升压型 DC-DC 中的动态斜坡补偿电路设计

升压型DC-DC 中的动态斜坡补偿电路设计

周丽霞1 来新泉 陈富吉

（西安电子科技大学CAD 所 西安 710071）

摘要：本文给出一种用于升压型DC-DC 转换器的动态斜坡补偿电路。该设计引入输入、输出电压反馈控制电路，利用工作于线性区的MOS 管压控电阻特性，实现动态的、优化的斜坡补偿。与传统的设计相比，这一设计使引入的斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响有效减小。论文最后给出仿真结果。

关键词：DC-DC ；斜坡补偿；反馈控制；压控电阻

The Design of A Dynamic Slope Compensation Circuit

for BOOST DC-DC Converter

Zhou Lixia Lai Xinquan Chen Fuji

(Institute of Electronic CAD Xidian University Xi’an 710071 P. R. China)

Abstract ： This paper presents the design of a dynamic slope compensation circuit for Boost DC －DC converter. With the utilization of the voltage controlled resistor characteristics of MOS transistor and the introduction of a feedback circuit controlled by input and output voltages, a dynamic and optimum slope compensation circuit is realized. Compared with the traditional design, the negative effects on the system’s output current capability and transient response are effectively reduced. Finally, the simulation results are provided.

Key words: DC-DC; slope compensation; feedback control; voltage controlled resistor

1 引言

电流模PWM （Pulse Width Modulation ）开关电源由于其优越的电源电压和负载调整特性，得到越来越广泛的应用。但随之而来的是：电流反馈环在占空比大于50％时的开环不稳定现象、可能出现的亚谐波振荡、非理想的环路响应、以及容易受噪声影响。幸运的是通过斜坡补偿技术可以有效的解决或使上述问题最小化[4-6]。本文基于升压型DC-DC ，首先介绍了开关电源中斜坡补偿原理，在此基础上提出了一种动态的斜坡补偿思想。

2 设计思想

2.1 DC-DC 的斜坡补偿技术回顾[5,6]

电流模PWM 升压型DC-DC 在占空比大于

50％时存在固有的开环不稳定现象。

图1为引入了斜坡补偿信号后的示意图，经简单的数学推导，可得下式： m m m m I I ++∆=∆1201 (1) 由式（1）可知，引入具有适当斜率m 的补偿斜坡，使下式成立： 1周丽霞，（1979~ ），女，山西省绛县人，现为西安电子科技大学电路与系统专业硕士研究生，主要从事电源管理类集成电路的设计与研发工作。

图1 引入斜坡补偿后的开环稳定性示意图

Fig.1. Open loop Stability with slop compensation

11201<++=∆∆m

m m m I I (2) 即可消除电流模DC-DC 中占空比大于50%时的开环不稳定现象。

由式（2）易知，当m 满足下式时，可在最坏情况（占空比为100％，即m2>>m1）下满足系统的开环稳定性要求。

22

1m m −> (3) 2.2 动态斜坡补偿思想

把升压型DC-DC 中等效电感电流续流斜率m 2的表达式代入式（3）可得升压型DC-DC 电流环稳定条件：

max

*21⎟⎠⎞⎜⎝⎛−>SENSE in out R L V V m (4) 式（4）给出的条件可在输入输出相差很大的最坏情况下保证系统的稳定性，但在非最坏情况下会出现过补偿现象。 本文基于当今DC-DC 芯片宽电源电压输入、宽输出电压的发展趋势，利用输入输出电压的差值作为反馈信号控制MOS 压控电阻，最终提供如图2所示的补偿斜坡，其斜率大小正比于

输出输入电压差，从而有效避免了由于V dif 的变化而引起的过补

偿现象。图2中，实线为最坏情况下（输入输出电压之差最大）的补偿斜坡，虚线为输入输出电压之差减小时相应的补偿斜坡。 3 电路实现与仿真验证

实际电路包括反馈控制电路与斜率转换电路，如图3所示。

图3 实际电路图

Fig.3. Complete schematic

3.1 反馈控制电路

设计中取晶体管M1、M2宽长比相等，偏置I 0≈I FB ,则有Vgs1≈Vgs2成立，则：

V 图2 动态斜坡补偿示意图 Fig.2. Dynamic slop compensation

021)

(R V V R V V V V I in out gs gs in out B F −≈+−−= (5) 运放A1接作电压跟随器形式[1]，其反相端接0.2V 基准电压，设计A1的增益远大于1，则晶体管M3漏极电压恒为0.2V ，M3工作于线性电阻区，其阻值可确定如下：

in

out FB M V V R I R −==03*2.02.0 (6) 3.2 斜率转换电路

设计M12、M13工作于线性电阻区,电路中M12、M13、M3栅极电位、源极电位分别相等，即其具有相同的V gs ，又设计它们宽和长相等，则三管具有相同的导通电阻，即：

in

out M M M V V R R R R −===031312*2.0 (7) 图3中M4～M7、R1、R2构成了第一级斜率转换电路，其输入级采用带源极负反馈的形式[1,3]：

th

m th gs th OX

RAMP V g V V I R I V L W C I R I V +−+=++=66111111)(2*

***2

**µ (8) 对式（8）中的平方根项进行化简： 6

16611

*2)(**2***2m m th gs OX g I g V V I L W

C I ≈=−=L L µ (9) 结合式（8）和式（9）可知，若R 1>>1/g m6，则在式（8）中，可忽略平方根项，近似认为M6管的漏电流是其栅端输入电压的线性函数，得到下式：

1

1R V V I th RAMP −≈

(10) 同理取R 2>>1/g m7，可得： 2

2R V V I th BE −≈ (11) 设计M4、M5的宽长比相等，R 1=R 2,则根据电流镜像关系可得：

1

213R V V I I I BE RAMP −=−= (12) 图3中R3、R4、I7、I8、M8～M13构成了第二级斜率转换电路，则采用同样的方法可得：

12

33134812333745****M M th M th SLOPE R R I R V R I R V R I R I I I I =−−−+=−= (13)