升压型DC—DC变换器电流环路补偿设计

升压型DC—DC变换器电流环路补偿 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 升压型DC—DC变换器电流环路补偿设计 第12卷第1期 2010年1月 电手元嚣件主用 ElectronicComponent&DeviceApplications Vo1.12No.1 Jan.2O10 doi:lO.3969/j.issn.1563-4795.2010.O1.020 DC变换器电流环路补偿设计 升压型DC— 罗鹏,张树春,王慧,李庆委 (1.西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安710071; 2.西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071) 摘要:针对固定频率峰值电流模式PWM升压型DC—DC变换器,给出了一种结构简单,易于 集成的电流环路补偿电路的设计方法.该电路的斜坡产生电路可对片内振荡器充放电电容上 的电压作V,I转换,其所得到的斜坡电流具有稳定,斜率易于调节等特点;而电流采样电路主 体采用SENSEFET结合优化的缓冲级和V/I转换电路,从而在提高采样精度的同时.还减小了 损耗.整个电路可采用0.6m15VBCD-X-艺实现.通过CadenceSpectre进行的仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 该电路可有效地抑制亚谐波振荡,采样精度达到77.9%,补偿斜率精度达到81.5%. 关键词:斜坡补偿;电流采样;电流模式;V/I转换 O引言 固定频率峰值电流模式PWMfPulseWidth Modulation1DC—DC变换器同传统的电压模式控 制相比,具有瞬态响应好,输出精度高,带载能 力强等优点,因而被广泛应用.作为重要的模拟 单元,斜坡补偿电路和电流采样电路是电流模式 PWM控制的根基.对电流模式控制中电流环路的 稳定性起着重要作用. 1电路结构 图1所示是典型峰值电流模式PWMBoostDC— DC控制系统的结构框图.当电压外环的电压反 馈信号经过误差放大器放大得到的误差信号送 至PWM比较器后,将与电流内环的一个变化的, 其峰值代表输出电感电流峰值的三角波或梯形尖 角状合成波信号z比较,从而得到PWM脉冲关断 阈值.即: 岛DPB,-尺,Dc?Rx(1) 在(1)式中:第一项为斜坡补偿部分,用于 保证电流环路的稳定:第二项反映了电感电流的 大小,通常由电流采样电路产生;第三项用于产 生一个固定的基础电平.以为PWM比较器输人端 收稿日期:2009—08—31 62电手元嚣件主用2010.1.ecda.cn 图1典型峰值电流模式PWMBoostDC—DC控制系统框图 提供一个合适的直流工作点. 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.而是通过控制峰值输 出端的电感电流大小.然后来间接地控制PWM脉 冲宽度. 但是.电流模式的结构决定了其应用时存在 电流内环在占空比大于50%时的开环不稳定现 象,亚谐波振荡,非理想的环路响应,以及容易 受噪声影响等几个固有缺点.针对上述问题,在 环路的补偿方式上.除了电压环路的RC串联补 第12卷第1期2010年1月翟簖Vol_l2No.1 Jan.2010 偿之外,还必须对电流环路进行补偿,以满足电 流环路的稳定性要求.有效的解决方法是采用斜 坡补偿技术,并在提高电流采样精度的同时降低 采样损耗.以保证电流环路的稳定. 本文利用对振荡器充放电电容上的电压作W I转换来得到稳定且斜率易于调节的补偿斜坡. 同时采用功率SENSEFET作为采样器件,并结合 设计简洁的V/I变换.使采样系数不受温度和工 艺的影响,从而在得到较高精度采样值的同时, 还减低了损耗. 2电路原理分析 2.1斜坡补偿 图2给出了在误差信号上叠加斜坡补偿电 压的方法.为电压反馈回路的误差放大信号, 实线波形为未加扰动的电感电流,虚线为叠加?,0 扰动量的电感电流,D为占空比,m,,m2分别为 采样得到的等效电感电流的上升和续流斜率. (a)D<50%无补偿时的电感电流波形 (b)D>5O%无补偿时的电感电流波形 (c)D>50%有补偿时的电感电流波形 图2加入斜坡补偿前后的电感电流波形 由图2(a),(b)可知,若没有斜坡补偿,在 下一个周期,该扰动电流为: l=一?,0?(2) ,nl 而经过n个周期后,由引起的电流误差?,n 为: = }._] 由式(3)可以看出,当m:<m.,即D<50%时, 电流误差?,n将逐渐趋于0,故系统稳定;而当 m2>m,即D>50%时,电流误差将逐渐放大, 从而导致系统不稳定. 图2(c)是D>50%时,叠加补偿电压后的电 感电流波形.对于该波形,有: ?,=一(4) HH 显然,要使环路稳定,必须使A/l<Mo,即满 足: l【-Il<(5) 故在连续导通模式下,下式成立: =一(6)mI1-D,. 结合(5)和(6)两个式子可以得到: m>一(1一亩)m2(7) 由此可见,当m>一1m2时,可在最坏情况下 (D=100%,即?>>m)满足系统的开环稳定性要 求. 图1所示的电路同时给出了在电流反馈电压 上叠加斜坡补偿电压的方法.通过比较分析可 知,两种补偿方法在效果上是等效的,但是第二 种方法中的电路实现相对更简单,因此较为常 用. 2.2电流采样原理与方法 传统电流采样方法是在开关管的电流通路上 串接 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 电阻,这样不仅降低了DC—DC转换器的 效率,而且对于传统工艺来说,制作这样的小电 阻也很困难.为了弥补这些不足,本文在 SENSEFET采样方法的基础上.加入了简洁的V,I 变换电路,从而形成了一种结构简单且精度较高 的采样电路.其电路主体如图1中的采样电路所 示.其中为P0WERFET,其宽长比设计的非 常大,可以减小其导通阻抗f本电路的典型值为 150ml1);Ms为SENSEFET;检测电阻尺可利用 工作在线性区MOS管的导通阻抗特性,使其宽长 比与慨相同,因此,导通阻抗与慨的相等,记为 埘删.ecd~cn2010.1电子元器件主用63 第12卷第1期 2O1O年1月 电手元嚣件主用 ElectronicComponent&DeviceApplications Vo1.12No.1 Jan.2O1O 尺驯.为了减小采样损耗,一般必须使(W/L) ?<()惜. 设():()MM=n(的取值一般不低 于100),开关管电流为,M,则有: Vsr:s=I~R瓣n(8) 采样电压SEN经过简洁实用的V/I转换电路 后,可将其转换成所需要的采样电流信号,然 后与斜坡电流信号ISLO~在R=进行叠加,就可得到 所需的电压:. 3改进型电路设计 3.1斜坡产生电路 图3所示是一种改进型斜坡产生电路.图中, MP5,MP6为匹配的差分对管:Q.,Q:匹配(rCE (Q1)=rcE?),为负载管,它们的发射极面积相等, 为Q,的两倍.负载管Q,,Q:采用三极管,可在高 匹配性的同时大大减小噪声影响.在Q的集电极 与基极之间加一个射极输出的晶体管Q.可以减 小Qz和Q,基极电流对,D(MP6)的分流;而在Q和 Q的基极与地之间加电阻R4,则可用来提高Q的 B.V为片内振荡器充放电电容上的锯齿波电压, 的变化范围为,.其中和分别为振荡器 充放电的高,低设定电压值. V 【iNIJ 图3斜坡产生电路 此电路主要任务是将电容上的锯齿波电压转 换成所需要的斜坡电流. 3.2电流采样电路 图4所示为本系统中的电流采样电路.该电 流采样电路由三部分组成:采样电路,缓冲级电 路和电压/电流(v/i)转换电路.其中采样电路 采样得到反映电感电流的电压后,可经过优 64电子元器件盔用2010.1.ecdcacn 图4电流采样电路 化处理的缓冲级电路进行电平平移,从而得到 ,以避免采样电压受到后级电路的影响, 即: 一(9) 最后,经过V/I转换电路,就可以转换成 所需要的电流信号,以便和,ls眦进行叠加. 因为图4中的Q.和Q:匹配,偏置相同,所以Q 和Q:的发射极电压近似相等,即:V:V,,因而 可为=提供一个合适的直流电平. 4仿真结果 采用0.6p,mBCD工艺时,可对设计的电路进 行仿真验证.仿真条件为供电电压矾=5V,输出 电压13V,负载电流为500mA.由仿真条件 可知,占空比D>50%.但必须引人斜坡补偿以保 证电流环路的稳定. 图5所示是整体电路在典型情况下>50%), 加入斜坡补偿的仿真波形.其中,图5(a】是电 感实际的电流波形.其电感电流峰值为PE^l(= 1.796A;图5(b)是采样得到的电感电流波形, 其采样电感电流峰值为,雌肿J(=10.5051~A. 由于设计中的典型值R2=3=10kit,RDsf删l = 150mit,RD6=15Q,n=100,故其电流采样 系数为:7.5x10,采样精度为77.9%. 图5(c)C是斜坡补偿电路产生的斜坡电流波 形,实测的补偿斜坡的斜率为5.487Ms,时钟 CLK为1.2MHz,占空比为85.7%,T1=685.563as. 由于本设计中的典型值为:=0.4V,=lV, 第l2卷第1期 2010年1月蘧簖Vo1.12No.1 Jan.2010 一 IT(",I_ inductor/PLUS")*IT("/I_sense/MINUS")一IT("/LsIo~LUS")寺ITc./Ls~ma/PLUS) tims) 图5仿真波形 R=652. 故可得其补偿斜坡的斜率为:m=6.732A/s. 因此可知,本设计的补偿斜坡已经达到较高 精度(81.5%),可以满足设计要求; 图5(d)是电感电流采样值与补偿斜坡的合 成波形.可以看出,其斜坡补偿的加入有效的抑 制了亚谐波振荡. 5结束语 本文针对峰值电流模式DC—DC转换器固有的 不稳定性,设计了斜坡补偿电路.采用固定斜率 补偿技术.虽然在小占空比条件下会减弱电流模 式PWM控制的优点,但其电路结构简单,容易调 节,可降低设计难度,同时针对一般的便携式设 备,完全可以满足应用要求;而电流采样电路使 用SENSEFET.同时结合缓冲级和v/I转换电路, 可在采样精度得到提高的同时减小损耗.因此, 本设计中的两个V,I转换电路可以较好地移植到 其它DC—DC变换器电路中. 目前.本电路已经应用在一款升压型DC—DC 芯片中,并且已经完成了前期仿真.仿真结果达 到了预期要求,证明了该电路的可行性. 参考文献 【l】来新泉,周丽霞,陈富吉.升压型DC—DC转换器中的 动态斜坡补偿电路设计[J】.微电子学,2005,(4):420--421. 【2】王红义,来新泉,李玉山.减小DC-DC中斜坡补偿对 带栽能力的影响[J].半导体,2006,27(8):1484— 1485. 【5】Yuvaraian,S.;Wang,L.;PowerConversionandControl UsingaCurrentSensingPowerMOSFET",Circuitsand Systems,.1991.,Proceedingsofthe34thMidwestSympo? siumon14-17May1991Page(s):166-169vo1.1 [6]6BehzadRazavi.DesignofAnalogCMOSIntegratedCir- cuits[M].McGraw-HillCompanies,Inc.2001:13-18 WWW.ecda.cn2010.1电子元器件主硐65