CN112003572A - 一种带开关电容补偿的误差放大器电路 - Google Patents

一种带开关电容补偿的误差放大器电路 Download PDF

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Abstract

一种带开关电容补偿的误差放大器电路，将第一运算放大器正向输入端连接参考电压，负向输入端连接第二电阻一端并通过第一电阻后连接应用系统输出采样，输出端连接第二电阻另一端、第三电阻一端和第二电容一端；第一传输门一端连接第三电阻另一端，另一端连接第二传输门一端和第二运算放大器正向输入端并通过第一电容后接地；第三传输门一端连接第二传输门另一端和第二电容另一端，另一端连接第二运算放大器负向输入端和输出端并作为误差放大器电路的输出端；本发明结合时钟控制三个传输门导通和截止，从而改变接入系统的电容和电阻实现等效的电容放大作用，保证系统在拥有小电容的内部集成补偿方案下的相位裕度足够稳定，兼顾了可靠性和面积成本。

Description

一种带开关电容补偿的误差放大器电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种带开关电容补偿的误差放大器电路，能够应用于DC-DC变换器中实现环路稳定。
背景技术
近年来，现代电力电子技术的不断发展促进了工业控制仪器、汽车电子、个人消费类电子市场的蓬勃发展，并且快速增长的物联网和便携式设备等日益复杂的电子系统为电源管理IC的市场需求带来了强劲的推动力以及提出了严格的要求。电源管理IC中最常见的种类就是开关电源类的DC-DC变换器，由于其具有较高的功率效率和较快的响应速度、输入输出电压范围大、以及可输出大电流等等优点，在实际应用中适合更多的场合，也因此在整个电源管理芯片市场中，DC-DC变换器一直占据主导地位。
在常见的DC-DC变换器中，误差放大器电路作为电压模式控制以及电流模式控制的主要一环，是环路控制必不可少的一部分。在最为常见的以电压模式或电流模式控制的开关电源电路中，误差放大器用于将从DC-DC变换器的输出节点得到的采样电压值VSAMPLE与内部参考电压VREF进行比较，并且放大其差值，该放大的差值进入DC-DC变换器中后续的PWM比较器可以调整功率管的导通时间，从而实现对DC-DC变换器输出电压的调整，完成整个闭环的控制。误差放大器是整个电路的核心，也是该调整机制的基础，它决定了系统的环路增益以及保证了环路的稳定性。
对于DC-DC变换器而言，通常由于系统采样、系统负载以及输出电容等会在高频存在较多的极点，这些极点会导致系统发生振荡，为了保证系统具有较好的稳定性，通常都需要对误差放大器做环路补偿方案。一个闭环系统要保证其环路的稳定性，需要相位裕度在60°以上，通常一个左半平面极点会带来负的90°的相移，而一个左半平面的零点会带来正90°的相移。以将误差放大器应用于原边反馈反激变换器的环路控制为例，里面存在着一个输出功率级极点，采样双重极点，以及环路误差放大器造成的极点，不做补偿的话，显然无法保证系统的稳定。按照系统控制的不同，常见的补偿方案有Ⅰ型补偿、Ⅱ型补偿以及Ⅲ型补偿，它们分别给系统带来一个极点、一对零极点以及三个极点两个零点，用于压低带宽以及补偿极点，共同确保系统的稳定。但是由于系统的带宽比较低，因此就需要有较低频的零极点，这就要求需要较大的补偿电阻以及补偿电容，而较大的电阻和电容不利于集成至芯片内部，一般需要外置，不仅需要多余的芯片管脚，也会占用更多的面积，使得电源模块的体积以及成本都增大。
如图1(a)所示为一个典型的DC-DC变换器基于跨导式运算放大器(OperationalTrans-impedance Amplifier，OTA)型误差放大器的II型补偿(type-II)方案的原理图，在误差放大器的输出端挂上用于补偿的电阻RCC和电容CCC。其实现补偿环路的传输函数为：
Figure BDA0002641318950000021
在上式(1)中gm为误差放大器的跨导，ro为误差放大器的输出电阻，根据上式可以得到系统的零极点特性：
Figure BDA0002641318950000022
Figure BDA0002641318950000023
画出系统的补偿零极点效果图如图1(b)所示，要想保证系统的稳定，需要将补偿的零极点fp1以及fz1放到比较靠前，且功率级输出极点fp2需要在fz1之后。而fp2的大小为：
Figure BDA0002641318950000024
在上式中ROUT和COUT为系统的输出电阻以及输出电容，通常ROUT会相对较小，COUT会相对较大。为了保证采样功率级点在带外，通常需要将系统的环路带宽压低到开关频率1/5左右。这些要求就需要有一个较大的补偿电容CCC，将主极点和环路带宽压低，可以使得带内只有两个极点一个零点，利用零点fz1补偿输出极点fp2，用于确保环路的相位裕度足够。CCC通常需要nF至uF级别，无法集成至系统内部，只能外挂，既增加了芯片管脚，又增加了系统面积和成本。
发明内容
针对传统的误差放大器环路补偿方案中需要外挂大电容或是大电阻带来的成本和面积上的问题，本发明提出了一种带开关电容补偿的误差放大器电路，利用在补偿网络中插入开关电容的控制方式，可以在利用较小的内部集成电容的情况下对环路进行稳定性补偿，保证应用系统的稳定，从而降低了应用系统的成本和面积；本发明适应于任何需要误差放大器环路补偿的应用系统，如DC-DC变换器等。
本发明的技术方案为：
一种带开关电容补偿的误差放大器电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第一电容和第二电容，
第一运算放大器的正向输入端作为所述误差放大器电路的第一输入端连接参考电压，其负向输入端连接第二电阻的一端并通过第一电阻后连接所述误差放大器电路的第二输入端，其输出端连接第二电阻的另一端、第三电阻一端和第二电容的一端；
第一传输门的一端连接第三电阻的另一端，其另一端连接第二传输门的一端和第二运算放大器的正向输入端并通过第一电容后接地；
第三传输门的一端连接第二传输门的另一端和第二电容的另一端，其另一端连接第二运算放大器的负向输入端和第二运算放大器的输出端并作为所述误差放大器电路的输出端；
第一传输门、第二传输门、第三传输门的导通和截止由所述误差放大器电路应用系统的采样控制信号进行控制，当所述采样控制信号为高电平时，所述误差放大器电路应用系统对其输出信号进行采样并将采样结果输出到所述误差放大器电路的第二输入端，高电平的所述采样控制信号控制第一传输门和第二传输门导通，第三传输门截止；当所述采样控制信号为低电平时，所述误差放大器电路应用系统将所述采样控制信号为高电平时获得的采样结果进行保持并输出到所述误差放大器电路的第二输入端，低电平的所述采样控制信号控制第一传输门和第二传输门截止，第三传输门导通。
具体的，所述第一运算放大器为跨导式运算放大器。
本发明的有益效果为：本发明在补偿网络中插入开关电容，利用时钟控制改变接入系统的电容和电阻实现等效的电容放大作用，采用的电阻和电容能够集成到片内，保证应用系统在拥有小电容的内部集成补偿方案下的相位裕度足够稳定，并提升了系统可靠性和避免了多余的管脚，减小了系统面积，降低了系统成本；本发明适应于任何需要误差放大器环路补偿的应用系统，适用范围广。
附图说明
图1为DC-DC变换器中误差放大器的传统II型补偿方案以及补偿效果图，其中(a)为补偿原理图，(b)为补偿零极点效果图。
图2为本发明提出的一种带开关电容补偿的误差放大器电路的具体结构图。
图3为本发明提出的一种带开关电容补偿的误差放大器电路在采样控制信号Φ为高电平时的等效电路图。
图4为本发明提出的一种带开关电容补偿的误差放大器电路在采样控制信号Φ为低电平时的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图2所示是本发明提出的一种带开关电容补偿的误差放大器电路的结构示意图，其中第一运算放大器OP1为误差放大器主体电路，第一电阻R1和第二电阻R2用于确定环路的低频增益，第三电阻R3、第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、第一电容C1和第二电容C2为开关电容补偿方案的组成部分，第二运算放大器OP2用作缓冲器电路(BUFFER)防止后续电路从此处抽取电流，影响环路补偿。第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2优选采用跨导式运算放大器构成OTA型误差放大器。
第一运算放大器OP1的正向输入端作为误差放大器电路的第一输入端连接参考电压VREF，其负向输入端连接第二电阻R2的一端并通过第一电阻R1后连接误差放大器电路的第二输入端，其输出端连接第二电阻R2的另一端、第三电阻R3一端和第二电容C2的一端；第一传输门TG1的一端连接第三电阻R3的另一端，其另一端连接第二传输门TG2的一端和第二运算放大器OP2的正向输入端并通过第一电容C1后接地；第三传输门TG3的一端连接第二传输门TG2的另一端和第二电容C2的另一端，其另一端连接第二运算放大器OP2的负向输入端和第二运算放大器OP2的输出端并作为误差放大器电路的输出端。
第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3的导通和截止由误差放大器电路应用系统的采样控制信号Φ1进行控制，当采样控制信号Φ1为高电平时，误差放大器电路应用系统对其输出信号进行采样并将采样结果VSAMPLE输出到误差放大器电路的第二输入端，同事高电平的采样控制信号Φ1控制第一传输门TG1和第二传输门TG2导通，第三传输门TG3截止；当采样控制信号Φ1为低电平时，误差放大器电路应用系统将采样控制信号为高电平时获得的采样结果VSAMPLE进行保持并输出到误差放大器电路的第二输入端，同时低电平的采样控制信号Φ1控制第一传输门TG1和第二传输门TG2截止，第三传输门TG3导通。
本发明通过采样控制信号Φ1选通不同的传输门而将电容以不同形态接入误差放大器电路，从而实现在整个周期内等效的接入电容较大，以较小的实际电容实现等效大电容的补偿方式，可以做到片内集成补偿方案，降低芯片系统面积和成本。
下面以将本发明提出的误差放大器电路应用与DC-DC变换器为例来详细说明本发明的工作过程和工作原理，但本发明也可以应用于其他任何需要进行误差放大器环路补偿的应用系统中。
如图2所示，本发明利用一对互补的时钟Φ1和Φ2控制三个传输门TG1、TG2、TG3的导通和截止来改变接入系统的电容电阻状态，从而实现整个周期内等效接入电容的放大，实现利用小电容实现等效大电容的效果。其中Φ1由应用系统给出，是应用系统(本实施例中为DC-DC变换器)的采样控制信号，当采样控制信号Φ1翻高时应用系统采样其输出电压，环路保持完整连接；当采样控制信号Φ1翻低时应用系统断开与输出电压的连接，应用系统为保持态，此时应用系统利用采样到的电压VSAMPLE进行调整，误差放大器EA的前级采样保持电路会保持Φ1为高时采样获得的输出电压反馈信息VSAMPLE。
如图3所示为采样控制信号Φ1为高电平时的误差放大器的等效电路图，此时，高电平的采样控制信号Φ1控制第一传输门TG1和第二传输门TG2导通，第三传输门TG3截止。根据图3所示的等效电路图可以得到此时补偿误差放大器的传输函数为：
Figure BDA0002641318950000051
其中VOUT是误差放大器的输出电压，式(5)中
Figure BDA0002641318950000052
决定了系统的低频增益，其零极点的位置为：
Figure BDA0002641318950000053
Figure BDA0002641318950000054
如图4所示是采样控制信号Φ1为低电平时的误差放大器的等效电路图，此时，低电平的采样控制信号Φ1控制第一传输门TG1和第二传输门TG2截止，第三传输门TG3导通。此时系统进入保持态。采样控制信号Φ1为高电平的时段记为τ1时间，在本发明提出的开关电容的控制方式下，τ1时间内第三电阻R3对第一电容C1所充的电荷会由于开关电容的切换和第二电容C2接上瞬间的耦合作用实现电容之间的电荷分享，周期平均后，使得等效电容增大。
设采样控制信号Φ1为高时的状态为H(k)，采样控制信号Φ1为低时的状态为H(k+1)，为了考虑电容作用引入中间态H(k+0.5)，根据电路等效关系有：
Figure BDA0002641318950000055
根据三要素法，可以得到如下关系：
Figure BDA0002641318950000056
式(8)和式(9)联立消除中间态，可以得到：
Figure BDA0002641318950000061
由于为离散型系统，转化为z域函数计算可以得到：
Figure BDA0002641318950000062
其中取τadd为：
Figure BDA0002641318950000063
可以得到系统的等效传输函数为：
Figure BDA0002641318950000064
在上式中TS为采样控制信号Φ1的时钟周期也是应用系统即DC-DC变换器的工作周期，τ1为采样控制信号Φ1为高电平的时间，τadd为一个和第一电容C1、第二电容C2、第三电阻R3有关的时间常数。根据式(13)可以得到系统的等效零极点为：
Figure BDA0002641318950000065
Figure BDA0002641318950000066
从上式来看系统的零极点都被等效缩小了
Figure BDA0002641318950000067
倍，通过设置参数τ1和τadd实现一个较小的系数
Figure BDA0002641318950000068
可以实现利用片内小电容在系统上产生较低的补偿极点fp2'和补偿零点fz2'，从而保证系统稳定和完成系统频率补偿。由于本发明提出的误差放大器电路中，第一电容C1和第二电容C2都是pF级别，可以实现片内集成的补偿方式，大大提升了系统的可靠性以及减小系统面积和成本。
综上所述，本发明通过开关电容补偿的方式，利用时钟控制改变接入系统的电容和电阻，可以实现一个等效的电容放大作用，从而使得应用系统的零极点能够处于较低的位置，从而保证系统在拥有小电容的内部集成补偿方案下的相位裕度足够稳定，并提升了系统可靠性和避免了多余的管脚，减小了系统面积，降低了系统成本。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种带开关电容补偿的误差放大器电路，其特征在于，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第一电容和第二电容，
第一运算放大器的正向输入端作为所述误差放大器电路的第一输入端连接参考电压，其负向输入端连接第二电阻的一端并通过第一电阻后连接所述误差放大器电路的第二输入端，其输出端连接第二电阻的另一端、第三电阻一端和第二电容的一端；
第一传输门的一端连接第三电阻的另一端，其另一端连接第二传输门的一端和第二运算放大器的正向输入端并通过第一电容后接地；
第三传输门的一端连接第二传输门的另一端和第二电容的另一端，其另一端连接第二运算放大器的负向输入端和第二运算放大器的输出端并作为所述误差放大器电路的输出端；
第一传输门、第二传输门、第三传输门的导通和截止由所述误差放大器电路应用系统的采样控制信号进行控制，当所述采样控制信号为高电平时，所述误差放大器电路应用系统对其输出信号进行采样并将采样结果输出到所述误差放大器电路的第二输入端，高电平的所述采样控制信号控制第一传输门和第二传输门导通，第三传输门截止；当所述采样控制信号为低电平时，所述误差放大器电路应用系统将所述采样控制信号为高电平时获得的采样结果进行保持并输出到所述误差放大器电路的第二输入端，低电平的所述采样控制信号控制第一传输门和第二传输门截止，第三传输门导通。
2.根据权利要求1所述的带开关电容补偿的误差放大器电路，其特征在于，所述第一运算放大器为跨导式运算放大器。
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