CN108900069A - 一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路 - Google Patents

一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，包括占空比检测电路、控制电路以及二次斜坡产生电路，所述放电场效应管NM2通过控制由产生系统工作周期的偏置电压信号Vf产生的电流If对积分电容C2进行充电产生包含占空比信号的电压信号Va；所述控制电路通过比较电压Va与参考电压产生斜坡电路的工作控制信号；所述二次斜坡产生电路根据前述控制信号，包含占空比信号的电压Va以及包含频率信号的电压Vf产生二次斜坡补偿信号Islope。本发明通过在不同占空比时采用不同的补偿斜率，既能保证系统电流环路的稳定，又能合理地减小电路功耗。在相同占空比下增大了系统的稳定性、瞬态响应以及带载能力，提高了芯片的效率。

Description

一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路
技术领域
本发明涉及开关电源管理技术领域，具体涉及一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，带动了电源管理技术的发展，电源管理芯片作为组成人们日常生活中常用电子设备的必不可少的部件，开关电源芯片的需求越来越大。在开关电源芯片中，需要采样系统信号来产生系统工作的占空比信号，电流控制模式相比于电压控制模式有较好的瞬态响应。但是在电流控制模式下，系统工作的占空比大于50％时，当输出电感电流有微小波动时，扰动电流有逐周期增大的趋势，系统会出现次谐波振荡，使系统无法正常工作，如图1所示。
因此系统需要加入合适的斜坡补偿，以此来抑制次谐波振荡的现象。但传统的线性斜坡补偿的补偿斜坡频率固定，如图2所示会在一定条件下造成过补偿，影响系统带载能力以及系统的瞬态响应。目前开关电源系统要求在一定的频率范围内能够工作稳定，因而需要合适的自适应系统占空比和开关频率变化的斜坡补偿电路。。
发明内容
本发明提供了一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，该二次斜坡补偿电路可产生随系统频率以及占空比变换的斜坡补偿电流的电路结构，使得系统在一定的工作频率条件下能够稳定工作。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，包括占空比检测电路、控制电路以及二次斜坡产生电路：所述占空比检测电路包括场效应管PM1、积分电容C2、放电场效应管NM2、反相器INV1以及产生系统工作周期的振荡器电路；
所述控制电路包括比较器Comp2、电阻R1和电阻R2；
所述二次斜坡产生电路包括电流镜电路以及场效应管NM3、场效应管NM6，开关场效应管NM9、复位场效应管PM7和复位场效应管PM8。
优选的，所述放电场效应管NM2通过控制由产生系统工作周期的偏置电压信号Vf产生的电流If对积分电容C2进行充电产生包含占空比信号的电压信号Va。
优选的，所述反相器INV1输入端接占空比信号PWM、输出端接信号PWM_B，场效应管PM1栅极接偏置电压信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C2一端相连，产生电流If对积分电容C2进行充电；所述场效应管NM2栅极输入端接信号PWM_B、源极接地GND、漏极与场效应管PM1的漏极共同连接在积分电容C2同一端，控制积分电容的积分时间；所述积分电容C2另一端与地GND相连。
优选的，所述产生系统工作周期的振荡器电路中场效应管PM9栅极与漏极相连接偏置信号Vf、源极接电源VDD，PM0栅极接偏置信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C1一端相连，场效应管NM1栅极输入端接信号Ctr、源极接地GND、漏极与场效应管PM0漏极共同连接在积分电容C1同一端，且该积分电容C1一端同时与运放Comp1的反相输入端相连，积分电容C1另一端与地GND相连，运放Comp1的正相输入端与基准电压Vref1相连，输出端串接两个反相器后输出系统工作周期信号Ctr。
优选的，所述控制电路(20)接入包含周期信号的参考电压Vref2和包含占空比信息的电压信号Va，以此产生控制斜坡产生电路是否工作的信号Ctr1。
优选的，所述控制电路(20)中电阻R1与电阻R2串联在参考电压Vref2与地GND之间，电阻R1与电阻R2的公共端接比较器Comp2的反向输入端，比较器Comp2的正向输入端接占空比检测电路的输出电压信号Va，比较器Comp2的输出端产生控制信号Ctr1。
优选的，所述二次斜坡产生电路(30)中场效应管NM3栅极输入端接电压信号Va，产生与占空比成二次方关系的电流信号I1，场效应管NM6栅极输入端接串联电阻R1与电阻R2的公共端d输出的参考电压信号Vd，产生与周期信号成二次方关系的电流信号I2；经过电流镜电路后产生二次斜坡电流信号Islope。
优选的，场效应管NM3栅极接电压信号Va、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，按比例复制电流信号I1，场效应管NM6栅极接电压信号Vd、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，电流镜电路PM4-PM5输出端与电流镜电路NM4-NM5输入端相接，按比例复制电流信号I2；电流镜电路NM4-NM5输出端与电流镜电路PM2-PM3输出端在结点b处与开关场效应管NM9漏极相连，开关场效应管NM9栅极接电压信号Vbias，场效应管PM6栅极接电压信号Vf、源极接电源VDD，开关场效应管NM9源极与场效应管PM6漏极与电流镜电路NM7-NM8输入端相连；电流I1、电流I2在结点b处叠加形成电流信号I3，经开关场效应管NM9在结点c与场效应管PM6产生的电流信号I4在结点c处叠加，经电流镜电路NM7-NM8输出二次斜坡电流信号Islope。
优选的，复位场效应管PM7及复位场效应管PM8的栅极输入端接控制信号Ctr1，源极接电源VDD，复位场效应管PM7漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，复位场效应管PM8漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，控制二次斜坡产生电路是否工作。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明的电路中占空比检测电路接入产生系统工作周期的偏置信号以及占空比信号，以此产生包含占空比信息的电压信号；控制电路接入上述包含占空比信息的电压信号并将此电压信号与包含周期信息的参考电压进行比较，并输出控制电平信号Ctr1；二次斜坡产生电路接入上述包含占空比信息的电压信号以及产生系统工作周期的偏置信号，并由此产生随占空比变化以及系统工作周期变化的斜坡补偿电流Islope。当系统工作占空比小于一定值时控制斜坡补偿电路处于不工作状态，减小电路功耗；当系统工作占空比大于此设定值时，斜坡补偿电路产生二次斜坡补偿电流信号对系统进行二次斜坡补偿。本发明的电路在不同占空比时采用不同的补偿斜率，其中控制电路输出逻辑信号控制占空比小于一定值时，斜坡补偿电路不进行斜坡补偿；在占空比大于该值时，斜坡补偿电路进行斜坡补偿，并根据占空比检测电路产生不同的斜坡补偿电流。这样既能保证系统电流环路的稳定，又能合理地减小电路功耗。在相同占空比下增大了系统的稳定性、瞬态响应以及带载能力，提高了芯片的效率；
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。在附图中：
图1是本发明一个实施例中基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路的电路图。
图2是系统在稳态和有干扰时的电感电流变化示意图。
图3是传统斜坡补偿示意图与二次动态斜坡补偿示意图对比图。
图4(a)是电压Vf与电流If的关系图，(b)是电流If与频率的关系图。
图5是本发明一个实施例中二次动态斜坡补偿示意图。
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。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例1
如图1所示，一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，包括占空比检测电路10、控制电路20以及二次斜坡产生电路30：所述占空比检测电路包括场效应管PM1、积分电容C2、放电场效应管NM2、反相器INV1以及产生系统工作周期的振荡器电路。
其中，所述放电场效应管NM2通过控制由产生系统工作周期的偏置电压信号Vf产生的电流If对积分电容C2进行充电产生包含占空比信号的电压信号Va；所述反相器INV1输入端接占空比信号PWM、输出端接信号PWM_B，场效应管PM1栅极接偏置电压信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C2一端相连，产生电流If对积分电容C2进行充电；所述场效应管NM2栅极输入端接信号PWM_B、源极接地GND、漏极与场效应管PM1的漏极共同连接在积分电容C2同一端，控制积分电容的积分时间；所述积分电容C2另一端与地GND相连；所述产生系统工作周期的振荡器电路中场效应管PM9栅极与漏极相连接偏置信号Vf、源极接电源VDD，PM0栅极接偏置信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C1一端相连，场效应管NM1栅极输入端接信号Ctr、源极接地GND、漏极与场效应管PM0漏极共同连接在积分电容C1同一端，且该积分电容C1一端同时与运放Comp1的反相输入端相连，积分电容C1另一端与地GND相连，运放Comp1的正相输入端与基准电压Vref1相连，输出端串接两个反相器后输出系统工作周期信号Ctr。
所述控制电路20包括比较器Comp2、电阻R1和电阻R2；其中所述控制电路20接入包含周期信号的参考电压Vref2和包含占空比信息的电压信号Va，以此产生控制斜坡产生电路是否工作的信号Ctr1；所述电阻R1与电阻R2串联在参考电压Vref2与地GND之间，电阻R1与电阻R2的公共端接比较器Comp2的反向输入端，比较器Comp2的正向输入端接占空比检测电路的输出电压信号Va，比较器Comp2的输出端产生控制信号Ctr1；
所述二次斜坡产生电路30包括电流镜电路以及场效应管NM3、场效应管NM6，开关场效应管NM9、复位场效应管PM7和复位场效应管PM8。
其中，所述场效应管NM3栅极输入端接电压信号Va，产生与占空比成二次方关系的电流信号I1，场效应管NM6栅极输入端接串联电阻R1与电阻R2的公共端d输出的参考电压信号Vd，产生与周期信号成二次方关系的电流信号I2；经过电流镜电路后产生二次斜坡电流信号Islope。
具体的，所述场效应管NM3栅极接电压信号Va、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，按比例复制电流信号I1，场效应管NM6栅极接电压信号Vd、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，电流镜电路PM4-PM5输出端与电流镜电路NM4-NM5输入端相接，按比例复制电流信号I2；电流镜电路NM4-NM5输出端与电流镜电路PM2-PM3输出端在结点b处与开关场效应管NM9漏极相连，开关场效应管NM9栅极接电压信号Vbias，场效应管PM6栅极接电压信号Vf、源极接电源VDD，开关场效应管NM9源极与场效应管PM6漏极与电流镜电路NM7-NM8输入端相连；电流I1、电流I2在结点b处叠加形成电流信号I3，经开关场效应管NM9在结点c与场效应管PM6产生的电流信号I4在结点c处叠加，经电流镜电路NM7-NM8输出二次斜坡电流信号Islope。
所述复位场效应管PM7及复位场效应管PM8的栅极输入端接控制信号Ctr1，源极接电源VDD，复位场效应管PM7漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，复位场效应管PM8漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，控制二次斜坡产生电路是否工作。
实施例2
基于上述实施例的电路，本实施例对R1＝R2为例进行详细说明。
所述占空比检测电路10还包括产生系统工作周期的振荡器电路，所述振荡器电路中基准电压Vref1如式(1)所示：
Vf由系统提供用来产生给电容C1充电的电流If，Vf与If之间关系如式(2)所示，通过比较器Comp1与参考电压Vref1比较，进而产生系统的工作周期T，其关系如图(4)所示，当Vf减小时，电流If增大，进而频率变大；所述占空比检测电路10中：PM1所加栅极电压为Vf，因而给电容C2充电的电流与振荡器电路中给电容C1充电的电流If相等，NM2栅极控制信号为占空比信号PWM的反向信号PWM_B，可知电压Va如式(3)所示：
本实施例中，占空比检测电路10的输出电压信号Va随着占空比的变化而变化。
所述控制电路20包括两个串联的电阻R1、R2和比较器Comp2；两个电阻串联在参考电压Vref2与地之间，电阻R1、R2的公共端结点d接比较器的负输入端，比较器的正输入端接占空比检测电路的输出电压信号Va。参考电压Vref2为在R1＝R2条件下，当占空比D小于0.5时，比较器Comp2输出信号Ctr1为逻辑低电平；当占空比D大于0.5时，比较器Comp2输出信号Ctr1为逻辑高电平。
本实施例中，控制电路20的输出逻辑电压信号Ctr1为逻辑低电平时控制二次斜坡补偿电路不工作，输出逻辑电压信号Ctr1为逻辑高电平时控制二次斜坡补偿电路正常工作。
在其他实施例中，可以选择电阻R1和R2的比值来控制二次斜坡补偿电路正常工作时系统工作的占空比阈值大小，其比值需在0.5与1之间，通常选择其比值为0.5。
所述二次斜坡产生电路30的NM3栅极信号接占空比检测电路的输出电压信号Va，产生电流大小如式(4)所示；NM6栅极信号接电阻R1和R2的公共端结点d处的参考电压Vd(其值为即)，产生电流大小如式(5)所示；场效应管PM2-PM3、PM4-PM5、NM4-NM5构成电流镜电路，其中场效应管NM3与NM6的宽长比的比值为1:1，电流镜电路中场效应管PM4与PM5的宽长比的比值为1:1，电流镜电路中场效应管NM4与NM5的宽长比的比值为1:1，电流镜电路中场效应管PM2与PM3的宽长比的比值为1:1，可得I3大小如式(6)所示；NM9栅极电位接固定偏置电压Vbias，其值保证流经NM9的电流不倒流；PM6栅极接电压Vf，其电流与振荡器电路中给电容C1充电的电流If成正比关系；电流I3与I4在结点c叠加通过电流镜NM7-NM8生成斜坡补偿电流Islope，如式(7)所示。
Islope＝m×(I3+nIf) (7)
其中，μp为空穴的迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，W为MOS场效应管沟道宽度，L为有效沟道长度，VTP为P型场效应管的阈值电压。
本实施例中，二次斜坡产生电路30在占空比大于0.5时，产生的电流I3是关于占空比D的二次函数，电流I3随占空比D增大而增大，电流I4随工作频率增大而增大，如图4所示。合理设计其它值可以得到理想的补偿电流Islope，如图5所示。
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 (9)

1.一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，包括占空比检测电路(10)、控制电路(20)以及二次斜坡产生电路(30)：所述占空比检测电路(10)包括场效应管PM1、积分电容C2、放电场效应管NM2、反相器INV1以及产生系统工作周期的振荡器电路；
所述控制电路(20)包括比较器Comp2、电阻R1和电阻R2；
所述二次斜坡产生电路(30)包括电流镜电路以及场效应管NM3、场效应管NM6，开关场效应管NM9、复位场效应管PM7和复位场效应管PM8。
2.根据权利要求1所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述放电场效应管NM2通过控制由产生系统工作周期的偏置电压信号Vf产生的电流If对积分电容C2进行充电产生包含占空比信号的电压信号Va。
3.根据权利要求2所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述反相器INV1输入端接占空比信号PWM、输出端接信号PWM_B，场效应管PM1栅极接偏置电压信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C2一端相连，产生电流If对积分电容C2进行充电；所述场效应管NM2栅极输入端接信号PWM_B、源极接地GND、漏极与场效应管PM1的漏极共同连接在积分电容C2同一端，控制积分电容的积分时间；所述积分电容C2另一端与地GND相连。
4.根据权利要求2所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述产生系统工作周期的振荡器电路中场效应管PM9栅极与漏极相连接偏置信号Vf、源极接电源VDD，PM0栅极接偏置信号Vf、源极接电源VDD、漏极与积分电容C1一端相连，场效应管NM1栅极输入端接信号Ctr、源极接地GND、漏极与场效应管PM0漏极共同连接在积分电容C1同一端，且该积分电容C1一端同时与运放Comp1的反相输入端相连，积分电容C1另一端与地GND相连，运放Comp1的正相输入端与基准电压Vref1相连，输出端串接两个反相器后输出系统工作周期信号Ctr。
5.根据权利要求1所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述控制电路(20)接入包含周期信号的参考电压Vref2和包含占空比信息的电压信号Va，以此产生控制斜坡产生电路是否工作的信号Ctr1。
6.根据权利要求5所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述控制电路(20)中电阻R1与电阻R2串联在参考电压Vref2与地GND之间，电阻R1与电阻R2的公共端接比较器Comp2的反向输入端，比较器Comp2的正向输入端接占空比检测电路的输出电压信号Va，比较器Comp2的输出端产生控制信号Ctr1。
7.根据权利要求1所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述二次斜坡产生电路(30)中场效应管NM3栅极输入端接电压信号Va，产生与占空比成二次方关系的电流信号I1，场效应管NM6栅极输入端接串联电阻R1与电阻R2的公共端d输出的参考电压信号Vd，产生与周期信号成二次方关系的电流信号I2；经过电流镜电路后产生二次斜坡电流信号Islope。
8.根据权利要求7所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，场效应管NM3栅极接电压信号Va、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，按比例复制电流信号I1，场效应管NM6栅极接电压信号Vd、源极接地GND、漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，电流镜电路PM4-PM5输出端与电流镜电路NM4-NM5输入端相接，按比例复制电流信号I2；电流镜电路NM4-NM5输出端与电流镜电路PM2-PM3输出端在结点b处与开关场效应管NM9漏极相连，开关场效应管NM9栅极接电压信号Vbias，场效应管PM6栅极接电压信号Vf、源极接电源VDD，开关场效应管NM9源极与场效应管PM6漏极与电流镜电路NM7-NM8输入端相连；电流I1、电流I2在结点b处叠加形成电流信号I3，经开关场效应管NM9在结点c与场效应管PM6产生的电流信号I4在结点c处叠加，经电流镜电路NM7-NM8输出二次斜坡电流信号Islope。
9.根据权利要求7所述的一种基于占空比的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，复位场效应管PM7及复位场效应管PM8的栅极输入端接控制信号Ctr1，源极接电源VDD，复位场效应管PM7漏极与电流镜电路PM2-PM3输入端相接，复位场效应管PM8漏极与电流镜电路PM4-PM5输入端相接，控制二次斜坡产生电路是否工作。
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