CN111262436B - 一种自适应斜坡补偿的Buck变换器 - Google Patents

Abstract

一种自适应斜坡补偿的Buck变换器，第一跨导放大器将反馈电压与基准电压求差，得到原始控制电流；第二跨导放大器将反馈电压与基准电压求差，并通过将差值电流与第二电流源的电流叠加送到第二电容上，通过D触发器的Q输出端输出的信号控制第二开关，形成可变斜率的斜坡电压，再通过第四跨导放大器产生可变斜率的斜坡电流；第三跨导放大器根据第一电压源和地之间的电压差形成包含输出电压信息的电流；电流乘法器将原始控制电流乘以可变斜率的斜坡电流除以带输出电压信息的电流，得到带控制信息的自适应斜坡电流，再利用第一电阻将自适应斜坡电流转化成自适应斜坡电压信号接入第一比较器的正向输入端，比较信号控制驱动模块。

Description

一种自适应斜坡补偿的Buck变换器

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种自适应斜坡补偿的Buck变换器。

背景技术

在传统固定斜坡补偿的恒定导通时间(COT，Constant On-Time)控制的Buck变换器中，如图1所示，将电感电流和采样电阻所产生的电压V_L、EA输出的控制电压V_C以及固定斜坡RAMP进行比较，每当电感电流产生的电压V_L低于到Vc与RAMP之和时，比较器COMP1输出为高，产生一个恒定的导通时间T_on，使电感电流升高；当T_on结束后电感电流降低，又重新回到谷值，进入下个T_on周期，从而控制Buck变换器。

传统的固定斜坡补偿恒定导通时间控制的Buck变化器具有良好的信噪比，能够使芯片在较高噪声环境中工作；并且可以在负载阶跃时快速改变占空比，从而提升瞬态的响应速度；并且轻负载时转换效率高，不需要设计传统的模式切换电路。但是，传统的固定斜坡补偿恒定导通时间控制的Buck变化器存在以下问题：(1)相较于传统的恒定导通时间控制的Buck变化器，由于斜坡的引入，导致在频域下多引入一个极点，从而造成系统在瞬态的响应速度变慢。(2)此外，在电感电流纹波较大时，由于电感电流与采样电阻所产电压的斜率足够大，并不需要过大的斜坡补偿，过大的补偿会导致单位增益带宽减小，影响响应速度。

发明内容

针对上述传统固定斜坡补偿的恒定导通时间控制的Buck变化器存在的瞬态响应速变慢的问题，本发明提出了一种自适应斜坡补偿的Buck变换器，根据Buck变换器的输出电压以及反馈电压调制补偿斜坡，改善了瞬态响应速度。

本发明的技术方案是：

一种自适应斜坡补偿的Buck变换器，包括第一开关管、第二开关管、功率电感、第一反馈电阻、第二反馈电阻、采样电阻、第一比较器、第二比较器、D触发器和驱动模块，

第一开关管的一端连接所述Buck变换器的输入信号，另一端连接第二开关管的一端、功率电感的一端和采样电阻的一端；第二开关管的另一端接地；

第一比较器的负向输入端连接采样电阻的另一端，其输出端连接D触发器的时钟输入端；

功率电感的另一端输出所述Buck变换器的输出信号并通过第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联结构后接地；

D触发器的数据输入端连接电源电压，其复位端连接第二比较器的输出端，其Q输出端输出占空比信号；

所述驱动模块根据所述占空比信号产生第一开关管和第二开关管的控制信号；

所述Buck变换器还包括第一跨导放大器、第二跨导放大器、第三跨导放大器、第四跨导放大器、第一电流源、第二电流源、第一电压源、第二电压源、第一开关、第二开关、第一电容、第二电容、第一电阻和电流乘法器；

其中第一电压源用于提供与所述Buck变换器的输出信号成比例的电压信号，第二电压源用于提供基准电压信号，第一电流源和第二电流源用于提供定值电流信号；

第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联点连接第一跨导放大器的负向输入端和第二跨导放大器的负向输入端，第二电压源连接第一跨导放大器的正向输入端和第二跨导放大器的正向输入端；

第二电容的一端连接第二跨导放大器的输出端、第二电流源和第四跨导放大器的正向输入端，其另一端接地；第四跨导放大器的负向输入端接地；

第二开关接在第二电容两端，其控制端连接D触发器的Q输出端；

第一电容的一端连接第一电流源和第二比较器的正向输入端，其另一端接地；

第一开关接在第一电容两端，其控制端连接D触发器的

输出端；

第三跨导放大器的正向输入端连接第二比较器的负向输入端和第一电压源，其负向输入端接地；

电流乘法器用于将第一跨导放大器的输出电流信号乘以第四跨导放大器的输出电流信号并除以第三跨导放大器的输出电流信号，得到电流乘法器的输出电流信号并通过第一电阻后连接第一比较器的正向输入端。

具体的，所述第一电流源的电流值

其中V_ON为第一电压源的电压值，C_ON为第一电容的容值，T_ON为所述Buck变换器的导通时间；

所述第二电流源的电流值

其中V_OUT为所述Buck变换器的输出电压值，R_i为采样电阻的阻值，L为功率电感的电感值，C_RAMP为第二电容的容值，G_R为第四跨导放大器的跨导值，R_C为第一电阻的阻值。

本发明的有益效果为：本发明提出自适应斜坡补偿的方式，补偿斜坡由Buck变换器的输出电压以及反馈电压进行调制，输出电压的调制方式使得斜坡在不同输出条件下补偿的斜坡斜率不同，有效提升较大输出电压时的瞬态响应，有效的提高了响应速度；反馈电压的调制方式使得斜坡在瞬态变化时斜率不同，有效改善瞬态响应；本发明解决了传统固定斜坡补偿恒定导通时间控制的Buck变换器的无法快速瞬态响应的问题。

附图说明

图1为传统固定斜坡补偿的恒定导通时间控制的Buck变换器电路示意图。

图2为本发明提出的一种自适应斜坡补偿的Buck变换器电路示意图。

图3为本发明提出的一种自适应斜坡补偿的Buck变换器的斜坡大小与抗噪声能力的对比图。

图4为本发明提出的一种自适应斜坡补偿的Buck变换器负载电流上阶跃的瞬态响应对比示意图。

图5为本发明提出的一种自适应斜坡补偿的Buck变换器负载电流下阶跃的瞬态响应对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明提出一种自适应斜坡补偿的Buck变换器，如图2所示，包括第一开关管M₁、第二开关管M₂、功率电感L、第一反馈电阻R_FB1、第二反馈电阻R_FB2、采样电阻R_i、第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、D触发器DFF、驱动模块Driver、第一跨导放大器G_EA、第二跨导放大器G_m1、第三跨导放大器G_m2、第四跨导放大器G_R、第一电流源I_ON、第二电流源I_RAMP、第一电压源V_ON、第二电压源V_REF、第一开关S_ON、第二开关S_RAMP、第一电容C_ON、第二电容C_RAMP、第一电阻R_C和电流乘法器M；R_L是Buck变换器的负载电阻，C_O是Buck变换器的输出电容、R_CO是电容C_O的ESR电阻(等效串联电阻)。

其中第一电压源V_ON用于提供与Buck变换器的输出信号V_OUT成比例的电压信号，如第一电压源V_ON的电压值为Buck变换器的输出信号V_OUT的一半或其他比例。第二电压源V_REF用于提供基准电压信号，是一个固定值。第一电流源I_ON和第二电流源I_RAMP用于提供定值电流信号，第一电流源I_ON和第二电流源I_RAMP的电流值根据基准电压确定，也是一个固定值。其中第一电流源I_ON的电流值是通过Buck变换器的输入电压V_IN、输出电压V_OUT以及开关频率F_SW共同决定：

V_ON为第一电压源的电压值，C_ON为第一电容的容值，T_ON为Buck变换器的导通时间，其表达式如下：

第二电流源I_RAMP所产生的等效斜坡电压不应该超过原来下降斜率的一半，即第二电流源I_RAMP的电流值应满足：

其中V_OUT为Buck变换器的输出电压值，R_i为采样电阻的阻值，L为功率电感的电感值，C_RAMP为第二电容的容值，G_R为第四跨导放大器的跨导值，R_C为第一电阻的阻值。

如图2所示，第一开关管M₁的一端连接Buck变换器的输入信号V_IN，另一端连接第二开关管M₂的一端、功率电感L的一端和采样电阻R_i的一端；第二开关管M₂的另一端接地；第一比较器COMP1的负向输入端连接采样电阻R_i的另一端，其输出端连接D触发器DFF的时钟输入端Clk；功率电感L的另一端输出Buck变换器的输出信号V_OUT并通过第一反馈电阻R_FB1和第二反馈电阻R_FB2的串联结构后接地；D触发器DFF的数据输入端D连接电源电压，其复位端Reset连接第二比较器COMP2的输出端，其Q输出端输出占空比信号；驱动模块Driver根据占空比信号产生第一开关管和第二开关管的控制信号；图1中，第一开关管M₁和第二开关管M₂为NMOS管，第一开关管M₁和第二开关管M₂的栅极连接驱动模块Driver输出的控制信号，第一开关管M₁的漏极连接Buck变换器的输入信号V_IN，其源极连接第二开关管M₂的漏极，第二开关管M₂的源极接地。

第一反馈电阻R_FB1和第二反馈电阻R_FB2的串联结构将Buck变换器的输出信号V_OUT进行分压，分压后的信号通过第一反馈电阻R_FB1和第二反馈电阻R_FB2的串联点连接第一跨导放大器G_EA的负向输入端和第二跨导放大器G_m1的负向输入端，第二电压源V_REF连接第一跨导放大器G_EA的正向输入端和第二跨导放大器G_m1的正向输入端；第二电容C_RAMP的一端连接第二跨导放大器G_m1的输出端、第二电流源I_RAMP和第四跨导放大器G_R的正向输入端，其另一端接地；第四跨导放大器G_R的负向输入端接地；第二开关S_RAMP接在第二电容C_RAMP两端，其控制端连接D触发器DFF的Q输出端；第一电容C_ON的一端连接第一电流源I_ON和第二比较器COMP2的正向输入端，其另一端接地；S_ON第一开关接在第一电容C_ON两端，其控制端连接D触发器的

输出端；第三跨导放大器G_m2的正向输入端连接第二比较器COMP2的负向输入端和第一电压源V_ON，其负向输入端接地；电流乘法器M用于将第一跨导放大器G_EA的输出电流信号乘以第四跨导放大器G_R的输出电流信号并除以第三跨导放大器G_m2的输出电流信号，得到电流乘法器M的输出电流信号I_MC并通过第一电阻R_C后连接第一比较器COMP1的正向输入端。

本发明的工作过程和工作原理如下：

第一分压电阻R_FB1和第二分压电阻R_FB2对输出电压V_OUT进行分压得到反馈电压V_FB，第一跨导放大器G_EA将反馈电压V_FB与第二电压源提供的基准电压V_REF求差，经过误差放大和跨导放大后产生原始控制电流I_C。

第二跨导放大器G_m1将反馈电压V_FB与第二电压源提供的基准电压V_REF求差，并通过将差值电流与第二电流源I_RAMP提供的电流叠加送到第二电容C_RAMP上，通过D触发器DFF的Q输出端输出的信号控制第二开关S_RAMP，形成可变斜率的斜坡电压；再通过第四跨导放大器G_R产生可变斜率的斜坡电流I_R。本发明通过将反馈电压与基准电压求差的电流与固定电流相加，得到斜率可变的斜坡电流。

第三跨导放大器G_m2根据第一电压源V_ON和地之间的电压差形成包含输出电压V_OUT信息的电流I_VON。本发明通过将与输出电压成比例的电压信号和地电压做差得到包含输出信息的电流。

电流乘法器M将原始控制电流I_C乘以可变斜率的斜坡电流I_R除以带输出电压信息的电流I_VON，运算得到带控制信息的自适应斜坡电流I_MC。再利用第一电阻R_C将自适应斜坡电流I_MC转化成电压信号V_MC接入第一比较器COMP1的正向输入端。第一比较器COMP1根据电压信号V_MC和采样电阻R_i转化的电压信号V_L产生D触发器DFF的时钟信号，用于控制驱动模块Driver。

如图2所示，在系统稳定输出时，由于不同应用条件下，设定的第一分压电阻R_FB1与第二分压电阻R_FB2的比例不同，在第一分压电阻R_FB1上的电压V_FB1不同。由于斜坡会给系统带来额外的极点，其表达式如下：

其中，Fsw为系统的开关频率，S_e为等效产生的斜坡电压斜率，S_f为采样电压的下降斜率。后两者的表达式分别为：

其中I_gm1为第二跨导放大器G_m1的输出电流，C为第二电容C_RAMP的容值，I_RAMP为第二电流源的电流值，G_R为第四跨导放大器的跨导值，I_C为第一跨导放大器的输出电流，R_C为第一电阻的阻值，I_gm2为第三跨导放大器G_m2的输出电流值，R_i为采样电阻的阻值，V_O为输出电压值，L为功率电感的电感值。

所以在低输出情况下，采样电压的下降斜率S_f过于偏小，如图3所示，容易受到噪声影响，此时由于输出电压V_o较小，V_FB1也较小，第三跨导放大器Gm2的输出电流I_gm2值小，通过的第二电容C_RAMP产生的斜坡电压斜率S_e增大从而提高系统抗噪声能力。当输出电压大的时候，第一电压源V_ON的电压值较大，采样电压的下降斜率S_f较大，这样采样电压与控制电压V_C的夹角大，不易受到噪声影响，而且V_ON较大也让第三跨导放大器Gm2的输出电流I_gm2值大，通过电流乘法器产生的斜坡电流的斜率变低，使得等效产生的斜坡电压斜率S_e减小，采样电压的下降斜率S_f较大，促成由于斜坡产生的极点增大，提高系统的带宽，提高响应速度。由于系统是稳定输出，第二反馈电阻R_FB2上的电压V_FB2不会发生变化，其值约等于第二电压源V_REF提供的基准电压，第二跨导放大器G_m1没有输出，此时I_gm1的值为0，不影响系统。

在相同输出环境下，系统进行负载阶跃，第二反馈电阻R_FB2上的电压V_FB2发生改变，第二跨导放大器G_m1的输出电流I_gm1发生变化。当系统负载进行上阶跃时，如图4所示，V_FB2迅速减小，I_gm1变为给第二电容C_RAMP充电，快速提高斜坡电压斜率，使得输入给电流乘法器M的电流斜率迅速升高，从而将等效产生的斜坡电压斜率S_e提高，使得第一比较器COMP1能够提前发出信号，减少第二开关管M2导通时间，因此快速提高占空比，减缓输出电压V_OUT的下冲幅度。

当系统负载进行下阶跃时，如图5所示，V_FB2迅速增大，I_gm1变为给第二电容C_RAMP抽电，快速降低斜坡电压斜率，使得输入给电流乘法器的电流斜率减小，从而减小等效产生的斜坡电压斜率S_e，延缓第一比较器COMP1发出信号，增大第二开关管M2的导通时间，迅速减小占空比，从而减缓输出电压V_OUT的上冲幅度。

根据上面所述的上阶跃和下阶跃两种情况，在系统稳定后，V_FB2和V_REF电压基本相同，I_gm1的值变为0，不影响系统稳态。在进行上下阶跃时，V_ON也会和V_FB2一样进行变小和变大，I_gm2也会变大和变小，在乘法器中作用和I_gm1作用等效，但是G_m2远小于G_m1，所以I_gm2产生的变化可以基本忽略不计。

因此本发明提出的自适应斜坡补偿的恒定导通时间控制的Buck变换器，根据输出电压V_OUT以及第一反馈电阻和第二反馈电阻串联点输出的反馈电压V_FB调制补偿斜坡，第三跨导放大器G_m2根据第一电压源V_ON和地之间的电压差形成包含输出电压V_OUT信息的电流I_VON，实现输出电压的调制，使得斜坡在不同输出条件下补偿的斜坡斜率不同，有效提升较大输出电压时的瞬态响应，有效的提高了响应速度；第二跨导放大器G_m1将反馈电压V_FB与第二电压源提供的基准电压V_REF求差，并通过将差值电流与第二电流源I_RAMP提供的电流叠加送到第二电容C_RAMP上，通过D触发器DFF的Q输出端输出的信号控制第二开关S_RAMP，形成可变斜率的斜坡电压，再通过第四跨导放大器G_R产生可变斜率的斜坡电流I_R，实现了反馈电压调制，使得斜坡在瞬态变化时斜率不同，有效改善瞬态响应。本发明解决了传统固定斜坡补偿恒定导通时间控制的Buck变换器的无法快速瞬态响应的问题，能有效降低过冲电压，降低恢复时间，提升环路稳定性。。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种自适应斜坡补偿的Buck变换器，包括第一开关管、第二开关管、功率电感、第一反馈电阻、第二反馈电阻、采样电阻、第一比较器、第二比较器、D触发器和驱动模块，

第一开关管的一端连接所述Buck变换器的输入信号，另一端连接第二开关管的一端、功率电感的一端和采样电阻的一端；第二开关管的另一端接地；

第一比较器的负向输入端连接采样电阻的另一端，其输出端连接D触发器的时钟输入端；

功率电感的另一端输出所述Buck变换器的输出信号并通过第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联结构后接地；

D触发器的数据输入端连接电源电压，其复位端连接第二比较器的输出端，其Q输出端输出占空比信号；

所述驱动模块根据所述占空比信号产生第一开关管和第二开关管的控制信号；

其特征在于，所述Buck变换器还包括第一跨导放大器、第二跨导放大器、第三跨导放大器、第四跨导放大器、第一电流源、第二电流源、第一电压源、第二电压源、第一开关、第二开关、第一电容、第二电容、第一电阻和电流乘法器；

其中第一电压源用于提供与所述Buck变换器的输出信号成比例的电压信号，第二电压源用于提供基准电压信号，第一电流源和第二电流源用于提供定值电流信号；

第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联点连接第一跨导放大器的负向输入端和第二跨导放大器的负向输入端，第二电压源连接第一跨导放大器的正向输入端和第二跨导放大器的正向输入端；

第二电容的一端连接第二跨导放大器的输出端、第二电流源和第四跨导放大器的正向输入端，其另一端接地；第四跨导放大器的负向输入端接地；

第二开关接在第二电容两端，其控制端连接D触发器的Q输出端；

第一电容的一端连接第一电流源和第二比较器的正向输入端，其另一端接地；

第一开关接在第一电容两端，其控制端连接D触发器的

输出端；

第三跨导放大器的正向输入端连接第二比较器的负向输入端和第一电压源，其负向输入端接地；

电流乘法器用于将第一跨导放大器的输出电流信号乘以第四跨导放大器的输出电流信号并除以第三跨导放大器的输出电流信号，得到电流乘法器的输出电流信号并通过第一电阻后连接第一比较器的正向输入端。

2.根据权利要求1所述的自适应斜坡补偿的Buck变换器，其特征在于，所述第一电流源的电流值

其中V_ON为第一电压源的电压值，C_ON为第一电容的容值，T_ON为所述Buck变换器的导通时间；

所述第二电流源的电流值

其中V_OUT为所述Buck变换器的输出电压值，R_i为采样电阻的阻值，L为功率电感的电感值，C_RAMP为第二电容的容值，G_R为第四跨导放大器的跨导值，R_C为第一电阻的阻值。

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