电路只能产生具有固定斜率的斜坡补偿信号，一旦DC-DC工作频率改变则原先设定的斜率无法继续与新频率匹配，从而无法继续维持电流环路稳定，限制了DC-DC的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对已有斜坡补偿电路斜率固定的不足，提供了一种具有频率自适应功能的斜波补偿电路，以在不同工作频率下维持DC-DC电流控制环路稳定，同时拓宽DC-DC应用范围。

为实现上述目的，本发明包括：斜坡电压产生模块和压流转换模块；该斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP与压流转换模块的输入端连接，压流转换模块的输出端产生斜坡补偿电流信号IS1，其特征在于：斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP连接有频率自适应模块，该模块包括：直流分量提取单元、电平移位单元和跨导放大单元；该直流分量提取单元的输入端连接DC-DC的工作时钟信号OSC，输出端通过电平移位单元连接到跨导放大单元的反相输入端，以产生能够反映时钟信号OSC频率变化电流信号IS2，使整个斜坡补偿电路输出信号的斜率能够跟随工作时钟信号OSC的频率自动调整，实现频率自适应。

上述的频率自适应斜波补偿电路，其特征在于：直流分量提取单元，包括三个分频器10、20、21、两个与非门30、31、两个反相器50、51、四个传输门40、41、42、43和两个电容C1、C2；第一分频器10的输入端接时钟信号OSC，其输出端产生时钟信号OSC的两个二分频信号Q和XQ，这两个二分频信号再分别经第二分频器20和第三分频器21产生四个时钟信号OSC的四分频信号：即第一个四分频信号A、第二个四分频信号XA、第三个四分频信号B和第四个四分频信号XB；第一个二分频信号Q分别连接第一与非门30和第二与非门31的一个输入端，这两个与非门的另一个输入端分别连接第二个四分频信号B和第四个四分频信号XB，这两个与非门的输出端分别通过第一反相器50和第二反相器51连接到第一传输门40和第三传输门42的输入端，这两个传输门的输出端分别通过第二传输门41和第四传输门43连接到电平移位单元的输入端，电容C1和C2分别与第一传输门40和第二传输门42的输出端连接。

上述的频率自适应斜波补偿电路，其特征在于：所述电平移位单元包括：PMOS管M14、NMOS管M13、电阻R1、R2、R3和恒流源Ib1；该PMOS管M14的栅端作为电平移位单元的输入端连接到直流分量提取单元的输出端，源端通过一个恒流源Ib1连接到直流电源VCC，漏端接零电位；该NMOS管M13的栅端连接到PMOS管M14的源端，源端与串联电阻R2和R3连接，漏端通过电阻R1接直流电源VCC，电阻R2和R3的公共端作为该电平移位单元的输出端，连接到跨导放大单元的反相输入端。

上述的频率自适应斜波补偿电路，其特征在于：所述跨导放大单元包括：四个PMOS管M1、M2、M7、M8和四个NMOS管M3、M4、M5、M6；该PMOS管M1和M2构成跨导放大单元的差动输入对，源端均通过恒流源Ib2接直流电源VCC，M1的栅端作为跨导放大单元的反相输入端连接到所述电平移位单元的输出端，M2的输入端作为跨导放大模块的正相输入端连接一个固定的基准电压Vref，NMOS管M3、M4构成有源电流镜结构作为M1和M2的负载连接到M1和M2的漏端，M1和M3的公共漏端经NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8构成的两个有源电流镜后输出斜波补偿电流IS1。

上述的频率自适应斜波补偿电路，其特征在于：所述四个传输门40、41、42和43均设有两个控制端，即P控制端和N控制端，当P控制端为逻辑低电平，N控制端为逻辑高电平时，传输门导通；其中第一传输门40和第四传输门43的P控制端、第二传输门41和第三传输门42的N控制端共同连接第一个四分频信号A，第一传输门40和第四传输门43的N控制端、第二传输门41和第三传输门42的P控制端共同连接第二个四分频信号XA，该第一个四分频信号A和第二个四分频信号XA互为逻辑反信号，当第一个四分频信号A为逻辑低电平时，第二个四分频信号XA为逻辑高电平，第一传输门40和第四传输门43导通，第二传输门40和第三传输门43截止，反之，第一传输门40和第四传输门43截止，第二传输门40和第三传输门43导通。

上述的频率自适应斜波补偿电路，其特征在于：所述反相器50、51均由一个NMOS管、一个PMOS管和一个恒流源构成；该NMOS管源端接零电位，PMOS管源端通过一个恒流源接直流电源VCC，两MOS管栅端相接构成反相器的输入端，漏端相接构成反相器的输出端。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明由于添加了频率自适应模块，使工作时钟频率的变化转变为斜坡产生电路充电电流的变化，以产生斜率随工作时钟频率变化的斜波补偿电流，扩大了DC-DC的应用范围，降低DC-DC的成本。

附图说明

图1是传统斜波补偿电路的电路图；

图2是本发明的频率自适应斜波补偿电路的电路图；

图3是本发明中频率自适应模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细叙述。

如图2所示，本发明频率自适应斜波补偿电路包括：斜坡电压产生模块、压流转换模块和频率自适应模块。该斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP分别连接到频率自适应模块的输出端和压流转换模块的输入端，压流转换模块的输出端产生斜率随DC-DC工作频率变化的斜波补偿电流。其中：

斜坡电压产生模块，由一个恒流源I2、电容C1和开关S1组成；电容C1一端接零电位，另一端VCAP连接到频率自适应模块的输出端，恒流源I2和开关S1串联后并联接在电容C1的两端，开关S1的控制端en接DC-DC的工作时钟信号OSC。

压流转换模块，由NMOS管M1、M2，PMOS管M3、M4，电阻R0和恒流源I2组成；该NMOS管M1、M2栅端相连，M1栅端和漏端短接后通过恒流源I2接直流电源VCC，源端接斜坡产生模块的输入输出端VCAP，M2源端通过电阻R0接零电位，PMOS管M3、M4栅端相连，M3栅端和漏端短接后连接到NMOS管M2的漏端，M4的漏端输出斜波补偿电流。

频率自适应模块，由直流分量提取单元、电平移位单元和跨导放大单元三个单元组成，如图3所示。

所述的直流分量提取单元，其输入端连接DC-DC的工作时钟信号OSC，输出端通过电平移位单元连接到跨导放大单元的反相输入端。该直流分量提取单元由三个分频器10、20、21，两个与非门30、31，两个反相器50、51，四个传输门40、41、42、43和两个电容C1、C2组成；第一分频器10的输入端接时钟信号OSC，其输出端产生时钟信号OSC的两个二分频信号，Q和XQ，并且Q与XQ互为逻辑反信号；这两个二分频信号Q与XQ分别再经第二分频器20和第三分频器21产生四个时钟信号OSC的四分频信号：即第一个四分频信号A、第二个四分频信号XA、第三个四分频信号B和第四个四分频信号XB；第一个二分频信号Q分别连接第一与非门30和第二与非门31的一个输入端，这两个与非门的另一个输入端分别连接第二个四分频信号B和第四个四分频信号XB，这两个与非门的输出端分别通过第一反相器50和第二反相器51连接到第一传输门40和第三传输门42的输入端，这两个传输门的输出端分别通过第二传输门41和第四传输门43连接到电平移位单元的输入端，电容C1和C2的一端均接零电位，另一端分别连接到第一传输门40和第二传输门42的输出端；四个传输门40、41、42、43均设有两个控制端，即P控制端和N控制端，当P控制端为逻辑低电平，N控制端为逻辑高电平时，传输门导通；其中第一传输门40和第四传输门43的P控制端、第二传输门41和第三传输门42的N控制端共同连接第一个四分频信号A；第一传输门40和第四传输门43的N控制端、第二传输门41和第三传输门42的P控制端共同连接第二个四分频信号XA；第一个四分频信号A和第二个四分频信号XA互为逻辑反信号，当第一个四分频信号A为逻辑低电平时，第二个四分频信号XA为逻辑高电平，第一传输门40和第四传输门43导通，第二传输门40和第三传输门43截止，反之，第一传输门40和第四传输门43截止，第二传输门40和第三传输门43导通。两个反相器50和51均由一个NMOS管、一个PMOS管和一个恒流源构成；该NMOS管的源端接零电位，PMOS管的源端通过一个恒流源接直流电源VCC，两个MOS管的栅端相接构成反相器的输入端，漏端相接构成反相器的输出端。

所述的电平移位单元，由PMOS管M14、NMOS管M13、电阻R1、R2、R3和恒流源I_b1组成；该PMOS管M14的栅端作为此电平移位单元的输入端连接到直流分量提取单元的输出端，源端通过一个恒流源Ib1连接到直流电源VCC，漏端接零电位，NMOS管M13的栅端连接到PMOS管M14的源端，该M13的源端通过串联电阻R2和R3接零电位，漏端通过电阻R1接直流电源VCC，电阻R2和R3的公共端作为该电平移位单元的输出端，连接到跨导放大单元的反相输入端。

所述的跨导放大单元，由PMOS管M1、M2、M7和M8，NMOS管M3、M4、M5和M6组成；该PMOS管M1和M2构成跨导放大单元的差动输入对，源端均通过恒流源I_b2接电源，M1的栅端连接到所述电平移位单元的输出端，M2的栅端连接一个固定的基准电压Vref，NMOS管M3、M4构成有源电流镜结构作为M1和M2的负载连接到M1和M2的漏端，M1和M3的公共漏端经NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8分别构成的两个有源电流镜后输出斜波补偿电流。

以下简述本发明的频率自适应原理：

频率自适应模块产生大小跟随频率变化的直流电流IS2，该直流电流IS2与恒流源I1一起为斜坡电压产生模块中电容C1提供充电电流，在DC-DC的工作时钟信号OSC为高电平时给电容C1充电，此时电容电压VCAP上升，上升斜率由充电电流I1+IS2的大小决定，当工作时钟信号OSC为低电平时，开关S1闭合，电容C1通过恒流源I2放电，电容电压VCAP下降，放电电流大小为I2-I1-IS1。通过如此周期性的电容充放电，电容电压VCAP即形成三角波状的斜坡电压，因为充电电流中IS2随频率的增加而增加，故斜坡电压产生模块输出的VCAP斜率也跟随频率变化。压流转换模块中，NMOS管M1、M2构成有源电流镜，将电压VCAP的变化转变成电阻R0上的电流变化，产生的斜波电流为：

$\mathrm{IS}1=\frac{\mathrm{VCAP}}{R_0}\·\frac{{(W/L)}_{\mathrm{MP}2}}{{(W/L)}_{\mathrm{MP}1}},$

其中，(W/L)_MP1和(W/L)_MP2分别表示PMOS管MP₁和MP₂的沟道宽长比，从斜波电流IS1的表达式可以看出，斜波电流与电容电压VCAP呈正比，因为电容电压VCAP随频率增加而增加，故斜波电流IS1也跟随频率而变化。

频率自适应模块的工作原理是：首先通过直流分量提取单元把DC-DC工作时钟信号OSC的频率变化转变为与其变化相反的直流电压VDC1，即当频率升高时VDC1的值降低，反之VDC1的值升高；再将VDC1通过电平移位单元移位，得到适合后级跨导放大单元放大的新直流电压VDC2，VDC1与VDC2的关系为：

$\mathrm{VDC}2=\frac{R2}{R3}\·\mathrm{VDC}1$

新直流电压VDC2送入跨导放大单元的反相输入端，将直流电压VDC2和固定基准电压的差值转变为直流电流IS2。因为直流电压VDC2随频率的升高而降低，且VDC2是跨导放大单元的反相输入端输入信号，所以跨导放大器的输出直流电流IS2随频率的增大而增大。

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 (4)

1.一种频率自适应斜坡补偿电路,包括斜坡电压产生模块和压流转换模块；该斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP与压流转换模块的输入端连接，压流转换模块的输出端产生斜坡补偿电流信号IS1，其特征在于：斜坡电压产生模块的输入输出端VCAP连接有频率自适应模块，该模块包括：直流分量提取单元、电平移位单元和跨导放大单元；该直流分量提取单元的输入端连接DC-DC的工作时钟信号OSC，输出端通过电平移位单元连接到跨导放大单元的反相输入端，以产生能够反映时钟信号OSC频率变化电流信号IS2，使整个斜坡补偿电路输出信号的斜率能够跟随工作时钟信号OSC的频率自动调整，实现频率自适应；

直流分量提取单元，包括三个分频器(10、20、21)、两个与非门(30、31)、两个反相器(50、51)、四个传输门(40、41、42、43)和两个电容C1、C2；第一分频器(10)的输入端接时钟信号OSC，其输出端产生时钟信号OSC的两个二分频信号Q和XQ，这两个二分频信号再分别经第二分频器(20)和第三分频器(21)产生四个时钟信号OSC的四分频信号：即第一个四分频信号A、第二个四分频信号XA、第三个四分频信号B和第四个四分频信号XB；第一个二分频信号Q分别连接第一与非门(30)和第二与非门(31)的一个输入端，这两个与非门的另一个输入端分别连接第三个四分频信号B和第四个四分频信号XB，这两个与非门的输出端分别通过第一反相器(50)和第二反相器(51)连接到第一传输门(40)和第三传输门(42)的输入端，这两个传输门的输出端分别通过第二传输门(41)和第四传输门(43)连接到电平移位单元的输入端，电容C1和C2分别与第一传输门(40)和第三传输门(42)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的频率自适应斜坡补偿电路，其特征在于：所述电平移位单元包括：PMOS管M14、NMOS管M13、电阻R1、R2、R3和恒流源Ib1；该PMOS管M14的栅端作为电平移位单元的输入端连接到直流分量提取单元的输出端，源端通过一个恒流源Ib1连接到直流电源VCC，漏端接地；该NMOS管M13的栅端连接到PMOS管M14的源端，源端与串联电阻R2和R3连接，漏端通过电阻R1接直流电源VCC，电阻R2和R3的公共端作为该电平移位单元的输出端，连接到跨导放大单元的反相输入端。

3.根据权利要求1所述的频率自适应斜坡补偿电路，其特征在于：所述跨导放大单元包括：四个PMOS管M1、M2、M7、M8和四个NMOS管M3、M4、M5、M6；该PMOS管M1和M2构成跨导放大单元的差动输入对，源端均通过恒流源Ib2接直流电源VCC，M1的栅端作为跨导放大单元的反相输入端连接到所述电平移位单元的输出端，M2的输入端作为跨导放大单元的正相输入端连接一个固定的基准电压Vref，NMOS管M3、M4构成有源电流镜结构作为M1和M2的负载连接到M1和M2的漏端，M1和M3的公共漏端经NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8构成的两个有源电流镜后输出斜坡补偿电流IS2。

4.根据权利要求2所述的频率自适应斜坡补偿电路，其特征在于：所述四个传输门(40、41、42、43)均设有两个控制端，即P控制端和N控制端，当P控制端为逻辑低电平，N控制端为逻辑高电平时，传输门导通；其中第一传输门(40)和第四传输门(43)的P控制端、第二传输门(41)和第三传输门(42)的N控制端共同连接第一个四分频信号A，第一传输门(40)和第四传输门(43)的N控制端、第二传输门(41)和第三传输门(42)的P控制端共同连接第二个四分频信号XA，该第一个四分频信号A和第二个四分频信号XA互为逻辑反信号，当第一个四分频信号A为逻辑低电平时，第二个四分频信号XA为逻辑高电平，第一传输门(40)和第四传输门(43)导通，第二传输门(41)和第三传输门(42)截止，反之，第一传输门(40)和第四传输门(43)截止，第二传输门(41)和第三传输门(42)导通。