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增强升压型DC-DC瞬态响应的电路设计

作者:时间:2016-09-12来源:网络收藏

随着智能手机和平板电脑等移动设备的应用,电源管理技术受到更多关注。其中,升压型DC—DC转换器以其低供电电压、低功耗、高效率、高输出电压和大输出电流等特点得到广泛应用。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201609/304385.htm

但对于升压型DC—DC转换器而言,系统本身存在右半平面零点,且其会随着负载电流的增加而逐渐向低频靠近。为保证系统的稳定性,通常会将系统带宽限制在右半平面零点频率的1/4~1/10处,因此系统带宽比降压型DC—DC转换器小,故芯片环路也相对较慢。系统较慢的会严重影响升压型DC—DC转换器的芯片性能,此外也会因在时输出电压的较大过冲和下降而损坏输出相连器。因此,设计具有快速的升压型DC—DC转换器成为重要的研究课题。

本文设计了一种增强同步升压型DC—DC转换器的电路,该电路可在输出负载变化时,调整电路的跨导和补偿,从而提高环路的带宽及环路的响应速度,以提高同步升压型DC—DC的瞬态响应。

1 DC-DC转换器的环路分析

传统方式的同步升压型DC—DC转换器基本架构如图1所示,该同步升压型DC—DC转换器采用电流模式控制方式,并采用PM为同步整流管,NM为功率管。输出电压通过FB反馈进入(EA)并与基准电压做比较,将误差信号放大后和功率管采样信号与斜坡补偿信号之和

进行PWM比较,产生占空比信号通过逻辑和驱动电路控制功率管和调整管的开关。

增强升压型DC-DC瞬态响应的电路设计

K2(s)为EA的传输函数;Is为功率管的采样电流;Rs为采样电阻;L为储能电感;Cout为输出电容;RL为负载电阻。通过跨导运算放大电路和滞后补偿电路构成基本的误差放大器电路如图2所示。

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分析该电流模同步升压型DC—DC的环路小信号,可得出系统环路传输函数的表达式为

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由此可看出,传统的EA补偿电路中,EA的增益和补偿的零级点固定,因此环路的带宽是固定的,且为了避免将右半平面零点包含在环路带宽内,故系统带宽较小,瞬态响应也相对较差。因此设计了一种可在时,动态调整EA的增益及其补偿零点来提高系统的单位增益带宽,从而达到提高系统瞬态响应速度的目的。

2 误差放大器的电路设计

提出的增强系统瞬态响应的误差放大器电路如图3所示,电路中Vdd为电源电压,EN为使能控制信号,FB为输出电压的反馈信号,Vref为基准电压,VL为98%的Vref电压,而VH为102%的Vref电压;Rt1和Rt22为EA的输出补偿电阻,Cc为补偿电容;Rt1~Rt4为误差放大器输入级的源极反馈电阻,且Rt1=Rt3,Rt2=Rt4;COMP1和COMP2均为通常比较器,I1~I8为反向器电路,NAND1为与非门,而RH、CH和RL、CL分别组成低通滤波电路。电路在正常情况下,FB电压基本与基准电压Vref相等,EA的输出电压Vc控制电感电流大小。且此时FB的电压>VL,因此比较器COMP1的输出电压为低,同时VH电压>FB,故COMP2输出低电平,此时S1为高电平而S2为低电平,因此开关管M30~M31以及M32关,EA正常工作。而在时,若由轻载跳变到重载,则FB瞬间变低使得比较器COMP1翻转,S1跳低而S2为高,则误差放大器的源级随电阻变小,且输出补偿电阻变大,使得系统的带宽变大;而当负载从重载跳变到轻载时,输出电压会瞬间过冲,FB也随之升高,若FB使得COMP2翻转,则S1也将同样调低,增大系统带宽,提高系统的瞬态响应。若FB电压过高,则信号Over_vref也将跳高,使得Vc电压被M28拉低,补偿电阻被M29短路,从而加速Vc恢复正常。电容C1为确保正常情况下Over_vref为低,而当FB过高时,M27所在支路关断,可快速将C1电压拉低,使Over_vref跳高,从而防止输出电压过冲较大。

增强升压型DC-DC瞬态响应的电路设计

该误差放大器的等效电路如图4所示,其中补偿电阻RCX等效为可变电阻,而EA的跨导等效为可变电流。

增强升压型DC-DC瞬态响应的电路设计

可得出在负载跳变和正常情况下的传输函数分别为

增强升压型DC-DC瞬态响应的电路设计

其中,RO为EA的输出电阻,gmX为EA的跨导,RCX为补偿电阻。正常情况下,gmX=1/(Rt1+Rt2),RCX=RC1;而在负载进行跳变的情况下,gmX=1/Rt1,则RCCX=RC1+RC2。由此可看出,相比正常情况,负载跳变时系统的增益提高,同时零点位置提前而极点位置后移,系统的带宽展宽。

3 仿真结果

对于该同步升压型DC—DC转换器,在0. 25 μm CMOS工艺条件下,利用Cadence仿真工具进行仿真验证,其仿真环境为:电源电压Vin= 3.6 V,输出电压Vout=5 V,负载的跳变范围为500 mA~2 A。图5为传统升压型DC—DC的负载跳变波形,图中IL为电感电流,Vout为输出电压,而Io为负载电流。可看出其恢复时间为55μs,负载跳变时的输出电压过冲和下降为600 mV。图6为本文提出的具有增强瞬态响应EA的升压型DC—DC转换器,其恢复时间为30μs,而输出电压的过冲和下降为380 mV。从图中可看到,系统的瞬态跳变恢复时间比传统的同步升压型DC—DC转换器减少了45%,且输出电压的上冲和下降值也减少了35%。

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