降压型DC-DC转换器自调节型斜坡补偿电路设计

降压型DC-DC转换器自调节型斜坡补偿电路设计 274 微电子学与计算机 2005年第22卷第3期降压型 DC—DC转换器自调节型斜坡补偿电路设计李演明来新泉王红义 (西安电子科技大学电路 CAD研究所，陕西西安 710071) 摘要：本文给出一种用于降压型 DC—I)C转换器的自调节型斜坡补偿电路。文章从斜坡补偿的基本原理出发，根据电流环稳定的条件．设计出了一种补偿量随输入输出电压自动调节的斜坡补偿电路。该斜坡补偿电路的优化设计避免了因过补偿而带来的系统瞬态响应慢和带载能力低等不良影响。该电路基于Sams...

274 微电子学与计算机 2005年第22卷第3期降压型 DC—DC转换器自调节型斜坡补偿电路设计李演明来新泉王红义 (西安电子科技大学电路 CAD研究所，陕西西安 710071) 摘要：本文给出一种用于降压型 DC—I)C转换器的自调节型斜坡补偿电路。文章从斜坡补偿的基本原理出发，根据电流环稳定的条件．设计出了一种补偿量随输入输出电压自动调节的斜坡补偿电路。该斜坡补偿电路的优化设计避免了因过补偿而带来的系统瞬态响应慢和带载能力低等不良影响。该电路基于Samsung BCH4工艺设计．经 Hspice仿真验证达到设计目标。关键词：斜坡补偿，降压型，DC—DC，自调节中图法分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1000-718O(2005)03—274-03 Design of Self-Regulation Slope Compensation Circuit for 、 Buck DC．．DC Converter LI Yah—ming，LAI Xin—quan，WANG Hong-yi (Institute of Electronic CAD，Xidian University，Xi’an 710071 China) Abstract： This paper gives a design of serf-regulation slope compensation circuit applied to buck DC-DC converters． On the basis of the root theory of slope compensation and the stability of current loop，a self-regulation slope compensa· tion circuit is designed，whose compensation amount varies with input and output voltages．The slope compensation cir- cuit improves the output current capability and transient response speed of the system． This circuit is design ed on the basis of Saw_sung BCH4 process，and its performances have been verified by Hspiee simulation． Key words：Slope compensation,Buck，DC-DC，Self-regulation 1 引言峰值电流模控制技术以其优越的输入电压和系统响应特性。极大地推动了DC—DC转换器的发展【1]。但是。由于在占空比大于50％时电流环的不稳定性，使得这一技术受到了限制。为此有人提出了斜坡电流补偿技术。使电流环的不稳定性问题得到了改善l 。已有的斜坡电流补偿技术从方法上看，主要可以分为：一次线性补偿，分段线性补偿，非线性补偿。但是它们的补偿效果并不理想l 1。本文从坡补偿基本原理出发。吸取了已有斜坡补偿技术的经验，提出了一种用于降压型 DC—DC转换器的自调节型斜坡补偿电路。该电路根据输入输出电压自动调节补偿量。避免了过补偿所带来的系统瞬态响应慢以及带载能力低等不良影响l1．3,41。 2 补偿原理分析法 2．1 补偿基本原理本文提出的斜坡补偿电路适用于降压型 DC一收稿日期：2004—09—1O DC转换器。以下对给出的buck型峰值电流模控制 DC—DC转换器的系统结构进行分析【】。从图 1的系统结构中可以看到。峰值电流比较器(CC)的反相端输入信号为电感电流采样信号，同相端输入信号为误差放大器(EA)的输出与斜坡补偿(Slope)信号相减后的信号。斜坡补偿电路作为电流模控制 DC—DC转换器中不可缺少的一部分，有其存在的必然性。以下将从电感电流特性中作直观分析。图l buck型峰值电流模控制DC—Dc转换器系统结构维普资讯 http://www.cqvip.com 2005年第22卷第3期微电子学与计算机 275 在占空比D<50％的情况下，如果电感电流受到一个扰动量 △，，从图2的波形上我们可以看到，最终扰动量被消除了，说明系统是稳定的【】1。图2电感电流受到扰动的情况(D<50％) 如图 3所示，在占空比 D>50％的情况下，电感电流中引入的扰动量就会被放大，说明系统是不稳定的。图3电感电流受到扰动的情况(D>50％) 如果引入一个斜率为一17／,的补偿电流，我们可以在图4中看到，最终扰动分量被消除了。图4引入补偿电流后的情况( l>50％) 以上从直观的角度得出了定性的结论：通过引入斜坡电流，消除了 D>50％时系统的不稳定。以下给出定量分析结果。如图4所示，假设电感电流上升斜率为m。，下降斜率为，补偿电流斜率为一m，电感电流受到的扰动分量为△，0，经一周期后变为△，。。系统在没有引入补偿电流时有 △，。= (1) 引入补偿电流之后 All=一At。 m m 2 ，+ + m ra 一 (2) 系统稳定的条件是：A／。- 1 mI+m9 (4) 由图2知： D·T·m。=一(1-O)· ·T (5) 推出： mJ=(1一古) (6) 将式(6)代人式(4)得： m>(方一1 (7) 对于 Buck型 DC—DC(~II图 1所示)来说，忽略开关导通压降，则有[71：： — Vi — n- r Vout ml (8) =———— —一 I6 J rrt2=一— Vo 广 ut (9) 一—了一 L Vout=Vin·D (10) 将式(9)与式(10)代入式(7)得： 1 m>(Vout-O．5 Vin)辛 (11) 从上述推导中得出重要的结论：只要斜坡补偿电流的斜率m满足公式(11)，系统就可以稳定工作。 2．2 自调节型斜坡补偿原理由 2．1节所作的斜坡补偿基本原理推导得出，使 buck型 DC—DC转换器系统稳定的斜坡补偿电流斜率／'n与输入输出电压之间的关系(见公式(11))。利用 MOS管工作在线性区的电阻特性[61，构造出如图5所示斜坡电流产生电路，得到的斜坡电流 Islope满足公式(11)的关系。下面详细分析该电路的工作原理。图5 自蒯可型斜坡电流严生电蹯运放 Ampl、Mo以及电阻 Ro构电压跟随器，于是可以认为：，J= (12) = (13) 设 Rl=尺2，则： = (14) ，l：二 (15)R Jr_ n 、，维普资讯 http://www.cqvip.com 276 微电子学与计算机 2005年第 22卷第 3期 Amp2与，的连接关系使得工作在深线性区，所以可以得出的导通电阻为：尺姗 = = (16) 因为与的结构完全相同，所以有 RDSM2=RDSMI=揣out (17) r ⋯r m 当将斜坡电压加在源漏两端时可以得到斜坡电流 = V cap tom = (18) 一尺一 r·尺0 u，由式(18)的结果可以看出：斜坡补偿电流k 的斜率与( 一0．5 成线性关系，通过调节与尺。就可以得到斜率满足式(11)的斜坡补偿电流。且该补偿电流随输入输出电压自动调节．达到自调节型补偿的目的。需要注意的是，电路中引入了一个比较器 Comp，它的作用是：当输出电压低于输入电压的一半时，屏蔽放大器Ampl和Amp2工作，以保证电流不会经尺。反相流到。同时， =0，所以 =0，不提供斜坡补偿电流输出。因为占空比D=鲁，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2．1节的推导得出的结论：在占空比D<50％的情况下系统是稳定的．不需要斜坡补偿。然而，为保证补偿的可靠性．我们必须考虑补偿余度。通过调节尺，与尺：的比值就可以将补偿起始点设置在 D<50％的适当位置。 3 完整电路分析通过 2．2节对图 5的斜坡电流产生电路结构的分析．得到该电路结构建立了斜坡补偿量与输入输出电压之间的关系．能够达到自动调节的补偿效果。下面对给出的该斜坡补偿电路完整结构进行分析，如图6所示。斜坡信号来自于振荡器(osc)充放电电容两端电压 V 同，它是与振荡器同频的三角波信号。经过Q 、Q。处理后加在漏源两端产生斜坡电流。同时，图 5中的尺与尺：电阻分别用图6 自调节型斜坡补偿电路完整结构与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。因为： VBEQt—VBeqo (20) 所以近似有： = (21) 设： =÷V (22) 忽略，则 — 结合式(18)有：，，一：( 堂二：一 ·尺0 = R (23) 一 · 0 ，设与的宽长比为 1：1，所以、电流是 1：1的镜像关系，故： Vstom= R = Ro"R (24) l — · t ，式(24)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管与来说，有[61： c倒 ( 一V聊)z ：知 ( 一V聊)z (25) 选取 =导’贝lJ = (26) 通过调节与的宽长比就可以设置，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。下面给出仿真验证波形。 1．O O．S ()．() Transient Response ： Vo ：I．8V／Vslope ttm e 图7 斜坡补偿电压仿真波形 4 结束语文章从斜坡补偿的基本原理出发．设计出了一种适用于降压型 DC—DC转换器的自调节型斜坡补偿电路。通过利用 MOS管工作在线性区的电阻特性．建立了输入输出电压与斜坡补偿电流之间的关系．实现了斜坡补偿量的自动调节，从而优化了系统性能。最后通过了仿真验证。 (下转第2,8O页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 280 微电子学与计算机 2005年第22卷第 3期出，随着设计线宽的变化，模拟结果比较好地吻合了实验结果。为了验证曝光剂量对抗蚀剂显影轮廓的影响．设计了线宽为 100nm，line：space=l：1的图形．实际线宽为 170nm和220nm，曝光条件为：Si衬底胶厚 425nm，JOEL5000电子束曝光系统，束流 5nA，步距 12．5nm，在图 4中曝光剂量为 1001xc／amz．在图 5 中，曝光剂量为 2001xc／am ，实验图形和模拟结果同样很吻合。 4O0 200 O 0 500 1000 1500 2000 X axistitle 图5 5 结束语本文基于计算机领域模拟复杂系统动态变化的元胞自动机方法，建立了实用的显影模型。选用了合适的显影速率和参数．模拟出 ZEP520正性电子抗蚀剂在不同设计线宽和曝光剂量条件下的显影轮廓，并用实验进行了验证。参考文献 A W Burks．Von Neumann’s Self-Reproducing Automa． ta_In A W Burks．editor,Essays on Cellular Automata,Uni． versity of Ilinos Press．1970：3～64． Batty M，Couclelis H，Eichen M．Urban Sysytem as Ce1． 1ular Automata．Environment and Planning B：Planning and Design，1997，24(2)：159-305． S Wolfram．Cellular Automata and Complexity(Addison Wesley，Reading，MA，1994．赖进贵．细胞自动机与地理资讯系统结合之初探研究．中国地理学会会刊．2000(28)：109～126． THPChan g．Proximity Effect in Electron——Beam 1．1thogra． phy 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1-523． 556～564．李演明男，(1979一)，硕士研究生。主要从事专用集成电路设计及其相关理论的研究。 Ⅲ 维普资讯 http://www.cqvip.com

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