一種基于電流疊加型無損電流檢測的升壓型變換器

許亦云,張利紅,陰亞東

(1.福州大學 物理與信息工程學院,福建 福州 350108;2.福建江夏學院 電子信息科學學院,福建 福州 350108)

隨著手機、平板、智能手表等便攜式電子產品的市場需求日益旺盛,便攜式電子產品電池的使用壽命成為了決定產品成敗的關鍵因素之一[1]。電流模升壓型變換器(Boost Converter)具有效率高、動態響應快等優點,受到業界重視和青睞,已成為便攜式電子產品中電源管理的主流方案。

電流檢測器是電流模升壓型變換器的關鍵模塊之一,當前業界應用較為廣泛的電流檢測方式主要有外接串聯電阻采樣法、功率管RDS采樣法、并聯檢測法、電感直流等效電阻(DCR)采樣法等。外接串聯電阻采樣法通過在充電通路上串聯電阻并測量其兩端的電壓得到電感電流大小,該方法簡單易實現,但通常會造成無法忽略的功率損耗[2]。功率管RDS采樣法無需額外采樣器件,而是通過檢測功率管導通時的壓降實現電流檢測,因此不存在額外的功率損耗,然而功率管的導通內阻容易受到溫度、工藝以及輸出負載的影響,導致采樣精度較低[3]。并聯檢測法通過確保與功率管并聯的檢測管工作狀態一致,從而按比例精確復制功率管電流,最終實現高精度電流采樣,但實際電路中很難確保兩個管子工作狀態完全一致[4]。電感DCR 采樣法是近幾年發展的新興技術,其通過檢測電感兩端電壓而實現電流檢測,與傳統電流檢測技術相比具有電路結構簡單、精度高、功耗低的優點[5]。

如何有效預防次諧波振蕩是電流模升壓型變換器的另一設計難點[6]。變換器需在電流采樣結果上疊加相應的斜坡補償電壓。常規的電感DCR 采樣法是基于電壓加法器實現斜坡補償電壓與電流采樣電壓的疊加。然而此類技術受限于電壓加法器帶寬,存在瞬態響應速度慢和功耗大的缺點[7]。鑒于此,本文提出了一種電感DCR 電流檢測法結合電流疊加技術的電流檢測器,其利用電壓-電流(V-I) 轉換電路將電流采樣信號和斜坡補償信號通過高速電流疊加形式結合,解決了電壓疊加法瞬態響應速度慢和功耗大的缺點,最終基于該電流檢測器設計了一款升壓型變換器。

1 電流疊加型電感DCR 電流檢測電路

圖1(a)所示為電流模升壓型變換器電路結構,其中VIN為輸入電壓,L 為續流電感,COUT為輸出電容,RLOAD為負載電阻,MN、MP為功率開關管,RL為電感內阻。電流檢測器檢測電感電流產生檢測電壓VCS,并以之反饋改變功率開關管控制信號CLKP1、CLKP2。

圖1(b)所示為本文提出的電流檢測器電路結構,其主要由電流采樣電路、斜坡補償電路及電流疊加電路三部分電路構成。其中電流采樣電路由電感DCR 檢測電路和V-I轉換電路A 組成,通過電感DCR 檢測電路得到和電感電流成比例的電壓信號VSEN;該電壓經過V-I轉換電路A 形成電流信號ISEN。為了提高升壓型變換器的負載調整率,電感DCR 檢測電路采用單端輸出的形式,使得檢測電壓VSEN與平均電感電流基本無關[8]。斜坡補償電路由斜坡電壓產生電路和V-I轉換電路B 組成。時鐘信號VOSC2驅動斜坡電壓產生電路的電容C2和電阻R4進行充放電,產生固定斜率的周期性電壓信號VSLP,再通過V-I轉換電路B 后形成電流信號ISLP。利用電流鏡像電路寄生電容小、本征頻率高的優點,ISEN和ISLP以電流鏡像的方式實現疊加,最終通過PMOS 管負載MP8產生最終輸出電壓VCS。

圖1 (a) 電流模升壓型變換器結構;(b)電流疊加型電感DCR 電流檢測器Fig.1 (a) Structure of current mode boost converter;(b) Inductance DCR current detector with current combining

由圖1 可知,升壓型變換器工作時電感兩端的電壓可表示為:

式中:ωS為開關頻率;IL為電感電流。可知:

令τ1=L/RL,τ2=R1C1,則可得:

其中

由于續流電感內阻較小,因此ωSτ1?1;合理選擇R1C1亦可實現ωSτ2?1,則公式(3)可簡化為:

由公式(5)可知,電感DCR 檢測電路輸出電壓VDET和電感電流IL成正比。由于無需使用額外的串聯電阻,因而檢測引起的功率損耗可忽略不計。通過電阻R2和R3最終獲得電流檢測電壓為:

本文中斜坡電壓信號產生電路由MP4、C2、R4構成,當時鐘信號VOSC2為低時,VSLP復位為電源電壓;否則,C2通過R4放電。通過將C2和R4設置為合適的值,可得斜坡信號時域表達式為:

仿真發現電流檢測電路中檢測電壓信號VSEN與斜坡補償信號VSLP變化幅度較小,因此可利用小信號分析法對電路進行分析而不影響結果。后文中將使用小信號符號進行計算,如使用vsen和vslp代替VSEN和VSLP。

傳統設計中通常利用高速電壓加法器實現斜坡電壓信號和電流檢測電壓信號的疊加組合,往往很難在帶寬、功耗、穩定性和電路復雜度等方面取得較好折衷。與之不同,本文將利用電流疊加方式解決該技術難題。檢測電壓信號vsen輸入至MOS 管MN1、MP1和MN2構成的源跟隨器后,再通過MN3產生電流isen,該電流可表示為:

式中:gmn3為MN3管跨導;il為小信號形式的電感電流。與vsen類似,斜坡信號vslp經過變換后產生斜坡補償電流islp,可表示為:

式中:gmn7為MN7跨導。電流isen和islp通過MN8和MN9、MN4和MN11構成的電流鏡像電路并聯疊加后,通過MP8管產生最終的輸出電壓vcs,令gmn3≈gmn7≈gmp8,則可以得到:

從式(10)可知,電流檢測電路最終的輸出檢測電壓vcs和電感電流il成正比,從而實現電感電流檢測。

2 升壓型變換器電路設計

利用上文所述電感電流檢測器搭建電流模升壓型變換器,其電路結構如圖2 所示。利用本文所提出的電感電流檢測器和誤差放大器構成了電流環和電壓環雙環反饋控制結構,從而獲得優良的動態響應能力[6]。

圖2 升壓型變換器電路結構圖Fig.2 Circuit diagram of boost converter

升壓型變換器檢測反饋電壓VFB與基準電壓VREF之間的差值產生誤差電壓VEA。VEA與電感電流檢測器輸出電壓VCS同時輸入至PWM 比較器產生VCP,在振蕩器[7]時鐘VOSC1的驅動下通過RS 觸發器產生PWM 信號CLKD;CLKD通過驅動電路產生不交疊的功率管驅動信號CLKP1和CLKP2;其中CE、RE構成補償網絡確保電壓反饋環的穩定[10]。當時鐘信號CLKP1產生上升沿時,開關管MN導通,開關管MP關斷,電感開始充電,電感電流上升;當電感電流檢測器輸出電壓VCS大于VEA時,VCP翻轉,開關管MN關斷,開關管MP導通,電感電流下降。經過幾輪反饋調整后,輸出電壓VOUT達到穩定。

3 電路仿真與驗證

本文基于SMIC 18 μm CMOS 工藝完成了升壓型變換器的電路設計、版圖設計和版圖參數提取后仿真驗證。其電路版圖如圖3 所示,面積約為752 μm×542 μm,圖中實線所框分別為功率管和電感電流檢測器。變換器輸出電容COUT=10 μF,電感L=4.7 μH(電感內阻0.4 Ω),開關頻率fS=600 kHz,R1=2.1 MΩ,R2=R3=0.6 MΩ,R4=3.0 MΩ,C1=C2=3.36 pF。

圖3 升壓型變換器電路版圖Fig.3 Circuit layout of boost converter

圖4 顯示了變換器負載電阻RLOAD=20 Ω時,電流檢測器瞬態仿真結果。由圖可知,電流采樣電路能夠獲得與IL信號反相的ISEN,并與斜坡補償信號ISLP疊加后產生最終輸出電壓VCS。圖5 分別統計了不同電感電流時電流檢測器采樣比例的前/后仿真結果。從圖中可以看出,當電感電流幅度IL從0 增大至600 mA時,電流檢測器的電流-電壓轉換增益為0.33 V/A,檢測誤差小于2.9%;同時前/后仿真結果誤差不超過0.9%。

圖4 電流檢測器仿真波形Fig.4 Simulation waveform of current detector

圖6 所示為在不同輸入電壓時變換器輸出電壓的前/后仿真結果。可以看出,變換器在不同輸入電壓下均能正常工作;后仿真由于版圖寄生參數的影響,啟動時間略微大于前仿真。圖7 顯示了負載電流變化時輸出電壓的瞬態響應前/后仿真結果,可以看到當負載電流發生變化時,輸出電壓基本保持穩定。圖8 所示為輸入電壓發生跳變時輸出電壓的瞬態響應前/后仿真結果,由圖可知當輸入電壓跳變時,輸出電壓能較快恢復穩定。同時可以看到,以上仿真中版圖提取后仿結果均略差于前仿真,這屬于正常情況且這兩者誤差較小可以忽略。

圖6 不同輸入電壓下的輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveforms at different input voltages

圖7 負載瞬態響應仿真結果Fig.7 Simulation results of load transient response

圖8 線性瞬態響應仿真結果Fig.8 Simulation results of linear transient response

表1 對本文所提出的升壓型變換器的主要性能參數進行了總結,從表中可以看出雖然由于版圖寄生參數的影響,轉換效率、負載及線性調整率的后仿真結果略低于前仿真,但該誤差在合理范圍內可以忽略。前/后仿真結果表明該升壓型變換器具有較好的電路性能。表2 為本文所述電流檢測器與其他文獻的參數對比,與常規電流檢測方法相比,此次設計采用了電感DCR 檢測和電流疊加技術,避免運放的引入,從而實現了較小的功耗和面積。

表1 升壓型變換器參數表Tab.1 Parameter table of boost converter

表2 本文電流檢測器與其他文獻的參數對比Tab.2 Comparison of parameters of current detector between this paper and other documents

4 結論

本文分析介紹了一種電流疊加型電感DCR 電流檢測器,對其電流采樣和斜坡補償的原理進行分析和理論推導,進而基于該電流檢測器設計了一款電流模升壓型變換器。前/后仿真結果表明,該電流檢測器的檢測誤差小于2.9%,功率損耗僅為0.05 mW,電路面積約為0.019 mm2,相比于傳統的電流檢測器,能夠實現較小的功耗和面積,并且基于該電流檢測器設計的升壓型變換器具有良好的轉換效率及瞬態響應速度,可以滿足便攜式電子產品的使用需求。