姜巖峰 ，張東 ，韓兵兵

（1 北京自動測試技術(shù)研究所，北京，100088； 2 北方工業(yè)大學(xué)微電子中心，北京，100144）

0 引言

本文針對降壓型(Buck)DC-DC 芯片的控制環(huán)路提出一種內(nèi)部補償?shù)姆桨?并利用MATLAB對一個確定性能要求的buck電源電路進行系統(tǒng)建模研究，仿真結(jié)果表明補償方法能保證降壓式DC-DC電源穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)速度[1-6]。

1 buck電源結(jié)構(gòu)

buck 型DC-DC 電源內(nèi)部主要由開關(guān)管，誤差放大器、脈寬調(diào)制器(modulator)和外部輸出電容、負載組成的濾波器組成（圖1(a)），其中D為續(xù)流二極管，在開關(guān)管T斷開時候形成電感電流的放電回路，RL為輸出負載。當功率開關(guān)管導(dǎo)通時，直流輸入電壓加入到電感L，負載RL和C2以及電感組成濾波網(wǎng)絡(luò)，對輸出電壓的紋波進行抑制，采樣電路對輸入電壓進行采樣并輸入到誤差放大器，得到輸出電壓與基準電壓的比較情況，利用誤差放大器信號來調(diào)制開關(guān)波形的占空比，從而控制功率管的開關(guān)情況，調(diào)整輸出電壓的大小。根據(jù)電感電流iL在周期開始時是否從零開始，buck變換器的工作模式可分為連續(xù)模式（CCM）和不連續(xù)模式（DCM）。對于連續(xù)模式的buck電路，其輸出信號情況如圖1(b)，在PWM信號的控制下，開關(guān)管發(fā)射極將得到脈沖信號，電感電流均值為I0,將在最大數(shù)值Imax和最小電路Imin之間線性變化，由于濾波器的作用輸出將為均值為U0的的直流信號。

圖1 (a)buck電源結(jié)構(gòu)

圖1 (b)信號波形

2 環(huán)路穩(wěn)定性分析

整個buck電路由濾波器、取樣電路，誤差放大器、脈寬調(diào)制以及開關(guān)功率管構(gòu)成一個負反饋系統(tǒng)，對于這個負反饋系統(tǒng),必須滿足一定的相位裕度，同時環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)速度應(yīng)該遠大于工作頻率以保證反饋控制速度，因此需要保證單位

增益帶寬遠大于工作頻率。系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)反饋框圖

G（s）為電感、負載以及濾波電容組成的濾波器的傳輸函數(shù)，K為反饋系數(shù)，C（s）為誤差放大器傳輸函數(shù)，Vp為脈寬調(diào)制系數(shù)，Vi為輸入信號。因此環(huán)路開環(huán)增益為：

對于一個輸入電壓為20～40V，輸出電壓為5V，輸出電流為2～10A，輸出電壓紋波系數(shù)小于100mV，工作頻率為100kHz的buck電源，開關(guān)功率管截止時間推導(dǎo)如下：如圖1（b），在導(dǎo)通時電感電流：

得到最大最小截止時間分別為：8.5μs 和7.5μs。同時利用上式和電容的紋波系數(shù)情況可以得到電感，電容大小分別為：10.9μH 和50μF，因此濾波器的傳輸函數(shù)為：

假設(shè)誤差放大器傳輸函數(shù)為1，反饋系數(shù)為0.5，脈寬調(diào)制系數(shù)為1/2.4,則得到系統(tǒng)傳輸函數(shù)為：

對系統(tǒng)進行頻率仿真，得到如圖3所示的波形。

圖3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)

系統(tǒng)在100kHz 和900kHz附近存在兩個極點，系統(tǒng)相位裕度約為40°，單位增益帶寬約為300kHz,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)都存在問題。

3 頻率補償系統(tǒng)建模

buck電源芯片的不穩(wěn)定，主要是由于濾波器產(chǎn)生的兩個極點頻率過低引起的，而這兩個極點頻率受設(shè)計要求限制不能按照穩(wěn)定性的要求來進行改變，因此，在設(shè)計中只能通過誤差放大器的傳輸函數(shù)來對整個系統(tǒng)傳輸函數(shù)進行修正，論文提出了一種零極點消除的辦法，通過誤差放大器傳輸函數(shù)的零點來對極點進行一定的抵消如圖4所示。

圖4 頻率補償結(jié)構(gòu)

此電路傳輸函數(shù)為：

則整個buck反饋系統(tǒng)開環(huán)傳輸函數(shù)為：

通過對R1，C1，R2，C2元件參數(shù)進行選定，使得傳輸函數(shù)零極點位置相等，系統(tǒng)頻率相應(yīng)為圖5所示。

經(jīng)過對系統(tǒng)的零極點位置進行處理，開環(huán)單位增益帶寬為3MHz，相位充裕度為80°，完全滿足了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性要求。

圖5

4 結(jié)論

論文通過對buck電源電路進行分析，對電路反饋控制環(huán)路進行研究，采用一種零極點消除方法來提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。通過MATLAB對整個系統(tǒng)進行建模，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)都得到了很大改善。

[1]IEEE.IEEE Standard for a Mixed Signal Test Bus[R].IEEE Document SH94761,28 March 2000; IEEE Std 1149.4-1999.

[2]楊兵,姜巖峰,張東.混合信號集成電路邊界掃描測試技術(shù)的實現(xiàn)[J].電子測試,2010(1).

[3]鞠家欣,姜巖峰,楊兵,張曉波,于韶光.基于Credence Gemini500的內(nèi)嵌式AD轉(zhuǎn)換器測試方法研究[J].電子測試,2010(1).

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[5]姜巖峰,鞠家欣,張曉波,楊兵.基于模擬集成電路BIST的ARMA模塊設(shè)計[J].電子測試,2010(2).

[6]張曉波,姜巖峰,于韶光.一種JTAG IP核的定制方式及其優(yōu)化處理[J].電子測試,2010(2).