基于Bipolar工藝的峰值電流斜坡補償電路設計

陳 昆,張 濤

(武漢科技大學信息科學與工程學院,武漢 430081)

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基于Bipolar工藝的峰值電流斜坡補償電路設計

陳 昆,張 濤*

(武漢科技大學信息科學與工程學院,武漢 430081)

針對現代峰值電流控制模式DC-DC芯片中的亞諧波振蕩及不穩定問題設計了一種基于Bipolar工藝的動態斜坡補償電路。該電路能夠產生隨輸入輸出電壓變化的補償信號,以簡單的電路結構實現了對采樣電流的動態補償。電路基于CSMC 2 μm Bipolar工藝設計,Spectre仿真結果表明該補償電路避免了因過補償帶來不良影響并使系統的動態響應提高了31.5%,提高了系統的穩定性。

DC-DC轉換器;Boost轉換器;峰值電流模式;動態斜坡補償

DC-DC變換器廣泛應用于移動手機、個人PDA、數碼相機等便攜式設備中。與傳統的電壓控制模式相比,電流控制模式具有動態性能好、輸出精度高、增益帶寬大和逐周期的電流限制等優點。然而,其特有的電流內環也存在固有的缺陷,如占空比大于50%時的不穩定現象、亞諧波振蕩及噪聲敏感等問題[1]。為解決這些問題,近年來提出了各種斜坡補償技術。通過斜坡補償能夠很好的解決動態響應及不穩定問題。根據斜坡補償信號的不同,傳統的斜坡補償主要分為線性補償和分段線性補償。

本文基于一款雙極升壓型DC-DC轉換器,介紹了開關電源中斜坡補償的基本原理,在此基礎上提出了一種結構簡單的動態斜坡補償電路。該芯片采用峰值電流控制模式,主要用于手機背光顯示及LED驅動。隨著智能手機等數字終端設備的迅速普及和發展,相比CMOS工藝具有更強的驅動能力的Biploar工藝具有相當大的吸引力。采用該動態斜坡補償電路后,其穩定性問題得以解決,性能得到極大的提高。

1 斜坡補償原理

電流模式控制是一種固定時鐘開啟,峰值電流關斷的控制方法[2]。在雙環控制中,電流內環檢測電感電流峰值,電壓外環的輸出電壓決定控制電壓,二者共同決定開關管的通斷。Boost開關電源結構框圖如圖1所示。

平均電感電流是決定輸出電壓的唯一因素,而峰值電感電流與平均電感電流并不能一一對應,從而造成在占空比大于50%時,存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差,容易發生亞諧波振蕩。如圖2(a)所示,當占空比大于50%時,電感上的擾動信號被逐漸放大導致系統失控,電源抗干擾能力差。

圖2 斜坡補償原理

圖2中Vc是誤差放大器輸出的控制電壓,ΔI0是擾動電流,m1、-m2(m1、m2>0)分別表示電感電流的上升和下降斜率,D為占空比。經一個周期后,由ΔI0電流引起的誤差ΔI1為:

(1)

由式(1)可知,當m2>1,即D>50%時,電流誤差被逐漸放大,產生振蕩,從而導致系統失控不能正常工作。為了使占空比大于50%時系統仍穩定,故引入斜坡補償信號。補償的方式分為兩種,一種是保持采樣電流信號不變,給誤差放大器輸出信號加上一個負的斜坡電壓;另一種是保持誤差放大器輸出不變,給電流采樣信號加上一個正的斜坡電壓;兩種補償方式的結果是一樣的,因后者實現電路簡單,在應用中一般采用后者。

如圖2(b),-m為斜坡補償信號的斜率。可以證明,經過一個周期后,由ΔI0電流引起的誤差ΔI1為:

(2)

由上面的推導可知,要使電流環路在整個工作范圍內穩定,則必須滿足

(3)

又因為:D×m1=(1-D)×m2,代入式(3)可得:

(4)

為了保證在最壞情況下(D=100%)系統能夠穩定工作,則應使

(5)

然而實際應用中占空比基本不會達到100%,這會導致斜坡補償過量,使電流模式轉換為電壓模式,嚴重影響開關電源的瞬態響應及帶載能力,這樣使電流模式的優點盡失。因此傳統的線性補償已經遠遠不能滿足現代高性能開關電源芯片的需求。

針對傳統線性補償的缺點,文獻[3-5]提出了分段線性補償方法,其基本原理為:改進傳統的固定斜率斜坡補償,使補償的斜坡信號在不同的占空比情況下產生不同的補償斜坡。

然而,分段線性補償一般將占空比分為3個～4個區間,其補償斜率并不能隨輸入輸出實時調整導致其不夠靈活。若要提高精度則應劃分更多的占空比區間,但是,隨著分段區間的增多,電路的復雜程度將成倍增加[6]。

2 提出的動態斜坡補償電路

在不同的占空比區間設計補償信號具有不同的斜率實現分段線性補償,只是一種近似的動態補償,其存在補償不夠靈活等缺點。動態斜坡補償的基本原理為根據不同的輸入、輸出電壓產生不同斜率的補償斜坡[7-10]。

對于升壓型DC-DC,電感電流上升、下降的斜率為:

(6)

(7)

又由式(3)可得:

(8)

綜合式(6)～式(8)可得:

(9)

由式(9)可知,補償斜坡斜率能夠隨著輸入、輸出電壓變化,從而在采樣電流上加入不同的補償斜坡。當占空比增大時,加入的斜坡補償斜率也隨之增大,達到動態補償的目的[11]。

在現在的主流工藝中,MOS工藝的發展已經相當成熟,而且MOS電路的功耗小,易于集成,成本低等優點使MOS電路在集成電路中占有很大的市場分額,運用也相當廣泛,成為集成電路行業的主流工藝。但是由于MOS器件是表面器件,其抗噪聲和抗輻射能力弱,頻率特性較差,輸出電流小等缺點,導致MOS電路在某些應用受到限制。而BJT電路能很好的彌補MOS電路的缺陷,BJT是體內器件,能做到很強的抗噪聲和抗輻射能力以及具有很好的頻率特性。所以研究一款基于BJT工藝下的DC-DC芯片具有很大的使用價值,雖然BJT的wafer成本低,但是如果做些模塊嵌套的電路時,BJT的芯片的DieSize是非常大。因此它的優勢是在集成度要求不高的電路中,比如TL431、TL7805、TL358等芯片。

設計的DC-DC芯片采用CSMC2μm36V雙極高壓工藝,具有很寬的輸入電壓范圍:2.6V～16V;開關頻率為1.5MHz;溫度范圍-40 ℃～85 ℃,基準溫漂達到44×10-6/℃;輸出電壓最高可達29V,最大負載為500mA,負載調整率低于0.04mV/mA,效率可達81%。

該芯片的版圖面積為786μm×1290μm,與之同類型的另一款CMOS工藝升壓型芯片9293的版圖面積為770μm×1 100μm。該芯片面積比COMS工藝芯片面積大19.7%,雖然犧牲了一定的面積,但是其驅動能力的增強以及電路結構的簡化彌補了這一缺點,使得其在集成度要求不太高的電路中有著顯著的優勢。

設計的動態斜坡補償電路如圖3所示,BJT管組成的電流鏡電路不僅具有很強的驅動能力而且具有較快的響應速度,提升了芯片的動態響應性能[12]。

圖3 提出的動態斜坡補償電路

圖3中PNP1、PNP2、NPN1和NPN2組成電流鏡,產生與輸入輸出電壓相關的電流。在PNP1和PNP2,NPNV1和NPN2個數比例為1:1的情況下,VX≈VY,則

(10)

又因為:

(11)

設R1=R2,則

(12)

PNP3～PNP5形成共源共柵結構,設PNP3和PNP4,PNP5和PNP6的比例為1∶N,NPN2和NPN3的比例為1∶M。則

(13)

電流I3給電容C充電產生斜坡補償電壓,振蕩器輸出的時鐘信號決定電容的充、放電過程,通過選擇合適的電容、電阻值及管子比例即可產生合適的斜坡補償電壓。

3 仿真結果

結合該款升壓型DC-DC芯片,基于CSMC2μm36VBipolar模型進行Spectre仿真。圖4為動態斜坡補償電路產生的斜坡補償電壓,可以看出在輸入電壓為10V的情況下,補償斜坡電壓隨著輸出電壓的上升而上升,斜率也隨之增大,也就是說占空比越大,補償量就越大,達到了動態補償的目的。

圖4 補償電壓隨輸入輸出電壓的變化

在輸入電壓8 V～10 V,輸出電壓24 V,負載電阻600 Ω～1 000 Ω的條件下進行芯片的整體仿真。圖5中分別為采樣電流、補償斜坡電壓及PWM輸出控制電壓。

圖5 PWM模塊各節點波形

可以看到,采樣電流與補償電壓疊加后經比較后得到脈沖寬度調制信號。

圖6為加入斜坡補償前、后的電感電流波形。可以看出,當占空比大于50%時,未加斜坡補償的電感電流產生了亞諧波振蕩,系統不穩定;加入斜坡補償后電感電流亞諧波振蕩消失。

圖7為加入斜坡補償前、后的輸出電壓波形。可以看出,未加斜坡補償時系統輸出穩定時間為263 μs,加入斜坡補償后系統輸出穩定時間為180 μs,與未加斜坡補償相比,其動態響應時間提高了31.5%。由此可得,加入斜坡補償后系統的瞬態響應有了很大的提高。

將本設計的芯片與文獻[6]設計類似的同類型芯片9293的各項參數進行比較,得到表1如下。

圖6 加入斜坡補償前后電感電流波形

圖7 加入斜坡補償前后輸出電壓波形

表1

參數文獻[6]本設計工藝CMOSBipolar輸入范圍/V2．5～5．52．6～16工作頻率/MHz11．5最大負載電流/mA135500線性調整率1%3．3%輸出穩定時間/μs215180版圖面積(μm×μm)770×1100786×1290

由表1可知,使用Biplor工藝的芯片雖然在面積上有一定的犧牲,但跟CMOS工藝相比,其具有更大輸入電壓范圍、更強的電流驅動能力以及更快的動態響應。

4 結論

峰值電流控制模式中的亞諧波振蕩及不穩定問題可以通過加入斜坡補償的方法來改善,斜坡補償的斜率與占空比成正比,即占空比越大,所需的補償斜率也越大。本文提出的動態斜坡補償電路結構簡單,適用于提出的Bipolar工藝芯片。經仿真驗證,該補償電路很好的改善了系統的亞諧波振蕩及不穩定問題,提高了系統的瞬態響應。

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陳昆(1990-),男,湖北荊州人,武漢科技大學碩士研究生,主要研究方向為超大規模模擬集成電路設計,rgttg@163.com;

張濤(1967-),男,湖南湘潭人,武漢科技大學信息科學與工程學院電子信息工程系系主任,教授,碩士生導師,主要研究方向為數模混合集成電路設計,開關電源與功率電子學,信號與信息處理等。

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