開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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??刂戚^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(kāi)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(kāi)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(xiàn)三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流,虛線(xiàn)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(xiàn)三角波形為未加擾動(dòng)時(shí)電感電流,虛線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性環(huán)電路,Q1、Q2、Q3、Q4組成了一個(gè)跨導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。
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(kāi)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。