论文研究-峰值电流模升压变换器的自适应斜坡补偿电路设计 .pdf

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峰值电流模升压变换器的自适应斜坡补偿电路设计,汪倩,陈文韬,设计了一种适用于峰值电流模升压DC-DC变换器的自适应斜坡补偿电路。利用吉尔伯特单元的传输特性将输入输出电压转化为斜坡电流,使�
山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 65 考虑最差的情氿,取最大占空比为1时(m1=0),可计算得到 1>-|m (3) 因此,在占空比较小的情况下固定斜坡补偿会岀现过补偿现象,加剧了斜坡补偿对系统 开关电流限制指标的影响,从而降低系统的带载能力,影响瞬态响应特性和峰值电感电流。 2自适应斜坡补偿电路的设计 70 为减小固定斜率斜坡补偿的过补偿影响,近年米提出了自适应斜坡补偿方法,使补偿斜 率能够眼随占空比而动态变化。文献[7]利用线性区 MOSFET对电容电压建立了输入输 出电压与斜坡电流的关系;文献[8]利用与D有关的电流以及跨导线性环产生斜坡信号。 下面从补偿斜率与输入输出电压的关系岀发,设计一种新型的自适应斜坡补偿电路。 对于升压型DC-DC变换器,m1,m与输入输出电压Min和VOu的关系可表示如下 Vin my (4) Vout-vin (5) L 将(4)式和(5)式代入(2)式,可得到补偿斜率与输入输出电压的关系 Vout-Vin) (6 L 2 因此,根据吉尔伯特单元( Gilbert celly)的传输特性例,可建立补偿电流和输入输出电 80压的关系,通过计算补偿电流对时间的导数,得到补偿斜率与输入输出电压的关系式,用于 调节满足(6)式要求的参量,便可实现自适应斜坡补偿,提髙系统的稳定性。 2.1自适应斜坡产生电路 图3为本文设计的自适应斜坡产生电路,工作在饱和区的管」MN1~MN7构成吉尔伯 特单元,且MN1~MN4和MN5~MN6相匹配并只有相同的宽长比;MP1、MP2、MP5、 85MP6构成 cascode电流镜;MP3和MP4构成电流放大倍数为N的电流镜。其中,MN5和 MN6的栅压分别为斜坡产生电路的输入电压Vin1和输出电压Vouu1,MN2和MN3的栅压 为一固定电压Vx,MN1和MN4的栅压在Vx上叠加一个锯齿波电压Ⅴm当amp0时 Ia≠I,通过 cascode电流镜将流过MPl、MPS的漏电流I镜像为MP2、MP6的漏电流,则 流过MP3的电流为L-la,而流过MP4的斜坡电流为N(Ib-Ia)。设Ka,K为MOS管跨导 90参数与沟道宽长比之积,并满足K1=K2=K3=K4=Ka,K=K6=Kb。由图3可计算得到: 1b-1n=12+4-(1+l3) (7) 若满足K2n41,KV2n<45,则 Vamn (vout l-vinl (8 因此,流过MP4的斜坡电流Imp为: N(I-1 (outl-vinl) (9) 由于补偿斜率m是补偿电流对时间的导数,因此可求得m。与斜坡产生电路的输入输出 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 电压的关系式: KK (outl-vinl) (10) 只要合理调整各个参数,上式即可满足(6式中斜牽补偿的妟求,使补偿斜率跟随输入 100输出电压改变而变化,避免过补偿和欠补偿的问题。 MPI MP2 HEMP3 N(Ib-Ia) lb-Ia Tramp M MN H|3 MN7 图3自适应斜坡产生电路 Fig 3 Schematic of slope compensation 10522输入级电路 由于吉尔伯特单元的Vinl和outl范围较窄,一般为几十亳伏到几百毫伏,因此需要针 对吉尔伯特单元设计输入级电路,以满足DC-DC变换器的输入条件。图4中,系统输入彡 出电压Mm和Vomt首先经过电阻R1,R2,R3,R4分压,然后连接到PNP晶体管Q1,Q2 的基级。其中,晶体管Q1,Q2是对分压后的输入输出电压进行电平搬移,使其能满足吉 110伯特单元输入输出电压的范围。 VDD Ic ⊥c Vout RI Q1 Q2 R2 R4 图4输入级电路 ig. 4 Schematic of input stage 根据双极型晶体管的电流L和发射结电压Ve关系,从图4可分别计算得到Q1、Q2 115发射级电压V1和Ve2 4 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn Vn1=11+V1,V,=V2+V 2 因此,可得到自适应斜坡产生电路Vn和 YoutH电压差与系统输入输出电压之间的关 系 Voutl-vinl=v-v RA Vo (12) R+r R4+R2 120 将(12)式代入(10)式,即可推导出系统输入输出电压Vn和Vout与补偿斜率的关系式 K R R N ouI 丿in) (13) 2R3+R4 R+r t 由上式可知,图4的输入级电路可以解决吉尔伯特单元对输入输岀范围的限制,使所 设计的自适应斜坡补偿电路能够满足DC-DC变换器对输入条件的要求 3仿真分析 结合一款峰值电流模升压DC-DC变換器,基于SMIC0.18 um mix- Signa11.8/3.31P6M工 艺,采用 Cadence Spectre对上述设计的自适应斜坡补偿电路进行仿真验证。图5为对补偿 电流Iram的仿真结果,其一,在常温下,固定输出电压为4V,当输入电压从1.8V到2.6V 变化,可见其补偿斜率也随之变小,动态跟随特性符合设计要求;其二,由于在上述电路设 计时考虑了补偿余度,古空比从0.4开始进行补偿,从图中可以看出在Vin=2.6V(占空比 130<0.4)时,斜坡补偿斜率接近为0,有敚地消除了过补偿现象,减小斜坡补偿电路对系统瞬 态响应和带载能力的影响。 PM73si=160e+00)-PM73.sl=2.00e+00)一PM73.s0i=220e+00)-PM73.sN=2.40e+00 PM73.si=2.60e+00) 12.5 7.5 图5自适应斜坡补偿电路的仿真结果 (VIN=L 8-2.6V, VOUT=4.0V, tcmp=27C) 135 Fig 5 Simulation waveforms of Adaptive slope compensation (VINL8-2.6V, VouT=4.0V, temp=27C) 为了进一步验证所设计电路对稳定整个DC-DC系统的作用,在未引入和引入斜坡补偿的 情况下,固定输入电压为1.81,负载电流稳定时对系统进行仿真,结果分别如图6和图7 所示。从图中可以看出,未引入斜坡补偿时,电感电流受纹波影响严重,电流上下浮动约士 1400.2A;引入斜坡补偿后,对稳定电感电流的作用明显,浮动范围缩小为±0.075A,且输岀纹 波小」50mV,因此提高了整个系统的稳定性。 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 2 1.8 vM M M M M n1M Mg y 14 k⊥ALAA人AAA 3.5 440 460 480 499.47u5 4.098了v time (us) 图6系统未补偿时输出电压和电感电流的仿真结果 (VIN=1.8V, VouT=4V, D=55%, tci 145 Fig 6 Simulation waveform of output voltage and inductor current without Slope compensation 7IN=1.8V, VOIT4V, D=55%, temp=2 L Mo(454.1us.+.074 11(471.7u5,4.026v) 2.0 420 440 「485.53us4.0306V time (us 图7加入补偿时输出电压和电感电流的仿真结果 (VIN=1.8V, VOuT=4V, D=55%, temp=27C) Fig7 Simulation waveform of output voltage and inductor current with Slope compensation (Vn=1.8V: 4V,D=55%,temp=27( 图8和图9分别给出了输入电压为1.8V和3.3V时,DC-DC系统的输出电压、负载电流 及电感电流曲线。当输入电压从1.8V-3.3V变化时,系统不仪保持4V左右的稳定输出,而 且可得到约550mA的负载电流。因此,仿真验证的结果表明,本文设计的斜坡补偿电路在不 155同的占空比下具有较好的带负载能力,克服了固定斜坡补偿带负载能力低的问题。 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 4.vout 321 415141us4.025v 2./vInL MU日334us,1.8v 600-7R9FPLUSL M24m554m 2.0-7LUFPLUSL- 500 44.83ns1.71a4V tIme (usi 图8in-1.8V时输出波形 Fig 8 Simulation waveform of output with Vin=1. 8V 540 M1(495u5,548.5m 4.75-vwoutL M0浮400.6u5.4.003 3.25 M24644u53.3V 3 500 99.81u5b73,91mA time (us) 160 佟9Vin-3.3时输出波形 Fig 9 Simulation wavcform of output with vin=3.3V 结论 基于对峰值电流模变换器斜坡补偿原理的分析,提岀了一和新的自适应斜坡补偿电路。 该电路利用吉尔伯特单元的传输特性,构建输入输出电压与斜坡信号的关系,因此结构简单, 165易于实现。在此基础上,结合款爪压型DC-DC变挨器,基于 SMICO.18 um mix- signal18/3.3 1P6M工艺进行仿真验证,结果表明所设计的补偿电路既可满足系统稳定性的需要,只有较 好的带负载能力,又不会造成过度补偿 参考文献]( References 170[1]韩良,张磊,宗士新.峰值电流模式中斜坡补偿的设计微处理机,2010,25(6):1-3. 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