基于Bipolar工艺的峰值电流斜坡补偿电路设计

陈 昆,张 涛

(武汉科技大学信息科学与工程学院,武汉 430081)



基于Bipolar工艺的峰值电流斜坡补偿电路设计

陈 昆,张 涛*

(武汉科技大学信息科学与工程学院,武汉 430081)

针对现代峰值电流控制模式DC-DC芯片中的亚谐波振荡及不稳定问题设计了一种基于Bipolar工艺的动态斜坡补偿电路。该电路能够产生随输入输出电压变化的补偿信号,以简单的电路结构实现了对采样电流的动态补偿。电路基于CSMC 2 μm Bipolar工艺设计,Spectre仿真结果表明该补偿电路避免了因过补偿带来不良影响并使系统的动态响应提高了31.5%,提高了系统的稳定性。

DC-DC转换器;Boost转换器;峰值电流模式;动态斜坡补偿

DC-DC变换器广泛应用于移动手机、个人PDA、数码相机等便携式设备中。与传统的电压控制模式相比,电流控制模式具有动态性能好、输出精度高、增益带宽大和逐周期的电流限制等优点。然而,其特有的电流内环也存在固有的缺陷,如占空比大于50%时的不稳定现象、亚谐波振荡及噪声敏感等问题[1]。为解决这些问题,近年来提出了各种斜坡补偿技术。通过斜坡补偿能够很好的解决动态响应及不稳定问题。根据斜坡补偿信号的不同,传统的斜坡补偿主要分为线性补偿和分段线性补偿。

本文基于一款双极升压型DC-DC转换器,介绍了开关电源中斜坡补偿的基本原理,在此基础上提出了一种结构简单的动态斜坡补偿电路。该芯片采用峰值电流控制模式,主要用于手机背光显示及LED驱动。随着智能手机等数字终端设备的迅速普及和发展,相比CMOS工艺具有更强的驱动能力的Biploar工艺具有相当大的吸引力。采用该动态斜坡补偿电路后,其稳定性问题得以解决,性能得到极大的提高。

1 斜坡补偿原理

电流模式控制是一种固定时钟开启,峰值电流关断的控制方法[2]。在双环控制中,电流内环检测电感电流峰值,电压外环的输出电压决定控制电压,二者共同决定开关管的通断。Boost开关电源结构框图如图1所示。

平均电感电流是决定输出电压的唯一因素,而峰值电感电流与平均电感电流并不能一一对应,从而造成在占空比大于50%时,存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差,容易发生亚谐波振荡。如图2(a)所示,当占空比大于50%时,电感上的扰动信号被逐渐放大导致系统失控,电源抗干扰能力差。

图2 斜坡补偿原理

图2中Vc是误差放大器输出的控制电压,ΔI0是扰动电流,m1、-m2(m1、m2>0)分别表示电感电流的上升和下降斜率,D为占空比。经一个周期后,由ΔI0电流引起的误差ΔI1为:

(1)

由式(1)可知,当m2>1,即D>50%时,电流误差被逐渐放大,产生振荡,从而导致系统失控不能正常工作。为了使占空比大于50%时系统仍稳定,故引入斜坡补偿信号。补偿的方式分为两种,一种是保持采样电流信号不变,给误差放大器输出信号加上一个负的斜坡电压;另一种是保持误差放大器输出不变,给电流采样信号加上一个正的斜坡电压;两种补偿方式的结果是一样的,因后者实现电路简单,在应用中一般采用后者。

如图2(b),-m为斜坡补偿信号的斜率。可以证明,经过一个周期后,由ΔI0电流引起的误差ΔI1为:

(2)

由上面的推导可知,要使电流环路在整个工作范围内稳定,则必须满足

(3)

又因为:D×m1=(1-D)×m2,代入式(3)可得:

(4)

为了保证在最坏情况下(D=100%)系统能够稳定工作,则应使

(5)

然而实际应用中占空比基本不会达到100%,这会导致斜坡补偿过量,使电流模式转换为电压模式,严重影响开关电源的瞬态响应及带载能力,这样使电流模式的优点尽失。因此传统的线性补偿已经远远不能满足现代高性能开关电源芯片的需求。

针对传统线性补偿的缺点,文献[3-5]提出了分段线性补偿方法,其基本原理为:改进传统的固定斜率斜坡补偿,使补偿的斜坡信号在不同的占空比情况下产生不同的补偿斜坡。

然而,分段线性补偿一般将占空比分为3个～4个区间,其补偿斜率并不能随输入输出实时调整导致其不够灵活。若要提高精度则应划分更多的占空比区间,但是,随着分段区间的增多,电路的复杂程度将成倍增加[6]。

2 提出的动态斜坡补偿电路

在不同的占空比区间设计补偿信号具有不同的斜率实现分段线性补偿,只是一种近似的动态补偿,其存在补偿不够灵活等缺点。动态斜坡补偿的基本原理为根据不同的输入、输出电压产生不同斜率的补偿斜坡[7-10]。

对于升压型DC-DC,电感电流上升、下降的斜率为:

(6)

(7)

又由式(3)可得:

(8)

综合式(6)～式(8)可得:

(9)

由式(9)可知,补偿斜坡斜率能够随着输入、输出电压变化,从而在采样电流上加入不同的补偿斜坡。当占空比增大时,加入的斜坡补偿斜率也随之增大,达到动态补偿的目的[11]。

在现在的主流工艺中,MOS工艺的发展已经相当成熟,而且MOS电路的功耗小,易于集成,成本低等优点使MOS电路在集成电路中占有很大的市场分额,运用也相当广泛,成为集成电路行业的主流工艺。但是由于MOS器件是表面器件,其抗噪声和抗辐射能力弱,频率特性较差,输出电流小等缺点,导致MOS电路在某些应用受到限制。而BJT电路能很好的弥补MOS电路的缺陷,BJT是体内器件,能做到很强的抗噪声和抗辐射能力以及具有很好的频率特性。所以研究一款基于BJT工艺下的DC-DC芯片具有很大的使用价值,虽然BJT的wafer成本低,但是如果做些模块嵌套的电路时,BJT的芯片的DieSize是非常大。因此它的优势是在集成度要求不高的电路中,比如TL431、TL7805、TL358等芯片。

设计的DC-DC芯片采用CSMC2μm36V双极高压工艺,具有很宽的输入电压范围:2.6V～16V;开关频率为1.5MHz;温度范围-40 ℃～85 ℃,基准温漂达到44×10-6/℃;输出电压最高可达29V,最大负载为500mA,负载调整率低于0.04mV/mA,效率可达81%。

该芯片的版图面积为786μm×1290μm,与之同类型的另一款CMOS工艺升压型芯片9293的版图面积为770μm×1 100μm。该芯片面积比COMS工艺芯片面积大19.7%,虽然牺牲了一定的面积,但是其驱动能力的增强以及电路结构的简化弥补了这一缺点,使得其在集成度要求不太高的电路中有着显著的优势。

设计的动态斜坡补偿电路如图3所示,BJT管组成的电流镜电路不仅具有很强的驱动能力而且具有较快的响应速度,提升了芯片的动态响应性能[12]。

图3 提出的动态斜坡补偿电路

图3中PNP1、PNP2、NPN1和NPN2组成电流镜,产生与输入输出电压相关的电流。在PNP1和PNP2,NPNV1和NPN2个数比例为1:1的情况下,VX≈VY,则

(10)

又因为:

(11)

设R1=R2,则

(12)

PNP3～PNP5形成共源共栅结构,设PNP3和PNP4,PNP5和PNP6的比例为1∶N,NPN2和NPN3的比例为1∶M。则

(13)

电流I3给电容C充电产生斜坡补偿电压,振荡器输出的时钟信号决定电容的充、放电过程,通过选择合适的电容、电阻值及管子比例即可产生合适的斜坡补偿电压。

3 仿真结果

结合该款升压型DC-DC芯片,基于CSMC2μm36VBipolar模型进行Spectre仿真。图4为动态斜坡补偿电路产生的斜坡补偿电压,可以看出在输入电压为10V的情况下,补偿斜坡电压随着输出电压的上升而上升,斜率也随之增大,也就是说占空比越大,补偿量就越大,达到了动态补偿的目的。

图4 补偿电压随输入输出电压的变化

在输入电压8 V～10 V,输出电压24 V,负载电阻600 Ω～1 000 Ω的条件下进行芯片的整体仿真。图5中分别为采样电流、补偿斜坡电压及PWM输出控制电压。

图5 PWM模块各节点波形

可以看到,采样电流与补偿电压叠加后经比较后得到脉冲宽度调制信号。

图6为加入斜坡补偿前、后的电感电流波形。可以看出,当占空比大于50%时,未加斜坡补偿的电感电流产生了亚谐波振荡,系统不稳定;加入斜坡补偿后电感电流亚谐波振荡消失。

图7为加入斜坡补偿前、后的输出电压波形。可以看出,未加斜坡补偿时系统输出稳定时间为263 μs,加入斜坡补偿后系统输出稳定时间为180 μs,与未加斜坡补偿相比,其动态响应时间提高了31.5%。由此可得,加入斜坡补偿后系统的瞬态响应有了很大的提高。

将本设计的芯片与文献[6]设计类似的同类型芯片9293的各项参数进行比较,得到表1如下。

图6 加入斜坡补偿前后电感电流波形

图7 加入斜坡补偿前后输出电压波形

表1

参数文献[6]本设计工艺CMOSBipolar输入范围/V2．5～5．52．6～16工作频率/MHz11．5最大负载电流/mA135500线性调整率1%3．3%输出稳定时间/μs215180版图面积(μm×μm)770×1100786×1290

由表1可知,使用Biplor工艺的芯片虽然在面积上有一定的牺牲,但跟CMOS工艺相比,其具有更大输入电压范围、更强的电流驱动能力以及更快的动态响应。

4 结论

峰值电流控制模式中的亚谐波振荡及不稳定问题可以通过加入斜坡补偿的方法来改善,斜坡补偿的斜率与占空比成正比,即占空比越大,所需的补偿斜率也越大。本文提出的动态斜坡补偿电路结构简单,适用于提出的Bipolar工艺芯片。经仿真验证,该补偿电路很好的改善了系统的亚谐波振荡及不稳定问题,提高了系统的瞬态响应。

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陈昆(1990-),男,湖北荆州人,武汉科技大学硕士研究生,主要研究方向为超大规模模拟集成电路设计,rgttg@163.com;

张涛(1967-),男,湖南湘潭人,武汉科技大学信息科学与工程学院电子信息工程系系主任,教授,硕士生导师,主要研究方向为数模混合集成电路设计,开关电源与功率电子学,信号与信息处理等。

DesignofanAdaptiveSlopeCompensationCircuitinPeak-CurrentModeControlBasedonBipolarProcess

CHENKun,ZHANGTao*

(School of Information Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

To overcome sub-harmonic oscillation and stability problems,an adaptive slope compensation circuit is designed based on bipolar process. The circuit can produce proper compensation signal along with the vibration of input and output voltage. The design is implemented base on CSMC’s 2 μm process,the Spectre simulation results show that the compensation circuit avoids the bad effects of over-compensation and reduces the dynamic response time more than 30%.

DC-DC converter;boost regulator;peak-current mode;dynamic slope compensation

2013-11-11修改日期:2013-12-12

TN79

:A

:1005-9490(2014)06-1076-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.014