CN108574410A - 实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法 - Google Patents

实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法，斜坡产生及求和电路、脉冲产生电路、动态偏置并联负反馈电路及分压电路；斜坡产生及求和电路用于产生跟随占空比变化的斜坡补偿电压；脉冲产生电路用于产生控制斜坡电流对电容的充放电从而产生斜坡电压的窄脉冲；动态偏置并联负反馈电路用于提高自适应斜坡补偿的速度和精度；分压电路用于产生与输入电压成一定比例的电压。本发明引入的自适应斜坡补偿电路避免了欠补偿带来的谐波振荡和过补偿引起的带载能力下降问题，同时引入的动态偏置并联负反馈电路加快自适应过程，提高了斜坡补偿的速度和精度。

Description

实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法
技术领域
本发明属于集成电路的开关电源领域，尤其涉及一种基于峰值电流模降压型DC-DC转换器的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法。
背景技术
随着半导体技术和电子技术的发展，便携式电子产品功能化与快速化提高了其对电池续航能力的要求，同时要求电源在宽输入和宽负载变化下能高效稳定地输出。在该需求下，采用同步整流技术和高频控制的开关电源得到广泛应用，尤其是具有瞬态响应快、转换效率高及宽负载工作的峰值电流模DC-DC转换器。但是，当占空比大于50％时，峰值电流模DC-DC转换器存在固有的不稳定性，即次谐波振荡。
为了弥补这一缺点，需要引入斜坡补偿信号。
说明书附图图1显示了电感电流受扰动后的变化波形图，假设电感电流上升斜率为Sn，下降斜率为Sf，初始变化量为ΔiL(0)，占空比为D，周期为Tsw，电感电流的初始值为IL(0)+ΔiL(0)。对于BUCK型DC-DC有和由图1可知，经过n个周期之后，扰动量变为：
该式要收敛，则因此D<50％。
说明书附图图2显示了不同占空比下电感电流的变化曲线：当占空比小于50％时，扰动量逐渐减小直至趋于零，系统稳定；当占空比大于50％时，扰动量逐渐增加，系统不稳定。
为了使系统在整个占空比范围内均能稳定，需要加入一个变量，该变量为补偿斜坡斜率Sc，说明书附图图3显示了补偿后的电感电流曲线。由该图可以看出，如果斜波补偿过大，变换器的最大峰值电流将减少，影响带载能力；斜波补偿过小，又无法消除次谐波振荡。
设经过n个周期之后，扰动量为：
该式要收敛，则因此有：
综上所述，由于Vo＝D×Vin，因此只要将正比于Vo-1/2Vin的电压作为反馈信号叠加在峰值电流检测电压上即可实现自适应斜坡补偿。
现有技术的固定斜率补偿，容易造成过补偿，引起系统带载能力下降，不适于宽输入电压和宽负载变化的应用环境。且现有的自适应补偿大多采用分立式，即将斜坡信号和电流采样信号经过同相比例放大器或者是分别V/I转换后叠加实现，降低了补偿速度且电路易受温度及工艺等参数的影响，补偿精度不高。
发明内容
针对现有技术存在的不足和空白，本发明在集成式斜坡产生与求和电路的基础上引入动态偏置并联负反馈电路，通过该反馈环来提高输出电压的检测速度，从而提高自适应斜坡补偿的速度；进一步地，采用的动态偏置结构使环路尽快稳定，以减少因开关动作引起的输出电压上冲，从而提高自适应斜坡补偿的精度；进一步地，斜坡产生及求和电路用于产生跟随占空比变化的斜坡补偿电压；进一步地，脉冲产生电路用于产生控制斜坡电流对电容的充放电从而产生斜坡电压的窄脉冲，采用相位延迟技术使得电路简单易实现。与固定斜率补偿相比，本发明引入的自适应斜坡补偿电路避免了欠补偿带来的谐波振荡和过补偿引起的带载能力下降问题，同时引入的动态偏置并联负反馈电路加快自适应过程，提高了斜坡补偿的速度和精度。
本发明具体采用以下技术方案：
一种实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，其特征在于，包括：斜坡产生及求和电路、脉冲产生电路、动态偏置并联负反馈电路及分压电路；
所述斜坡产生及求和电路包括：第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1；所述第一NMOS管NM1的漏极分别接第一PMOS管PM1漏极和第一电容C1的一端，源极分别接第一电容C1的另一端以及第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，栅极接脉冲产生电路的输出端；所述第一电阻R1的另一端接入开关电源系统中峰值检测电流Isen，第二电阻R2的另一端接地；
所述脉冲产生电路包括：第一反相器INV1到第七反相器INV7共七个反相器、第二电容C2、以及或非门XOR；所述第一反相器INV1的输入端接开关电源系统时钟clk_osc，输出端接第二反相器INV2和第四反相器INV4的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端接或非门XOR的一个输入端；第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7构成串联，第二电容C2的一端接第五反相器INV5和第六反相器INV6的公共端，另一端接地；第七反相器INV7的输出端接或非门XOR的另一个输入端；或非门XOR输出端为clk_pluse，接第一NMOS管NM1的栅极；
所述动态偏置并联负反馈电路包括：第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11，第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6，第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R；所述第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成电流镜；所述运算放大器A1作为跟随器，正向输入端接Vo，输出端接电阻R的一端；所述电阻R的另一端接第一PMOS管PM1和第三PMOS管PM3的源极；所述运算放大器A2作为跟随器，正向输入端接分压电路的输出，输出端接第四PMOS管PM4的源极，节点记为Va；所述第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；所述第三PMOS管PM3的源极接第二PMOS管PM2的漏极，节点记为Vb；所述第二PMOS管PM2的栅极接地，源极接输入电压Vin；所述第五PMOS管PM5的漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接输入电压Vin，栅极接第六PMOS管PM6的栅极；所述第六PMOS管PM6的栅极与漏极相接，并与第五NMOS管NM5的漏极相接，源极接输入电压Vin；所述第六PMOS管PM6的源极接输入电压Vin，栅极与漏极相接后接第八PMOS管PM8的源极；所述第八PMOS管PM8的漏极接第六NMOS管NM6的漏极，栅极接第四PMOS管PM4的漏极，记为节点Vc；所述第十一PMOS管PM11的栅极接第三PMOS管PM3和第三NMOS管NM3的漏极，节点记为Vd，漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接地；节点电压Va与节点电压Vb相等；
所述分压电路包括：第九PMOS管PM9和第十PMOS管PM10，采用二极管连接方式，作为分压电阻，等效阻值比为1：1，使节点电压Va＝1/2Vin。
优选地，所述动态偏置并联负反馈电路中，采用跟随器接法的第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R产生随输出电压变化的斜坡电流Islope，有Islope≈(Vo-1/2Vin)/R。
优选地，所述斜坡产生及求和电路中，采用集成式斜坡补偿方式，窄脉冲clk_pulse控制斜坡电流Islope对第一电容C1充放电产生斜坡电压Vslope，与开关电源系统中峰值检测电流Isen产生的检测电压Vsen叠加后得到斜坡补偿电压Vramp。
优选地，所述脉冲产生电路中，由第一反相器INV1到第七反相器INV7、及第二电容C2构成的相移电路产生相位延迟信号与原始信号做或非运算后得到窄脉冲信号。
以及，根据实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路的实现自适应斜坡补偿快速高精度的方法，其特征在于：所述第一PMOS管PM1、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第十一PMOS管PM11构成反馈环；第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4相当于差分对管，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4相当于有源负载，第一PMOS管PM1相当于共源放大器；设流过第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的电流以同比例匹配镜像后为INM3＝INM4＝Ib，则流过第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4的电流亦为IPM3＝IPM4＝Ib，因此节点电压Vb＝Va；当输出电压Vo变化时(即占空比D变化时)，由第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11和第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成的动态偏置结构通过调整第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的漏源电压以加强其电流匹配性从而保证Vb＝Va，由此提高补偿精度，其实现过程如下：流过第一PMOS管PM1的斜坡电流Islope＝(Vo-1/2Vin)/R-Ib，当输出电压Vo变大时，斜坡电流Islope变大致使电压Vc减小，从而增强第八PMOS管PM8的导通能力，通过镜像电流对第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6及第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6增大第十一PMOS管PM11的电流，以使Vd减小至与Vc匹配。
相较于现有技术的斜坡补偿电路，本发明具有以下有益效果：电路装置的补偿斜坡根据不同占空比实现自适应调整，满足宽输入宽负载变化的工作环境；进一步地，斜坡产生与求和电路的集成使得电路结构更简单，不易受温度及工艺等参数影响；进一步地，引入的动态偏置并联负反馈电路，提高了输出电压的检测速度进而提高自适应斜坡补偿的速度，同时动态偏置结构使环路尽快稳定以减少因开关动作引起的输出电压上冲，从而提高自适应斜坡补偿的精度；进一步地，脉冲产生电路采用相移电路产生相位延迟信号与原始信号做或非运算后得到窄脉冲信号，结构简单易实现。与固定斜率补偿相比，本发明引入的自适应斜坡补偿电路避免了欠补偿带来的谐波振荡和过补偿引起的带载能力下降问题，同时引入的动态偏置并联负反馈电路加快自适应过程，提高了斜坡补偿的速度和精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为扰动时电感电流的变化曲线示意图；
图2为峰值电流模下不同占空比下电感电流变化曲线示意图；
图3为补偿后的电感电流变化曲线；
图4为本发明实施例自适应斜坡补偿电路原理示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图4所示，本实施例提供的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，包括：斜坡产生及求和电路、脉冲产生电路、动态偏置并联负反馈电路及分压电路。
其中，斜坡产生及求和电路用于产生跟随占空比变化的斜坡补偿电压；脉冲产生电路用于产生控制斜坡电流对电容的充放电从而产生斜坡电压的窄脉冲；动态偏置并联负反馈电路用于提高自适应斜坡补偿的速度和精度；分压电路用于产生与输入电压成一定比例的电压。
在本实施例中，斜坡产生及求和电路包括：第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1；第一NMOS管NM1的漏极分别接第一PMOS管PM1漏极和第一电容C1的一端，源极分别接第一电容C1的另一端以及第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，栅极接脉冲产生电路的输出端；第一电阻R1的另一端接入开关电源系统中峰值检测电流Isen，第二电阻R2的另一端接地。
其中，开关电源系统即为本实施例的改进对象，其优选装置为峰值电流模DC-DC转换器。
在本实施例中，脉冲产生电路包括：第一反相器INV1到第七反相器INV7共七个反相器、第二电容C2、以及或非门XOR；第一反相器INV1的输入端接开关电源系统时钟clk_osc，输出端接第二反相器INV2和第四反相器INV4的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端接或非门XOR的一个输入端；第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7构成串联，第二电容C2的一端接第五反相器INV5和第六反相器INV6的公共端，另一端接地；第七反相器INV7的输出端接或非门XOR的另一个输入端；或非门XOR输出端为clk_pluse，接第一NMOS管NM1的栅极；
在本实施例中，动态偏置并联负反馈电路包括：第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11，第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6，第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R；第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成电流镜；运算放大器A1作为跟随器，正向输入端接Vo，输出端接电阻R的一端；电阻R的另一端接第一PMOS管PM1和第三PMOS管PM3的源极；运算放大器A2作为跟随器，正向输入端接分压电路的输出，输出端接第四PMOS管PM4的源极，节点记为Va；第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第三PMOS管PM3的源极接第二PMOS管PM2的漏极，节点记为Vb；第二PMOS管PM2的栅极接地，源极接输入电压Vin；第五PMOS管PM5的漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接输入电压Vin，栅极接第六PMOS管PM6的栅极；第六PMOS管PM6的栅极与漏极相接，并与第五NMOS管NM5的漏极相接，源极接输入电压Vin；第六PMOS管PM6的源极接输入电压Vin，栅极与漏极相接后接第八PMOS管PM8的源极；第八PMOS管PM8的漏极接第六NMOS管NM6的漏极，栅极接第四PMOS管PM4的漏极，记为节点Vc；第十一PMOS管PM11的栅极接第三PMOS管PM3和第三NMOS管NM3的漏极，节点记为Vd，漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接地；节点电压Va与节点电压Vb相等，从而得到斜坡电流Islope。
在本实施例中，分压电路包括：第九PMOS管PM9和第十PMOS管PM10，采用二极管连接方式，作为分压电阻，等效阻值比为1：1，使节点电压Va＝1/2Vin。
动态偏置并联负反馈电路中，采用跟随器接法的第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R产生随输出电压变化的斜坡电流Islope，有Islope≈(Vo-1/2Vin)/R。
斜坡产生及求和电路中，采用集成式斜坡补偿方式，窄脉冲clk_pulse控制斜坡电流Islope对第一电容C1充放电产生斜坡电压Vslope，与开关电源系统中峰值检测电流Isen产生的检测电压Vsen叠加后得到斜坡补偿电压Vramp。
脉冲产生电路中，由第一反相器INV1到第七反相器INV7、及第二电容C2构成的相移电路产生相位延迟信号与原始信号做或非运算后得到窄脉冲信号。
在本实施例中，第一PMOS管PM1、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第十一PMOS管PM11构成反馈环；第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4相当于差分对管，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4相当于有源负载，第一PMOS管PM1相当于共源放大器；设流过第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的电流以同比例匹配镜像后为INM3＝INM4＝Ib，则流过第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4的电流亦为IPM3＝IPM4＝Ib，因此节点电压Vb＝Va；当输出电压Vo变化时(即占空比D变化时)，由第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11和第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成的动态偏置结构通过调整第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的漏源电压以加强其电流匹配性从而保证Vb＝Va，由此提高补偿精度，其实现过程如下：如图4所示，流过第一PMOS管PM1的斜坡电流Islope＝(Vo-1/2Vin)/R-Ib，当输出电压Vo变大时，斜坡电流Islope变大致使电压Vc减小，从而增强第八PMOS管PM8的导通能力，通过镜像电流对第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6及第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6增大第十一PMOS管PM11的电流，以使Vd减小至与Vc匹配。从而加强了第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的电流匹配性，由此提高了补偿精度；引入的动态偏置负反馈电路同时增强了反馈环的增益带宽积和相位裕度，能快速地检测到输出电压Vo的变化(即占空比D的变化)，从而提高了补偿速度。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，其特征在于，包括：斜坡产生及求和电路、脉冲产生电路、动态偏置并联负反馈电路及分压电路；
所述斜坡产生及求和电路包括：第一PMOS管PM1和第一NMOS管NM1；所述第一NMOS管NM1的漏极分别接第一PMOS管PM1漏极和第一电容C1的一端，源极分别接第一电容C1的另一端以及第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，栅极接脉冲产生电路的输出端；所述第一电阻R1的另一端接入开关电源系统中峰值检测电流Isen，第二电阻R2的另一端接地；
所述脉冲产生电路包括：第一反相器INV1到第七反相器INV7共七个反相器、第二电容C2、以及或非门XOR；所述第一反相器INV1的输入端接开关电源系统时钟clk_osc，输出端接第二反相器INV2和第四反相器INV4的输入端；第二反相器INV2的输出端接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端接或非门XOR的一个输入端；第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7构成串联，第二电容C2的一端接第五反相器INV5和第六反相器INV6的公共端，另一端接地；第七反相器INV7的输出端接或非门XOR的另一个输入端；或非门XOR输出端为clk_pluse，接第一NMOS管NM1的栅极；
所述动态偏置并联负反馈电路包括：第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11，第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6，第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R；所述第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成电流镜；所述运算放大器A1作为跟随器，正向输入端接Vo，输出端接电阻R的一端；所述电阻R的另一端接第一PMOS管PM1和第三PMOS管PM3的源极；所述运算放大器A2作为跟随器，正向输入端接分压电路的输出，输出端接第四PMOS管PM4的源极，节点记为Va；所述第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；所述第三PMOS管PM3的源极接第二PMOS管PM2的漏极，节点记为Vb；所述第二PMOS管PM2的栅极接地，源极接输入电压Vin；所述第五PMOS管PM5的漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接输入电压Vin，栅极接第六PMOS管PM6的栅极；所述第六PMOS管PM6的栅极与漏极相接，并与第五NMOS管NM5的漏极相接，源极接输入电压Vin；所述第六PMOS管PM6的源极接输入电压Vin，栅极与漏极相接后接第八PMOS管PM8的源极；所述第八PMOS管PM8的漏极接第六NMOS管NM6的漏极，栅极接第四PMOS管PM4的漏极，记为节点Vc；所述第十一PMOS管PM11的栅极接第三PMOS管PM3和第三NMOS管NM3的漏极，节点记为Vd，漏极接第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极，源极接地；节点电压Va与节点电压Vb相等；
所述分压电路包括：第九PMOS管PM9和第十PMOS管PM10，采用二极管连接方式，作为分压电阻，等效阻值比为1：1，使节点电压Va=1/2Vin。
2.根据权利要求1所述的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，其特征在于：所述动态偏置并联负反馈电路中，采用跟随器接法的第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R产生随输出电压变化的斜坡电流Islope，有Islope≈(Vo-1/2Vin)/R。
3.根据权利要求1所述的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，其特征在于：所述斜坡产生及求和电路中，采用集成式斜坡补偿方式，窄脉冲clk_pulse控制斜坡电流Islope对第一电容C1充放电产生斜坡电压Vslope，与开关电源系统中峰值检测电流Isen产生的检测电压Vsen叠加后得到斜坡补偿电压Vramp。
4.根据权利要求1所述的实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路，其特征在于：所述脉冲产生电路中，由第一反相器INV1到第七反相器INV7、及第二电容C2构成的相移电路产生相位延迟信号与原始信号做或非运算后得到窄脉冲信号。
5.一种根据权利要求1所述实现自适应斜坡补偿快速高精度的电路的实现自适应斜坡补偿快速高精度的方法，其特征在于：所述第一PMOS管PM1、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第十一PMOS管PM11构成反馈环；第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4相当于差分对管，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4相当于有源负载，第一PMOS管PM1相当于共源放大器；设流过第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的电流以同比例匹配镜像后为INM3=INM4=Ib，则流过第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4的电流亦为IPM3=IPM4=Ib，因此节点电压Vb=Va；当输出电压Vo变化时（即占空比D变化时），由第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第十一PMOS管PM11和第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6构成的动态偏置结构通过调整第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的漏源电压以加强其电流匹配性从而保证Vb=Va，由此提高补偿精度，其实现过程如下：流过第一PMOS管PM1的斜坡电流Islope=(Vo-1/2Vin)/R-Ib，当输出电压Vo变大时，斜坡电流Islope变大致使电压Vc减小，从而增强第八PMOS管PM8的导通能力，通过镜像电流对第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6及第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6增大第十一PMOS管PM11的电流，以使Vd减小至与Vc匹配。
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