屈 凡， 劉國(guó)權(quán)， 張秋建， 秦 力， 秦曉紅， 孫 玲

（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心， 陜西省 西安市 710077）

0 引言

DC-DC轉(zhuǎn)換器具有高效率的突出優(yōu)點(diǎn)[1-2]，已經(jīng)成為目前電源管理的主流方案，在通信、計(jì)算機(jī)、便攜式電子設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。電流采樣不僅應(yīng)用于電壓模DC-DC轉(zhuǎn)換器[3]的過(guò)流保護(hù)電路中，更廣泛地應(yīng)用于電流模DC-DC轉(zhuǎn)換器[4]的電流控制環(huán)路中。然而電流采樣電路[5]在存在較強(qiáng)干擾（例如電源電壓干擾和開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)動(dòng)作所造成的干擾）時(shí)，采樣信號(hào)與電感電流的真實(shí)值偏差較大，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤，致使整個(gè)電路的控制邏輯發(fā)生混亂。

目前針對(duì)采樣干擾問(wèn)題的研究還比較少，文獻(xiàn)[6]提出了通過(guò)采樣保持電路在開(kāi)關(guān)管動(dòng)作瞬間保持前面的狀態(tài)，屏蔽掉采樣信號(hào)的方法，來(lái)消除導(dǎo)通瞬間的毛刺影響。這種方法電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用很普遍，但僅適用于低頻慢速采樣場(chǎng)合，如果芯片高頻工作時(shí)需要在很短時(shí)間采樣時(shí)，這種方法將會(huì)失效。

除了上述方法外，針對(duì)采樣干擾問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]提出了一種Sensorless方法，這個(gè)方法構(gòu)造了一個(gè)可控的系統(tǒng)模型，并利用模型自身的狀態(tài)信息加以控制。其思想是對(duì)電感兩端的電壓進(jìn)行積分，在芯片內(nèi)部“重構(gòu)”出虛擬的電感電流信號(hào)。該文獻(xiàn)中給出了buck、buck-boost、boost轉(zhuǎn)換器的Sensorless控制環(huán)路法則。它們分別如公式（1）、（2）、（3）所示。

這種積分式采樣與傳統(tǒng)的線性采樣不同，是將采樣信號(hào)進(jìn)行積分處理，這樣可以濾除各種干擾，抗干擾能力比較強(qiáng)，但是積分后的信息與真實(shí)采樣信號(hào)的關(guān)系發(fā)生變化，不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此基于線性采樣的環(huán)路控制理論和穩(wěn)定性理論都不再適用，必須研究基于積分式采樣的環(huán)路控制理論和方法，然后結(jié)合新方法進(jìn)行穩(wěn)定性補(bǔ)償、電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。此外，由上述公式可以看出，不同模式下的DC-DC轉(zhuǎn)換器的Sensorless控制法則不同，電路結(jié)構(gòu)也會(huì)不同，因此增加了復(fù)雜性。

目前針對(duì)采樣干擾問(wèn)題的研究還比較少，Sensorless方法具有較好的抑制噪聲的能力，但由于沒(méi)有進(jìn)行真實(shí)采樣，沒(méi)法進(jìn)行實(shí)時(shí)的過(guò)流保護(hù)，電路實(shí)現(xiàn)過(guò)分復(fù)雜。

1 對(duì)消法原理

圖1所示為對(duì)消法[8]采樣原理示意圖。在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，增加一組沒(méi)有輸出的較小輔助開(kāi)關(guān)管MPX和MNX，并保證輔助開(kāi)關(guān)管與工作開(kāi)關(guān)管MP、MN匹配良好（圖中虛線框表示匹配器件），然后對(duì)輔助開(kāi)關(guān)管進(jìn)行相同的采樣。

圖1 對(duì)消法采樣原理圖

圖1 中，MP，MN是主開(kāi)關(guān)管，MP，MN的漏端接到電感，OP是主采樣電路，Is是開(kāi)關(guān)管MP的采樣電流；MPX，MNX是輔助開(kāi)關(guān)管，MP，MN的漏端不接輸出，OPX是輔助采樣電路，Isx是輔助采樣的電流值。R，RX分別是主，輔采樣電路的采樣電阻，當(dāng)采樣電流流過(guò)它們時(shí)，形成采樣電壓Vs，Vsx。由于輔助開(kāi)關(guān)沒(méi)有連接輸出，因此輔助采樣得到采樣電流Isx僅是各種干擾信號(hào)，又因?yàn)榕c主采樣電路的環(huán)境相同，所以采集到的干擾信號(hào)Isx與主 采樣信號(hào)Is中的干擾信號(hào)具有形同的 “形狀”，因此將它通過(guò)合適的加權(quán)與主采樣信號(hào)疊加，就可以從正常采樣信號(hào)中抵消掉干擾分量而得到“干凈”的電感電流采樣信號(hào)Isc，具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 對(duì)消法采樣過(guò)程

圖3 所示電路是實(shí)際的抗干擾電流采樣電路。

圖3 抗干擾采樣電路

為了直接得到對(duì)消后的電流采樣信號(hào)，把主、輔采樣電路輸出端用電阻R3連接起來(lái)，R1、R2分別是主、輔采樣電路的采樣電阻。則流過(guò)R3的電流就是對(duì)消掉干擾的采樣電流Isc。取R1=R2=R3=R。設(shè)原采樣電路的采樣比例為N，即IM/IS=N，其中IM流過(guò)主PMOS開(kāi)關(guān)管Mp的電流，IS是主采樣電路的輸出值。加入電阻R3后，采樣電流Isc與開(kāi)關(guān)管電流IM的比例發(fā)生了變化。Isx是輔采樣電路的輸出值，IMX是流過(guò)輔PMOS開(kāi)關(guān)管Mpx的電流。其中，IM≈IL。Is，Isx分別可以表示為：

主、輔采樣電路的輸出端的電壓Vs、Vsx分別為：

Isc可以表示為：

由式（4）～（8）可以導(dǎo)出Isc與IM、IMX的關(guān)系：

Isc很好地反映了沒(méi)有干擾的電感電流，并且提高了采樣比例。這個(gè)對(duì)消法電流采樣電路可以很好的屏蔽掉開(kāi)關(guān)管寄生電容對(duì)采樣電流的影響，消除電源電壓干擾的影響。

2 仿真結(jié)果

仿真條件：采用3.6V的電源電壓。采樣比例為N=30000，仿真圖中ILscaled為電感電流縮小N倍的值。開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)是周期為300ns的方波。

(1)未加電源擾動(dòng)的仿真結(jié)果

圖4顯示的是未加電源擾動(dòng)時(shí)對(duì)電感電流采樣的仿真結(jié)果，Is是未進(jìn)行干擾對(duì)消的采樣電流，Isc是對(duì)消掉干擾的采樣電流?？梢院苊黠@的看出，對(duì)消掉干擾的采樣電流完全濾除了開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)換瞬間的電流尖峰，并且消除了固定的采樣電流偏差，能很好的反映電感電流在上升階段的變化，采樣精度也比較高。

圖4 未加電源擾動(dòng)時(shí)對(duì)電感電流采樣的仿真結(jié)果

（2）加入電源擾動(dòng)的仿真結(jié)果

給電源加入了一個(gè)擾動(dòng)，讓其由3.6V跳變到4V再跳變回3.6V。

圖5顯示的是加入電源擾動(dòng)后的電流采樣仿真結(jié)果。Is是未進(jìn)行干擾對(duì)消的采樣電流，Isc是對(duì)消了干擾的采樣電流。圖中，由于電源擾動(dòng)的影響，Is在上升過(guò)程中有一跳變，Isc將這個(gè)跳變消除了大約90%，使其對(duì)采樣電流的影響降低了許多，并且濾除了電流偏差?？梢钥闯?，干擾對(duì)消電路具有很好的濾除干擾的能力。

3 總結(jié)

圖5 加入電源擾動(dòng)后的電流采樣仿真結(jié)果

本文針對(duì)集成電流模DC-DC轉(zhuǎn)換器的高速電流采樣抗干擾性差的問(wèn)題，提出了一種解決方案，利用輔助采樣、干擾對(duì)消的方法，來(lái)消除電源擾動(dòng)和開(kāi)關(guān)管寄生效應(yīng)對(duì)采樣電流的影響。從仿真結(jié)果來(lái)看，基于對(duì)消法的抗干擾電流采樣電路能夠很好的消除開(kāi)關(guān)管寄生效應(yīng)的影響，能夠大部分消除電源電壓擾動(dòng)對(duì)采樣電流的影響，在DC-DC高速電流采樣中起到了很好的抗干擾的作用，具有十分重要的意義。

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