峰值电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技术.pdf

第 2 9卷第 3期 2 0 0 6年 9月 电 子器 件 C h i n e s e J o u ma l o f E l e c t r o n De v i c e s V o 1 2 9 No 3 S e p 2 0 0 6 T e d m o l o g y o f P i e o I i n e a r S l o p e t i o n i n P e a k C m t Mede C o n t r o l l e d Or c ff l t T I AN J i n mi n g WANG S o n g l i n L AI Xi n q u a n WANG Li u j i e 1 Hu a i h a i I nst i t e o f T e c h mo l o g y t Lia n y u n g a n g J i a n g 5 1 t 2 2 2 0 0 5 2 I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c C AD Xi d i a n Un i v e r s i t y Xi a n 7 1 0 0 7 1 C h i n a Ab s t r a c t P W M f e e d b a c k t e c h n o l o g y i s wi d e l y u s e d i n mo d e r n 1 C DC c h i p Th e p a p e r d i s c u s s e s t h e f u n c t i o n o f s l o p e c o mp e n s a t i o n i n t h e p e a k c u r r e n t mo d e c o n t r o l o f PWM mo d e C o mb i n i n g wi t h t h e p e a k c u r r e n t mo d e a me t h o d O f p i e c e wi s e 1 i n e a r s l o p e c o mp e n s a t i o n f o r DC DC c o n v e r t e r i s p r e s e n t e d wh i c h p r o v i d e s c o mp e n s a t i o n s i g n a l t h a t i t s s l o p e s a r e d i f f e r e n t a t d i f f e r e n t d u t y c y c l e s Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e s p i r i t o f t h e d e s i g n a n d p r e s e n t s t h e f a c t u a l c i r c u i t f i n a l l y Th i s c i r c u i t i s d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f Hy n i x 0 5 m CM OS S t a n d a r d Lo g i c p r o c e s s a n d i t s p e r f o r ma n c e h a s b e e n v e r i f i e d b y Hs p i c e s i mu l a t i o n Th e o p t i mi z a t i o n d e s i g n O f p i e c e wi s e 1 i n e a r s l o p e c o mp e n s a t i o n c i r c u i t i mp r o v e s t h e o u t p u t c u r r e n t c a p a b i l i t y a n d t r a n s i e n t r e s p o n s e O f t h e s y s t e m Ke y w o r d s p i e c e wi s e l i n e a r s l o p e c o mp e n s a t i o n D C I X c o n v e r t e r p e a k c u r r e n t mo d e EEA CC 2 5 7 0 D 峰值 电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技术 田锦明 王松林 来新泉 王留杰 1 淮海工学院电子系 江苏连云港 2 2 2 0 0 5 2 西安电子科技大学 C A D研究所 西安 7 1 0 0 7 1 摘 要 P WM反馈技术在现代D C D C芯片中得到了广泛的应用 在此基础上讨论了P WM模式峰值电流控制中的斜坡补 偿的意义 并结合峰值电流模控制方式 提出一种分段线性斜坡补偿方法 详细的介绍了分段线性斜坡补偿电路的设计思想 并且给出了最终设计电路 该电路提供的补偿信号在不同的占空比区间具有不同的斜率 电路基于 Hy n i x 0 5 C MO S S t a n d a r d L o g i c 工艺设计 并经 Hs p i c e 仿真验证达到设计目标 该斜坡补偿电路的优化设计避免了因过补偿而带来的系统瞬 态响应慢和带载能力低等不良影响 关键词 分段线性 斜坡补偿 直流 直流 转换器 峰值电流模 中图分类号 T N 4 3 2 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 5 9 4 9 0 2 0 o 6 0 3 o 8 6 4 I D 4 P WM反馈控制技术是电源芯片中常用的一种 技术 它的基本原理就是在输入变化 内部参数变化 外接负载变化的情况下 控制电路通过被控制信号与 基准信号的差值进行闭环反馈 调节主电路开关的动 态脉冲宽度 使得开关电源的输出电压或电流等被控 制信号稳定 P WM 的控制方式主要有两种 即电压 收稿日期 2 0 0 5 0 9 2 2 基金项目 国防基础科研项目资助 军用电子整机优化设计制造技术 K1 l 0 1 O 2 O 2 O 1 作者简介 田锦明 1 9 6 9 一 男 工程师 硕士研究生 现主要从事电力电子技术的研究与电源变换器电路的设计 幽 i mj 唱4 2 1 3 1 孤 a l n 王松林 1 9 6 2 一 男 副教授 国家电工电子教学基地副主任 主要从事集成电路设计与系统的优化设计 来新泉 1 9 6 3 一 男 博士 教授 研究所副所长 长期从事集成电路设汁 E DA软件开发的科研和教学工作 王留杰 1 9 8 0 一 女 硕士研究生 现主要从事电源管理类芯片的设计与研究 维普资讯 第3 期 田锦明 王松林等 峰值电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技术8 6 5 模控制方式和电流模控制方式 电压模控制方式的 控制取样信号有 输出电压 输入电压 功率管源漏电 压 输出电感电压 电流模控制的取样信号有 输出电 流 输出电感电流 开关器件峰值电流 在中小功率 D C D C开关电源中 定频 P WM 闭环反馈控制系统 中的峰值 电流模式控制技术 由于具有动态性能好 输 出精度高 增益带宽大 和瞬间限流保护等优点被广泛 的采用 1 由于 在占空比D 5 0 时 固定频率峰值电流模式控 制方式存在着固有的开环不稳定现象 我们通过 引入适当的斜坡补偿 来防止工作在大 占空 比情 况下的亚谐波振荡 从而为恒定频率结构带来稳 定 z 但若用 同一不变 的补偿斜率来满足芯片 在所有 占空 比且 在最 大 的 d i d t 下 即 最坏 情 况 下 都能稳定工作 这经常导致斜坡补偿量大大 的过剩 严重 的影响 了开关 电源 的瞬态 响应 特性 和峰值 电感 电流 特别是空载状态 输 出电流为 零时 过量的补偿还可能导致峰值 电流模控制转 变为电压模控制 这不是所期望 的 这就要求有 一 种电路能在不同占空 比下产生不 同的补偿斜 率来解决上述问题 本文首先对斜坡补偿技术作简要的阐述 最后 给出了一种可在不同占空比区问产生不同斜率的分 段线性斜坡补偿信号电路 它广泛的适用于峰值电 流模控制方式的 D C D C转换器 1 斜坡补偿 的引入及原理 电流模式控制是一种固定时钟开启 峰值电流 关断的控制方法 因为峰值电感电流容易传感 而 且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致 但 是 峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小 一一 对应 因此在占空比不同的情况下 相同的峰值 电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大 小 而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大 小的因素 若要电感的峰值电流与其平均电流一一 对应 从而唯一决定输出电压 则需要对电感的峰值 电流做进一步的处理 并需注意当占空 比D大于 5 O 时开环不稳定 如图 1 其存在难以校正的峰 值电流与平均电流的误差 容易发生次谐波振荡 故在峰值电流模控制的 P WM 模式中引入了斜坡补 偿信号 3 使输入到 P WM 比较器的合成波形信号 要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分 合成构成 由图 1 容易看出峰值电流模控制的很大 的缺点在于 当占空 比大于 5 O 时 其系统不稳 定 主要表现在 扰动信号产生的误差被逐渐放 图 1 D 5 0 无补 偿 的电感电流波形 大 这将导致系统失控 电源的抗干扰性能差 图 1 是占空比D 5 0 时峰值电流控制的电感电流波 形 图 1 中的 是误差放大器输出的控制电压 是扰动电流 一 z 分别代表电感电流的上 升和下降斜率 由图 1 可知 经过一个周期 由 o 电流引起 的误差 为 1一 AI o ml 注 为上升 下降斜率 单位 A s 同 理 可 以证 明经 过 个 周期 后 L 引起 的电流误 差 为 n 一A o f 2 m l 由上式可以得出如下结论 当7 I 即D 即D 5 O 时 电流误差 将逐 渐放大 从而导致系统失控 电源的抗干扰性能差 不能稳定工作 为了使当占空比大于 5 O 时 系统 仍稳定 故引入斜率为的斜坡补偿信号 该方法就 是在控制电压 上叠加斜坡补偿电压形成新的控 制电压输入到 P WM 比较器一端 与 P wM 比较器 另一端的电流反馈电压比较 图 2 是该种补偿方法 的原理示意图 其中是补偿斜坡电压的斜率 图2 D 5 0 补偿后的电感电流 由图 2可 以证 明 经过一 个周期 由 引起 的电流误差 为 A I 1 一A I o 3 nt1 r nt 经过 个周期后 由 引起 的电流误差 为 一A I m l q 1 4 类似地 由上式可 以推导 出在 占空 比从 0到 1的范 维普资讯 8 6 6 电 子 器件 第 2 9卷 围内 使电流环稳定的条件为 6 2 D 也就是说 要保持系统始终稳定 则需要使补偿斜率 大于电感电流下降斜率的一半 即m O 5 m 2 2 电路设计 2 1 分段线性斜坡补偿的设计思想 由斜坡补偿 的原理得知 如果斜坡补少了 则当 占空比大于 5 0 9 6 时仍存在开环不稳定性 这时 我 们就希望宁多勿少 但如果斜坡过大 即补的过 多 电流模控制将变为电压模控制 电流模控制的 优点将尽失 所 以在补偿过程 中 必须对所补偿 的 斜坡大小进行必要的控制 得到合适的斜坡 如果 采用单一斜率进行补偿 必须满足在最坏情况下 D i 0 0 都可以实现系统稳定 则应使 7 但是 这通常导致斜坡补偿过量 严重影响开关 电源的瞬态响应特性和峰值电感电流 2 因此采 用随占空比变化的分段线性斜坡补偿更有优势 其 基本思想如下 把所有 的 占空 比分成 4个 区间来 进行分段补 偿 由式 6 可知 在 D 5 0 时 不加斜坡补偿 一0 即可满足系统稳定性条件 考虑留有一定的裕 量 我们在占空比超过 4 0 时为电感电流信号增加 一 补偿斜线 由于补偿斜率 是占空比D的增函 数 所以每个区间的补偿斜率由该区间的最大占空 比决定 将该区间的最大占空比代人式 6 可得该区 间的补偿斜率 最后得到分段线性补偿电流曲线如 图3的实线所示 若仅用单一斜率的补偿斜坡来对 图 3 分段 线性 斜坡补偿 电流 曲线 系统进行补偿 那么补偿斜率 必须满足系统在最 坏情况下 设所需最大补偿斜率为 开环稳定性 要求 对应补偿信号如图 3 虚线所示 在占空比D 情况下 系统在这两种情况下均能稳定 如图 3 对 比这两曲线 可以看出用单一斜率补偿的斜坡电流 幅度为 Io 而采用分段线性补偿的斜坡电流幅度为 J 其差值AI j 一 为过剩的补偿电流幅度 该 差值造成的不良影响就是使系统的瞬态响应特性变 坏和大大的降低了电感峰值电流 使带载能力下降 因此采用进行分段线性补偿能很好的改善系统上述 性能 2 2 分段线性斜坡补偿电路的实现 分段线性斜坡补偿 电路 由两部分构成 如图 4 分段线性斜坡产生 电路和电流传输 电路 分段 线性补偿斜坡产生电路实际上是三个独立 O TA运 放的并联 我们设计三对管的宽长比各不相同 充 分利用宽长 比对差分对 传输特 性 的线性 区宽窄及 g m的调节特性产生分段线性斜坡信号 图中 为振荡器电容上的锯齿波信号 和 R H 是两个基 准 电压 三 个 OTA 的尾 电 流均 为 j 将 M 和 Mz M 和 Ms 和 M6 组成的 OT A 分别命名为 A l A 2 和 A 三者的增益分别为 g g 和 g 我们设计三套差分对宽长比的关系如 F 又 因 为 g m 2 ff p c f 1 9 可以得到 g 竹 d g g 柏一4 2 1 1 0 设计 V c A P 变化范围为 一 A A 2 和 的线性 区分别为 础 一 砌 1 E v R 1 一Av V R I Av 和E v R I 一Av c A P 是振荡器中对电容进行恒流充 放电产生 则在每个周期 线性变化 2 AV 根据 A A z和 A 的线性区范围 可知 D1 Vp A V V 一 A V一 1 1 Dz V e a A V 而 2 V AV 一 1 2 一 L l Da V R u AV a r V A V 1 3 该电路的具体工作过程为 c A P R L 时 M M 输 出电流几乎为 零 对应图 3中斜率为 的区问 当 逐渐增加 至 V 瑚 一 V 增益最小的 A 首先进入线性区 M 输出电流至 M 可表示作 J 一 Vc A 一VR 1 1 4 维普资讯 第 3期 田锦 明 王松林等 峰值 电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技 术8 6 7 图 4分段 线性 补偿斜坡 电路 此时进入斜率为 的区间 随着 V t 继续上升至 Vp a 一 增益居中的 A z 也进入线性区 M 开始 输 出电流 此时有 f M 日 g g Vc 一 1 5 此时进入了斜率为 的区间 A P 进一步上升至 一 也进入线性 区 输 出电流 由 At Az 共同提供 此时 I t 一 J M f M 一 g g Vc tx P R I 斗 一 g m Vc u 一 R l 1 1 6 这时可产生斜坡补偿的最大幅度为 3 电流传输电路由两个电流镜构成 将产生的斜 坡电流放大并镜像出来 图中 A 结合式 1 6 和 1 7 可得实际的斜坡补偿电流为 J o I e A f 1 8 对 f 求导 可得到补偿斜坡 的斜率 A 0 DE O D d V c Ap g DQ E D D 2 L DI D 2 g d V c A e g g DQ D 2 D a 一d Vc a j g m I gm e L g m a DE E D 3 1 1 9 由上面推导可以看出 在设计电路时 可根据电 路本身的需要来设计不同的基准电压 厂 及三 个 OTA的宽 K比和电流镜 比例 Al 5 得到不 同的 分段线性补偿斜率及相应的补偿占空比区问 2 3 整体电路仿真结果 结合一款峰值电流模降压 X I X 2 变换器 基 于 Hy n i x 0 5 z m S t a n d a r d I o g i c 模型 用 Hs p i c e 仿 真结果如下 图 5为分段线性斜坡补偿电流波形 B UC K型 I X 一I X 占空比计算公式 D一 2 0 当 0 U r 恒定时 电源电压随着供 电时间的增长 3 量 墓 z 曼 O 6 4 专 2 O 图 5 补偿 电流波形仿真结果 I I 一一r一 一一 I 一一I一 V o U T I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 I 一 一 L L 1 I I l I I I I I l I I I I I I I L i 蕊 5 0 0U 6 0 0 u 7 0 0 u Time 1 i n T I ME a 没有斜坡补偿 l l il l e I ra l l I ME b 加 入斜 坡补偿后 图 6 输 出电压与 电感电流波形 慢慢减小 占空比逐渐增大 此时可以看出分段线性 补偿电流的斜率也随之增大 以保证系统的稳定性 也就实现了在不同占空比区问的分段线性补偿 图 6 为 D c D C变换器在无斜坡补偿和加入斜坡补偿 两种情况下的输出电压和电感电流仿真波形 加入 斜坡补偿的输出波形得到了明显的改善 3 结束语 本文简述了斜坡补偿原理 在此基础上提出了 一 种分段线性斜坡补偿方 法 最后 利用宽长 比对差 分对传输特性的线性区宽窄及 g m的凋节特性来实 现分段线性斜坡补偿电路 此电路结构简单 克服 了可能出现的过补偿现象 它在满足系统稳定性的 同时又很好地改善了芯片瞬态响应特性和提高了芯 片的带载能力 它广泛地适用于固定频率架构峰值 电流模控制方式的 D C D C转换器 下 转第 8 7 3页 维普资讯 第3 期 周求湛 孔亚婷等 基于生物启发的半导体器件可靠性免疫系统研究 8 7 3 o d e s J 3 Mi c r o e l e c t r o n R e l ia b 1 9 9 5 3 5 4 7 3 1 7 3 4 7 J e v t i c MM b b i s e a s a D i a g n o s t i c a r dP r e d i c t i o n T o o l i n R e l i a b i li t y P h y s i c s D Mi c r e c t r o n R e l i a b 1 9 9 5 3 5 3 4 5 5 4 7 7 8 徐建生 戴逸松 张新发 X u J i a r r s h 日 D a i Y 卜 s 0 唱 X i n a 噪声测量作为筛选光电耦合器件的一种方法 S c r e e n in g O p t o d e rmic C o p t a e 瞄U 萄 礓 N o i s e Me a s u r e min t D 光电子 激光O onr ml o f O p t o d c L a s e r 1 9 9 8 9 5 4 0 9 1 1 9 T i m m i s J N e a l M Hu n t J A r A r t i f i c i a l I n n u n e S y s t e m f o r D a t a A n a l y s i s 口 B i o s y s t e r a s 2 0 0 0 5 5 2 1 4 3 1 5 0 1 o H o o g e F N K l e i n p e n n i n g T GM V d a m me UU E x p e rt m e n t a l S t u d i e s o n 1 f N o i s e J R e p P r o g P h y s 1 9 8 1 1 1 l 4 4 9 5 3 2 1 1 V a n d a m me U N o i s e a s a D i a g n o s t i c T o o l f o r Qu a l i t y a n d R e l i a b i l i t y o f E l e c t r o n i c D e v ic e s J I E E E T r a n s o n E 1 e c t r o n i c De v i c e s 1 9 9 4 41 1 1 21 7 6 8 7 1 2 K o n c k o w s k a A L i f e t i m e Dep e n d e n c e o f 1 f N o i s e o f B i p o l a r T r a n s i s t o r C v a n V l i e t C M e d i t o r 9 t h l n t C o n f o n No i s e i n Ph ys i c a l Sy s t em Mo nt r e al Si n g a p o r e i Wn0r l d Sde n t i fi c 1 9 8 7 1 3 Mi h a i l a M A mb e r i a d i s K Va n d e r Z i e l 八 1 f g r and Bu rst No i s e I n d u c e d by Emi t t e r Ed g e Di s l o c a t ion s i n Bi p o l a r T r ans i s t o r s D S o l id S t a t e E l e c t r o n 1 9 8 4 2 7 7 6 7 5 6 1 4 J e v t ic MM L a z v i c MV S e l f C o n s i s t e n t F i t t i ng Me t h o d f o r De f e c t An a l y s is by Lo w Fr e qu e nc y No i s e Me a s u r e me n t s i n Re v r s e B i a s e d p n J u n c t i o n J 3 S o l i d S t a t e E l e c t r o n i c s 1 9 9 7 4 1 t 1 1 2 7 31 1 5 Hs u S T W h k t e r Mead c 八 P h y s i c a l Mo d e l f o r B u r s t N o i s e i n S e mi c o n d u c t o r Dev i c e j Sol i d S t a t e E l e c t r o n i cs 1 9 7 0 1 3 7 1 05 5 71 1 6 B la s q u e z G E x c e s s N o i s e S o u r c e D u e t o Def e c t s i n F o r w a r d B ia s e d J u n c t i o n s J Sol i d S t a t e E l e c t r o n 1 9 7 8 2 1 1 1 1 2 1 4 25 3 O 1 7 3 D a i Y i s o r L i Y a q in X u J i a n s h e n g T h e D i s c u s s i o n o n Ph y s i c a l Mo d e l s f or Bu r s t No i s e i n a Fo r ward e d Bia s e d p n 上接第 8 6 7页 参考文献 J u n c t i o n a n d T h e i r E x p e r ime n t a l V a l i d a t i o n J Mi c ro e l e c t r o n Re li a b 1 9 9 8 3 8 4 6 7 I 5 1 8 e v d c 啪 A n 0 f n 8 l a I l s I V a n dP u l s e N o i s e inR e v e r s e B i a s e d p n J u n c t i o n s J Mi c r o d ec t r t m R e l ia b 1 9 9 8 3 8 3 3 3 7 4 3 1 9 Wu X L V a n d e l Z i e l A B i r d a s A N V a n R h e e n e n A n B u r s t T y p e Mech a n i s ms i n B i p 0 T r I m s i s t o r s j S o l i d S ta t e E l e c t r o n 1 9 8 9 3 2 1 1 l 1 0 3 9 4 2 2 O v an d e l Z i e l 九 N o i s e i n S o l i d S ta t e D e v i c e a n d C i r c u i t M Ne w Y o r k W i l e y I n t e r s d e n e e 1 9 8 6 2 1 庄奕瑛 孙清 Z h u a n g y i q i S u n q i ng 电子器件可靠性的噪 声表征方法 N o i s e a s T 0 0 l t o C h a r a c t e r i z e E l e c t r o n Dev i c e R e l i a b i l i t y J 电子学报 A c t a E l e c t ron ic S in ic 1 9 9 6 2 4 2 7 6 8 2 E 2 2 3 周求湛 王树勋 钱志鸿 Z h o u Q i u z h a n Wa n g S h u x u n Q i an Z h i h o ng L M算法在 O c D低频噪声参数拟合中的应用 T h e Ap p l i c a t i o n o f F i t t i ng t h e L o w F r e q u e n c y No i s e P a r a me t e r s o f t h e O C D s w i t h t h e L e v e n b e r g Ma r q u a r d t Al g o ri t h m J 吉林 大学学报 工学版 J o u rna l O f J i l i n U n i v e r s i t y E ngi n e e ri ng and Te c h n o l o g y E d i t i o n 2 0 0 4 3 4 1 1 3 2 1 3 4 Z 3 3 D a i Y i s o n g T h e P e r f o r m a n c e A n a l y s i s o f C ros s S p e c t r a l Den s i t y E s t ima t o r a n d I t s A p p l i cat i o n s J h a t J E l e c t r o n i c s 1 9 9 1 7 1 1 4 5 5 3 2 4 J i a n s h e n g X U D e r e k Ab b o t t Y i s o n g D a i 1 f g r and B u r s t No i s e Us e d a s a S c r e e nin g T I r e s h o l d f o r Re l i a b i l i t y E s t i m a t i o n o f O p t o e l e c t r o n i c C o u p l ed De