CN108448893B - 一种基于占空比的动态斜坡补偿电路 - Google Patents

一种基于占空比的动态斜坡补偿电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，其特征在于，包括依次连接的用于检测占空比的检测电路、比较电路和动态斜坡产生电路；所述比较电路有N路支路，所述N路支路的比较器均以检测电路输出为一输入且N个比较器另一输入的电压值不同，所述动态斜坡产生电路包括N个相并联的电源和利用该电源驱动的斜坡电路，N个比较器的输出分别用于驱动N个相并联电源支路通断，其中，N为大于等于2的自然数。其在不同占空时采用不同的补偿斜率，既能保证电流环的稳定，又能合理地减小补偿电流。在相同占空比下增大了芯片的带载能力，从而避免系统出现次谐波振荡的问题，同时提高了芯片的瞬态响应速度和芯片的效率。

Description

一种基于占空比的动态斜坡补偿电路
技术领域
本发明涉及动态斜坡补偿电路领域，具体涉及一种可以作为开关电源的基于占空比的动态斜坡补偿电路。
背景技术
相比于电压模式DC-DC变换器，电流模式DC-DC变换器具有补偿容易、响应速度快和带载能力强等优点。但是，当占空比大于50％时，若内部有电流扰动，如图5，扰动电感电流Δi就会随着慢慢变大导致电路系统发生次谐波振荡以及抗噪声性能变差的情况。因此，需要有合适的斜坡补偿电路以满足电源系统对稳定性，瞬态响应和带载能力的要求，传统斜坡补偿如图6。即虽然传统的斜坡补偿方案能够保证系统的稳定，但是，系统瞬态响应和带载能力不能达到最佳。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种基于占空比的动态斜坡补偿电路。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，包括依次连接的用于检测占空比的检测电路、比较电路和动态斜坡产生电路；所述比较电路有N路支路，所述N路支路的比较器均以检测电路输出为一输入且N个比较器另一输入的电压值不同，比较器另一输入的电压值作为基准电压，当检测电路输出不同时，不同的比较器输出不同；动态斜坡产生电路包括N个相并联的电源和利用该电源驱动的斜坡电路，N个比较器的输出分别用于驱动N个相并联电源支路通断，其中，N为大于等于2的自然数，比较电路输出不同时，即可驱动不同的电源支路通断，即驱动斜坡电路的电源值不同，故而产生不同的斜坡信号。当比较电路以全0输出变为全1输出时，动态斜坡补偿电路就会产生不同斜率的动态斜坡补偿效果。由上分析可知，当占空比小于某个值时，动态斜坡补偿电路不进行斜率补偿；相反，动态斜坡补偿电路进行非线性补偿。在不同占空时采用不同的补偿斜率，这样既能保证电流环的稳定，又能合理地减小补偿电流。在相同占空比下增大了芯片的带载能力，从而避免系统出现次谐波振荡的问题，同时提高了芯片的瞬态响应速度和芯片的效率。
作为优选，所述检测电路包括电流镜、为电流镜提供输入的第一分压电路、均连接在电流镜输出端的积分电容、复位场效应管和传输门。
作为优选，所述比较电路包括由N+1个电阻串联构成的第二分压电路和N个比较器，所述检测电路的输出同时作为N个比较器的一输入，所述第二分压电路相邻两个电阻的连接端分别作为N个比较器的另一输入。
作为优选，所述N个相并联的电源的电流值分别为I、2I、4I、……、2N-2I。
作为优选，所述斜坡电路包括场效应管NM3、连接在场效应管NM3源极和漏极之间的电容和连接在场效应管NM3漏极上的峰值电流检测电路。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的电路在不同占空时采用不同的补偿斜率，既能保证电流环的稳定，又能合理地减小补偿电流。在相同占空比下增大了芯片的带载能力，从而避免系统出现次谐波振荡的问题，同时提高了芯片的瞬态响应速度和芯片的效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明的电路原理图。
图2为检测电路的一具体电路图。
图3为比较电路的一具体电路图。
图4为动态斜坡产生电路的一具体电路图。
图5为稳态和有干扰时的电感电流示意图。
图6为是传统斜坡补偿示意图。
图7为是动态斜坡补偿示意图。
图8为是采用传统斜坡补偿和动态斜坡补偿的电源效率示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示的一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，包括依次连接的用于检测占空比的检测电路10、比较电路20和动态斜坡产生电路30；比较电路有N路支路，每个支路均包括比较器，N路比较器均以检测电路输出为一输入且N个比较器另一输入的电压值不同，所述动态斜坡产生电路包括N个相并联的电源和利用该电源驱动的斜坡电路，N个比较器的输出分别用于驱动N个相并联电源支路通断，其中，N为大于等于2的自然数。
实施例2
基于上述实施例的原理，本实施例N以4为例进行详细说明。
如图2所示，检测电路包括电流镜、为电流镜提供输入的第一分压电路、均连接在电流镜输出端的积分电容、复位场效应管和传输门。场效应管NM1、PM1、PM2构成电流镜；RA、RB构成第一分压电路，其分压作为场效应管NM1的栅极输入，通过电流源PM1、PM2镜像之后连接到积分电容C1；传输门T一端连接积分电容C1，一端连接比较电路。
比较电路包括由N+1个电阻串联构成的第二分压电路和N个比较器，所述检测电路的输出同时作为N个比较器的一输入，所述第二分压电路相邻两个电阻的连接端分别作为N个比较器的另一输入。具体的，如图3所示，电阻R1、R2、R3、R4构成第二分压电路对Vrefi分压构成比较器Comp1、Comp2、Comp3、Comp4；比较器Comp1使能端连接到VDD，CompN的使能端连接到比较器CompN-1输出端DN-1。
斜坡电路包括场效应管NM3、连接在场效应管NM3源极和漏极之间的电容C2和连接在场效应管NM3漏极上的峰值电流检测电路。采用4路比较器，相应的如图4所示，动态斜坡产生电路具有4路电源，比较器Comp1的输出驱动第一路电源通断，比较器Comp2的输出驱动第二路电源通断，比较器Comp3的输出驱动第三路电源通断，比较器Comp4的输出驱动第四路电源通断，场效应管NM3和PM3漏极、场效应管NM3栅极连接CLKC，场效应管PM3栅极连接场效应管PM4栅极、漏极和NM4的漏极，其中场效应管NM4的漏极电流为检测到电感峰值电流Isense，场效应管PM3，PM4同时连接VDD。
优选的，N个相并联的电源的电流值成等比设置，分别为I、2I、4I、……、2N-2I。
现对上述电路的运行原理进行详细说明。
当TG信号为低时，占空比检测电路输出电压Vd与积分电流I、积分电容C1和占空比D的关系为：
Figure BDA0001590431740000031
式中α＝μnCox(W/L)，其中μn为迁移率，Cox为单位面积栅极氧化电容，W/L为场效应管NM1宽长比，T为时钟周期，N为PM1和PM2宽长比的比例，Vthn指场效应管NM1的阈值电压。为了保证占空比的检测电路正常工作，要求Vd的电位小于VDD的80％。通过合理的设置管子的宽长比，电流镜的比例就可以实现TGB在最在大占空比时，占空比电压Vd小于VDD的80％，保证占空比检测电路正常工作。
当TG信号变为高时，检测电路和传输门同时关闭，比较电路保持检测到的占空比电压VdA。然后积分电容C1，C2在下一周期开始前放电完毕，为下一个时钟周期做准备。
比较电路输出信号D<i>与电压VdA的逻辑关系式为：
Figure BDA0001590431740000041
其中，i＝N，1代表输出为高电位，0代表输出为低电位。通过设置分压电阻Ri的比例就可以在相同占空比时，既可以得到不同的信号D<i>。
动态斜坡信号Vrf与电流源I、峰值电流Isense和积分电容C2的关系式为：
Vrf＝((D<1>*1I+D<2>*2I+D<3>*4I+D<4>*8I)+Isense/M))/C2(3)
式中M为PM3，PM4宽长比的比例，由(1)，(2)，(3)可知，对应不同的占空比就可以得到具有不同斜率的Vrf电压。通过设置占空比检测电路参数，比较电路的参数，使占空比在小于45％时，对应的VdA<Vref1，动态斜坡补偿系统不对电源系统进行斜坡补偿。
当来自比较电路的使能信号依次从0000变为1111时，动态斜坡补偿电路就会产生不同斜率的动态斜坡补偿效果，如图7中淡黑实线所示。
从以上分析可以知道，当占空比小于某个值时，动态斜坡补偿电路不进行斜率补偿；相反，动态斜坡补偿电路进行非线性补偿。这样既能保证电流环的稳定，又能合理地减小补偿电流。在相同占空比下增大了芯片的带载能力，从而避免系统出现次谐波振荡的问题，同时提高了芯片的瞬态响应速度和芯片的效率。
如图8所示，传统斜坡补偿电路和动态斜坡补偿电路的效率随电路输出电流变化的效果图。其中红线代表采用动态斜坡补偿技术的效率图，黑色虚线为采用传统斜坡补偿技术的效率图。从图中可以看出采用动态斜坡补偿后的效率在占空比较低时有较大的提升，在高占空比时和传统斜坡补偿效率相近。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，其特征在于，包括依次连接的用于检测占空比的检测电路、比较电路和动态斜坡产生电路；所述比较电路有N路支路，所述N路支路的比较器均以检测电路输出为一输入且N个比较器另一输入的电压值不同，所述动态斜坡产生电路包括N个相并联的电源和利用该电源驱动的斜坡电路，N个比较器的输出分别用于驱动N个相并联电源支路通断，其中，N为大于等于2的自然数；所述N个相并联的电源的电流值分别为I、2I、4I、……、2N-2I。
2.根据权利要求1所述的一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，其特征在于，所述检测电路包括电流镜、为电流镜提供输入的第一分压电路、均连接在电流镜输出端的积分电容、复位场效应管和传输门。
3.根据权利要求1所述的一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，其特征在于，所述比较电路包括由N+1个电阻串联构成的第二分压电路和N个比较器，所述检测电路的输出同时作为N个比较器的一输入，所述第二分压电路相邻两个电阻的连接端分别作为N个比较器的另一输入。
4.根据权利要求1所述的一种基于占空比的动态斜坡补偿电路，其特征在于，所述斜坡电路包括场效应管NM3、连接在场效应管NM3源极和漏极之间的电容和连接在场效应管NM3漏极上的峰值电流检测电路。
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