一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于模擬IC領(lǐng)域，提供一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路。所述的電路包括：減法器電路和斜坡電壓產(chǎn)生電路。所述的減法器電路，用于產(chǎn)生輸出電壓和輸入電壓差值電壓；斜坡電壓產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生一個(gè)斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于作為DC?DC變換器的斜坡補(bǔ)償。本電路通過自適應(yīng)的調(diào)節(jié)方式，能夠避免在系統(tǒng)占空比大于50%時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，而且由于自適應(yīng)的存在能夠很好地避免傳統(tǒng)恒定斜率補(bǔ)償帶來的欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償問題。同時(shí)本電路高效利用DC?DC系統(tǒng)中振蕩器電路中產(chǎn)生的鋸齒波用于輔助產(chǎn)生自適應(yīng)斜率鋸齒波，從而省去傳統(tǒng)斜坡補(bǔ)償電路中電容的使用，使得電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，版圖面積小，成本低。
【專利說明】
一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng) 斜坡補(bǔ)償電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)電源按控制模式可以分為電壓模式和電流模式兩大類。相比電壓模式而言， 電流模式因動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償電路簡單、增益帶寬大、逐周期電流限制等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng) 用。但在電流型DC-DC變換器中，需要采樣電感電流，往往由于系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，一個(gè)小電感采 樣電流干擾會(huì)加到電流環(huán)路中從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，具體分析如下：
[0003] 圖1為系統(tǒng)占空比小于50%和大于50%情況下加入電感電流擾動(dòng)波形分析圖，圖 中Vea誤差放大器的輸出電壓，kl和_k2為電感電流采樣上升和下降的斜率，△ k為電感電 流的擾動(dòng)電流。系統(tǒng)工作在的CCM模式下，在開關(guān)管打開階段，電感電流處于上升階段，直到 達(dá)到最大峰值;等到DT時(shí)刻，開關(guān)管關(guān)斷，電感電流處于下降階段，直到達(dá)到最小值。其中kl 和_k2具體表達(dá)式為：
1其中Vin和Vqut分別表不輸入電壓 和輸出電壓，Rsen表不米樣電阻的大小。通過表達(dá)式可以得知：
[0004] 接下來計(jì)算加入擾動(dòng)電感電流-個(gè)周期后引起的電感電流誤差，大小為：
[0006] 經(jīng)過第二個(gè)周期，這個(gè)誤差大小為：
，如此循環(huán)，經(jīng)過N個(gè)周期后，這 個(gè)誤差大小為
[0007] 可以分析得到，當(dāng)系統(tǒng)的占空比D〈50 %，
，即系統(tǒng) 可以經(jīng)過若干周期后自行消去電感擾動(dòng)電流帶來的干擾，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)的占空 比D>50%
即電感擾動(dòng)電流會(huì)逐漸被放大，系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0008] 為了解決這個(gè)問題，需要引入一個(gè)斜坡補(bǔ)償電路，如圖2中（a)所示，為D>50%時(shí)在 采樣電壓端疊加上一個(gè)斜坡補(bǔ)償電壓，這個(gè)斜坡補(bǔ)償電壓的斜率設(shè)為k。，同理可知，經(jīng)過一 個(gè)周期后電流誤差為
，經(jīng)過N個(gè)周期后，誤差大小為
為了需要達(dá)到斜坡補(bǔ)償?shù)男Ч?，那么必須滿足如下關(guān)系式：
[0010]
?？梢钥闯鲞@個(gè)斜坡補(bǔ)償?shù)男甭孰S著占空比 的增大而增大，即在占空比為100%時(shí)所需達(dá)到最大值，
。但是問題在于，如果在 任何占空比的情況下都使用這個(gè)斜率的斜坡補(bǔ)償電壓就會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，為此需要提 出一種斜率隨著占空比變化而變化的斜坡補(bǔ)償電壓，這樣才能高效地使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀 態(tài)。所以人們希望得到一種自適應(yīng)的斜率補(bǔ)償電路，使得斜率電壓的斜率隨著輸入電壓降 低或者輸出電壓升高時(shí)升高，這樣就可以更具占空比大小適當(dāng)調(diào)整斜率補(bǔ)償電壓，效果如 圖2中（b)所示。從圖中可以看出，占空比D1>D2>D3,對于這三種占空比下的斜坡補(bǔ)償斜率不 一樣，分別為k ci、kC2和kC3，大小關(guān)系為kci>k C2>kC3，于是就不會(huì)出現(xiàn)占空比過小時(shí)的過補(bǔ)償 現(xiàn)象和占空比過大的欠補(bǔ)償現(xiàn)象，從而使得系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的主要目的為提供一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，旨在解決開關(guān) 變換系統(tǒng)工作在占空比超過50%時(shí)電流環(huán)路出現(xiàn)震蕩的問題，并且能夠根據(jù)輸入電壓和輸 出電壓的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)斜坡電壓的斜率，解決了傳統(tǒng)補(bǔ)償電路的欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償問題， 核心的發(fā)明在于結(jié)構(gòu)簡單和避免了傳統(tǒng)斜坡補(bǔ)償電路中電容的使用，從而節(jié)省版圖面積， 同時(shí)高效利用了振蕩器產(chǎn)生的固定鋸齒波電壓。
[0012] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0013] -種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，所述的斜坡補(bǔ)償電路包括：
[0014] 減法器電路，用于產(chǎn)生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓；
[0015] 斜坡電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生一個(gè)斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變 換器的斜坡補(bǔ)償。
[0016] 本發(fā)明利用減法器電路產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓和輸入電壓差值的電壓用于控制兩個(gè) 工作在線性區(qū)兩個(gè)NM0S管，利用線性區(qū)M0S管的阻值特性來實(shí)現(xiàn)斜率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時(shí)利 用振蕩器產(chǎn)生的固定斜率鋸齒波作為基準(zhǔn)，得到系統(tǒng)所需的斜坡補(bǔ)償電壓。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明公開的一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng) 斜坡補(bǔ)償電路可通用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)變換器中，與傳統(tǒng)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路相 比，一方面避免了充放電電容的使用，使得模塊結(jié)構(gòu)簡單，大大減小版圖面積;另一方面，還 能高效利用系統(tǒng)中振蕩器產(chǎn)生的鋸齒破電壓，以該鋸齒波電壓為基準(zhǔn)，產(chǎn)生與系統(tǒng)周期匹 配的斜坡補(bǔ)償電壓。
【附圖說明】
[0018] 圖1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電感電流擾動(dòng)對系統(tǒng)的干擾波形圖，（a)是占空比D小于50%情 況；（b)是占空比大于50%情況。
[0019] 圖2是自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中電感電流擾動(dòng)對系統(tǒng)的干擾波形圖，（a)是固定斜率 補(bǔ)償情況;（b)是自適應(yīng)斜率補(bǔ)償情況。
[0020] 圖3是本發(fā)明自適應(yīng)斜率調(diào)節(jié)斜坡補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖。
[0021 ]圖4是本發(fā)明斜坡補(bǔ)償電路具體原理圖。
[0022]圖5是本發(fā)明在不同輸入電壓下斜坡電壓波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制;為了更好說明本實(shí)施例，附 圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；
[0024] 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解 的。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0025] 本發(fā)明公開的是一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路。
[0026] 參照圖3所示，是本發(fā)明斜坡補(bǔ)償電路的結(jié)構(gòu)框圖。一種結(jié)構(gòu)簡單的自適應(yīng)斜率調(diào) 節(jié)斜坡補(bǔ)償電路，所述的斜坡補(bǔ)償電路包括：
[0027] 減法器電路，用于產(chǎn)生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓；
[0028] 斜坡電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生一個(gè)斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變 換器的斜坡補(bǔ)償；
[0029]前面分析了開關(guān)變換器系統(tǒng)工作在占空比超過50%時(shí)會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，為了消除 這種震蕩對系統(tǒng)輸出的干擾，本專利提出了一種解決此問題的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，具體 原理圖如圖4所示，所述的減法器電路包括由電阻組成的兩組采樣電路、兩個(gè)負(fù)反饋回路、 產(chǎn)生誤差電流的電阻R5、P1和P2組成的電流鏡、PM0S管P4和產(chǎn)生誤差電壓的電阻R6。
[0030] 通過圖4中減法器電路可以看出，輸出電壓和輸入電壓的采樣電壓大小分別為
這兩個(gè)采樣電壓分別加在運(yùn)放0P1和0P2的負(fù)向輸入端。
[0031] 由運(yùn)放0P1和PM0S管P3構(gòu)成了負(fù)反饋回路，通過虛短原理可知，P3管的漏極電壓等 于輸出電壓的采樣電壓
>同理可知，運(yùn)放0P2和NM0S管N1構(gòu)成了負(fù)反饋回路，N1 管的漏極電壓等于輸入電壓的采樣電壓
[0032]于是流過電阻R5這條支路的電流大小為：
[0036]所述的PM0S管P1和P2構(gòu)成電流鏡，令P1和P2的寬長比為1:1，所以流過P2管支路的 電流，即電阻R6的電流大小為：
[0038]此時(shí)可得輸出電壓和輸入電壓的差值電壓：
[0040] 如圖4所示，所述的斜坡電壓產(chǎn)生電路包括兩個(gè)匹配的NM0S管N2和N3、兩個(gè)工作在 線性區(qū)自適應(yīng)阻值的NM0S管N4和N5、兩對電流鏡和用于產(chǎn)生斜坡電壓的電阻Rslope。
[0041 ]調(diào)節(jié)柵極減法器電路中產(chǎn)生的差值電壓Vdiff使得該值偏大，從而使得匪0S管N4和 N5都工作在線性區(qū)，并且令N4和N5的寬長比為
則兩個(gè)匪0S管的電阻 大小為：
[0043] 同時(shí)設(shè)置兩個(gè)匹配的匪0S管N2和N3的寬長比為1:1，使得兩個(gè)管子工作在亞閾值 區(qū)，則兩個(gè)管子的閾值電壓和柵源級電壓相等，兩個(gè)管子的柵極分別接電壓0SC和VB，于是 流過N2和N3的支路電流大小分別為：
[0046]由于PM0S管P5和P6構(gòu)成電流鏡，設(shè)置兩個(gè)管子的寬長比為1:1，則流過兩個(gè)管子的 電流相等，于是：
[0048]根據(jù)KCL定理可知，流過P7支路的電流大小為：
[0050] 所述的PM0S管P7和P8構(gòu)成電流鏡，設(shè)置兩個(gè)管子的寬長比為 于是流過P8管的電流大小為：

[0052] 把公式(4)代入上式（10)中可得：
[0054]于是輸出的斜坡補(bǔ)償電壓大小為：
[0057] Vsi〇pe = K(VouT-ViN) (OSC-Vb) (13)
[0058] 可以看出，通過具體系統(tǒng)參數(shù)的需要調(diào)節(jié)N4的寬長比、電阻1?1、1?2、1?5、1?6和1?7的阻 值來得到一個(gè)合適的比例系數(shù)Κ，確定系數(shù)Κ后，斜坡補(bǔ)償電壓的斜率與輸出電壓和輸入電 壓的差值以及振蕩器鋸齒波電壓OSC和基準(zhǔn)電壓VB差值成正比，當(dāng)輸出電壓增大或者輸入 電壓減小，即占空比增大時(shí)，斜坡補(bǔ)償電壓的斜率會(huì)增加，斜坡補(bǔ)償?shù)碾妷翰ㄐ稳鐖D5所示。
[0059] 綜上所述，本發(fā)明的無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路能夠得到高效的自適應(yīng)斜 坡補(bǔ)償電壓，并且其產(chǎn)生機(jī)制高效利用了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓，同時(shí)也避免了充放電 電容的使用，一方面節(jié)約了版圖的面積，另一方面也使得產(chǎn)生的斜坡補(bǔ)償電壓和系統(tǒng)的時(shí) 序高度匹配，所以誤差率小，系統(tǒng)更穩(wěn)定。這種不帶電容的自適應(yīng)斜率斜坡補(bǔ)償電路能夠高 效地用在各種開關(guān)變換器中，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定和高效的工作。
[0060] 顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可 以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本 發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，其特征在于，所述的斜坡補(bǔ)償電路包括： 減法器電路，用于產(chǎn)生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓； 斜坡電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生一個(gè)斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變換器 的斜坡補(bǔ)償。2. 如權(quán)利1所述的無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，其特征在于，所述的減法器電路 包括由電阻組成的兩組采樣電路、兩個(gè)負(fù)反饋回路、產(chǎn)生誤差電流的電阻R5、P1和P2組成的 電流鏡、PMOS管P4和產(chǎn)生誤差電壓的電阻R6; 所述的由電阻組成的兩組采樣電路，一組是電阻R1和電阻R2組成的采樣電路用于固定 比例系數(shù)采樣輸出電壓，其中電阻R1的一端和地連接，另一端和電阻R2的一端連接，電阻R2 的另外一端和輸出電壓連接;另外一組是由電阻R3和電阻R4組成的采樣電路用于固定比例 系數(shù)采樣輸入電壓，其中電阻R3的一端和地連接，另一端和電阻R4的一端連接，電阻R4的另 外一端和輸入電壓連接； 所述的兩個(gè)負(fù)反饋回路，一個(gè)是運(yùn)放0P1和PMOS管P3組成，其中運(yùn)放0P1的負(fù)輸入端接 輸出電壓的采樣電壓，正輸入端和P3管的漏極連接，運(yùn)放的輸出和P3管的柵極連接;另一個(gè) 負(fù)反饋回路是由運(yùn)放0P2和匪0S管N1組成，其中運(yùn)放0P2的負(fù)輸入端接輸入電壓的采樣電 壓，正輸入端和N1管的漏極連接，運(yùn)放的輸出和N1管的柵極連接，N1管的源級接地;所述的 產(chǎn)生誤差電流的電阻R5其一端接P3管的漏極，另一端接N1管的漏極;所述的P1和P2組成的 電流鏡由PMOS管P1和P2組成，其中P1和P2的源級接輸入電壓VIN，P1的源級和柵極連接后再 與P3管的源級連接，P1和P2的柵極連接，P2的漏極和P4的源級連接;所述的PMOS管P4源級和 P2漏極連接，柵極連接運(yùn)放0P1的輸出端;所述的產(chǎn)生誤差點(diǎn)的電阻R6-端連接地，另一端 和P4的漏極連接。3. 如權(quán)利1所述的無電容結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)斜坡補(bǔ)償電路，其特征在于，所述的斜坡電壓產(chǎn) 生電路包括兩個(gè)匹配的匪0S管N2和N3、兩個(gè)工作在線性區(qū)自適應(yīng)阻值的NM0S管N4和N5、兩 對電流鏡和用于產(chǎn)生斜坡電壓的電阻Rslope; 所述的兩個(gè)匹配的匪OS管N2和N3，由兩個(gè)寬長比匹配的兩個(gè)匪OS管N2和N3組成，其中 N2的柵極和振蕩器產(chǎn)生的固定斜坡電壓0SC連接，N2的源級和NM0S管的N4的漏極連接，N2的 漏極和PMOS管P5的漏極連接;N3的柵極和基準(zhǔn)電壓VB連接，N3的源級和匪0S管的N5的漏極 連接，N3的漏極和PMOS管P6的漏極連接;所述的兩個(gè)工作在線性區(qū)自適應(yīng)阻值的W0S管N4 和N5，其中匪0S管N4和N5的柵極都和電阻的一端連接，N4的漏極和N2的源級連接，N5的漏極 和N3的源級連接，N4和N5的源級都接地;所述的兩對電流鏡，其中一對由PMOS管P5和？6組 成，P5和P6源級都和輸入電壓VIN連接，P5和P6的柵極連接再和P6的漏極相連接，P5的漏極 和N2的漏極連接；另外一對電流鏡由PMOS管P7和P8組成，其中P7和P8的源級都和輸入電壓 VIN連接，P7的柵極和漏極連接后再和N2的漏極連接，P7和P8的柵極連接;所述的用于產(chǎn)生 斜坡電壓的電阻Rs lope-端接地，另一端和P8的漏極連接。
【文檔編號】H02M1/00GK106026616SQ201610431005
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】譚洪舟, 王陽, 曾衍瀚, 李毓鰲, 張鑫, 唐詩豪
【申請人】中山大學(xué), 廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院, 中山大學(xué)花都產(chǎn)業(yè)科技研究院