峰值电流控制模式BOOSTDC_DC变换器的斜坡发生器的设计

1、上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NATURAL SCIENCE )第10卷第4期2004年8月Vol. 10 No. 4Aug. 2004文章编号：1007 22861 （2004 ） 0420357 205峰值电流控制模式 BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计陈光明，曹家麟，汪西川（上海大学 微电子研究与开发中心，上海200072 ）摘要：该文简要分析了峰值电流控制模式中斜坡补偿的基本原理和设计问题，对基本的充放电振荡器电路进行了改进和优化设计，设计了适用于恒频峰值电流模式BOOST DC2DC变换器斜坡补偿电路中的

2、 CMOS定时斜升波发生器电路.关键词：峰值电流控制；斜坡补偿；定时斜升波；振荡器中图分类号：TH 432文献标识码：A4j"vv i- * "-A. i| L - -u "飞:i上£迤咗，上*Design and Implementationof Ramp2Wave Generator in Peak Current二需口疋总J罕|i£|左 1”片:时RaCon trolledBOOST DC2DC Co nverterCHEN Gua n字mi ng , CAO Jia2in , WAN G Xi2chua n(Microelectroni

3、c Research and Development Center , Shanghai University , Shanghai 200072 , China)Abstract : This paper presentsafunction of slopecompensation in the peakcurrent control and a circuit to impleme nt the fun cti on. A CMOS timi ng ramp2wave gen erator based on a conven ti onal charge and discharge osc

4、illator is desig ned a nd optimized to offer the ramp for slope compe nsati on in a fixed fre2 quency peak current control BOOST DC2DC converter.Key words : peak current control ; slopecompensation; timing ramp2wave; oscillator上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NATURAL SCIENCE )第10卷第4期

5、2004年8月Vol. 10 No. 4Aug. 2004上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NATURAL SCIENCE )第10卷第4期2004年8月Vol. 10 No. 4Aug. 2004开关电源按控制模式可分为电压模式和电流 模式两大类，相对电压模式来说，电流模式具有补偿 电路简单、增益带宽大、动态响应和抗干扰性能好、系统稳定性好等优点1.电压模式中，输出电压与 基准电压的差值经放大后产生的误差电压Vc与锯齿波作比较，以控制开关的占空比，误差电压越高|, 开关占空比越大|.而峰值电流模式是通过误差电压 V c来设定电感

6、电流的峰值| |,并采用斜升波进行斜 坡补偿|,从而控制输出电压.本文介绍了斜坡补偿 的原理及其实现方法，并针对恒频峰值电流控制模 式BOOST DC2DC变换器，设计了斜坡补偿电路中最重要的斜升波发生器电路 .1斜坡补偿原理及设计问题恒频峰值电流控制的 BOOST DC2DC变换器控 制电路如图1所示,其中对电感电流的检测是通过 对开关电流的采样实现的，电流采样信号可由与开关串联的采样电阻 Rs上的电压信号 Vs转换而得.1. 1占空比D大于50 %时的振荡问题电流模式控制在占空比 D大于50%时，系统 处于不稳定状态.图2是占空比D大于50%时的 峰值电感电流波形图.图中Ic由误差放大器输

7、出上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NATURAL SCIENCE )第10卷第4期2004年8月Vol. 10 No. 4Aug. 2004上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHAN GHAI UN IV ERSIT Y (NATURAL SCIENCE )第10卷第4期2004年8月Vol. 10 No. 4Aug. 2004收稿日期:2003207211作者简介：陈光明（1976），男，湖南邵阳人，硕士生，主要从事微电子方面的研究-爭址Academic lounil klcctroinx 护瞅dhingAll

8、righrs iki.ncr第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#图1恒频峰值电流模式控制的BOOST DC2DC变换器控制电路Fig. 1 A f ixed frequency , peak current 2mode controlled BOOST DC2DC converterwith slope compensation第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BO

9、OST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计359用于设定电感电流峰值. Io是电感上的扰动电流，K1、K2分别是电感电流的上升及下降斜率由图2 (a)可知，当占空比 D大于50%时，扰动电流 I0 引起的误差 I1将大于 I0因此在该占空比下 5 会扰动信号持续放大，造成系统不稳定采用斜坡 补偿后，如图2(b)所示，有 I1 < I0 ,扰动信号逐 渐衰减，系统性能得到改善(a)未加斜坡补偿(a) Without slope compensation(b)加斜坡补偿(b) With slope compensation图2电感电流波形占空比D大于50 %时的初始扰动电流 I0的效应Fig

10、. 2 Effect of initial perturb ation I0 on inductorcurrent waveform for D > 50 %计算公式为：补偿前 11 =- l0( K1/ K2)，(1)补偿后 11 =- I0( K+ K2) / ( K +K1) (2)由前可知，系统稳定须满足K + K2< 1(3)K + K1'若已知最大占空比D max，可得最小上升斜率K1min，即补偿斜率必须满足K > - 0. 5 © - 0 5K1min 通常选补偿坡度-0.5 K2 w k w - K2，当K = -K2时扰动信号在一个周期内

11、得到校正，而对于BOOST电路，K2=(V in - Vo) / L ，(4)其中L为输出滤波电感值因此电流斜坡的斜率随输入电网电压变化，须进行特别设计1.2噪声干扰问题当控制电路出现噪声时，由于控制环路增益较高，1c的微小扰动 Ic，将造成占空比D的变化量 D很大加斜坡补偿后可以降低环路增益，从而解决这个问题1.3峰值电感电流和平均电感电流的误差电流模式控制中平均电感电流是唯一决定输出 电压大小的因素加一个斜率为-K的坡度补偿之 后电感电流波形 ，数学上可以证明2，当K >-0. 5 K2时，可以除去不同占空比对平均电感电流 的扰动作用，使得峰值电感电流最后收敛于平均电 感电流2斜升波

12、发生器电路的设计与实现为实现斜坡补偿，可在电流采样电阻信号Vs第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#© W20 t) ChrnaJornmal EkctrMix PujtilLshing House. AH righr? rescued. httpwww cnki.ni第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#Fig. 4 Functional diagram of the timing ramp 2wave gener

13、ator上叠加一个斜坡 V ramp ,再和误差电压 V C进行比 较，当开关周期为 TS时，有Vs(DTs) + Vramp(DTs) = Vc,(5)即在DTs时刻，Vs与V ramp之和达到Vc,以设定占 空比d3.在斜坡补偿电路中，其核心电路是斜坡 产生电路，由于采用恒频 PWM控制，可由充放电 振荡器来产生定时斜升波，同时产生时钟脉冲信号时钟脉冲信号用来设定变换器工作频率和设置 最大开关占空比，使用该振荡器后控制电路能有效 地实现电流模式控制的逐个脉冲控制，具有内在的过流保护功能为实现该斜坡产生电路，我们采用 2 um CMOS工艺，对基本的充放电振荡器电路，根据CMOS工艺兼容和系

14、统具体设计要求，并针对振荡器的重要特性进行了改进和优化设计2.1基本充电放电振荡器电路原理图3是一个基本的充放电振荡器电路4 .其工作原理是，定时电容在电路两个门限之间来回充电和放电，设电路保持在一种暂稳状态，当定时电容上的电位达到两个门限电平中的某一个值 时,电路转换到另一种暂稳状态，然后定时电容上的 电位往相反方向变化，当其到达另一个门限电平时，电路返回到原来的暂稳状态，如此循环，产生振荡，并在电容上输出定时斜升波形该电路结构缺陷是定时电阻通常较大，不易于集成5,电容充电斜升 波形不理想4,温度特性较差.因此应结合系统具 体设计要求，进行改进图3基本充电放电振荡器电路Fig. 3 Typi

15、cal charge and discharge oscillator图4定时斜升波发生器示意图第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#图5 CMOS定时斜升波发生器电路结构Fig. 5Circuit diagram of CMOS timing ramp2wave generator第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#2.2改进后的定时斜升波发生器电路图4为改进后的电路示意图，图5是其内部电 路结构其中Ct为定时电容，I t

16、为CMOS恒流 源，A、B为由两个放大器构成的两个比较器 ，电路 处于给定时电容充电时 ，时钟脉冲信号 CLK为低 电位，此时 PMOS管 Q1导通，而PMOS管 Q2、NMOS管Q3均关闭，比较器A工作，输出保持高 电平，而比较器B不作用，电路由恒流源It给定 时电容充电，当Ct充电到比较器 A的门限电压 Va时，比较器A输出跳变为低电平 ，此时Q1关第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#© 1W-4-2O1O Chma Acadcc Journal hkc

17、lrMix PmtlLshing House. All righrs rescued.http於叩叭v erikiner第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计361图6( a) CMOS恒流源I T电路示意图Ct( Va - Vb)It(6)式中各项均为恒定值，因而充电时间恒定放电时，Q3导通电阻可看作一个受电源电压Vdd控制的压控电阻，该电阻阻值很小，考虑到放电时间相 对充电时间很短以设定最大开关占空比，因而斜升波周期基本保持不变2.3斜升波发生器设计的几点考虑2. 3. 1 电源电压变化根据BOOST电路输入电网电压较宽的特点、采用MOS管恒流源对

18、电容充电 ，可以获得较理想 的斜升波形，其斜率相对基本的充放电振荡器电路 中的RC充电回路更稳定 ，同时电路模块易于集 成.设计的CMOS恒流源电路如图6(a)所示.当电 源电压Vdd升高时，流过电阻 Ro的电流升高，经 运算放大器 C使PMOS管Q28的栅极电压升高, 运算放大器C和Q28构成负反馈回路，从而使流过 PMOS管Q28的电流不变，电流镜像到 PMOS管 Q29后，在Q29漏极输出保持恒流 .该电流大小 由基准电压 Vref和电阻 R0以及Q28、Q29组成的 电流镜宽长比的比值决定.取Q28和Q29的宽长比之比 W28/ L28 ：W29/ L29为5 ：1 ,则有恒流源电流

19、计算公式：Fig. 6( a) Schematic of the CMOS current reference I t图6(b)电源电压Vdd对恒流源输出It的影响Fig. 6( b) Output current IT as a function of inputsource Vdd5LU Un15 Un2ll ihjlimb/ b图7电源电压变化对定时斜坡发生器频率的影响Fig. 7 Effects of variation of source on timingIt =V ref5R。.(7)分析恒流源电路 Spectre仿真波形图6(b)可知，当 电源电压 Vdd从3 V变化到9 V时

20、，输出电流It 保持在2. 824uA左右，电源电压抑制比较高.对斜升波发生器电路用Spectre进行仿真，结果如图7所示.不同电源电压 Vdd条件下，时钟脉冲周期变化很小，因此Vdd的变化对该振荡器频率基本没有影响2. 3.2 温度特性ramp 2 wave generator frequency在CMOS集成电路工艺中采用的电阻，温度每改变1 C,阻值变化约5 %o4,由于温度变化所引起 的定时电阻变化会直接改变斜升波的频率，因此采用温度系数较好的CMOS恒流源对定时电容充电能减小受温度的影响.放电回路采用 MOS管，易于 控制，且温度特性较好，以设定最大开关占空比 Dmax.分析如图 8

21、所示仿真结果，可见在 0、25、50 C三种不同温度条件下，斜升波波形几乎重合,断而Q2导通，比较器B开始工作，而比较器 A不 作用，比较器B输出保持低电平，信号依次经过反 相器INV1、NV2、NV3后,时钟脉冲输出为高电 位,使Q3导通,此时电容CT经由Q3对地放电, 当放电低于比较器 B的阈值电压 Vb时，比较器B 输出跳变为高电平，于是Q1导通，时钟脉冲电位 为低，电容Ct电位Vb开始充电，电位升高至 Va 时,再放电，如此周而复始，形成振荡.由于采用恒流 源对电容进行充电，电容上电压斜升波的斜率基本 保持不变，充电时间为第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的

22、斜坡发生器的设计#第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#3 14-2010 AcadcMt Joionial tltctronx PwtlLshing House- AH rights rescued.criki.ncr第4期陈光明，等：峰值电流控制模式BOOST DC2DC变换器的斜坡发生器的设计#频率基本不变图8不同温度下斜升波仿真波形Fig. 8 Timing ramp simulation waveforms withdifferent temperature图9斜升波随输入电源电压变化仿真波形Fig. 9 Variations of tim

23、ing ramp simulationwaveforms with input source2. 3. 3 BOOST电路的斜坡补偿前面式（4）提到BOOST变换电路电感电流的 下降沿斜率为K2 = （ V in - Vo）/ L ,随输入电源电压Vin变化.因此我们采用将定时电容输出的斜升 波接PMOS管射极跟随器，而不是接电阻形成 V ramp，因为和定时电容相连的输出对振荡器影响很 大.为了抑制这种影响，必须使用大电阻，而CMOS 集成电路工艺中，大电阻相对 MOS管会占用大得 多的版图面积，因此定时电容输出接 PMOS管射极 跟随器，可以利用MOS管栅极阻抗很大的特点.如图6所示，PMOS管Q6作射极跟随器，其漏极接 地，源极接一个有源负载PMOS管Q5，栅极接定时电容Ct，电容上的定时斜升波在Q6源极也输出定时斜升波，取该定时斜升波上升段为用于斜坡补偿 的斜波Vramp，其波形跟随输入电源电压变化而变 化，从而解决BOOST电路的斜坡补偿幅值变化的 问题而且能减小振荡器的输出阻抗.由图9仿真波形可知，当V dd即输入电源电压Vin变化时，射极跟随器Q6输出Vramp波形的幅值随之变化，通过调节 PMOS管Q6的宽长比可以设计满足要求的Vramp幅值.3结论峰值电流模式控制电路的核心问题是斜坡补 偿，采用斜坡补偿可以改善电路性能，增加电路稳定