專利名稱：頻率自適應斜坡補償電路的制作方法
頻率自適應斜坡補償電路技術領域
本發明屬于模擬集成電路設計領域，特別涉及一種頻率自適應斜波補償電路，可用于電流模DC-DC轉換器中。
背景技術：
采用電流模式控制的DC-DC開關電源，在傳統電壓模式控制的基礎上，增加了電流采樣的環路，使得DC-DC系統的動態特性顯著增強。電流模式控制根據不同的反饋環路設計，分為峰值電流模式控制和谷值電流模式控制。但是無論在工作占空比大于50%的峰值電流模式還是在工作占空比小于50%時谷值電流模式下，DC-DC系統均會出現亞諧波震蕩。因此需要在電流采樣的環路中增加斜波補償電路來實現電流環路良好的穩定性。斜波補償斜率在決定環路穩定性方面具有重要作用，斜波補償斜率過小，會引起系統不穩定；斜波補償斜率過大，會使得系統環路動態相應特性變差，甚至轉變為電壓模式的環路。斜波補償斜率的確定一般與DC-DC的工作占空比和工作頻率有關。
現在多數DC-DC為擴大自身應用范圍與降低應用成本，多具有外同步頻率功能， 即DC-DC的工作頻率可隨外部時鐘信號頻率變化。由于DC-DC在不同的工作頻率下使用不同大小的外圍電感，必須對應不同的斜坡補償斜率。這樣要求有能夠跟隨開關頻率自動調整斜波補償斜率大小的電路，使得在DC-DC開關頻率變化時，斜波補償斜率仍與之匹配，保持電流環路保持穩定。
圖1顯示了傳統的斜坡補償電路結構，通過調節補償電容的大小，設置與工作頻率和占空比匹配的斜坡補償斜率。然而這種斜坡補償電路只能產生具有固定斜率的斜坡補償信號，一旦DC-DC工作頻率改變則原先設定的斜率無法繼續與新頻率匹配，從而無法繼續維持電流環路穩定，限制了 DC-DC的應用范圍。發明內容
本發明的目的在于針對已有斜坡補償電路斜率固定的不足，提供了一種具有頻率自適應功能的斜波補償電路，以在不同工作頻率下維持DC-DC電流控制環路穩定，同時拓寬DC-DC應用范圍。
為實現上述目的，本發明包括斜坡電壓產生模塊和壓流轉換模塊；該斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP與壓流轉換模塊的輸入端連接，壓流轉換模塊的輸出端產生斜坡補償電流信號IS1，其特征在于斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP連接有頻率自適應模塊，該模塊包括直流分量提取單元、電平移位單元和跨導放大單元；該直流分量提取單元的輸入端連接DC-DC的工作時鐘信號0SC，輸出端通過電平移位單元連接到跨導放大單元的反相輸入端，以產生能夠反映時鐘信號OSC頻率變化電流信號IS2，使整個斜坡補償電路輸出信號的斜率能夠跟隨工作時鐘信號OSC的頻率自動調整，實現頻率自適應。
上述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于直流分量提取單元，包括三個分頻器10、20、21、兩個與非門30、31、兩個反相器50、51、四個傳輸門40、41、42、43和兩個電容C1、C2 ；第一分頻器10的輸入端接時鐘信號0SC，其輸出端產生時鐘信號OSC的兩個二分頻信號Q和XQ，這兩個二分頻信號再分別經第二分頻器20和第三分頻器21產生四個時鐘信號OSC的四分頻信號即第一個四分頻信號A、第二個四分頻信號XA、第三個四分頻信號B 和第四個四分頻信號XB ；第一個二分頻信號Q分別連接第一與非門30和第二與非門31的一個輸入端，這兩個與非門的另一個輸入端分別連接第二個四分頻信號B和第四個四分頻信號XB，這兩個與非門的輸出端分別通過第一反相器50和第二反相器51連接到第一傳輸門40和第三傳輸門42的輸入端，這兩個傳輸門的輸出端分別通過第二傳輸門41和第四傳輸門43連接到電平移位單元的輸入端，電容Cl和C2分別與第一傳輸門40和第二傳輸門 42的輸出端連接。
上述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述電平移位單元包括PM0S管 M14、NM0S管M13、電阻R1、R2、R3和恒流源Ibl ；該PMOS管M14的柵端作為電平移位單元的輸入端連接到直流分量提取單元的輸出端，源端通過一個恒流源Ibl連接到直流電源VCC， 漏端接零電位；該NMOS管M13的柵端連接到PMOS管M14的源端，源端與串聯電阻R2和R3 連接，漏端通過電阻Rl接直流電源VCC，電阻R2和R3的公共端作為該電平移位單元的輸出端，連接到跨導放大單元的反相輸入端。
上述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述跨導放大單元包括四個 PMOS管Ml、M2、M7、M8禾口四個NMOS管M3、M4、M5、M6 ；該PMOS管Ml禾口 M2構成跨導放大單元的差動輸入對，源端均通過恒流源Λ2接直流電源VCC，M1的柵端作為跨導放大單元的反相輸入端連接到所述電平移位單元的輸出端，M2的輸入端作為跨導放大模塊的正相輸入端連接一個固定的基準電壓Vref，NM0S管M3、M4構成有源電流鏡結構作為Ml和M2的負載連接到Ml和M2的漏端，Ml和M3的公共漏端經NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8構成的兩個有源電流鏡后輸出斜波補償電流IS1。
上述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述四個傳輸門40、41、42和43均設有兩個控制端，即P控制端和N控制端，當P控制端為邏輯低電平，N控制端為邏輯高電平時，傳輸門導通；其中第一傳輸門40和第四傳輸門43的P控制端、第二傳輸門41和第三傳輸門42的N控制端共同連接第一個四分頻信號A，第一傳輸門40和第四傳輸門43的N 控制端、第二傳輸門41和第三傳輸門42的P控制端共同連接第二個四分頻信號XA，該第一個四分頻信號A和第二個四分頻信號XA互為邏輯反信號，當第一個四分頻信號A為邏輯低電平時，第二個四分頻信號XA為邏輯高電平，第一傳輸門40和第四傳輸門43導通，第二傳輸門40和第三傳輸門43截止，反之，第一傳輸門40和第四傳輸門43截止，第二傳輸門40 和第三傳輸門43導通。
上述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述反相器50、51均由一個NMOS 管、一個PMOS管和一個恒流源構成；該NMOS管源端接零電位，PMOS管源端通過一個恒流源接直流電源VCC，兩MOS管柵端相接構成反相器的輸入端，漏端相接構成反相器的輸出端。
本發明與現有技術相比具有以下優點
本發明由于添加了頻率自適應模塊，使工作時鐘頻率的變化轉變為斜坡產生電路充電電流的變化，以產生斜率隨工作時鐘頻率變化的斜波補償電流，擴大了 DC-DC的應用范圍，降低DC-DC的成本。
圖1是傳統斜波補償電路的電路圖2是本發明的頻率自適應斜波補償電路的電路圖3是本發明中頻率自適應模塊的電路原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細敘述。
如圖2所示，本發明頻率自適應斜波補償電路包括斜坡電壓產生模塊、壓流轉換模塊和頻率自適應模塊。該斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP分別連接到頻率自適應模塊的輸出端和壓流轉換模塊的輸入端，壓流轉換模塊的輸出端產生斜率隨DC-DC工作頻率變化的斜波補償電流。其中
斜坡電壓產生模塊，由一個恒流源12、電容Cl和開關Sl組成；電容Cl 一端接零電位，另一端VCAP連接到頻率自適應模塊的輸出端，恒流源12和開關Sl串聯后并聯接在電容Cl的兩端，開關Sl的控制端en接DC-DC的工作時鐘信號0SC。
壓流轉換模塊，由NMOS管M1、M2，PM0S管M3、M4，電阻RO和恒流源12組成；該NMOS 管M1、M2柵端相連，Ml柵端和漏端短接后通過恒流源12接直流電源VCC，源端接斜坡產生模塊的輸入輸出端VCAP，M2源端通過電阻RO接零電位，PMOS管M3、M4柵端相連，M3柵端和漏端短接后連接到NMOS管M2的漏端，M4的漏端輸出斜波補償電流。
頻率自適應模塊，由直流分量提取單元、電平移位單元和跨導放大單元三個單元組成，如圖3所示。
所述的直流分量提取單元，其輸入端連接DC-DC的工作時鐘信號0SC，輸出端通過電平移位單元連接到跨導放大單元的反相輸入端。該直流分量提取單元由三個分頻器10、 20、21，兩個與非門30、31，兩個反相器50、51，四個傳輸門40、41、42、43和兩個電容Cl、C2 組成；第一分頻器10的輸入端接時鐘信號0SC，其輸出端產生時鐘信號OSC的兩個二分頻信號，Q和XQ，并且Q與XQ互為邏輯反信號；這兩個二分頻信號Q與XQ分別再經第二分頻器20和第三分頻器21產生四個時鐘信號OSC的四分頻信號即第一個四分頻信號A、第二個四分頻信號XA、第三個四分頻信號B和第四個四分頻信號XB ；第一個二分頻信號Q分別連接第一與非門30和第二與非門31的一個輸入端，這兩個與非門的另一個輸入端分別連接第二個四分頻信號B和第四個四分頻信號XB，這兩個與非門的輸出端分別通過第一反相器50和第二反相器51連接到第一傳輸門40和第三傳輸門42的輸入端，這兩個傳輸門的輸出端分別通過第二傳輸門41和第四傳輸門43連接到電平移位單元的輸入端，電容Cl和 C2的一端均接零電位，另一端分別連接到第一傳輸門40和第二傳輸門42的輸出端；四個傳輸門40、41、42、43均設有兩個控制端，即P控制端和N控制端，當P控制端為邏輯低電平， N控制端為邏輯高電平時，傳輸門導通；其中第一傳輸門40和第四傳輸門43的P控制端、 第二傳輸門41和第三傳輸門42的N控制端共同連接第一個四分頻信號A ；第一傳輸門40 和第四傳輸門43的N控制端、第二傳輸門41和第三傳輸門42的P控制端共同連接第二個四分頻信號XA ；第一個四分頻信號A和第二個四分頻信號XA互為邏輯反信號，當第一個四分頻信號A為邏輯低電平時，第二個四分頻信號XA為邏輯高電平，第一傳輸門40和第四傳輸門43導通，第二傳輸門40和第三傳輸門43截止，反之，第一傳輸門40和第四傳輸門43截止，第二傳輸門40和第三傳輸門43導通。兩個反相器50和51均由一個NMOS管、一個 PMOS管和一個恒流源構成；該NMOS管的源端接零電位，PMOS管的源端通過一個恒流源接直流電源VCC，兩個MOS管的柵端相接構成反相器的輸入端，漏端相接構成反相器的輸出端。
所述的電平移位單元，由PMOS管M14、NM0S管M13、電阻R1、R2、R3和恒流源Ibl組成；該PMOS管M14的柵端作為此電平移位單元的輸入端連接到直流分量提取單元的輸出端，源端通過一個恒流源Ibl連接到直流電源VCC，漏端接零電位，NMOS管M13的柵端連接到PMOS管M14的源端，該Ml3的源端通過串聯電阻R2和R3接零電位，漏端通過電阻Rl接直流電源VCC，電阻R2和R3的公共端作為該電平移位單元的輸出端，連接到跨導放大單元的反相輸入端。
所述的跨導放大單元，由PMOS管Ml、M2、M7禾口 M8，NMOS管M3、M4、M5禾口 M6組成； 該PMOS管Ml和M2構成跨導放大單元的差動輸入對，源端均通過恒流源Ib2接電源，Ml的柵端連接到所述電平移位單元的輸出端，M2的柵端連接一個固定的基準電壓Vref，NM0S管 M3、M4構成有源電流鏡結構作為Ml和M2的負載連接到Ml和M2的漏端，Ml和M3的公共漏端經NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8分別構成的兩個有源電流鏡后輸出斜波補償電流。
以下簡述本發明的頻率自適應原理
頻率自適應模塊產生大小跟隨頻率變化的直流電流IS2，該直流電流IS2與恒流源Il 一起為斜坡電壓產生模塊中電容Cl提供充電電流，在DC-DC的工作時鐘信號OSC為高電平時給電容Cl充電，此時電容電壓VCAP上升，上升斜率由充電電流I1+IS2的大小決定，當工作時鐘信號OSC為低電平時，開關Sl閉合，電容Cl通過恒流源12放電，電容電壓 VCAP下降，放電電流大小為I2-I1-IS1。通過如此周期性的電容充放電，電容電壓VCAP即形成三角波狀的斜坡電壓，因為充電電流中IS2隨頻率的增加而增加，故斜坡電壓產生模塊輸出的VCAP斜率也跟隨頻率變化。壓流轉換模塊中，NMOS管M1、M2構成有源電流鏡，將電壓VCAP的變化轉變成電阻RO上的電流變化，產生的斜波電流為剛 mJT.^T， R0 (WIL)mpi
其中，(W/L) m和(W/L) 分別表示PMOS管MP1和MP2的溝道寬長比，從斜波電流 ISl的表達式可以看出，斜波電流與電容電壓VCAP呈正比，因為電容電壓VCAP隨頻率增加而增加，故斜波電流ISl也跟隨頻率而變化。
頻率自適應模塊的工作原理是首先通過直流分量提取單元把DC-DC工作時鐘信號OSC的頻率變化轉變為與其變化相反的直流電壓VDC1，即當頻率升高時VDCl的值降低， 反之VDCl的值升高；再將VDCl通過電平移位單元移位，得到適合后級跨導放大單元放大的新直流電壓VDC2，VDCl與VDC2的關系為
VDC2 = —-VDClR3
新直流電壓VDC2送入跨導放大單元的反相輸入端，將直流電壓VDC2和固定基準電壓的差值轉變為直流電流IS2。因為直流電壓VDC2隨頻率的升高而降低，且VDC2是跨導放大單元的反相輸入端輸入信號，所以跨導放大器的輸出直流電流IS2隨頻率的增大而增大。
以上僅是本發明的一個最佳實例，不構成對本發明的任何限制，顯然在本發明的構思下，可以對其電路進行不同的變更與改進，但這些均在本發明的保護之列。
權利要求
1.一種頻率自適應斜波補償電路，斜坡電壓產生模塊和壓流轉換模塊；該斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP與壓流轉換模塊的輸入端連接，壓流轉換模塊的輸出端產生斜坡補償電流信號IS1，其特征在于斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP連接有頻率自適應模塊，該模塊包括直流分量提取單元、電平移位單元和跨導放大單元；該直流分量提取單元的輸入端連接DC-DC的工作時鐘信號0SC，輸出端通過電平移位單元連接到跨導放大單元的反相輸入端，以產生能夠反映時鐘信號OSC頻率變化電流信號IS2，使整個斜坡補償電路輸出信號的斜率能夠跟隨工作時鐘信號OSC的頻率自動調整，實現頻率自適應。
2.根據權利要求1所述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于直流分量提取單元， 包括三個分頻器(10、20、21)、兩個與非門(30、31)、兩個反相器(50、51)、四個傳輸門(40、 4U42.43)和兩個電容C1、C2 ；第一分頻器(10)的輸入端接時鐘信號0SC，其輸出端產生時鐘信號OSC的兩個二分頻信號Q和XQ，這兩個二分頻信號再分別經第二分頻器00)和第三分頻器產生四個時鐘信號OSC的四分頻信號即第一個四分頻信號A、第二個四分頻信號XA、第三個四分頻信號B和第四個四分頻信號XB ；第一個二分頻信號Q分別連接第一與非門(30)和第二與非門(31)的一個輸入端，這兩個與非門的另一個輸入端分別連接第二個四分頻信號B和第四個四分頻信號XB，這兩個與非門的輸出端分別通過第一反相器 (50)和第二反相器(51)連接到第一傳輸門GO)和第三傳輸門0 的輸入端，這兩個傳輸門的輸出端分別通過第二傳輸門Gl)和第四傳輸門^幻連接到電平移位單元的輸入端， 電容Cl和C2分別與第一傳輸門00)和第二傳輸門0 的輸出端連接。
3.根據權利要求1所述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述電平移位單元包括PM0S管M14、匪OS管M13、電阻Rl、R2、R3和恒流源Ibl ；該PMOS管M14的柵端作為電平移位單元的輸入端連接到直流分量提取單元的輸出端，源端通過一個恒流源Ibl連接到直流電源VCC，漏端接地；該NMOS管M13的柵端連接到PMOS管M14的源端，源端與串聯電阻R2和R3連接，漏端通過電阻Rl接直流電源VCC，電阻R2和R3的公共端作為該電平移位單元的輸出端，連接到跨導放大單元的反相輸入端。
4.根據權利要求1所述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述跨導放大單元包括四個PMOS管M1、M2、M7、M8禾口四個NMOS管M3、M4、M5、M6 ；該PMOS管Ml和M2構成跨導放大單元的差動輸入對，源端均通過恒流源Λ2接直流電源VCC，M1的柵端作為跨導放大單元的反相輸入端連接到所述電平移位單元的輸出端，M2的輸入端作為跨導放大模塊的正相輸入端連接一個固定的基準電壓Vref，NM0S管M3、M4構成有源電流鏡結構作為Ml和M2 的負載連接到Ml和M2的漏端，Ml和M3的公共漏端經NMOS管M5、M6和PMOS管M7、M8構成的兩個有源電流鏡后輸出斜波補償電流IS1。
5.根據權利要求2所述的頻率自適應斜波補償電路，其特征在于所述四個傳輸門 (40)、(41)、(42)和(43)均設有兩個控制端，即P控制端和N控制端，當P控制端為邏輯低電平，N控制端為邏輯高電平時，傳輸門導通；其中第一傳輸門00)和第四傳輸門G3)的 P控制端、第二傳輸門Gl)和第三傳輸門0 的N控制端共同連接第一個四分頻信號A， 第一傳輸門(40)和第四傳輸門(43)的N控制端、第二傳輸門(41)和第三傳輸門(42)的 P控制端共同連接第二個四分頻信號XA，該第一個四分頻信號A和第二個四分頻信號XA互為邏輯反信號，當第一個四分頻信號A為邏輯低電平時，第二個四分頻信號XA為邏輯高電平，第一傳輸門GO)和第四傳輸門導通，第二傳輸門GO)和第三傳輸門截止，反之，第一傳輸門(40)和第四傳輸門(43)截止，第二傳輸門(40)和第三傳輸門(43)導通。
全文摘要
本發明公開了一種具有頻率自適應功能的斜波補償電路，主要解決現有斜坡補償電路中，補償斜波電流斜率固定、無法與不同系統頻率相適應的問題。該斜波補償電路包括斜坡電壓產生模塊、壓流轉換模塊和頻率自適應模塊。該斜坡電壓產生模塊的輸入輸出端VCAP分別連接到頻率自適應模塊的輸出端和壓流轉換模塊的輸入端。該頻率自適應模塊該由直流分量提取單元、電平移位單元和跨導放大單元組成，該直流分量提取單元的輸入端連接DC-DC的工作時鐘信號OSC，輸出端通過電平移位單元連接到跨導放大單元的反相輸入端，以產生能夠反映時鐘信號OSC頻率變化電流信號IS2，使整個斜坡補償電路輸出信號的斜率能夠跟隨工作時鐘信號OSC的頻率自動調整，實現頻率自適應。
文檔編號H02M1/14GK102522880SQ20111040395
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者劉潔, 劉雨鑫, 葉強, 來新泉, 趙競翔 申請人:西安啟芯微電子有限公司