一種無電容結構的自適應斜坡補償電路的制作方法
【專利摘要】本發明適用于模擬IC領域，提供一種無電容結構的自適應斜坡補償電路。所述的電路包括：減法器電路和斜坡電壓產生電路。所述的減法器電路，用于產生輸出電壓和輸入電壓差值電壓；斜坡電壓產生電路用于產生一個斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于作為DC?DC變換器的斜坡補償。本電路通過自適應的調節方式，能夠避免在系統占空比大于50%時系統出現震蕩，而且由于自適應的存在能夠很好地避免傳統恒定斜率補償帶來的欠補償或過補償問題。同時本電路高效利用DC?DC系統中振蕩器電路中產生的鋸齒波用于輔助產生自適應斜率鋸齒波，從而省去傳統斜坡補償電路中電容的使用，使得電路結構結構簡單，版圖面積小，成本低。
【專利說明】
一種無電容結構的自適應斜坡補償電路
技術領域
[0001] 本發明涉及自適應斜坡補償電路領域，更具體地，涉及一種無電容結構的自適應 斜坡補償電路。
【背景技術】
[0002] 開關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， 電流模式因動態響應快、補償電路簡單、增益帶寬大、逐周期電流限制等優點而獲得廣泛應 用。但在電流型DC-DC變換器中，需要采樣電感電流，往往由于系統出現干擾，一個小電感采 樣電流干擾會加到電流環路中從而導致系統的不穩定，具體分析如下：
[0003] 圖1為系統占空比小于50%和大于50%情況下加入電感電流擾動波形分析圖，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 流的擾動電流。系統工作在的CCM模式下，在開關管打開階段，電感電流處于上升階段，直到 達到最大峰值;等到DT時刻，開關管關斷，電感電流處于下降階段，直到達到最小值。其中kl 和_k2具體表達式為：
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。通過表達式可以得知：
[0004] 接下來計算加入擾動電感電流-個周期后引起的電感電流誤差，大小為：
[0006] 經過第二個周期，這個誤差大小為：
，如此循環，經過N個周期后，這 個誤差大小為
[0007] 可以分析得到，當系統的占空比D〈50 %，
，即系統 可以經過若干周期后自行消去電感擾動電流帶來的干擾，使系統達到穩定；當系統的占空 比D>50%
即電感擾動電流會逐漸被放大，系統不穩定。
[0008] 為了解決這個問題，需要引入一個斜坡補償電路，如圖2中（a)所示，為D>50%時在 采樣電壓端疊加上一個斜坡補償電壓，這個斜坡補償電壓的斜率設為k。，同理可知，經過一 個周期后電流誤差為
，經過N個周期后，誤差大小為
為了需要達到斜坡補償的效果，那么必須滿足如下關系式：
[0010]
。可以看出這個斜坡補償的斜率隨著占空比 的增大而增大，即在占空比為100%時所需達到最大值，
。但是問題在于，如果在 任何占空比的情況下都使用這個斜率的斜坡補償電壓就會出現過補償的現象，為此需要提 出一種斜率隨著占空比變化而變化的斜坡補償電壓，這樣才能高效地使系統工作在穩定狀 態。所以人們希望得到一種自適應的斜率補償電路，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升高，這樣就可以更具占空比大小適當調整斜率補償電壓，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償斜率不 一樣，分別為k ci、kC2和kC3，大小關系為kci>k C2>kC3，于是就不會出現占空比過小時的過補償 現象和占空比過大的欠補償現象，從而使得系統高效穩定運行。
【發明內容】
[0011] 本發明的主要目的為提供一種無電容結構的自適應斜坡補償電路，旨在解決開關 變換系統工作在占空比超過50%時電流環路出現震蕩的問題，并且能夠根據輸入電壓和輸 出電壓的變化自適應調節斜坡電壓的斜率，解決了傳統補償電路的欠補償和過補償問題， 核心的發明在于結構簡單和避免了傳統斜坡補償電路中電容的使用，從而節省版圖面積， 同時高效利用了振蕩器產生的固定鋸齒波電壓。
[0012] 為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：
[0013] -種無電容結構的自適應斜坡補償電路，所述的斜坡補償電路包括：
[0014] 減法器電路，用于產生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓；
[0015] 斜坡電壓產生電路，用于產生一個斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變 換器的斜坡補償。
[0016] 本發明利用減法器電路產生一個輸出電壓和輸入電壓差值的電壓用于控制兩個 工作在線性區兩個NM0S管，利用線性區M0S管的阻值特性來實現斜率的自適應調節，同時利 用振蕩器產生的固定斜率鋸齒波作為基準，得到系統所需的斜坡補償電壓。
[0017] 與現有技術相比，本發明的有益效果為:本發明公開的一種無電容結構的自適應 斜坡補償電路可通用于各種拓撲結構的開關變換器中，與傳統的自適應斜坡補償電路相 比，一方面避免了充放電電容的使用，使得模塊結構簡單，大大減小版圖面積;另一方面，還 能高效利用系統中振蕩器產生的鋸齒破電壓，以該鋸齒波電壓為基準，產生與系統周期匹 配的斜坡補償電壓。
【附圖說明】
[0018] 圖1是傳統結構中電感電流擾動對系統的干擾波形圖，（a)是占空比D小于50%情 況；（b)是占空比大于50%情況。
[0019] 圖2是自適應斜坡補償結構中電感電流擾動對系統的干擾波形圖，（a)是固定斜率 補償情況;（b)是自適應斜率補償情況。
[0020] 圖3是本發明自適應斜率調節斜坡補償結構框圖。
[0021 ]圖4是本發明斜坡補償電路具體原理圖。
[0022]圖5是本發明在不同輸入電壓下斜坡電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0023]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制;為了更好說明本實施例，附 圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；
[0024] 對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解 的。下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
[0025] 本發明公開的是一種無電容結構的自適應斜坡補償電路。
[0026] 參照圖3所示，是本發明斜坡補償電路的結構框圖。一種結構簡單的自適應斜率調 節斜坡補償電路，所述的斜坡補償電路包括：
[0027] 減法器電路，用于產生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓；
[0028] 斜坡電壓產生電路，用于產生一個斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變 換器的斜坡補償；
[0029]前面分析了開關變換器系統工作在占空比超過50%時會出現震蕩現象，為了消除 這種震蕩對系統輸出的干擾，本專利提出了一種解決此問題的自適應斜坡補償電路，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、兩個負反饋回路、 產生誤差電流的電阻R5、P1和P2組成的電流鏡、PM0S管P4和產生誤差電壓的電阻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
這兩個采樣電壓分別加在運放0P1和0P2的負向輸入端。
[0031] 由運放0P1和PM0S管P3構成了負反饋回路，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，運放0P2和NM0S管N1構成了負反饋回路，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，所述的斜坡電壓產生電路包括兩個匹配的NM0S管N2和N3、兩個工作在 線性區自適應阻值的NM0S管N4和N5、兩對電流鏡和用于產生斜坡電壓的電阻Rslope。
[0041 ]調節柵極減法器電路中產生的差值電壓Vdiff使得該值偏大，從而使得匪0S管N4和 N5都工作在線性區，并且令N4和N5的寬長比為
則兩個匪0S管的電阻 大小為：
[0043] 同時設置兩個匹配的匪0S管N2和N3的寬長比為1:1，使得兩個管子工作在亞閾值 區，則兩個管子的閾值電壓和柵源級電壓相等，兩個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構成電流鏡，設置兩個管子的寬長比為1:1，則流過兩個管子的 電流相等，于是：
[0048]根據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構成電流鏡，設置兩個管子的寬長比為 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，通過具體系統參數的需要調節N4的寬長比、電阻1?1、1?2、1?5、1?6和1?7的阻 值來得到一個合適的比例系數Κ，確定系數Κ后，斜坡補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和基準電壓VB差值成正比，當輸出電壓增大或者輸入 電壓減小，即占空比增大時，斜坡補償電壓的斜率會增加，斜坡補償的電壓波形如圖5所示。
[0059] 綜上所述，本發明的無電容結構的自適應斜坡補償電路能夠得到高效的自適應斜 坡補償電壓，并且其產生機制高效利用了振蕩器產生的鋸齒波電壓，同時也避免了充放電 電容的使用，一方面節約了版圖的面積，另一方面也使得產生的斜坡補償電壓和系統的時 序高度匹配，所以誤差率小，系統更穩定。這種不帶電容的自適應斜率斜坡補償電路能夠高 效地用在各種開關變換器中，使得系統更加穩定和高效的工作。
[0060] 顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對 本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可 以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本 發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種無電容結構的自適應斜坡補償電路，其特征在于，所述的斜坡補償電路包括： 減法器電路，用于產生輸出電壓和輸入電壓的差值電壓； 斜坡電壓產生電路，用于產生一個斜率與電壓差值成比例的鋸齒波電路，用于變換器 的斜坡補償。2. 如權利1所述的無電容結構的自適應斜坡補償電路，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、兩個負反饋回路、產生誤差電流的電阻R5、P1和P2組成的 電流鏡、PMOS管P4和產生誤差電壓的電阻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； 所述的兩個負反饋回路，一個是運放0P1和PMOS管P3組成，其中運放0P1的負輸入端接 輸出電壓的采樣電壓，正輸入端和P3管的漏極連接，運放的輸出和P3管的柵極連接;另一個 負反饋回路是由運放0P2和匪0S管N1組成，其中運放0P2的負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，運放的輸出和N1管的柵極連接，N1管的源級接地;所述的 產生誤差電流的電阻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，柵極連接運放0P1的輸出端;所述的產生誤差點的電阻R6-端連接地，另一端 和P4的漏極連接。3. 如權利1所述的無電容結構的自適應斜坡補償電路，其特征在于，所述的斜坡電壓產 生電路包括兩個匹配的匪0S管N2和N3、兩個工作在線性區自適應阻值的NM0S管N4和N5、兩 對電流鏡和用于產生斜坡電壓的電阻Rslope; 所述的兩個匹配的匪OS管N2和N3，由兩個寬長比匹配的兩個匪OS管N2和N3組成，其中 N2的柵極和振蕩器產生的固定斜坡電壓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;所述的兩個工作在線性區自適應阻值的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, 廣東順德中山大學卡內基梅隆大學國際聯合研究院, 中山大學花都產業科技研究院