CN105896972B - 一种用于buck变换器的自适应二次斜坡补偿电路 - Google Patents

一种用于buck变换器的自适应二次斜坡补偿电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种用于峰值电流模式BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路。本发明的电路，包括自适应电流产生电路和二次电压信号产生电路；所述自适应电流产生电路的第一输入端接BUCK变换器的占空比信号，自适应电流产生电路的第二输入端接参考电压，自适应电流产生电路的输出端接二次电压信号产生电路的第一输入端；所述二次电压信号产生电路的第二输入端接脉冲开关信号，其输出端输出自适应二次电压信号。本发明的有益效果为，不但具有二次斜坡补偿的优点，同时适用于开关频率可变的电流模式Buck变换器。

Description

一种用于BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种用于峰值电流模式BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路。
背景技术
功能日益强大的电子***大多采用负载点电源供电，对该类电源的要求是高可靠性、高效率和高功率密度，甚至一些电池供电的设备要求负载点电源能够在很低输入电压的情况下正常工作。这些高要求无疑给电压转换器的设计带来新的挑战。电流模的开关电源芯片因其补偿环路简单、动态性能好等优点，被广泛用来做负载点电源。然而，电流模式控制容易受一些因素的影响，比如不合适的斜坡补偿会导致次谐波振荡或者环路响应变差等。
传统的斜坡补偿方案有固定斜坡补偿、分段线性斜坡补偿、二次斜坡补偿等，它们各自有优缺点。
固定斜坡补偿电路结构简单，但补偿斜率不变导致在某些应用条件下会出现过补偿或者欠补偿，影响***的带载能力、响应速度和稳定性；分段线性斜坡补偿的补偿斜率在整个占空比范围内可以取若干个不同的值，一定程度上避免了固定斜坡补偿在小的占空比情况下的过补偿，但其并没有实现在所有占空比情况下斜坡补偿都是最优值；二次斜坡补偿就很好地解决了最优补偿斜率和占空比之间的对应关系，实现了所有占空比下***有很好的稳定性和响应速度。然而现在的电流模Buck变换器为适应更多场合的应用，采用可外同步调节的开关频率，因为不同的开关频率对应选择不同的电感值，而补偿的斜率又与电感值有关，这样就给斜坡补偿带来了难题，上述的三种方案都不再适用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路。
本发明的技术方案为：一种用于BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，包括自适应电流产生电路和二次电压信号产生电路；所述自适应电流产生电路用于产生随BUCK变换器占空比变化而变化的电流信号；所述自适应电流产生电路的第一输入端接BUCK变换器的占空比信号，自适应电流产生电路的第二输入端接参考电压，自适应电流产生电路的输出端接二次电压信号产生电路的第一输入端；所述二次电压信号产生电路用于将自适应电流产生电路输出的电流通过电容积分转化为二次斜坡补偿信号；所述二次电压信号产生电路的第二输入端接脉冲开关信号，其输出端输出自适应二次电压信号。
进一步的，所述自适应电流产生电路包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M7、第一PMOS管M2、第二PMOS管M3、第三PMOS管M4、第四PMOS管M5、第五PMOS管M6、第一传输门TG1、第二传输门TG2、第三传输门TG3、第四传输门TG4、第五传输门TG5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、电阻Rs和运算放大器；
所述第一PMOS管M2的源极接电源，其栅极与漏极互连；
所述第二PMOS管M3的源极接电源，其栅极接第一PMOS管M2的漏极，第二PMOS管M3的漏极通过第二电容C2后接地；
所述第三PMOS管M4的源极接电源，其栅极接第一PMOS管M2的漏极，第三PMOS管M4的漏极为自适应电流产生电路的输出端；
所述第四PMOS管M5的源极接电源，其栅极与漏极互连；
所述第五PMOS管M6的源极接电源，其栅极接第四PMOS管M5的漏极，第五PMOS管M6的漏极通过第一电容C1后接地；
所述第一传输门TG1由占空比信号控制，其一端接第五PMOS管M6的漏极，另一端接地；
所述第二传输门TG2由反向占空比信号控制，其一端接第五PMOS管M6的漏极，另一端接第三传输门TG3的一端；
所述第三传输门TG3由占空比信号控制，其另一端接运算放大器的负输入端；
所述第二传输门TG2与第三传输门TG3的连接点通过第三电容C3后接地；
所述运算放大器的正输入接参考电压，其输出端接第一NMOS管M1的栅极；
所述第一NMOS管M1的漏极接第一PMOS管M2的漏极，第一NMOS管M1的源极接地；
所述第四传输门TG4由反向占空比信号控制，其一端接第二PMOS管M3的漏极和第五传输门TG5的一端，另一端接地；
所述第四传输门TG4与第二PMOS管M3漏极的连接点通过第二电容C2后接地；
所述第五传输门TG5由占空比信号控制，其另一端接第二NMOS管M7的栅极，第五传输门TG5与第二NMOS管M7栅极的连接点通过第四电容C4后接地；
所述第二NMOS管M7的漏极接第四PMOS管M5的漏极，第二NMOS管M7的源极通过电阻Rs后接地；
所述二次电压信号产生电路包括第六传输门TG6、第七传输门TG7、第五电容C5、第六电容C6和跨导放大器；
所述第六传输门TG6由脉冲开关信号控制，其一端接跨导放大器的输入端，另一端接地；
所述第六传输门TG6与跨导放大器输入端的连接点通过第五电容C5后接地；
所述第六传输门TG6、跨导放大器输入端和第五电容C5的连接点接第三PMOS管M4的漏极；
所述跨导放大器的输出端通过第六电容C6后接地；
所述跨导放大器输出端与第六电容C6的连接点接第七传输门TG7的一端；
所述第七传输门TG7由脉冲开关信号控制，其另一端接地；
所述跨导放大器输出端、第六电容C6和第七传输门TG7一端的连接点为二次电压信号产生电路的输出端。
本发明的有益效果为，不但具有二次斜坡补偿的优点，同时适用于开关频率可变的电流模式Buck变换器，即补偿斜坡斜率不仅自适应输入输出电压还会根据开关频率和电感值而改变，使得在不同的应用条件下都会有最适的补偿斜坡。
附图说明
图1自适应二次斜坡补偿电路结构示意图；
图2自适应电流产生电路结构图；
图3二次电压信号产生电路结构图；
图4为不同开关频率下自适应电流产生电路输出电流仿真示意图；
图5为不同占空比下自适应二次斜坡信号仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出了一种自适应二次斜坡补偿电路，包括自适应电流产生电路和二次电压信号产生电路两个模块。如图1所示，两个子模块电路串联使用，其可应用于峰值电流模式的Buck变换器中。基本原理分析：所需要的二次斜坡信号如式(1)所示，其中Vin为功率源输入电压，Zcf为电流采用电阻，fs为窄脉冲的开关信号；根据式(2)中电感L和最大负载电流ILOAD、纹波系数a、输出电压和占空比之间的关系，整理可得自适应二次斜坡补偿所需的与占空比和开关频率相关的电压信号表达式(3)，因此能够达到自适应变化的目的。
本发明的方案中：
自适应电流产生模块的输入端接变换器的占空比信号，输出为电流接二次信号产生模块。该电流的大小与占空比和开关频率有关系，能够自适应地随输入/输出电压、开关频率和电感值的变化而变化。二次电压信号产生模块将自适应电流依次通过电容积分得到线性电压信号，再由跨导放大器转换成线性电压信号，最后又通过电容积分得到所需要的二次斜坡补偿信号。
当根据应用条件选择不同的输出电压和电感时，对应的占空比和开关频率就会变化，因此产生的自适应电流值也会改变，最后得到该应用条件下的最适的二次斜坡补偿信号。
其中自适应电流产生电路由两个NMOS管(M1和M7)，五个PMOS管(M2、M3、M4、M5和M6)，五个传输门(TG1、TG2、TG3、TG4和TG5)，四个电容(C1、C2、C3和C4)，电阻Rs和运放Av组成，如图2所示。基本结构和原理为：M6的源端接电源，漏端接电容C1和传输门TG1、TG2，栅端接M5的栅端；C1的另一端接地，TG1由占空比信号D控制且另一端接地，TG2由反相占空比信号D’控制且另一端接TG3和电容C3；电容C3另一端接地，TG3由占空比信号控制且另一端接电容CINT和电压放大器Av的负输入端，Av的正输入端接参考电压VREF，CINT的另一端接Av的输出和M1的栅端，此处TG2和TG3交替打开，并与放大器Av、电容CINT构成开关电容积分器；M1为一共源放大级的输入管，其源端接地，漏端接M2的栅和漏，且M1的漏端还接有源偏置电流Ib1以稳定跨导；M2的源端接电源，栅端接M3和M4的栅端，M2与M3、M4构成电流镜结构；M3的源端接电源，M3的漏端接C2和TG4；C2的另一端接地，TG4由反相占空比信号控制且另一端接TG5，TG5由占空比信号控制且另一端接C4和M7的栅端；C4另一端接地，M7的源端接电阻Rs，Rs的另一端接地；M7的漏端接M5漏端和有源偏置电流Ib2；M5的栅端和漏端接在一起，源端接电源；此处，M3镜像的电流给C2充电，C2上得到的电压信号再依次通过开关TG4、TG5和C4，构成一个基本的采样保持模块；再将C4上得到的电压信号通过接有源级退化电阻Rs和偏置电流Ib2的M7转换为电流信号，然后由二极管连接的M5镜像反馈给M6。整个结构为数据采样反馈***，环路稳定后，M4的漏端得到与占空比和开关频率相关的电流Icharge。
所述二次电压信号产生电路的作用在于将得到的自适应的电流信号Icharge转换成周期性的二次电压信号，它由电容C5、电容C6、传输门TG6和TG7以及跨导放大器gm组成，如图3所示。基本结构和原理为：电容C5的一端接自适应电流Icharge、TG6和跨导放大器gm；此处Icharge给C5充电得到与时间成一次关系的电压信号，再将这个电压信号通过跨导放大器gm转换为一次电流信号；TG6由窄脉冲的开关信号fs控制且另一端接地，跨导放大器gm输出接电容C6和TG7，电容C6另一端接地，TG7由窄脉冲开关信号fs控制且另一端接地；此处一次电流信号通过电容C6积分得到所需的二次信号，gm的输出端电压就为周期性的自适应二次斜坡补偿信号Vramp_quad(t)。
当输入输出电压、开关频率和电感值改变时，Icharge的大小就会相应改变，输出最适的斜坡补偿信号Vramp_quad(t)。
图4为不同开关频率下Icharge的仿真结果，可以看出电流值和开关频率成平方关系，符合理论要求，说明补偿斜坡能够自适应开关频率变化；图5为不同占空比下自适应二次斜坡信号仿真结果，对应D＝0.1时需要很小的补偿斜坡，如图所示，即斜坡很缓，当D＝0.9时需要的补偿斜率很大，对比说明补偿斜坡能够自适应占空比的变化。

Claims (1)

1.一种用于BUCK变换器的自适应二次斜坡补偿电路，其特征在于，包括自适应电流产生电路和二次电压信号产生电路；所述自适应电流产生电路用于产生随BUCK变换器占空比变化而变化的电流信号；所述自适应电流产生电路的第一输入端接BUCK变换器的占空比信号，自适应电流产生电路的第二输入端接参考电压，自适应电流产生电路的输出端接二次电压信号产生电路的第一输入端；所述二次电压信号产生电路用于将自适应电流产生电路输出的电流通过电容积分转化为二次斜坡补偿信号；所述二次电压信号产生电路的第二输入端接脉冲开关信号，其输出端输出自适应二次电压信号；
所述自适应电流产生电路包括第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M7)、第一PMOS管(M2)、第二PMOS管(M3)、第三PMOS管(M4)、第四PMOS管(M5)、第五PMOS管(M6)、第一传输门(TG1)、第二传输门(TG2)、第三传输门(TG3)、第四传输门(TG4)、第五传输门(TG5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、电阻(Rs)和运算放大器；
所述第一PMOS管(M2)的源极接电源，其栅极与漏极互连；
所述第二PMOS管(M3)的源极接电源，其栅极接第一PMOS管(M2)的漏极，第二PMOS管(M3)的漏极通过第二电容(C2)后接地；
所述第三PMOS管(M4)的源极接电源，其栅极接第一PMOS管(M2)的漏极，第三PMOS管(M4)的漏极为自适应电流产生电路的输出端；
所述第四PMOS管(M5)的源极接电源，其栅极与漏极互连；
所述第五PMOS管(M6)的源极接电源，其栅极接第四PMOS管(M5)的漏极，第五PMOS管(M6)的漏极通过第一电容(C1)后接地；
所述第一传输门(TG1)由占空比信号控制，其一端接第五PMOS管(M6)的漏极，另一端接地；
所述第二传输门(TG2)由反向占空比信号控制，其一端接第五PMOS管(M6)的漏极，另一端接第三传输门(TG3)的一端；
所述第三传输门(TG3)由占空比信号控制，其另一端接运算放大器的负输入端；
所述第二传输门(TG2)与第三传输门(TG3)的连接点通过第三电容(C3)后接地；
所述运算放大器的正输入接参考电压，其输出端接第一NMOS管(M1)的栅极；
所述第一NMOS管(M1)的漏极接第一PMOS管(M2)的漏极，第一NMOS管(M1)的源极接地；
所述第四传输门(TG4)由反向占空比信号控制，其一端接第二PMOS管(M3)的漏极和第五传输门(TG5)的一端，另一端接地；
所述第四传输门(TG4)与第二PMOS管(M3)漏极的连接点通过第二电容(C2)后接地；
所述第五传输门(TG5)由占空比信号控制，其另一端接第二NMOS管(M7)的栅极，第五传输门(TG5)与第二NMOS管(M7)栅极的连接点通过第四电容(C4)后接地；
所述第二NMOS管(M7)的漏极接第四PMOS管(M5)的漏极，第二NMOS管(M7)的源极通过电阻(Rs)后接地；
所述二次电压信号产生电路包括第六传输门(TG6)、第七传输门(TG7)、第五电容(C5)、第六电容(C6)和跨导放大器；
所述第六传输门(TG6)由脉冲开关信号控制，其一端接跨导放大器的输入端，另一端接地；
所述第六传输门(TG6)与跨导放大器输入端的连接点通过第五电容(C5)后接地；
所述第六传输门(TG6)、跨导放大器输入端和第五电容(C5)的连接点接第三PMOS管(M4)的漏极；
所述跨导放大器的输出端通过第六电容(C6)后接地；
所述跨导放大器输出端与第六电容(C6)的连接点接第七传输门(TG7)的一端；
所述第七传输门(TG7)由脉冲开关信号控制，其另一端接地；
所述跨导放大器输出端、第六电容(C6)和第七传输门(TG7)一端的连接点为二次电压信号产生电路的输出端。
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