Buck型DC/DC轉(zhuǎn)換器二次斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計

摘要 提出了一種應(yīng)用于電流型DC/DC轉(zhuǎn)化器的二次斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計，該方法使補(bǔ)償?shù)男甭孰S著占空比動態(tài)變化，不僅提高了芯片的帶載能力以及消除了占空比>50%時出現(xiàn)的開環(huán)不穩(wěn)定和亞諧波振蕩和對噪聲敏感等缺點。同時也避免了系統(tǒng)的過補(bǔ)償和帶載能力降低的問題。電路基于TSMC的0.35μm BCD工藝設(shè)計，經(jīng)Cadence仿真驗證，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

由于DC/DC變換器中電流?？刂戚^電壓?？刂品椒ㄓ性S多優(yōu)點，所以得到了廣泛應(yīng)用，但恒定頻率下的峰值電流存在問題：(1)當(dāng)占空比D>50%時，系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定。(2)由于采樣的是峰值電感電流而非平均電流的原因而產(chǎn)生系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定。(3)次斜坡振蕩。(4)抗干擾能力差，當(dāng)電感中的紋波電流成分很小時，這種情況更嚴(yán)重。但是采用在電流波形上疊加斜坡補(bǔ)償方法，可以在占空比D>50%情況下使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時也使性能得到大幅改善。

1 產(chǎn)生亞諧波振蕩的原因

如圖1所示，IC是與電感電流相比較的誤差信號，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，其大小可以認(rèn)為是固定不變的;m1是功率上管導(dǎo)通時，電感電流上升的斜率，-m2是上管關(guān)斷下管導(dǎo)通時電感電流下降低斜率。實線三角波形為未加擾動時電感電流，虛線波形為初始時刻存在△I0擾動量后電感電流的變化。

通過幾何知識計算可知，由初始時刻擾動量△I0的下個周期初始電流擾動量△I1為

當(dāng)占空比D50%時，電感電流擾動量△In會逐漸趨于0，系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)占空比D>50%時，電感電流擾動量△In會逐漸放大，此時會導(dǎo)致電感電流峰峰值逐漸增大，出現(xiàn)亞諧波振蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定工作。

2 斜坡補(bǔ)償的基本原理

為使系統(tǒng)在占空比>50%時也能穩(wěn)定工作，引入了斜率為-m的斜坡補(bǔ)償信號。斜坡補(bǔ)償技術(shù)有兩種，一種是在誤差信號IC上疊加一斜坡補(bǔ)償信號，另一種方法是在采樣的電感電流上斜坡疊加補(bǔ)償信號，這兩種方式的原理相同。IC是不疊加斜坡與電感電流比較的誤差信號，mc為疊加大斜坡信號的斜率，m1為電感電流上升的斜率，-m2為電感電流下降低斜率。實線三角波形為未加擾動時電感電流，虛線波形為初始時刻存在△In擾動量后電感電流的變化。

即要保證系統(tǒng)在不同占空比下始終穩(wěn)定，則需要使斜坡補(bǔ)償?shù)男甭手辽贋殡姼须娏飨陆敌甭实?0%以上，即m>0.5 m2。

3 二次斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計

二次斜坡補(bǔ)償電路主要是產(chǎn)生與占空比的平方項相關(guān)的電路，使輸出電壓值與占空比的大小呈二次相關(guān)。實際需要設(shè)計的電路，如圖3所示。

圖3中OSC為窄脈沖信號，其上升沿到來后頂端的功率管導(dǎo)通，TG為頂端功率開關(guān)管控制信號，其為高電平時，頂端功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。MN5為開關(guān)管，則當(dāng)上管導(dǎo)通時，MN5的柵極為低電平，IREF2給電容C1充電，電容的電壓直線上升，當(dāng)下管關(guān)斷后，MN5的柵極變?yōu)楦唠娖剑娙萆洗鎯Φ碾娏孔優(yōu)?，其電壓也為0。中間虛線I區(qū)部分構(gòu)成一個電壓緩沖器，輸入對管MP5和MP9采用P管可以使輸入輸出電壓低至0V。A點電壓跟隨電容電壓的變化。

因此有關(guān)系

設(shè)MP14和MP15為1：n的鏡像，MN1和MN3為1：m的鏡像，則有

圖3中Ⅱ區(qū)為生成二次電路的核心模塊，設(shè)計中利用了跨導(dǎo)線性環(huán)原理，即在一個含有偶數(shù)個正偏發(fā)射結(jié)的閉環(huán)回路中，若順時針方向排列的結(jié)的數(shù)目與逆時針方向排列的數(shù)目相等，則順時針方向大發(fā)射極電流密度之積等于逆時針方向的發(fā)射極電流密度之積。基于這個原理設(shè)計圖3Ⅱ區(qū)所示的跨導(dǎo)線性環(huán)電路，Q1、Q2、Q3、Q4組成了一個跨導(dǎo)線性環(huán)電路，且其發(fā)射區(qū)面積相等，則其環(huán)路方程為。

對于跨導(dǎo)線性環(huán)電路，三極管發(fā)射區(qū)面積匹配要求高。在設(shè)計時，設(shè)計發(fā)射極面積之比以及合理的版圖布局，可以提高電路的性能，達(dá)到預(yù)期的效果。

假設(shè)寬長比MN1：MN4=1：p;MP16：MP17=1：q，則可以得到

式中，除了占空比D以外均為常量，因此可以看出Islope是關(guān)于D的二次函數(shù)，合理設(shè)計其他值可以得到理想的補(bǔ)償曲線。

3 仿真驗證

仿真波形如圖4所示，當(dāng)功率管導(dǎo)通時，隨著導(dǎo)通時間的增長，即占空比D的增大，Islope電流也逐漸增大;當(dāng)功率管關(guān)斷時，即GE的電壓為零，Islope電流將保持為固定值。

4 結(jié)束語

提出了一種應(yīng)用于電流型DC/DC轉(zhuǎn)化器的二次斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計，該方法使補(bǔ)償?shù)男甭孰S占空比動態(tài)變化，不僅提高了芯片的帶載能力，也消除了占空比>50%時出現(xiàn)的開環(huán)不穩(wěn)定和亞諧波振蕩和對噪聲敏感等缺點，同時還避免了系統(tǒng)的過補(bǔ)償和帶載能力降低的問題，由仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。