管勁舟，李紀磊

(西安電子科技大學 電路CAD 研究所，陜西 西安 710071)

由于DC/DC 變換器中電流?？刂戚^電壓模控制方法有許多優(yōu)點，所以得到了廣泛應用［1］，但恒定頻率下的峰值電流存在問題:(1)當占空比D ＞50%時，系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定。(2)由于采樣的是峰值電感電流而非平均電流的原因而產(chǎn)生系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定。(3)次斜坡振蕩。(4)抗干擾能力差，當電感中的紋波電流成分很小時，這種情況更嚴重。但是采用在電流波形上疊加斜坡補償方法，可以在占空比D ＞50%情況下使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時也使性能得到大幅改善。

1 產(chǎn)生亞諧波振蕩的原因

如圖1 所示，IC是與電感電流相比較的誤差信號，當系統(tǒng)穩(wěn)定時，其大小可以認為是固定不變的;m1是功率上管導通時，電感電流上升的斜率，－m2是上管關斷下管導通時電感電流下降低斜率。實線三角波形為未加擾動時電感電流，虛線波形為初始時刻存在ΔI0擾動量后電感電流的變化。

圖1 電流環(huán)電感電流擾動波形

通過幾何知識計算可知，由初始時刻擾動量ΔI0的下個周期初始電流擾動量ΔI1為

則經(jīng)過n 個周期時間后，ΔI0引起的電流擾動變化量ΔIn為

已知

所以

當占空比D ＜50%時，電感電流擾動量ΔIn會逐漸趨于0，系統(tǒng)穩(wěn)定。當占空比D ＞50%時，電感電流擾動量ΔIn會逐漸放大，此時會導致電感電流峰峰值逐漸增大，出現(xiàn)亞諧波振蕩現(xiàn)象，使系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定工作。

2 斜坡補償?shù)幕驹?/h2>

為使系統(tǒng)在占空比＞50%時也能穩(wěn)定工作，引入了斜率為－m 的斜坡補償信號。斜坡補償技術有兩種，一種是在誤差信號IC上疊加一斜坡補償信號，另一種方法是在采樣的電感電流上斜坡疊加補償信號，這兩種方式的原理相同［2］。IC是不疊加斜坡與電感電流比較的誤差信號，mc為疊加大斜坡信號的斜率，m1為電感電流上升的斜率，－m2為電感電流下降低斜率。實線三角波形為未加擾動時電感電流，虛線波形為初始時刻存在ΔI0擾動量后電感電流的變化。

圖2 加入斜波補償后的電感電流波形(D ＞50 ℅)

同樣通過幾何計算可知，由初始時刻擾動量ΔI0的下一個周期初始的電流擾動量

則經(jīng)過n 個周期時間后，ΔI0引起的電流擾動變化量ΔIn為

在占空比從0 ～1 的范圍內(nèi)，電流環(huán)穩(wěn)定的條件是

在占空比從0 ～1 的范圍內(nèi)，電流環(huán)穩(wěn)定的條件是

結合式(9)，疊加斜坡補償后保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是

即要保證系統(tǒng)在不同占空比下始終穩(wěn)定，則需要使斜坡補償?shù)男甭手辽贋殡姼须娏飨陆敌甭实?0%以上，即

3 二次斜坡補償電路設計

二次斜坡補償電路主要是產(chǎn)生與占空比的平方項相關的電路，使輸出電壓值與占空比的大小呈二次相關。實際需要設計的電路，如圖3 所示。

圖3 帶動態(tài)箝位的二次斜坡補償電路

圖3 中OSC 為窄脈沖信號，其上升沿到來后頂端的功率管導通，TG 為頂端功率開關管控制信號，其為高電平時，頂端功率管處于導通狀態(tài)。MN5為開關管，則當上管導通時，MN5的柵極為低電平，IREF2 給電容C1充電，電容的電壓直線上升，當下管關斷后，MN5的柵極變?yōu)楦唠娖?，電容上存儲的電量變?yōu)?，其電壓也為0。中間虛線Ⅰ區(qū)部分構成一個電壓緩沖器，輸入對管MP8和MP9采用P 管可以使輸入輸出電壓低至0 V。A 點電壓跟隨電容電壓的變化。

因此有關系

設MP14和MP15為1∶n 的鏡像，MN1和MN3為1∶m的鏡像則有

圖3 中Ⅱ區(qū)為生成二次電路的核心模塊，設計中利用了跨導線性環(huán)原理，即在一個含有偶數(shù)個正偏發(fā)射結的閉環(huán)回路中，若順時針方向排列的結的數(shù)目與逆時針方向排列的數(shù)目相等，則順時針方向大發(fā)射極電流密度之積等于逆時針方向的發(fā)射極電流密度之積［5］?；谶@個原理設計圖3Ⅱ區(qū)所示的跨導線性環(huán)電路，Q1、Q2、Q3、Q4組成了一個跨導線性環(huán)電路，且其發(fā)射區(qū)面積相等，則其環(huán)路方程為

忽略晶體管的基極電流的影響，可得

從而得到

對于跨導線性環(huán)電路，三極管發(fā)射區(qū)面積匹配要求高。在設計時，設計發(fā)射極面積之比以及合理的版圖布局，可以提高電路的性能，達到預期的效果［6－7］。

假設寬長比MN1:MN4=1∶p;MP16:MP17=1∶q，則可以得到

可得

式中，除了占空比D 以外均為常量，因此可以看出Islope是關于D 的二次函數(shù)，合理設計其他值可以得到理想的補償曲線［8－10］。

3 仿真驗證

仿真波形如圖4 所示，當功率管導通時，隨著導通時間的增長，即占空比D 的增大，Islope電流也逐漸增大;當功率管關斷時，即GE 的電壓為零，Islope電流將保持為固定值。

圖4 輸出斜坡電流隨占空比的變化波形

4 結束語

提出了一種應用于電流型DC/DC 轉(zhuǎn)化器的二次斜坡補償電路的設計，該方法使補償?shù)男甭孰S占空比動態(tài)變化，不僅提高了芯片的帶載能力，也消除了占空比＞50%時出現(xiàn)的開環(huán)不穩(wěn)定和亞諧波振蕩和對噪聲敏感等缺點，同時還避免了系統(tǒng)的過補償和帶載能力降低的問題，由仿真結果表明，系統(tǒng)滿足設計要求。

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