CN105162327A - 一种用于buck变换器的补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源技术领域，涉及一种用于BUCK变换器的补偿电路。本发明的电路主要包括差分输入模块，增益模块，低通滤波电路；其中差分输入模块的传输函数包含了一个零点和高频极点；增益模块的传输函数和低通滤波电路的传输函数相加可以产生一个零点和低频极点；两者相乘就产生了与传统补偿电路相类似的频率特性：包含一个低频极点和两个低频零点；低频滤波电路和增益模块均采用单管输入来实现，大大简化了电路结构。本发明同时提出了该补偿电路在Buck电路中应用；用电流比较器替换传统的PWM电压比较器；电流比较器比电压比较器结构简单，速度更快。

Description

一种用于BUCK变换器的补偿电路

技术领域

本发明属于电源技术领域，涉及一种用于BUCK变换器的补偿电路。

背景技术

近年来，便携式电子产品(比如：手机、平板电脑等)快速发展，电源管理单元(PowerManagementUnit，简称PMU)因其具有高的效率而得到了重视与青睐。其中Buck型DC-DC变换器是PMU单元的核心，负责将较高的直流电平转换成稳定的较低的直流电平。Buck变换器可分为片外补偿和片内补偿两种。片外补偿需要额外的PCB板面积和片外补偿电容，而片内补偿具有更低的噪声敏感度与更小的面积，更符合便携式电子产品的需求。

片内补偿可分为一型补偿，二型补偿和三型补偿。三型补偿因其低频增益较高，稳态误差较低，且具有较快的响应速度而得到广泛的运用。传统的三型补偿如图1所示。利用运算放大器与电阻电容网络实现，为得到低频零点，需要很大的电阻和电容，很难片内集成。同时补偿之后的输出为电压信号，需要与一个锯齿波电压进行比较来得到PWM波形。常用的PWM比较器为电压比较器，结构复杂，对速度有一定的限制。文献(PatrickY.Wu,SamY.S.TsuiandPhilipK.T.Mok,“Area-andPower-EfficientMonolithicBuckConvertersWithPseudo-TypeIIICompensation,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.45,pp.1446–1455,Aug.2010.)提出了一种伪三型电路结构，降低了电容电阻面积，使得片内集成成为可能。但其电路结构仍然较为复杂，会引起较大的功耗和面积，且仍然需要使用PWM电压比较器。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于BUCK变换器的补偿电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于BUCK变换器的补偿电路，包括差分输入模块、增益模块、低通滤波电路和偏置模块；所述差分输入模块由第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第七PMOS管MP7、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1构成；第一PMOS管MP1的栅极接外部偏置电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极；第一PMOS管MP1漏极与第一NMOS管MN1漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2的栅极接外部基准电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第二NMOS管MN2的漏极；第二PMOS管MP2漏极与第二NMOS管MN2漏极的连接点通过第二电阻R2后接第二NMOS管MN2的栅极；第二NMOS管MN2的栅极接第一NMOS管MN1的栅极，其源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源；

所述增益模块由第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3构成；第三PMOS管MP3的源极接电源，其漏极接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的栅极接第二PMOS管MP2漏极与第二电阻R2的连接点，其源极接地；

所述低通滤波电路由第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第二电容C2构成；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第三PMOS管MP3的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极接第四NMOS管MN4的漏极；第四NMOS管MN4的栅极进而第五NMOS管MN5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第五NMOS管MN5的栅极接第二PMOS管MP2的漏极，其源极接地；第四NMOS管MN4栅极与第五NMOS管MN5漏极的连接点通过第二电容C2后接地；

所述偏置模块由第六PMOS管MP6和电流源构成；第六PMOS管MP6的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极通过电流源后接地。；

第三PMOS管MP3漏极与第三NMOS管MN3漏极的连接点为补偿电路的输出端。

本发明的有益效果为，采用伪三型补偿电路，所需电容与传统三型补偿电路相比更小，更有利于片内补偿；本发明的电路中的差分输入模块采用差分输入，增益模块和低通滤波器采用单管输入，大大简化了电路结构，减少了芯片面积；同时本发明的补偿电路的输出为电流，可以用电流比较器来代替PWM电压比较器，输出PWM信号，进一步简化了电路结构。

附图说明

图1为传统的具有三型补偿电路的Buck变换器原理示意图；

图2为具有本发明的补偿电路的Buck变换器的原理示意图；

图3为本发明的补偿电路结构示意图；

图4为电流比较器电路结构示意图；

图5为采用本发明的Buck变换器的整体环路频率响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明的一种用于BUCK变换器的补偿电路，如图3所示，包括差分输入模块、增益模块、低通滤波电路和偏置模块；所述差分输入模块由第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第七PMOS管MP7、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1构成；第一PMOS管MP1的栅极接外部偏置电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极；第一PMOS管MP1漏极与第一NMOS管MN1漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2的栅极接外部基准电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第二NMOS管MN2的漏极；第二PMOS管MP2漏极与第二NMOS管MN2漏极的连接点通过第二电阻R2后接第二NMOS管MN2的栅极；第二NMOS管MN2的栅极接第一NMOS管MN1的栅极，其源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源；

所述增益模块由第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3构成；第三PMOS管MP3的源极接电源，其漏极接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的栅极接第二PMOS管MP2漏极与第二电阻R2的连接点，其源极接地；

所述低通滤波电路由第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第二电容C2构成；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第三PMOS管MP3的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极接第四NMOS管MN4的漏极；第四NMOS管MN4的栅极进而第五NMOS管MN5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第五NMOS管MN5的栅极接第二PMOS管MP2的漏极，其源极接地；第四NMOS管MN4栅极与第五NMOS管MN5漏极的连接点通过第二电容C2后接地；

所述偏置模块由第六PMOS管MP6和电流源构成；第六PMOS管MP6的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极通过电流源后接地。；

第三PMOS管MP3漏极与第三NMOS管MN3漏极的连接点为补偿电路的输出端。

本发明的补偿电路应用于Buck变换器的示意图如图2所示。Buck电路输出电压VFB与三型补偿电路的负向输入端相连，参考基准电压VREF与三型补偿电路的负向输入端相连；三型补偿电路的输出端COMP与电流比较器的负向输入端相连。电流比较器的正向输入端加有锯齿波电流信号。电流比较器的输出信号经过逻辑控制模块和缓冲器转化成栅驱动信号，来控制功率管开关。

其中三型补偿电路如图3所示。它的输入到输出电流的整体传函阐述如下。

差分输入模块中，R1、R2、C1、MN1和MN2组成输入管MP1和MP2的负载。设MP1和MP2的跨导为gm1，NM1和MN2的跨导为gm2。由小信号理论可以的到，差分输入模块的传输函数为

$A\left(s\right)=A1\frac{s/z1+1}{s/p2+1},$

其中 $z1=\frac{1}{R1C1},p2=\frac{gm2}{C1},A1=\frac{gm1}{gm2}.$

增益模块中，设MN3的跨导为gm3。则增益模块的传输函数为

B(s)＝B1，

其中B1＝gm3。

低通滤波电路中，设MN5的跨导为gm4，MP5和MN5的输出电阻分别为ro3和ro4，MN4的跨导为gm5，MP4的跨导为gm6，MP3的跨导为gm7，则低通滤波电路输入到输出电流的传输函数为

$C\left(s\right)=C1\frac{1}{s/p1+1},$

其中 $p1=\frac{ro3+ro4}{ro3ro4C2},C1=gm4\frac{ro3ro4}{ro3+ro4}gm5\frac{gm7}{gm6}.$

补偿电路的整体传输函数为：

$T\left(s\right)=A1\frac{s/z1+1}{s/p2+1}\left(B1+C1\frac{1}{s/p1+1}\right)=T1\frac{s/z1+1}{s/p2+1}\frac{s/z2+1}{s/p1+1},$

其中 $p1=\frac{ro3+ro4}{ro3ro4C2},z2=\frac{B1+C1}{B1},T1=A1(B1+C1).$

如图4所示，为电流比较器的结构示意图，包括第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第一反相器I2和第二反相器I3；第八PMOS管MP8的源极接电源，其栅极和漏极互连，其栅极接第九PMOS管MP9的栅极，其漏极接外部锯齿波电流源；第九PMOS管MP9的源极接电源，其漏极接第十PMOS管MP10的漏极和第六NMOS管MN6的漏极，其漏极接补偿电路的输出端；第十PMOS管MP10的源极接电源，其栅极接第六NMOS管MN6的栅极、第十一PMOS管MP11的漏极、第七NMOS管MN7的漏极和第一反相器I2的输入端；第六NMOS管MN6的源极接地；第十一PMOS管MP11的源极接电源，其栅极接第十PMOS管MP10漏极和第六NMOS管MN6漏极的连接点；第七NMOS管MN7的栅极接第十一PMOS管MP11的栅极，其源极接地。

设电流比较器的正输入端的输入锯齿波电流幅度为I_M。则其传输函数为：

$P\left(s\right)=\frac{1}{I_M}$

Buck变换器的功率级传输函数为

$G\left(s\right)=\frac{V_g}{{\mathrm{LCs}}^2+\frac{L}{R}s+1}.$

最终可以得到整体环路的传输函数为

$L\left(s\right)=A_0\frac{s/z1+1}{s/p2+1}\frac{s/z2+1}{s/p1+1}\frac{1}{{\mathrm{LCs}}^2+\frac{L}{R}s+1},$

其中 $A_0=T1\frac{V_g}{I_M}.$

由此可见采用本设计的环路补偿电路传输函数有两个低频零点，能够补偿LC网络共轭极点产生的180°的相位滞后，另外低频增益高(A1(B1+C1)V_g/I_M)，能极大弥补超前相位补偿低频增益低，稳态误差大的缺点。图5为本环路补偿电路的频率响应曲线。从图中可以看出本发明所述的环路补偿电路能够完成三型补偿的功能，并且具有简单的电路结构，更有利于集成。

Claims (1)

1.一种用于BUCK变换器的补偿电路，包括差分输入模块、增益模块、低通滤波电路和偏置模块；所述差分输入模块由第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第七PMOS管MP7、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1构成；第一PMOS管MP1的栅极接外部偏置电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第一NMOS管MN1的漏极；第一PMOS管MP1漏极与第一NMOS管MN1漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地；第二PMOS管MP2的栅极接外部基准电压，其源极接第七PMOS管MP7的漏极，其漏极接第二NMOS管MN2的漏极；第二PMOS管MP2漏极与第二NMOS管MN2漏极的连接点通过第二电阻R2后接第二NMOS管MN2的栅极；第二NMOS管MN2的栅极接第一NMOS管MN1的栅极，其源极接地；第七PMOS管MP7的源极接电源；

所述增益模块由第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3构成；第三PMOS管MP3的源极接电源，其漏极接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的栅极接第二PMOS管MP2漏极与第二电阻R2的连接点，其源极接地；

所述低通滤波电路由第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第二电容C2构成；第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接第三PMOS管MP3的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极接第四NMOS管MN4的漏极；第四NMOS管MN4的栅极进而第五NMOS管MN5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第五NMOS管MN5的栅极接第二PMOS管MP2的漏极，其源极接地；第四NMOS管MN4栅极与第五NMOS管MN5漏极的连接点通过第二电容C2后接地；

所述偏置模块由第六PMOS管MP6和电流源构成；第六PMOS管MP6的源极接电源，其栅极接第七PMOS管MP7的栅极，其栅极和漏极互连，其漏极通过电流源后接地；

第三PMOS管MP3漏极与第三NMOS管MN3漏极的连接点为补偿电路的输出端。