CN108880228A - 一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统，包括：线性电压调整电路、放大电路和自适应电阻电容电路；线性电压调整电路的一端与放大电路连接，另一端与自适应电阻电容电路连接；放大电路从线性电压调整电路接入的输入电流为第一输入电流，自适应电阻电容电路从线性电压调整电路接入的输入电流为第二输入电流；自适应电阻电容电路通过根据线性电压调整电路输入的调整参数，调节第一输入电流和第二输入电流的比例，以实现零极点追踪补偿。

Description

一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种全负载环路补偿系统。

背景技术

随着智能便携式电子设备的快速发展，技术对于电源管理的要求越来越高，这就使得供电芯片能够在多技术复杂的环境下保持高效稳定的运行。而对于DC-DC变换器，因为其转换效率高、带载能力强等优点在电源管理IC中应用最为普遍，尤其BOOST变换器因为其对特的升压特质，在电源管理解决方案中有着不可或缺的地位。但是BOOST变换器不足之处在于其电压环路存在左半平面零点，给技术的环路补偿带来了挑战。

现有技术提出了一些解决BOOST变换器稳定性的技术和实现方法。例如一种新型三态拓扑结构，该结构能够完全消去左零点的存在，但附加的功率开关管带来面积的浪费和损耗的增加；除此之外，现有技术分别采用了低频控制技术、自适应电压定位技术和输出电压前缘调制法等去减轻左零点带来的不利效应，但这些方法不是导致输出纹波过大就是工作时序难以控制，给设计带来了一定的难度。

发明内容

本发明提出一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统，实现简单高效的补偿，能够有效地用在升压变化器中，提高技术稳定性。

本发明实施例提供一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统，包括：线性电压调整电路、放大电路和自适应电阻电容电路；所述放大电路输入端接所述线性电压调整电路的一端；所述放大电路与所述自适应电阻电容电路连接；所述自适应电阻电容电路接所述线性电压调整电路的另一端；所述自适应电阻电容电路用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节第一输入电流和第二输入电流的比例，以实现零极点追踪补偿；

其中，所述第一输入电流为所述放大电路从所述线性电压调整电路接入的输入电流；所述第二输入电流为所述自适应电阻电容电路从所述线性电压调整电路接入的输入电流成比例。

进一步的，所述线性电压调整电路包括第一NMOS管和第一PMOS管；所述放大电路输入端接所述线性电压调整电路的一端，具体为：

所述第一PMOS管的源极连接所述线性电压调整电路的输入Vin；所述第一PMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的漏极；所述第一PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第一NMOS管的源极与所述放大电路连接，流经所述第一NMOS管的电流与流经所述放大电路的电流值相等。

进一步的，所述放大电路包括运算放大器、第二PMOS管；所述运算放大器的反向输入端接所述第二PMOS管的源极；所述运算放大器的同向输入端接所述自适应电阻电容电路；所述运算放大器的输出端接所述自适应电阻电容电路；所述第二PMOS管的源极接线所述第一NMOS管的源极；所述第二PMOS管的栅极接所述运算放大器的输出端；所述第二PMOS管的漏极接所述运算放大器的输出端。

进一步的，所述自适应电阻电容电路包括：第三PMOS管、第一电容和第二电容；所述第三PMOS管的源极接所述运算放大器的正向输入端；所述第三PMOS管的栅极接所述运算放大器的输出端；所述第一电容的一端接所述第三PMOS管的漏极，另一端接所述线性电压调整电路；

所述第二电容的一端接所述第三PMOS管的源极，另一端接所述线性电压调整电路。

进一步的，所述线性电压调整电路包括第四PMOS管和第二NOMS管；所述自适应电阻电容电路接所述线性电压调整电路的另一端，具体为：

所述第四POMS管的源极连接所述线性电压调整电路的输入端；所述第四PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的栅极；所述第四PMOS管的漏极连接所述第二电容；所述第二NMOS管的漏极连接所述第四PMOS管的漏极；所述第二NMOS管的栅极连接所述第三PMOS管的源极；所述第二NMOS管的源极连接所述第一电容。

进一步的，所述第一输入电流为流经所述第一PMOS管的输入电流；所述第二输入电流为流经所述第四PMOS管的输入电流；

所述自适应电阻电容电路具体用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节所述第一输入电流和所述第二输入电流的比例，使所述第三PMOS管的栅源级电压等于所述第三PMOS管的栅源级电压，从而使零点的大小恒等于输出极点的大小，实现所述零点与所述输出极点的相互抵消；

所述自适应电阻电容电路还用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节所述第一输入电流和所述第二输入电流的比例，使补偿极点的大小恒等于左半边零点的大小，实现所述补偿极点与所述左半边零点相互抵消。

本发明提供了一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统，包括：线性电压调整电路、放大电路和自适应电阻电容电路。相比于现有技术会出现导致输出纹波过大或者工作时序难以控制的问题，本发明技术方案提出的自适应电阻电容电路的调节，完成了补偿极点和零点对技术输出极点和左半平面的精确追踪，实现了该极点和零点的完全抵消，确保了系统有着足够的相位裕度。

附图说明

图1是本发明提供的基于零极点追踪机制的环路补偿系统的一种原理示意图；

图2是本发明提供的基于零极点追踪机制的环路补偿系统的一种实施例的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的基于零极点追踪机制的环路补偿系统的一种原理示意图。该环路补偿系统包括线性电路电压输出端Vout、负载电阻Rfb1、负载电阻Rfb2、运算放大器AMP、电容Cc、可调电阻RMc、可调电容Cg。

线性电路电压输出端Vout接负载电阻Rfb1。负载电阻Rfb1接负载电阻Rfb2。负载电阻Rfb2接地。放大器AMP的反向输入端接负载电阻Rfb1和负载电阻Rfb2。放大器AMP的同向输入端接基准电压。放大器AMP的输出端接电容Cc与可调电容Cg。电容Cc与可调电容Cg接可调电阻R_Mc。

当补偿极点零点时，实现零极点相互抵消，其中wzesr为左半边零点，wpout为输出极点。

因此，当负载电流减小时，负载电阻Rfb1和Rfb2增大，输出极点wpout变小。通过调节RMc，改变零点wz1，使零点wz1跟随输出极点wpout变化，保证零点wz1恒等于输出极点wpout，实现输出极点wpout追踪和补偿。通过让Cg减小跟随RMc的增大，保证RMc*Cg保持恒定，保证补偿极点wp1恒等于左半边零点wzesr，实现左半边零点追踪和补偿。

需要说明的是，负载电流增加的处理方法与负载电流减小的处理方法相同，保证在全负载范围内对功率级输出极点wpout和左半平面零点wzesr的消除。

进一步的，参见图2，是本发明提供的基于零极点追踪机制的环路补偿系统的一种实施例的电路示意图。包括线性电压调整电路101、放大电路102、自适应电阻电容电路103。

线性电压调整电路101一端与放大电路102连接，另一端与自适应电阻电容电路103连接。线性电压调整电路101流经放大电路102的电流为第一电流，线性电压调整电路101流经自适应电阻电容电路103的电流为第二电流。第一电流和第二电流的比例为1：K。

进一步的，与放大电路102连接的线性电压调整电路101包括输入Vin、第一PMOS管P1，第一NMOS管N1和电阻R1。PMOS管P1的源极连接输入Vin。PMOS管的漏极连接NMOS管的漏极，PMOS管的栅极连接NMOS管的漏极。NMOS管的源极通过电阻R1与放大电路连接。

与自适应电阻电容电路103连接的线性电压调整电路101包括输入Vin，第四PMOS管P3，电阻R2和第二NMOS管N2。第四PMOS管P3的源极连接输入Vin。第四PMOS管P3的栅极连接第一PMOS管P1的栅极。第四PMOS管P3的漏极通过电阻R2连接自适应电阻电容电路103。第二NMOS管N2的漏极通过电阻R2连接第四PMOS管P3的漏极。第二NMOS管N2的栅极连接自适应电阻电容电路103。第二NMOS管N2的源极连接自适应电阻电容电路103。

自适应电阻电容电路103根据所述线性电压调整电路101输入的调整参数，调节第一输入电流和第二输入电流的比例，实现零极点追踪补偿。

进一步的，放大电路102包括运算放大器op2和第二PMOS管P2。运算放大器op2的反向输入端连接第二PMOS管P2的源极。运算放大器op2的同向输入端接自适应电阻电路103。运算放大器op2的输出端接自适应电阻电路103。第二PMOS管P2的源极通过电阻R1连接第一NMOS管N1的源极。第二PMOS管P2的漏极连接运算放大器op2的输出端。第二PMOS管P2的栅极连接运算放大器op2的输出端。

由于第一NMOS管N1的源极通过电阻R1与第二PMOS管P2的源极连接，因此，流过第一NMOS管N1的电流ic同时也流过第二PMOS管P2，并且由于第二PMOS管P2采用二极管的连接方式，所以其工作在饱和区。

进一步的，自适应电阻电容电路103包括第三PMOS管Mc、第一电容Cc、第二电容Cg。

第三PMOS管Mc的栅极与运算放大器op2的输出端连接，第三PMOS管Mc的源极与运算放大器op2的同向输入端连接。运算放大器op2和第三PMOS管Mc构成负反馈电路，使运算放大器OP2的正负输入端电位相等，既此时第三PMOS管Mc的栅源级电压等于PMOS管P2的栅源级电压。第三PMOS管Mc的漏极与第一电容Cc连接。第一电容Cc与第二NMOS管N2的源极连接。第二电容Cg一端与第三PMOS管Mc的源极连接，另一端与第二NMOS管N2的漏极连接。

通过调节线性电压调节电路101的参数，使得第三PMOS管Mc工作在线性区并且第二PMOS管P2和第三PMOS管Mc的阈值电压相等，此时第三PMOS管Mc源漏极可以等效为一个可变电阻，大小为：

第二电容Cg两端的等效电容为：

此时的补偿极点wp1和零点wz1是自适应变化的，表达式为：

可以看出，补偿极点wp1为一个恒定值，只要合理调节相应参数使得其值大小与左半平面零点相等就可以相互抵消；其次对于零点wz1只要合理设置系数K的大小就可以使得其恒等于输出极点的大小，两者也相互抵消，完成全负载电流下精准零极点追踪，实现高效补偿。

相比于现有技术会出现导致输出纹波过大或者工作时序难以控制的问题，本发明技术方案提出的自适应电阻电容电路的调节，完成了补偿极点和零点对技术输出极点和左半平面的精确追踪，实现了该极点和零点的完全抵消，确保了系统有着足够的相位裕度。同时，系统能够在轻载下保证足够相位裕度同时提高了系统的带宽；在重载情况下，通过合理设置带宽范围仍然保证系统具有足够的相位裕度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，包括：线性电压调整电路、放大电路和自适应电阻电容电路；

所述放大电路输入端接所述线性电压调整电路的一端；

所述放大电路与所述自适应电阻电容电路连接；

所述自适应电阻电容电路接所述线性电压调整电路的另一端；

所述自适应电阻电容电路用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节第一输入电流和第二输入电流的比例，以实现零极点追踪补偿；

其中，所述第一输入电流为所述放大电路从所述线性电压调整电路接入的输入电流；所述第二输入电流为所述自适应电阻电容电路从所述线性电压调整电路接入的输入电流。

2.根据权利要求1所述的零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，所述线性电压调整电路包括第一NMOS管和第一PMOS管；

所述放大电路输入端接所述线性电压调整电路的一端，具体为：

所述第一PMOS管的源极连接所述线性电压调整电路的输入Vin；

所述第一PMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的漏极；

所述第一PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的漏极；

所述第一NMOS管的源极与所述放大电路连接，流经所述第一NMOS管的电流与流经所述放大电路的电流值相等。

3.根据权利要求2所述的零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，所述放大电路包括运算放大器、第二PMOS管；

所述运算放大器的反向输入端接所述第二PMOS管的源极；

所述运算放大器的同向输入端接所述自适应电阻电容电路；

所述运算放大器的输出端接所述自适应电阻电容电路；

所述第二PMOS管的源极接线所述第一NMOS管的源极；

所述第二PMOS管的栅极接所述运算放大器的输出端；

所述第二PMOS管的漏极接所述运算放大器的输出端。

4.根据权利要求3所述的零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，所述自适应电阻电容电路包括：第三PMOS管、第一电容和第二电容；

所述第三PMOS管的源极接所述运算放大器的正向输入端；

所述第三PMOS管的栅极接所述运算放大器的输出端；

所述第一电容的一端接所述第三PMOS管的漏极，另一端接所述线性电压调整电路；

所述第二电容的一端接所述第三PMOS管的源极，另一端接所述线性电压调整电路。

5.根据权利要求4所述的零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，所述线性电压调整电路包括第四PMOS管和第二NOMS管；

所述自适应电阻电容电路接所述线性电压调整电路的另一端，具体为：

所述第四POMS管的源极连接所述线性电压调整电路的输入端；

所述第四PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的栅极；

所述第四PMOS管的漏极连接所述第二电容；

所述第二NMOS管的漏极连接所述第四PMOS管的漏极；

所述第二NMOS管的栅极连接所述第三PMOS管的源极；

所述第二NMOS管的源极连接所述第一电容。

6.根据权利要求5所述的零极点追踪机制的环路补偿系统，其特征在于，所述第一输入电流为流经所述第一PMOS管的输入电流；所述第二输入电流为流经所述第四PMOS管的输入电流；

所述自适应电阻电容电路具体用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节所述第一输入电流和所述第二输入电流的比例，使所述第三PMOS管的栅源级电压等于所述第三PMOS管的栅源级电压，从而使零点的大小恒等于输出极点的大小，实现所述零点与所述输出极点的相互抵消；

所述自适应电阻电容电路还用于根据所述线性电压调整电路输入的调整参数，调节所述第一输入电流和所述第二输入电流的比例，使补偿极点的大小恒等于左半边零点的大小，实现所述补偿极点与所述左半边零点相互抵消。