电流模PWM降压DC_DC片内补偿电路的设计实现

RA 1 R3 VB = 0. 6 + (VRAM P - 0. 6 )・ ・ ≈ VA + 0. 3 RA 1 + R1 R3 + R4 ( 4)
1 + sR ESR CO ・ 1 + sRL CO
( 8)
存在极点 fp1 =
1 1 ; fz1 = π π 2 RL CO 2 R ESR CO
其中 fp1是输出负载形成的极点 , 频率较低 , 一般在 交越频率点 fc 内 ; 而 fz1 是 CO 与其串联等效内阻
DC_DC 转换器因体积小 、 重量轻 、 效率高 、 性 能稳定等优点在电子 、 电器设备和家电领域得到 [1 - 2] 了广泛的应用 , 进入了 快速 发展 期 。在 DC _ DC 芯片中 ,电流模 PWM 技术由于其瞬态性能好 、 输出精度高 、 增益带宽大以及实时过流限制等优 点得到广泛应用 。其中系统的稳定性决定了该芯 片能否正常工作 , 对其线性调整率和负载调整率 等关键性能指标有较大的影响 , 是芯片设计的关 键技术 。随着单片集成技术的发展及进一步简化 应用电路的需求 , 设计高稳定性的开关变换器成 为了一大挑战 。目前的补偿技术分片外补偿和片 内补偿 。相比而言 , 片外补偿方案相对简单易于 实现 , 需要有单独的引脚 , 现大多芯片采用了该方
R ESR形成的零点 , 由于 R ESR阻值较低 , 一般远大于交
取电阻 R1 阻 值 约 为 R5 的 7 倍 , 则 这 段 区 间 内 SLOPE 端输出电流斜率如下 : m SLO PE1 =
m RAM P m RAM P ≈ R1 + R5 ‖ ( R4 + R3 ) 8R5 ( 5)
2D - 1 2D - 1 VO |m c | ≥ |m 2 | = ・ 2D 2D L
( 1)
其中 m c 是斜坡补偿信号的斜率 , m 2 是电感电流的 下降斜率 。 传统的一阶线性补偿是在采样电流上加入随占 空比线性增加的斜坡补偿信号 , 为了满足在所有占 空比下都不会出现亚谐波振荡 , 其斜率应该是
图 1所示为电流模降压型 DC _DC 的结构框图。 整个闭环系统由三部分组成 : 调制模块、 补偿模块及反 馈网络。调制模块由主开关、 同步开关、 电流检测、 斜 坡补偿、 P WM 比较器、 逻辑驱动、 电感、 输出电容以及 负载电阻构成 ,采样电感电流并调制 VC 信号 ,产生与 之相应的占空比。补偿模块作用于反馈回路 , 放大基 准电压 VREF与 VFB的压差 ,产生调控电压 VC ;反馈网络 将输出电压 VOUT转变为反馈电压 VFB 。同时提供足够 的相位裕度保证环路的稳定性。补偿模块的输出、 电 感电流检测信号以及斜坡补偿信号共同控制开关管工 作的占空比 ,最终控制输出电压的变化。
越频率点 。 电阻反馈网络增益一般由电阻分压器确定 , 由 于 R1 、 R 2 相对负载 RL 要大的多 , 而 C1 远小于输出 电容 CO , 故 C1 、 R1 、 R2 等效到输出端的容值与阻值 被并入 RL 与 CO 中 , 反馈网络不存在极点 , 5V FB R2 ( 1 + sR1 C1 ) = 5VOU T R1 + R2
过补偿无疑会损耗芯片的带载能力 , 使得系统瞬态 响应变慢 。为了改善一阶线性补偿的缺陷 , 本文采 用了分段线性补偿的方法 。
图 2 补偿电流与占空比的关系图
分段线性斜坡补偿技术 , 就是将占空比分成数 个相邻的区间 ,在每段中补偿曲线使用该区间内最 大斜率 , 即区间内最右侧点对应的补偿斜率 。如 图 2所示 ,在不同占空比区间使用不同的补偿曲率 , 既满足电流环的稳定要求 ,又能合理减小补偿电流 , 在同一占空比下增大了芯片的带载能力 , 实现全区 间内斜坡补偿信号都能使系统摆脱亚谐波振荡 , 并 提高芯片的瞬态响应速度 。基于对电路优化能力的 提高和电路复杂程度的折衷 , 在电路设计时采用三 段线性补偿技术 。 1. 2 电流环斜坡补偿电路设计 本文所设计的三段线性斜坡补偿电路如图 3 所 示。VCC是内建 2. 5 V 的电压源 , RAMP 是从振荡器 出来的三角波信号 ,幅度为 0. 6 V ～1. 6 V。Q1 、 Q2 是 射随三极管 ,BE结压差为 0. 6 V。通过 Q1 、 Q2 的开关 将斜坡补偿信号按占空比分为 0 ～30 % , 30 % ～ 60 % , 60 % ～100 %三段。对应于 Q1 、 Q2 关断时 ,
|m c | = 1 VOmax 2 L
( 2)
其中 VOm ax是输出端的最大电压 。 补偿电流与占空比的关系如图 2 所示 。传统的 一阶线性斜坡补偿对于占空比小于 50 %也加入补 偿信号 ,该技术虽能补偿系统电流环稳定 ,但由于补 偿模块的输出电压幅度有限 , 在小占空比下加入的
图 3 三段线性斜坡补偿电路
率补偿技术 ,有效消除环路亚谐波振荡并克服了稳定性对输出负载以及误差放大器增益的依赖 ,提高了芯片的瞬态响应速度 及输出带负载能力 。采用 TS MC 0. 25μm BCD 工艺设计实现了一款高电压电流模 PWM 降压型的 DC_DC 芯片 , spectre仿真结 果表明 ,输出电流可达 2 A ,其线性调整率和负载调整率均小于 0. 3 % ,输出电压对负载 1 A 时的阶跃响应时间小于 70 μ s。
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Abstract: The stabilities of the internal current loop and voltage loop in a current2 mode P WM step 2down DC_DC are both analyzed and researched in this paper . The p iecewise2linear slope compensation technology and built2in frequency compensation technology are adop ted which not only avoid the loop ’ s sub2har monic oscillation efficiently, overcome the stability of the output depending on load and the error amp lifier gain, but also rise the speed of system’ s transient re2 sponse and enhance the load capacity of the chip’ s output . A high voltage current2 mode P WM step 2down DC_DC is de2 signed by TS MC 0. 25μm BCD p rocess and si m ulated in spectre. The results indicate that output current is up to 2 A, both linear and load regulation are less than 0. 3 % , and the output voltage can recover within 70μs for 1 A load step. Key words: step 2down DC_DC; current2 mode PWM; p iecew ise 2linear slope compensation; frequency compensa2 tion; loop gain EEACC : C片内补偿电路的设计实现
代国定 ,徐 洋 ,李卫敏 ,胡 波
(西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室 ,西安 710071 )
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摘 要 : 对单片电流模降压 DC_DC的内部电流环与电压环的稳定性进行了分析研究 ,分别采用分段线性斜坡补偿与内置频
≈ 0. 3 + ( VRAM P - 0. 6 ) ・
调制器增益是由 PWM 的输入端电压到系统输 出电压 VOU T的增益 ,在忽略斜坡补偿时 ,为
GVC ( s) = RL R SEN SE
其中 RA 1 = R5 ‖ ( R 4 + R3 ) 是 Q1 导通 、 Q2 关断时 A 端到地的等效电阻 。
[7 - 8]
根据叠代定理 ,此时 A、 B 点电位可分别表示如下 : VA = 0. 3 + ( VRAM P - 0. 6 ) ・
RA 1 R5 RA 1 + R 1 R5 + R1 ( 3)
。根据等效电路的方法 ,对 CC M 模式下环
路进行频域分析 ,并建立 AC环路模型。
2. 1 电压环频率补偿原理
项目来源 : 国家部委预研基金资助 ( 9140A08010208DZ0123 ) ; 西安应用材料创新基金资助 ( XA 2 AM 2 200817 ) 收稿日期 : 2009 - 10 - 04 修改日期 : 2009 - 10 - 20
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电 子 器 件
第 33 卷
1 电流环补偿
第 1期
代国定 ,徐 洋等 : 电流模 PWM 降压 DC_DC 片内补偿电路的设计实现
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当 RAM P信号低于 0. 9 V , 补偿信号处于第一 段补偿区间即无补偿信号 ; 当 RAM P大于 0. 9 V 时 ,
Q1 导通 , Q2 关断 , 补偿信号处于第一段补偿区间 ,
个周期中主开关以及同步开关交替工作来维持输出电 压的稳定 , 是一种非线性工作状态 , 线性电路分析方 法并不适用。一般用空间状态表或等效电路的方法进 行分析
DA I Guod ing , XU Yang, L I W eim in, HU B o
( Key L ab of H igh 2 S peed C ircu it D esign and EM C, M in istry of Educa tion, X id ian U n iv . , X i’ an 710071, China)