CN104506035A - 一种自适应斜坡补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应斜坡补偿电路，包括分压模块、斜坡产生模块及电流输出模块，分压模块用于产生与输入电压成一定比例的电压，作为斜坡产生模块中的一个工作在深线性区的NMOS管的偏置；斜坡产生模块用于产生随占空比变化而变化的斜坡补偿电压；电流输出模块用于将斜坡补偿电压信号转换成电流并输出。与固定斜率的斜坡补偿电路相比，本电路能自动的根据占空比的大小来调整斜坡补偿信号的斜率，解决了峰值电流控制模式芯片中在低占空比时易发生过补偿，在高占空比时易发生欠补偿的问题，使得在所有占空比工作范围内都具有良好的带载能力和负载调整能力。采用两个处于深线性区的NMOS管作为反馈输入端，具有结构简单、易于实现的特点。

Description

一种自适应斜坡补偿电路

技术领域

本发明涉及峰值电流控制模式芯片中的斜坡补偿技术，更具体地，涉及一种用于降压型DC-DC转换器的自适应斜坡补偿电路。

背景技术

开关电源系统常常采用峰值电流模式控制，由于峰值电流模式中输出负载电流与电感电流平均值成正比，而不是与电感电流峰值成正比，当系统占空比大于50％时，难以校正的电感电流峰值与电感电流平均值的误差，导致系统开环不稳定。为了弥补这一缺点，需要引入斜坡补偿信号来防止次谐波振荡，从而保持系统环路稳定。

图1是现有技术中电路在峰值电流模式控制下占空比不同时的电感电流波形图。其中，V_c表示误差放大器的输出，m₁、m₂分别表示电感电流上升和下降的斜率，Δi₀、Δi₁分别为上升和下降处的电流扰动值，D为占空比，T为时钟周期。可以看出：当占空比D大于50％，电感电流发生抖动时，此抖动会逐渐累积，引起系统失控。

由图1可知，经过一个周期，有：

同理，可以证明经过n个周期后，有：

${\mathrm{\Δi}}_n={\left(\frac{D}{1-D}\right)}^n\mathrm{\Δ}{i}_0---\left(1\right)$

由式(1)可以得出以下结论：当|m₂/m₁|<1，即D<0.5时(见图1a)，电流的抖动量会随着时间推移而衰减；然而|m₂/m₁|>1，D>0.5时(见图1b)，电流的抖动量会随着时间推移而越来越大，出现了次谐波振荡，将会导致系统失控。

目前为了让系统在占空比大于50％时仍然稳定，采用的方法是在误差电压或电流反馈电压上叠加斜坡补偿电压形成新的控制电压。图2是图1中采用固定斜率斜坡补偿技术进行斜坡信号补偿后的电感电流波形图。可以证明，经过若干个周期之后，Δi₀引起的电流误差Δi_n为：

${\mathrm{\&Delta;i}}_n={\left(\frac{m+m_2}{m+m_1}\right)}^n\mathrm{\&Delta;}{i}_0---\left(2\right)$

只有在|(m+m₂)/(m+m₁)|<1的条件下，系统才能稳定。又根据Dm₁＝(D-1)m₂，消去m，式(2)变为：

$\frac{m}{m_2}>(\frac{1}{2D}-1)---\left(3\right)$

若D取最大值1，则m最小值为0.5m₂，实际设计中通常取m＝0.75m₂。

上述传统电流模式的斜坡补偿采用固定斜率斜坡补偿技术。由斜坡补偿的原理可知，如果斜坡信号过小，则当占空比大于50％时仍存在开环不稳定性。但如果斜坡信号过大，易发生过补偿，从而影响开关电源系统的带载能力。固定斜率斜坡补偿技术中的补偿信号不会随着占空比的变化而变化，因此难以满足较大范围内的输入电压变化和输出负载变化。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种结构简单且易于实现的用于降压型DC-DC转换器的自适应斜坡补偿电路，采用该自适应斜坡补偿电路能够输出一种能够根据电路的不同占空比而自动调整斜率的斜坡信号，提高被补偿电路的稳定性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种自适应斜坡补偿电路，该斜坡补偿电路包括分压模块、斜坡产生模块以及电流输出模块，其中：

所述分压模块用于产生与输入电压成一定比例的电压，作为所述斜坡产生模块中的一个工作在深线性区的NMOS管的偏置；

所述斜坡产生模块用于产生随占空比变化而变化的斜坡补偿电压；

所述电流输出模块用于将斜坡补偿电压信号转换成电流I_slope并输出。

进一步的，所述分压模块包括两个PMOS管(PM16、PM17)，所述两个PMOS管采用二极管接法，作为有源电阻起分压作用。

进一步的，所述斜坡产生模块包括若干组电流镜、电阻R1、两个FVF结构的电压跟随器、一组工作在深线性区的NMOS管、电流相减电路、开关管和电容C1；

所述的两个工作在深线性区的NMOS管，一个栅极接开关电源系统输出电压，一个栅极接分压模块的分压电压信号端；所述FVF结构的电压跟随器输出跟随电阻R1电压，并所述两个工作在深线性区的NMOS管的漏极连接，用于控制NMOS管使得其工作于深线性区；所述电流镜和电流相减电路用于通过电流镜像、相减得到所述两个工作在深线性区的NMOS管的漏电流之差，该电流镜像成比例放大之后，注入所述电容C1，产生随时间而线性变化的斜坡补偿电压信号；所述开关管栅极接时钟信号，用于控制所述电容C1的充放电。

所述斜坡产生模块包括PMOS管PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8、PM9、PM10、PM11、PM12、PM13，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM12，电阻R1和电容C1。其中NM6和NM7为两个工作在深线性区的NMOS管，NM6栅极接开关电源系统输出电压，NM7栅极接所述分压电压信号端；NM2和NM4、NM3和NM5组成两个FVF(Flipped Voltage Follower)结构的电压跟随器，它们的输出跟随电阻R1电压，并接到NM6和NM7的漏极，使得NM6和NM7工作于深线性区；PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6组成几组电流镜，为上述各支路提供电流偏置；NM4和NM9、NM5和NM8构成两组电流镜，分别镜像NM4、NM5漏电流后，经过PM7、PM8、PM9、PM10、PM12、PM13构成的电流相减电路，得到NM5和NM4漏电流之差，也等于所述工作在深线性区的NM6和NM7的漏电流之差，具体来说，这里的电流相减电路包括由PM7、PM8、PM9、PM10组成的共源共栅电流镜，以及PM12、PM13组成的支路，二极管接法的PM13起简单降压作用。得到的电流差，经过PM11、PM12组成的电流镜成比例放大之后，注入所述电容C1，产生斜坡补偿电压信号；NM12作为开关管，其栅极接时钟信号，用于控制C1的充放电。

进一步的，所述电流输出模块包括电阻R2和电流镜；所述电容C1电压被复制到电阻R2两端，产生流过电阻R2补偿电流，通过电流镜镜像之后输出。

所述电流输出模块包括NMOS管NM10、NM11，PMOS管PM14、PM15，电阻R2。电容C1电压被复制到电阻R2两端，产生流过R2的斜坡补偿电流，通过PM14、PM15构成的电流镜镜像之后得到斜坡补偿电流输出信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明公开的斜坡补偿电路是用于降压型DC-DC转换器的自适应斜坡补偿电路与固定斜率的斜坡补偿电路相比，能自动的根据占空比的大小来调整斜坡补偿信号的斜率，很好地解决了峰值电流控制模式芯片中在低占空比时易发生过补偿，在高占空比时易发生欠补偿的问题，使得芯片在所有占空比工作范围内都具有良好的带载能力和负载调整能力。同时，本电路采用两个处于深线性区的NMOS管作为反馈输入端，具有结构简单、易于实现的特点，而且在输出电压在较宽的范围内变化时具有良好的补偿性能。

附图说明

图1为是现有技术中电路在峰值电流模式控制下不同占空比的电感电流波形图。

图2为采用固定斜率斜坡补偿技术进行斜坡补偿后的电感电流波形图。

图3是本发明自适应斜坡补偿电路结构框图。

图4为本发明自适应斜坡补偿电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

本发明公开的是一种动态补偿、补偿范围大、结构简单且易于实现的自适应斜坡补偿电路。

参照图3所示，图3是本发明自适应斜坡补偿电路结构框图。该斜坡补偿电路包括分压模块、斜坡产生模块以及电流输出模块，其中：

所述分压模块用于产生与输入电压成一定比例的电压，作为所述斜坡产生模块中的一个工作在深线性区的NMOS管的偏置；

所述斜坡产生模块用于产生随占空比变化而变化的斜坡补偿电压；

所述电流输出模块的输入端与所述斜坡产生模块输出端相接，用于将斜坡补偿电压信号转换成电流并输出。

对于降压型DC-DC转换器，有

$m_2=-\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{L}---\left(4\right)$

$D=\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}---\left(5\right)$

把(4)、(5)代入式(3)，有

$m>\frac{V_{\mathrm{OUT}}-0.5V_{\mathrm{IN}}}{L}---\left(6\right)$

只要使斜坡补偿电路满足(6)式，当占空比增大时，补偿斜率也会随着增大，这样就可以在不同占空比下进行很好的补偿，从而使系统稳定。设计时，考虑到补偿余度，可使占空比低于α(其中α<0.5)时斜坡补偿斜率为零。

参照图4，本发明所述分压模块包括两个二极管接法的PMOS管PM16、PM17，作为有源电阻起分压作用。忽略沟道长度调制效应，有

$\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;}}_p{C}_{\mathrm{OX}}{K}_{P16}{(V_{\mathrm{IN}}-V_F-V_{\mathrm{THP}})}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;}}_p{C}_{\mathrm{OX}}{K}_{P17}{(V_F-V_{\mathrm{THP}})}^2---\left(7\right)$

其中K_P16、K_P17代表PM16、PM17宽长比大小，本实施例后面也将用这种方式表示。调整K_P16：K_P17的大小，即可得到V_F＝αV_IN。

所述斜坡产生模块包括PMOS管PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8、PM9、PM10、PM11、PM12、PM13，NMOS管NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM12，电阻R1和电容C1。所述PM1、PM2、PM3、PM4构成电流镜，它们具有相同宽长比，所以流过他们的电流相等，均为I。工作在饱和区的NM2和NM4、NM3和NM5构成了两个FVF结构的电压跟随器，它们的输出跟随电阻R1电压，并接到NM6和NM7的漏极，记NM1的栅极电压为V_g1，则有V_g1＝V_GS1+IR₁，V_DS4＝V_g1-V_GS2，V_DS5＝V_g1-V_GS3。NM1，NM2，NM3宽长比相同，且均工作在饱和区，流过它们的电流相同，有V_GS1＝V_GS2＝V_GS3，因此V_DS4＝V_DS5＝IR₁，则有V_DS6＝V_DS7＝IR₁。所述NM6栅极接开关电源系统输出电压，NM7栅极接所述分压电压信号端，将IR₁调整到足够小使得V_DS6＜＜2(V_GS6-V_TH6)，V_DS7＜＜2(V_GS7-V_TH7)，从而使得NM6、NM7工作在深线性区，电流为：

I_D6＝μ_nC_OXK_N6(V_OUT-V_TH6)V_DS6  (8)

I_D7＝μ_nC_OXK_N7(V_F-V_TH7)V_DS7  (9)

其中K_N6＝K_N7，V_TH6＝V_TH7，V_DS6＝V_DS7＝IR₁。

PM1、PM5、PM6构成比例为1:5:5的电流镜，则流过PM5、PM6的电流为5I。由电路结构可知，电路NM4的漏电流I_D4、NM6的漏电流I_D6、NM5的漏电流I_D5、NM7的漏电流I_D7有如下关系：

I_D4+I_D6＝I+5I＝6I  (10)

I_D5+I_D7＝I+5I＝6I  (11)

由(10)、(11)式可得，有

I_D5-I_D4＝I_D6-I_D7＝μ_nC_OXK_N6(V_OUT-V_F)IR₁  (12)

所述NM4和NM9、NM5和NM8构成两组电流镜，所以NM8和NM9的漏电流I_D8、I_D9之差I_D8-I_D9＝I_D5-I_D4。所述的PM7、PM8、PM9、PM10、PM12、PM13构成电流相减电路，其中PM7、PM8、PM9、PM10组成共源共栅电流镜，PM12、PM13组成一条支路，二极管接法的PM13起简单降压作用。所述的由PM12、PM13组成的支路，其支路电流为：

I₀＝I_D8-I_D9＝μ_nC_OXK_N6(V_OUT-V_F)IR₁  (13)

经过由所述PM11和PM12构成的电流镜放大之后，得到电流K₁I₀。所述NM12作为开关管，其栅极接时钟信号，用于控制C1的充放电，在NM12关断期间，K₁I₀注入到电容C₁之中，C₁的电压随着时间t增大而线性增大，产生斜坡补偿电压信号。

所述电流输出模块包括NMOS管NM10、NM11，PMOS管PM14、PM15，电阻R2。电容C1电压被复制到电阻R2两端，因此一个随着时间t线性增大的电流注入到R₂中，并通过PM14、PM15构成的电流镜成比例放大之后得到斜坡补偿电流输出，通过计算可得：

$I\_\mathrm{slope}=\frac{K_2{K}_1{\mathrm{\&mu;}}_n{C}_{\mathrm{OX}}{K}_{N6}(V_{\mathrm{OUT}}-\mathrm{\&alpha;}{V}_{\mathrm{IN}})I{R}_{1}t}{R_2{C}_1}---\left(14\right)$

调整式(14)中K₁、K₂、K_N6、R₁、R₂、C₁等参数，可得到斜率为K(V_OUT-αV_IN)的输出，根据电感L的大小，调整K>1/L，则可以得到自适应斜坡补偿电路的输出。

综上所述，本发明利用两个处于线性区的NMOS管的栅极作为反馈输入端，产生一个与开关电源系统输入输出电压有关，随占空比变化而变化的斜坡补偿电流信号，结构简单，易于实现，而且在输出电压在较宽的范围内变化时具有良好的补偿性能。本发明的自适应斜坡补偿电路，在系统占空比较小的状态下，不进行补偿，并且补偿的起始点可通过调整电路中相关元器件的参数进行调整，从而避免了不必要的补偿，降低功耗；当占空比较大时，补偿斜率会随着占空比变化而变化。因此在任意占空比下都进行很好的补偿，从而使系统稳定，并且能够解决固定斜率斜坡补偿带来的带负载能力降低的问题。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自适应斜坡补偿电路，其特征在于，包括分压模块、斜坡产生模块以及电流输出模块，

所述分压模块用于对开关电源系统输入电压进行分压，产生与输入电压成比例的电压，将该电压作为所述斜坡产生模块中的一个工作在深线性区的NMOS管的偏置；

所述斜坡产生模块用于产生随占空比变化而变化的斜坡补偿电压；

所述电流输出模块用于将斜坡补偿电压信号转换成电流I_slope并输出。

2.根据权利要求1所述的自适应斜坡补偿电路，其特征在于，所述分压模块包括两个PMOS管，所述两个PMOS管采用二极管接法，作为有源电阻起分压作用。

3.根据权利要求1或2所述的自适应斜坡补偿电路，其特征在于，所述斜坡产生模块包括若干组电流镜、电阻R1、两个FVF结构的电压跟随器、一组工作在深线性区的NMOS管、电流相减电路、开关管和电容C1；

所述的两个工作在深线性区的NMOS管，一个栅极接开关电源系统输出电压，一个栅极接分压模块的分压电压信号端；所述FVF结构的电压跟随器输出跟随电阻R1电压，并接到所述两个工作在深线性区的NMOS管的漏极，用于控制NMOS管使得其工作于深线性区；所述电流镜和电流相减电路用于通过电流镜像、相减得到所述两个工作在深线性区的NMOS管的漏电流之差，该电流镜像成比例放大之后，注入所述电容C1，产生随时间而线性变化的斜坡补偿电压信号；所述开关管栅极接时钟信号，用于控制所述电容C1的充放电。

4.根据权利要求3所述的自适应斜坡补偿电路，其特征在于，所述电流输出模块包括电阻R2和电流镜；所述电容C1电压被复制到电阻R2两端，产生流过电阻R2补偿电流，通过电流镜镜像之后输出。