開關(guān)電源DCDC變換器產(chǎn)生亞諧波振蕩的原因分析

大家好，今天我們來(lái)學(xué)習(xí)一下斜率補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，斜率補(bǔ)償也被叫做斜坡補(bǔ)償，那為什么會(huì)出現(xiàn)斜率補(bǔ)償以及怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢?今天我們來(lái)一探究竟。

在開關(guān)電源DCDC變換器中，在采用電壓模式控制中，由輸出電壓反饋與電源芯片內(nèi)部鋸齒波載波信號(hào)比較產(chǎn)生PWM波進(jìn)而控制開關(guān)管的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制，這種控制方式并不需要考慮斜坡補(bǔ)償，而在電流模式控制中，控制環(huán)路中存在電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)兩個(gè)反饋環(huán)。其中的電流環(huán)為流過(guò)開關(guān)管的斜坡電流信號(hào)，它經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為斜坡電壓信號(hào)，斜坡電壓信號(hào)和反饋比較電壓一起決定PWM的占空比。

電流型DC/DC轉(zhuǎn)化器的二次斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，該方法使補(bǔ)償?shù)男甭孰S著占空比動(dòng)態(tài)變化，不僅提高了芯片的帶載能力以及消除了占空比>50%時(shí)出現(xiàn)的開環(huán)不穩(wěn)定和亞諧波振蕩和對(duì)噪聲敏感等缺點(diǎn)。同時(shí)也避免了系統(tǒng)的過(guò)補(bǔ)償和帶載能力降低的問(wèn)題。電路基于TSMC的0.35μm BCD工藝設(shè)計(jì)，經(jīng)Cadence仿真驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由于DC/DC變換器中電流模控制較電壓?？刂品椒ㄓ性S多優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應(yīng)用，但恒定頻率下的峰值電流存在問(wèn)題：(1)當(dāng)占空比D>50%時(shí)，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(dāng)電感中的紋波電流成分很小時(shí)，這種情況更嚴(yán)重。但是采用在電流波形上疊加斜坡補(bǔ)償方法，可以在占空比D>50%情況下使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)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(hào)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，其大小可以認(rèn)為是固定不變的;m1是功率上管導(dǎo)通時(shí)，電感電流上升的斜率，-m2是上管關(guān)斷下管導(dǎo)通時(shí)電感電流下降低斜率。實(shí)線三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流，虛線波形為初始時(shí)刻存在△I0擾動(dòng)量后電感電流的變化。

通過(guò)幾何知識(shí)計(jì)算可知，由初始時(shí)刻擾動(dòng)量△I0的下個(gè)周期初始電流擾動(dòng)量△I1為

當(dāng)占空比D<50%時(shí)，電感電流擾動(dòng)量△In會(huì)逐漸趨于0，系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)占空比D>50%時(shí)，電感電流擾動(dòng)量△In會(huì)逐漸放大，此時(shí)會(huì)導(dǎo)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(wú)法正常穩(wěn)定工作。

2 斜坡補(bǔ)償?shù)幕驹?

為使系統(tǒng)在占空比>50%時(shí)也能穩(wěn)定工作，引入了斜率為-m的斜坡補(bǔ)償信號(hào)。斜坡補(bǔ)償技術(shù)有兩種，一種是在誤差信號(hào)IC上疊加一斜坡補(bǔ)償信號(hào)，另一種方法是在采樣的電感電流上斜坡疊加補(bǔ)償信號(hào)，這兩種方式的原理相同。IC是不疊加斜坡與電感電流比較的誤差信號(hào)，mc為疊加大斜坡信號(hào)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(shí)線三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流，虛線波形為初始時(shí)刻存在△In擾動(dòng)量后電感電流的變化。

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(bǔ)償?shù)男甭手辽贋殡姼须娏飨陆敌甭实?0%以上，即m>0.5 m2。

3 二次斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

二次斜坡補(bǔ)償電路主要是產(chǎn)生與占空比的平方項(xiàng)相關(guān)的電路，使輸出電壓值與占空比的大小呈二次相關(guān)。實(shí)際需要設(shè)計(jì)的電路，如圖3所示。

圖3中OSC為窄脈沖信號(hào)，其上升沿到來(lái)后頂端的功率管導(dǎo)通，TG為頂端功率開關(guān)管控制信號(hào)，其為高電平時(shí)，頂端功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。MN5為開關(guān)管，則當(dāng)上管導(dǎo)通時(shí)，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(dāng)下管關(guān)斷后，MN5的柵極變?yōu)楦唠娖?，電容上存?chǔ)的電量變?yōu)?，其電壓也為0。中間虛線I區(qū)部分構(gòu)成一個(gè)電壓緩沖器，輸入對(duì)管MP5和MP9采用P管可以使輸入輸出電壓低至0V。A點(diǎn)電壓跟隨電容電壓的變化。

因此有關(guān)系

設(shè)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(shè)計(jì)中利用了跨導(dǎo)線性環(huán)原理，即在一個(gè)含有偶數(shù)個(gè)正偏發(fā)射結(jié)的閉環(huán)回路中，若順時(shí)針?lè)较蚺帕械慕Y(jié)的數(shù)目與逆時(shí)針?lè)较蚺帕械臄?shù)目相等，則順時(shí)針?lè)较虼蟀l(fā)射極電流密度之積等于逆時(shí)針?lè)较虻陌l(fā)射極電流密度之積?；谶@個(gè)原理設(shè)計(jì)圖3Ⅱ區(qū)所示的跨導(dǎo)線性環(huán)電路，Q1、Q2、Q3、Q4組成了一個(gè)跨導(dǎo)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。

對(duì)于跨導(dǎo)線性環(huán)電路，三極管發(fā)射區(qū)面積匹配要求高。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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(dá)到預(yù)期的效果。

假設(shè)寬長(zhǎng)比MN1：MN4=1：p;MP16：MP17=1：q，則可以得到

式中，除了占空比D以外均為常量，因此可以看出Islope是關(guān)于D的二次函數(shù)，合理設(shè)計(jì)其他值可以得到理想的補(bǔ)償曲線。

3 仿真驗(yàn)證

仿真波形如圖4所示，當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，隨著導(dǎo)通時(shí)間的增長(zhǎng)，即占空比D的增大，Islope電流也逐漸增大;當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，即GE的電壓為零，Islope電流將保持為固定值。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種應(yīng)用于電流型DC/DC轉(zhuǎn)化器的二次斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，該方法使補(bǔ)償?shù)男甭孰S占空比動(dòng)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(shí)出現(xiàn)的開環(huán)不穩(wěn)定和亞諧波振蕩和對(duì)噪聲敏感等缺點(diǎn)，同時(shí)還避免了系統(tǒng)的過(guò)補(bǔ)償和帶載能力降低的問(wèn)題，由仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。