【一种DC/DC斜坡补偿电路的设计】电路斜坡
摘要：本文提出了一种峰值电流模式控制的DC/DC转换器中斜率补偿电路。电路采用上斜坡补偿（补偿信号与采样信号叠加）方式。电路由采样电路、斜坡信号产生电路、叠加电路共同组成。采样电路采样电感电流信号，并生成一个带有采样信号信息的电流信号，输入到叠加电路，与斜坡信号产生电路生成的一个斜坡电流信号进行叠加，然后共同作于一个电阻之上，输出一个带有采样信号信息与斜坡补偿信息的电压信号，实现斜坡补偿。该信号与误差放大器的输出信号共同输入到PWM（脉冲宽度调制）比较器，两信号经比较后输出驱动信号，控制功率管的关断。
关键词：DC/DC；电流模式；斜率补偿；电流采样
Design of A DC/DC Slope Compensation Circuit
XU Xiang-zhu1，WANG Yi1，CHEN Cheng1，MING Xin1，JIA Kun-peng2，ZHANG Bo1
（1.State Key Lab of Electronic Thin Films and Integrated Device, University
of Electronic Science & Technology of China, Chengdu, 610054, China；
2.No.63916 troops, People"s Liberation Army，Beijing,100142, China）
Abstract: This paper presents a slope compensation circuit used for current-mode DC/DC converter. The circuit that consists of the sensing circuit, slope signal generating circuit and the summing circuit uses the compensation of the up slope, which refers to the summation of the sensing signal and the slope signal. The sensing circuit samples the current signal of the inductor and puts out a current signal related, and then this current is put in the summing circuit and superimposed with the slope current generated from the slope generating circuit. The summing current flows over a resistor and converts the current to the voltage, which fulfills the slope compensation. This voltage together with the signal from the error amplifier acts on the PWM comparator afterwards puts out a driving signal, which shuts off the power MOSFETs.
Key words: DC/DC; current mode; slope compensation; current sense
1引言
DC/DC主要有电压模式与电流模式两种反馈控制方法，其中电流模式又可分为峰值电流模式，平均电流模式，滞回电流模式等方式。相比而言，峰值电流模式存在以下优点：暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；控制环易于设计输；简单自动的磁通平衡功能；瞬时峰值电流限流功能即内在固有的逐个脉冲限流功能；自动均流并联功能等。由于存在着以上诸多优点，使得峰值电流模式，在当今的工业界与学术界都取得了广泛的应用[1]。
然而，在存在以上诸多优点的同时，峰值电流模式也存在缺点，主要表现在:占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50% 也有发生高频次谐波振荡的可能性，而这种振荡无法通过改变电路结构而解决，因此需要额外增加斜坡补偿电路来以应对[2]。
本文第二节将介绍次谐振荡与斜坡补偿的原理；第三节对实际设计的电路进行分析；第四、五节给出最后的仿真结果和结论。
2次谐波振荡与斜坡补偿的原理
为了方便读者理解，本部分先简要介绍一下次谐波振荡的产生原理与斜坡补偿的实现原理[3-5]。
2.1 次谐振荡产生原理
次谐振荡的原理可以从图1与图2的对比中直观的看出。图1与图2中，实折线代表稳态时的电感电流情况，虚线为增加了一个小的抖动时的电感电流情况。抖动使瞬态电流与静态电流之间产生了一个大小为ΔI的误差。图中，Ve代表误差放大器输出的控制信号。 m1与-m2分别为电感电流上升与下降阶段的斜率。D代表占空比。
从图中可以很直观的看到，在占空比小于50%时的稳定性特点，以及当占空比大于50%时，电路产生的不稳定性现象。下面将从理论上推导次谐振荡产生的原理。根据图1与图2，可以很容易计算得到
2.2 斜坡补偿原理
为了克服次谐振荡，需要在电路中增加斜坡补偿电路。图3为增加了斜坡补偿后的在时D>50%，电路的稳定性情况。从图中可以直观的看出，在增加了一定的补偿后，误差电流会逐渐减小。增加了一个斜率为-m（m >0）的补偿后，同样可以由数学方法得到
为了保证电路在所有情况下均稳定，取D=1，即在m>m2时，无论占空比如何，电路都不会发生次谐波振荡，维持了系统的稳定。
3实际电路设计与分析
斜坡补偿可分为上斜坡补偿（补偿信号与采样信号叠加）与下斜坡补偿（补偿信号与误差放大器的输出叠加）两种方式，相比而言，上斜坡补偿在电路上更容易实现，控制也更加方便，本论文设计的电路采用的是上斜坡补偿方式，其工作原理与第二部分介绍的原理基本上一致。
如图4所示，电路整体上可以分为三个部分， slope模块通过外部振荡器产生的方波信号的控制，产生一个锯齿形状的电流。电流采样电路采样电感上的电流信号，经过放大以后，产生一个梯形的电流信号。两个电流信号共同输入到电流叠加模块，通过电阻形成补偿以后的电压信号，实现了斜坡补偿。此信号便可以作为PWM比较器的一个输入信号，与误差放大器的输出信号进行比较，产生PWM控制信号。
下面将分别分析各个子电路的功能。
3.1 斜坡信号产生电路
图5为斜坡信号产生电路，电路由钳位运放，共源共栅（cascode）电流镜，自偏置电流镜，充放电电容，电容充放电控制开关MOS管，以及双极型三极管和电阻构成。通过外部引入的方波信号，控制电容的充电与放电，产生锯齿波信号。钳位运放的作用就是控制产生为电容充电的恒定电流。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 图5中，VREF为从基准引入的基准电压信号，在经过电阻R10与R11的分压以后，输入到运算放大器的正向端。由于运算放大器具有很高的增益，可以实现很好的电压钳位，使得运放的负端电压与正向电压一致，电压作用在一个可调电阻RL上，产生一个恒定的电流。电流经过由MP1到MP4四个MOS管的镜像以后，成为对电容进行充电的恒定电流信号。
电流镜为1比1的镜像关系，则可以算得，充电电流I1的大小为
锯齿波电压通过一个三极管的电平转移，被抬高VBE1后，输入到信号叠加模块。VSLOPE端电压为一个锯齿波电压，因此图中电流镜采用了一种自偏置结构。相对于普通的cascode电流镜，这种电流镜具有更大的输出电压摆幅，满足了VSLOPE端宽的电压变化范围的要求。
3.2电流采样与叠加电路
电流模式与电压模式的区别是在采样电压信号的同时，也采样电感上的电流信号，这就需要额外增加一个电流采样电路。由于本电路采用的是上斜坡补偿方式，采样以后的电流经过放大器的放大以后，要与补偿信号进行叠加，以产生经补偿以后的信号，输入到PWM比较器。本文采用的是电流叠加的方式，补偿信号电流与采样放大电流共同作用在同一个电阻上，产生带有采样电流信息的电压信号，进而控制PWM比较器。
电流采样与叠加电路如图6所示。电流采样电路实际上为一个二级运放，MN3与MN4为运放的第一级，他们组成共栅极的差分对结构，并以电流MP14与MP15作为有源负载。MN5为运放的第二级，它为一个共源极结构，且以MP12作为有源负载。MP13的作用是为第二极提供一个静态电流，使当CS端为零时，第二级仍能有一个静态电流，保持第二级的开启。具体原理为：MP14与MP15的尺寸相同，则电流I5与I6相等，同时MN3与MN4的尺寸相同，则它们的在栅源电压也应该相同，从电路图中可以看出MN3与MN4的栅电位相同，这就决定了他们的源极电压也应该相同，即R4电R5阻与上面的压降下同，又电阻R4与R5的相同压降，从而电流I7与I8相同，又有I7=I4+I5，I8=I3+I6，结合前面分析的I5=I6，便可以得到I3=I4。通过上面的分析，我们可以知道，运放第二级的电流便由MP13设定，通过改变MP13与MP16的电流镜像比例，来调节第二级的静态电流的大小。
当CS端的有一个大小为VCS的值时，定性的分析，则应该使运放第一极的输出电压升高，从而使电流I3增大。定量的分析，由于I4与I5大小一定，则电阻R4上面的压降一定，CS端电压增加VCS后，R4上端的电压也就增加VCS，结合上一段的分析，R5上面的电压也应该增加VCS，这就要求R5上面的电流增加VCS /R5，由于I6保持不变，则应该使I3增加VCS /R5。VCS 为电感电流作用于一个小的采样电阻上面产生的压降，VCS 的变化情况就反应了电感电流的变化情况，且VCS 变化大小完全正比于电感电流的变化大小。假设采样电阻为Rs，电感电流的斜率为K，则I3的斜率为KRs /R5，分别设上下斜坡电感电流斜率为K1与K2，对应的I3的斜率为K1Rs /R5和K2Rs /R5。
电流叠加模块由MP10、MP11、R3和Q3组成。从图5可以看出VSLOPE比电容C1上面的电压抬升了一个VBE，而在图6 中又降了一个VBE作用于R2上，这就相当于电容C1上面的电压直接作用于电阻R2上，结合公式5，电流I2的斜率m1为
电流通过镜像又作用于电阻R3之上，即可得到补偿电压的斜率m为
补偿以后的信号，经过Q3抬升VBE以后，产生RAMP信号，输入到PWM比较器与误差放大器输出进行比较，生成一个控制功率管关断的脉冲信号。
4仿真结果与分析
4.1 斜坡信号产生电路
图7为在振荡器信号控制下产生的斜坡补偿信号波形。图中OSC与SLOPE分别代表振荡器信号与斜坡信号。从图中可以看到，由于对电容的充电电流保持恒定，所以锯齿波具有固定的上升斜率。在控制电容放电的MOS管导通时，会迅速把电容上面的电荷泄放掉，因此下坡的斜率非常大，形成比较理想的锯齿波形。
4.2 电流采样与叠加电路
电流采样与叠加电路的波形如图8所示，图中CS与RAMP分别为采样信号以及采样电路输出信号与斜坡补偿信号叠加后的信号。由于采样点为功率管的下方，当功率管导通时，电感电流会逐渐上升，在功率管关闭时，虽然电感电流是逐渐下降的，但是在采样点已没有电流信号。从最下面的波形图中可以看出，已经很好的实现了对采样电流信号的斜坡补偿。
4.3 驱动信号的生成
图9为稳态时RAMP信号与误差放大器输出的控制信号共同输入到PWM（脉冲宽度调制）比较器图后生成的功率管栅驱动信号。图中Ve与PWM分别代表误差放大器的输出信号以及PWM比较器的输出信号。从图中可以看到，在电路处于稳定状态时，误差放大器的输出为一恒定值。在功率管导通时，电感电流持续增加，RAMP信号也随之增加，当RAMP信号增加达到误差放大器的值时，PWM比较器输出便会发生翻转，输出一个脉冲信号，控制功率管的关断。功率管关断以后，电感电流便开始下降，同时，电流采样点的采样电流信号变为零，直至下一个工作周期，振荡器输出的时钟信号控制功率管再次开通。
5结论
本文设计了一种电流模式的DC/DC斜坡补偿电路及采样电路。斜坡补偿电路在外部振荡信号的控制下对电容进行充放电，产生用于补偿的锯齿波，电流采样电路采样电感上的电流信号，并通过叠加电路与补偿信号进行叠加，实现斜坡补偿。电路采用的是上斜坡补偿方式，电路结构上更易于实现，并且成功实现了对电路的斜坡补偿，避免了电路发生次谐振荡。
参考文献
[1] 胡佳民. 高效电流模buck型DC-DC稳压器设计. 2008. 10
[2] Chun-Yu Hsieh, Ke-Horng Chen. Boost DC-DC converter with fast reference tracking （FRT） and charge-recycling （CR） techniques for high-efficiency and low-cost LED driver[J]. IEEE journal of solid-state circuits, 2009, 44（9）, 2568-2580
[3] Ye Qiang , L ai Xinqua n , Li Yanming , Yuan Bing , and Chen Fuji. A Piecewise Linear Slope Compensation Circuit for DC/DC Converters[J]. JOURNAL OF SEMICONDUCTORS, Feb. ,2008, 2（29）, 281-286
[4] 应建华, 邹擎天. 峰值电流控制中斜坡补偿电路的设计[J]. 通信电源技术, 2007, 24（3）, 47-49
[5] Ye Qiang, Lai Xinquan, Li Yanming, Yuan Bing, and Chen Fuji. A Piecewise Linear Slope Compensation Circuit for DC-DC Converters. JOURNAL OF SEMICONDUCTORS, 2008, 29（2）
作者简介
徐祥柱，硕士研究生，主要从事模拟集成电路与功率集成电路的研究与设计。
张波，教授，博士生导师，主要从事功率半导体技术、电源管理集成电路及专用集成电路的研究设计。
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