Buck型DC/DC轉換器二次斜坡補償電路設計

摘要 提出了一種應用于電流型DC/DC轉化器的二次斜坡補償電路的設計，該方法使補償的斜率隨著(zhù)占空比動(dòng)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(shí)出現的開(kāi)環(huán)不穩定和亞諧波振蕩和對噪聲敏感等缺點(diǎn)。同時(shí)也避免了系統的過(guò)補償和帶載能力降低的問(wèn)題。電路基于TSMC的0.35μm BCD工藝設計，經(jīng)Cadence仿真驗證，達到設計目標。

由于DC/DC變換器中電流?？刂戚^電壓?？刂品椒ㄓ性S多優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應用，但恒定頻率下的峰值電流存在問(wèn)題：(1)當占空比D>50%時(shí)，系統的開(kāi)環(huán)不穩定。(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)生系統開(kāi)環(huán)不穩定。(3)次斜坡振蕩。(4)抗干擾能力差，當電感中的紋波電流成分很小時(shí)，這種情況更嚴重。但是采用在電流波形上疊加斜坡補償方法，可以在占空比D>50%情況下使系統穩定，同時(shí)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，當系統穩定時(shí)，其大小可以認為是固定不變的;m1是功率上管導通時(shí)，電感電流上升的斜率，-m2是上管關(guān)斷下管導通時(shí)電感電流下降低斜率。實(shí)線(xiàn)三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流，虛線(xiàn)波形為初始時(shí)刻存在△I0擾動(dòng)量后電感電流的變化。

通過(guò)幾何知識計算可知，由初始時(shí)刻擾動(dòng)量△I0的下個(gè)周期初始電流擾動(dòng)量△I1為

當占空比D50%時(shí)，電感電流擾動(dòng)量△In會(huì )逐漸趨于0，系統穩定。當占空比D>50%時(shí)，電感電流擾動(dòng)量△In會(huì )逐漸放大，此時(shí)會(huì )導致電感電流峰峰值逐漸增大，出現亞諧波振蕩現象，使系統無(wú)法正常穩定工作。

2 斜坡補償的基本原理

為使系統在占空比>50%時(shí)也能穩定工作，引入了斜率為-m的斜坡補償信號。斜坡補償技術(shù)有兩種，一種是在誤差信號IC上疊加一斜坡補償信號，另一種方法是在采樣的電感電流上斜坡疊加補償信號，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(shí)線(xiàn)三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流，虛線(xiàn)波形為初始時(shí)刻存在△In擾動(dòng)量后電感電流的變化。

即要保證系統在不同占空比下始終穩定，則需要使斜坡補償的斜率至少為電感電流下降斜率的50%以上，即m>0.5 m2。

3 二次斜坡補償電路設計

二次斜坡補償電路主要是產(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(shí)際需要設計的電路，如圖3所示。

圖3中OSC為窄脈沖信號，其上升沿到來(lái)后頂端的功率管導通，TG為頂端功率開(kāi)關(guān)管控制信號，其為高電平時(shí)，頂端功率管處于導通狀態(tài)。MN5為開(kāi)關(guān)管，則當上管導通時(shí)，MN5的柵極為低電平，IREF2給電容C1充電，電容的電壓直線(xiàn)上升，當下管關(guān)斷后，MN5的柵極變?yōu)楦唠娖?，電容上存儲的電量變?yōu)?，其電壓也為0。中間虛線(xiàn)I區部分構成一個(gè)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(diǎn)電壓跟隨電容電壓的變化。

因此有關(guān)系

設MP14和MP15為1：n的鏡像，MN1和MN3為1：m的鏡像，則有

圖3中Ⅱ區為生成二次電路的核心模塊，設計中利用了跨導線(xiàn)性環(huán)原理，即在一個(gè)含有偶數個(gè)正偏發(fā)射結的閉環(huán)回路中，若順時(shí)針?lè )较蚺帕械慕Y的數目與逆時(shí)針?lè )较蚺帕械臄的肯嗟?，則順時(shí)針?lè )较虼蟀l(fā)射極電流密度之積等于逆時(shí)針?lè )较虻陌l(fā)射極電流密度之積?；谶@個(gè)原理設計圖3Ⅱ區所示的跨導線(xiàn)性環(huán)電路，Q1、Q2、Q3、Q4組成了一個(gè)跨導線(xiàn)性環(huán)電路，且其發(fā)射區面積相等，則其環(huán)路方程為。

對于跨導線(xiàn)性環(huán)電路，三極管發(fā)射區面積匹配要求高。在設計時(shí)，設計發(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，達到預期的效果。

假設寬長(cháng)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，合理設計其他值可以得到理想的補償曲線(xiàn)。

3 仿真驗證

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

4 結束語(yǔ)

提出了一種應用于電流型DC/DC轉化器的二次斜坡補償電路的設計，該方法使補償的斜率隨占空比動(dòng)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(shí)出現的開(kāi)環(huán)不穩定和亞諧波振蕩和對噪聲敏感等缺點(diǎn)，同時(shí)還避免了系統的過(guò)補償和帶載能力降低的問(wèn)題，由仿真結果表明，系統滿(mǎn)足設計要求。