CN103095101A - 一种斜坡补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种斜坡补偿电路。本发明实施例提供的斜坡补偿电路，利用自偏结构构建一个正反馈与负反馈共存的环路，再利用电压控制NMOS管、PMOS管的沟道电阻R_DS，利用NMOS管、PMOS管压控沟道电阻的异相变化，从而控制正、负反馈在整个反馈效应中所占比重。最后产生一个随占空比变化的斜坡补偿电流。相比现有线性斜坡补偿技术，避免了开关电源在占空比D<50%的情况下不必要的补偿，以及在大负载、高占空比的状态下造成的过量补偿，简化了电路结构，并且为开关电源的轻载高效提供了条件，优化了中载时的瞬态响应，提高了开关电源的带载能力。

Description

一种斜坡补偿电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种斜坡补偿电路。

背景技术

在脉冲宽度调制的电流型控制开关电源***中，斜坡补偿是峰值电流控制模式的必需模块。当调制脉冲的占空比大于50%时，需要在电感峰值电流的采样信号上叠加斜坡补偿信号，否则电感将会引起次谐波振荡。斜坡补偿信号的斜率值必须满足

（其中，m是斜坡补偿信号的斜率值，m₂是电感电流下降的斜率值，D是调制脉冲的占空比）。

在线性斜坡补偿情况下，固定不变的补偿斜率必须满足在所有占空比的情况下，开关电源***都能稳定工作，这必然导致某些时候的斜坡补偿量过大，而严重影响开关电源的带载能力和瞬态响应。特别是在***空载的状态下，输出电流为零时，过量的补偿可能导致峰值电流控制模式转变为电压控制模式，使得开关电源的整体性能下降。

而在非线性斜坡补偿中，又以分段线性斜坡补偿最为典型。但是分段线性斜坡补偿的电路结构比较复杂，补偿斜率也只能单向增加；在占空比较大的情况下，不断增大的补偿斜率也会造成补偿过量，影响开关电源的带载能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斜坡补偿电路，旨在解决现有斜坡补偿电路存在的因补偿量过大而影响开关电源的带载能力和瞬态响应的技术问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:

一种斜坡补偿电路，用于对一定斜率的三角波进行斜坡补偿，包括：

与所述三角波的输出端相连、用于产生与电源无关的偏置电流的偏置产生单元；

连接在所述偏置产生单元的输入端与输出端之间、用于对所述偏置产生单元进行调整和限流的限流调节单元；以及

输入端与所述偏置产生单元的输出端相连、用于输出稳定的斜坡补偿电流的电流输出单元。

具体地，所述偏置产生单元包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和NMOS管M6；所述NMOS管M1的栅极和所述PMOS管M4的栅极共接于所述三角波的输出端，所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M4的源极同时接工作电压VDD，所述PMOS管M4的漏极接所述PMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的栅极、漏极共接后同时接所述PMOS管M5的栅极和所述NMOS管M2的漏极，所述PMOS管M5的栅极作为所述偏置产生单元的输出端、同时接所述限流调节单元的输入端和所述电流输出单元的输入端，所述NMOS管M2的源极接所述NMOS管M1的漏极，所述NMOS管M6的栅极、漏极共接后同时接所述NMOS管M2的栅极和所述PMOS管M5的漏极，所述NMOS管M5的漏极同时也为所述偏置产生单元的输入端、接所述限流调节单元的的输出端，所述NMOS管M1的源极和所述NMOS管M6的源极接地。

具体地，所述限流调节单元包括NMOS管M8和PMOS管M9；所述NMOS管M8的栅极和漏极共接后作为所述限流调节单元的输入端、与所述PMOS管M5的栅极相连，所述NMOS管M8的源极接地，所述PMOS管M9的源极接所述工作电压VDD，所述PMOS管M9的栅极和漏极共接后作为所述限流调节单元的输出端、与所述PMOS管M5的漏极相连。

进一步地，所述限流调节单元还包括限流电阻R1和限流电阻R2；所述NMOS管M8的源极通过限流电阻R1接地，所述限流电阻R2接在所述NMOS管M6的源极与地之间。

更具体地，所述电流输出单元包括PMOS管M7；所述PMOS管M7的源极接所述工作电压VDD，所述PMOS管M7的栅极为所述电流输出单元的输入端、接所述PMOS管M5的栅极，所述PMOS管M7的漏极输出斜坡补偿电流。

本发明提供的斜坡补偿电路，能够根据调制脉冲的占空比变化情况，在占空比比较小、比较大和非常大的不同情况下，适时调整斜坡补偿信号的斜率值，对开关电源进行不同程度的适度补偿，产生一个随占空比变化的斜坡补偿电流，优化了在高占空比下的过量补偿，简化了电路结构，并且为开关电源的轻载高效提供了条件，优化了中载时的瞬态响应，提高了开关电源的带载能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的斜坡补偿电路的结构框图；

图2是本发明的优选实施例提供的斜坡补偿电路的电子元器件示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种全新的斜坡补偿电路结构，实现了简单结构下优化开关电源的整体性能的功能，以下分别进行详细说明。

图1是本发明实施例提供的斜坡补偿电路的结构框图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种用于对一定斜率的三角波进行斜坡补偿的斜坡补偿电路，包括偏置产生单元10、限流调节单元20和电流输出单元30；

其中，偏置产生单元10与一定斜率的三角波的输出端V_ramp相连，用于产生与电源无关的偏置电流，限流调节单元20连接在偏置产生单元10的输入端与输出端之间，用于对偏置产生单元10进行调整和限流，电流输出单元30的输入端也同时与偏置产生单元10的输出端相连，用于输出稳定的斜坡补偿电流I_slope。

图2是本发明的优选实施例提供的斜坡补偿电路的电子元器件示意图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

在本优选实施例中，偏置产生单元10包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和NMOS管M6；

NMOS管M1的栅极和PMOS管M4的栅极共接于三角波的输出端V_ramp，PMOS管M3的源极和PMOS管M4的源极同时接工作电压VDD，PMOS管M4的漏极接PMOS管M5的源极，PMOS管M3的栅极、漏极共接后同时接PMOS管M5的栅极和NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极接NMOS管M1的漏极，NMOS管M6的栅极、漏极共接后同时接NMOS管M2的栅极和PMOS管M5的漏极，NMOS管M1的源极和NMOS管M6的源极接地。

作为本发明的一优选实施例，限流调节单元20包括：由NMOS管M8、限流电阻R1和限流电阻R2组成的限流调节单元201和由PMOS管M9构成的限流调节单元202；

NMOS管M8的栅极和漏极共接后与PMOS管M5的栅极相连，NMOS管M8的源极通过限流电阻R1接地，PMOS管M9的源极接工作电压VDD，PMOS管M9的栅极和漏极共接后与PMOS管M5的漏极相连，限流电阻R2接在NMOS管M6的源极与地之间。

作为本发明的一优选实施例，电流输出单元30包括PMOS管M7；

PMOS管M7的源极接工作电压VDD，PMOS管M7的栅极也接PMOS管M5的栅极，PMOS管M7的漏极输出斜坡补偿电流I_slope。

为了更好地理解本发明提供的斜坡补偿电路，下面将对如图2所示的优选实施例的工作原理进行说明：

输入端V_ramp输入一定斜率的三角波，在三角波一个周期的起始阶段，有V_ramp＜V_th1（V_th1是NMOS管M1的阈值电压），所以NMOS管M1截止，I₁＝0；此时有I₂＝[VDD-(V_SG3+V_GS8)]/R₁，PMOS管M3与PMOS管M7构成电流镜(WL)₇/(WL)₃＝K，所以I_slope=K·I₂，此时斜坡补偿电路不对开关电源***进行补偿。设d=V_th1/V_ramp(max)，当D>d时，该斜坡补偿电路开始对开关电源***进行斜坡补偿，调整三角波的最大幅值V_ramp(max)，即可调整补偿的起始占空比。

当V_ramp>V_th1时，NMOS管M1的导电沟道形成；随着V_ramp逐渐增大，NMOS管M1的漏源电阻R_DS1逐渐减小， $I_1=\frac{2}{{\mathrm{\&mu;}}_n{C}_{\mathrm{OX}}{(W/L)}_2}\frac{1}{R_{\mathrm{DS}1}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K_1}})}^2,$ $K_1={\left(\frac{W}{L}\right)}_2/{\left(\frac{W}{L}\right)}_6,$ I₁逐渐增大；随着V_ramp的逐渐增大，PMOS管M4的源漏电阻R_SD4逐渐增大，由 $I_3=\frac{2}{{\mathrm{\&mu;}}_p{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_4}\frac{1}{R_{\mathrm{DS}4}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K_2}})}^2$ 和 $K_2={\left(\frac{W}{L}\right)}_5/{\left(\frac{W}{L}\right)}_3$ 可知，I₃逐渐减小。NMOS管M2、NMOS管M6、NMOS管M1，PMOS管M3、PMOS管M5、PMOS管M4可以构成一个负反馈和正反馈共存的环路（K2>K1）；在V_ramp增大到一定值内，

维持相对稳定,I_slope=K·(I₁+I₂)=K·I₆。故当占空比增大到一定值时（比如90%>D>50%），由于正反馈效应远大于负反馈效应， $R\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{slope}}}{\mathrm{dt}}>\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{ramp}}}{\mathrm{dt}}.$

当V_ramp接近三角波的最大幅值时，PMOS管M4的V_SG4因为大大减小，所以PMOS管M4的导电沟道减小，源漏电阻R_SD4增大，因此电流

减小，负反馈效应再度增强，正反馈环路的反馈效应减弱，由此

并且

相比前一阶段变得更小。所以当占空比增大到一定值时（比如100%>D>90%），由于正反馈效应被负反馈进一步的减弱，故 $R\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{slope}}}{\mathrm{dt}}<\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{ramp}}}{\mathrm{dt}}.$

综上所述，本发明实施例的技术关键点是利用自偏结构构建一个正反馈与负反馈共存的环路，再利用电压控制NMOS管、PMOS管的沟道电阻R_DS，利用NMOS管、PMOS管压控沟道电阻的异相变化，从而控制正、负反馈在整个反馈效应中所占比重。最后产生一个随占空比变化的斜坡补偿电流，即斜坡补偿电流的斜率

是占空比D的函数，

具体而言，具有以下有益效果：

在开关电源***轻载、占空比较小的状态下，不进行补偿，并且补偿的起始点可通过调整电路中相关元器件的参数进行调整，为开关电源的轻载高效提供了条件；

在开关电源***中载、占空比较大的情况下，补偿斜率相比轻载状态时增大，提高了开关电源***的瞬态响应能力；

在开关电源***重载、占空比非常大的情况下，补偿斜率相比中载状态时减小，提高了开关电源的带载能力。

本发明实施例提供的斜坡补偿电路，相比现有线性斜坡补偿技术，避免了开关电源在占空比D<50%的情况下不必要的补偿，以及在大负载、高占空比的状态下造成的过量补偿。相比现有非线性斜坡补偿技术，优化了在高占空比下的过量补偿，简化了电路结构。本发明为开关电源的轻载高效提供了条件，优化了中载时的瞬态响应，提高了开关电源的带载能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种斜坡补偿电路，用于对一定斜率的三角波进行斜坡补偿，其特征在于，所述斜坡补偿电路包括：

与所述三角波的输出端相连、用于产生与电源无关的偏置电流的偏置产生单元；

连接在所述偏置产生单元的输入端与输出端之间、用于对所述偏置产生单元进行调整和限流的限流调节单元；以及

输入端与所述偏置产生单元的输出端相连、用于输出稳定的斜坡补偿电流的电流输出单元。

2.如权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述偏置产生单元包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和NMOS管M6；

所述NMOS管M1的栅极和所述PMOS管M4的栅极共接于所述三角波的输出端，所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M4的源极同时接工作电压VDD，所述PMOS管M4的漏极接所述PMOS管M5的源极，所述PMOS管M3的栅极、漏极共接后同时接所述PMOS管M5的栅极和所述NMOS管M2的漏极，所述PMOS管M5的栅极作为所述偏置产生单元的输出端、同时接所述限流调节单元的输入端和所述电流输出单元的输入端，所述NMOS管M2的源极接所述NMOS管M1的漏极，所述NMOS管M6的栅极、漏极共接后同时接所述NMOS管M2的栅极和所述PMOS管M5的漏极，所述NMOS管M5的漏极同时也为所述偏置产生单元的输入端、接所述限流调节单元的的输出端，所述NMOS管M1的源极和所述NMOS管M6的源极接地。

3.如权利要求2所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述限流调节单元包括NMOS管M8和PMOS管M9；

所述NMOS管M8的栅极和漏极共接后作为所述限流调节单元的输入端、与所述PMOS管M5的栅极相连，所述NMOS管M8的源极接地，所述PMOS管M9的源极接所述工作电压VDD，所述PMOS管M9的栅极和漏极共接后作为所述限流调节单元的输出端、与所述PMOS管M5的漏极相连。

4.如权利要求3所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述限流调节单元还包括限流电阻R1和限流电阻R2；

所述NMOS管M8的源极通过限流电阻R1接地，所述限流电阻R2接在所述NMOS管M6的源极与地之间。

5.如权利要求2、3、4任一项所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述电流输出单元包括PMOS管M7；

所述PMOS管M7的源极接所述工作电压VDD，所述PMOS管M7的栅极为所述电流输出单元的输入端、接所述PMOS管M5的栅极，所述PMOS管M7的漏极输出斜坡补偿电流。

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