峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计_图文

1、 第31卷第2期2008年4月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol. 31No. 2Ap r. 2008Design of Self 2Ad aptable Slop Compensation Circuit in Peak Current Mode Converter 3T I A N J i n 2mi ng3, W A N G J i ng 2z huo , CA O S huang 2g ui , H U Quan 2bi n , DO N G Zi 2j i an , FA N J i 2s han(Depart ment of E

2、lect ronic Engineering , H uai hai I nstit ute of Technology , L i any ungang J iangsu 222005, China Abstract :It must be carried out slope compensation for peak mode in continued conduction mode and D >0. 5, for it has t he p roblems to t he defect of traditional slope co mpensation , a self is

3、designed , who se compensation amount varies wit h ut Wit h t he utilization of t he volt 2age cont rolled resistor , a self 2adaptable and optimal slope compensation is realized in wit h t he t raditional design , t he negative effect s of self 2adaptable slope on t s outp ut current capability and

4、 t ransient response are effectively re 2duced. System s performances are imp roved and system s stability is increased. It is t he best scheme to carry out slope compensation. Finally , t he simulation result s are provided.K ey w ords :peak current mode ; stability ; self 2adaptable slop co mpensa

5、tion ; voltage controlled resistor ;out 2p ut current capability ;transient response EEACC :2570D峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计3田锦明3, 王经卓, 曹双贵, 胡全斌, 董自健, 樊纪山(淮海工学院电子系, 江苏连云港222005摘要:峰值电流模式变换器工作于CCM 模式且D >0. 5时, 存在开环不稳定性等问题, 必须进行斜坡补偿。针对常规的斜坡补偿方式所存在的缺陷, 设计了一种补偿量自动适应输入输出电压变化的斜坡补偿电路。利用MOS 管工作于线性区的压控电阻特性, 实现了在整

6、个占空比区间内自动适应、优化的斜坡补偿, 与传统的设计相比, 自适应斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响减至最小, 改善系统性能, 增加系统稳定性, 是进行斜坡补偿的最佳方案。最后给出仿真结果。关键词:峰值电流模式; 稳定性; 自适应斜坡补偿; 压控电阻; 带载能力; 瞬态响应中图分类号:TN433文献标识码:A文章编号:100529490(2008 0220480204由于峰值电流控制技术具有动态响应快、调整性能好、易于实现限流和过流保护、能有效抑制变压器偏磁引起的饱和问题及易于均流等优点, 而获得了广泛应用。但是, 当峰值电流控制变换器工作于CCM 模式且D >0. 5时, 存

7、在开环不稳定性及由此而引发的抗噪声性能差等问题, 为此, 必须在这类变换器中引入斜坡补偿122。目前常规的补偿方式是对取样峰值电流信号(或取样电压误差放大信号 附加固定量的斜坡信号进行斜坡补偿, 其补偿信号直接取自芯片内部的振荡器。但这类补偿方式采用的是单一不变的补偿斜率且在整个占空比区间内进行补偿, 因此不能在整个占空比区间内实现最优补偿。这是因为若补偿斜率取得过小, 则在大占空比时变换器仍不能稳定工作; 若补偿斜率大到在最大占空比时使变换器稳定工作, 则补偿幅度过大, 即补偿量大大的过剩, 严重的影响了开关电源的峰值电感电收稿日期:2007202213基金项目:淮海工学院科研项目(Z200

8、6038作者简介:田锦明(19692 , 男, 工程师, 硕士, 现主要从事电力电子技术的研究与教学和电源变换器电路的设计,tianjinming4213126. com ;王经卓(19712 , 男, 博士, 副教授, 电子工程系副主任, 主要从事计算机仿真、计算机辅助设计领域的研究和教学工作。 第2期田锦明, 王经卓等:峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计-481流和带载能力, 同时, 在轻载和空载时峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。近年来, 由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差, 电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。本文在斜坡

9、补偿基本原理的基础上, 提出了一种自适应斜坡补偿电路, 该电路利用MOS 管工作在线性区的压控电阻特性, 其补偿量自动适应输入、输出电压的变化以满足不同占空比所必需的同步不失真斜坡补偿, 24(6 <1m 1+m那么占空比D 在0到1的变化范围内, 电流误差I n 均将逐渐衰减到0。又有根据D m 1=(1-D m 2, 消去m 1, 可得到加入斜坡补偿后, 保证系统稳11. 11, 3图 1CCM 模式下峰值电流控制变换定的条件是6:(7 -m 22D, 即m 050%。D 的函数, D 越大, 所需m 也越大。器电感电流i L 的波形。图中I e 由误差放大器输I 0是电感上的扰动出

10、, 用于设定电感电流峰值。电流, m 1、m 2分别是电感电流的上升及下降斜率。经过一个周期, 由I 0引起的电流误差:I 1=I 0m 1图2补偿后i L 波形(11. 3固定斜坡补偿的缺点可以证明经过n 个周期后, I 0引起的电流误差I n 为:I n = I 0( nm 1(2又=-m 11-D(3实现斜坡补偿的原理电路如图3所示, 可在电流采样电阻信号V iL 上叠加一个斜坡V slope 构成一个合成波形信号V , 再和误差电压V e 进行比较。误差电压信号V e 送至PWM 比较器后, 并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较, 而是与一个变化的其峰值代表输出

11、电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号V 比较, 然后得到PWM 脉冲关断时刻。因此峰值电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM 脉冲宽度, 而是直接控制输出侧的峰值电感电流大小, 然后间接地控制PWM 脉冲宽度7。图1CCM 模式下i L 波形因此, 当D <50%时, 电流误差I n 将逐渐衰减到0, 系统稳定; 而当D >50%时, 电流误差I n 将逐渐放大, 将导致系统失控, 电源的抗干扰性能差, 不能稳定工作。1. 2固定斜坡补偿的引入1, 5更进一步, 我们可以引入象图2那样的一个线性的斜坡-m 。注意这个斜坡可以加在电流波形上, 或从误差放大器输出信号

12、减去。于是, 我们得到:I 1=I 0(m 1+m(4图3峰值电流模式固定斜坡补偿原理图I 0引起的电流误差I n 为:经过n 个周期后,I n =I 0( nm 1+m(5如果能保证斜坡V slope 为一个固定斜率的斜坡补偿信号, 根据式(6 知这个固定斜率m 必须满足, 式8,(8 m >-(m 1+m 2 /2才能使系统在整个占空比内稳定。但当外加斜坡补 482电子器件第31卷偿信号的斜率增加到一定程度, 峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将合成斜坡补偿信号V 完全用振荡电路的三角波代替, 就成为电压模式控制, 只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。由于斜率

13、增加, 在大占空比时补偿幅度必然过大, 从而严重的影响了开关电源的峰值电感电流和带载能力。当输出电流很小, 造成电流反馈电压V iL 几乎是平的, 峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态, 话, 了, 8中, 实线波形为最坏情况下(输入输出电压之差最大 的补偿斜坡, 虚线所示为输入输出电压之差减小时相应的补偿斜坡8。4自适应斜坡补偿电路实现下面结合一款BUC K , 设计出一种自适应斜坡补偿电路, 5所示。运放 、M 00, 则:3我们知道, 对于BOOST 电路, 有:m 1=m 2L=L(9 (10图5自适应斜坡电流产生电路I 1=V f对于Buck 电路, 则有

14、:(11L (12 m 2=-L其中, L 为输出滤波电感值。因此电流斜坡的m 1=R 0=V inR 1+R 2(15 (16设R 1=R 2, 则V f =I 1=V in 2R 0(17 (18斜率随输入、输出电压变化, 须进行特别设计。(10 代入式(8 可得:把式(9 、(13 m >(0. 5V out -V in LAmp 2与M 1的连接关系使得M 1工作在深线性区, 所以可以得出M 1的漏源电阻为:R DSM 1=I 1V out -0. 5V in(19将式(11 与式(12 代入式(8 得:m >(V out -0. 5V in L(14(14 说明需要补偿的

15、斜坡斜率也可以式(13 、随输入、输出电压变化而变化, 那么根据输入、输出电压的变化对采样电流波形添加不同程度的斜坡补偿, 即在接近更高的占空比时采取更大的斜坡补偿, 就能减轻或消除前述固定斜坡补偿的缺点。本文基于当今DC 2DC 芯片宽电源电压输入、宽输出电压的发展趋势, 利用MOS 管工作在线性区的电阻特性, 根据输入输出电压的差值(降压V out -0. 5V in 或升压V in -0. 5V out 去控制MOS 管, 产生一个随该差值变化的电阻, 最终为系统提供如图4 所图4自适应斜坡补偿示意图示大小合适的斜坡补偿信号并保证其稳定性。图因为M 2与M 1的结构完全相同, 所以有:(

16、20 R DSM 2=R DSM 1=V out -0. 5V in当将斜坡电压V osc 加在M 2源漏两端时可以得到斜坡电流I slope :(21 I slope =R DMS 2V ref R 0由式(21 的结果可以看出:斜坡补偿电流I slope的斜率与V out -0. 5V in 成线性关系, 通过调整V ref 与R 0就可以得到斜率满足式(14 的斜坡补偿电流。且该补偿电流随输入输出电压的变化自动调整, 达到自适应补偿的目的。电路中比较器Comp 的作用是:当输出电压低于输入电压的一半时, 屏蔽放大器Amp 1和Amp 2使其不工作, 以保证I 1=0, 所以I slope

17、 =0, 没有斜坡补偿电流输出。因为占空比D =V out /V in , 这意味着在占空比D <50%的情况下, 该斜坡补偿电路不提供斜坡补偿电流。这符合前面推导得到的结论:在占空比D <50%的情况下系统是稳定的, 不需要斜坡补偿。为保证补偿的可靠性, 我们必须考虑补偿余度。通过调整R 1与R 2的比值就可以将补偿起始点设 第2期田锦明, 王经卓等:峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计483置在D <50%的适当位置。下面给出该斜坡补偿电路的完整结构并进行详细分析, 如图6所示 。入电源电压4V , 输出2V 至3. 6V 。MOS 管M 0、M 1的宽长分别为24m

18、/2m 、11. 5m/23m 。下面给出仿真验证波形如图7所示。由仿真结果可见, 所产生的补偿斜坡能跟随输入、输出电压的变化, 满足所需的设计要求 。图6(OSC ,对V osc 经过Q 10M 2漏源两端产生斜坡电流。同时, 图5中的R 1与R 2电阻分别用M 7与M 8两个工作在饱和区的MOS 管代替, 以解决因大电阻而带来的版图面积增大的问题。具体分析如下, I 3=I 4, 避免了Q 1支路对振荡器频率的影响。(22 V a =V osc +V BEQ 1=V DSM 2+V BEQ 0(23 因为V BEQ 1V BEQ 0所以近似有(24 V DSM 2=V osc(25 设V

19、f =V in 2忽略I BQ 0, 则I CQ 0I EQ 0; 结合式(21 有:V DSM (V out -0. 5V in I slope =V ref R 0(26V ref R 0设M 3与M 4的宽长比为1:1, 所以M 3、M 4电流是1:1的镜像关系, 故:(27 V slope =R 1V ref R 0R 1式(27 得出的结果与所期望的结果是一致的。对于工作在饱和区的MOS 管M 7与M 8来说, 有9210:(V in -V f -V TH7 2p C OX2L 7(V f -V TH8 2(28 =n C OX2L 8通过调整M 7与M 8的宽长比就可以设置V f

20、的电压。因此, 考虑一定的补偿余度, 可以将补偿起始点设置在占空比D <50%的适当位置。图7斜坡补偿电压仿真波形5结论峰值电流模式控制电路的核心问题是斜坡补偿, 补偿斜坡的斜率与变换器的D 有关,D 越大, 需要斜坡补偿的斜率也越大。论文根据这一基本需求, 提出一种自适应斜坡补偿技术, 设计出了一种适用于峰值电流模式DC 2DC 变换器的自适应斜坡补偿电路。利用MOS 管工作于线性区的压控电阻特性, 根据输入、输出电压的变化, 实现了斜坡补偿量的自动调整, 改善系统性能, 增加系统稳定性, 是进行斜坡补偿的最佳方案。通过对其反馈系数的调整, 这一自适应斜坡补偿的设计不仅适用于BUC K 型变换器, 亦适用于BOOST 型变换器。参考文献:1刘树林, 刘健, 钟久明. 峰值电流控制变换器斜坡补偿电路的优化设计J.电力电子技术, 2005,39(5 :78281. 2韦枫, 吴金. 基于斜波补偿的电流模式PWM DC 2DC 系统稳定性分析J.电子器件,2003,26(4 :4612463. 3Unitrode Application Note U 297. Modelling ,