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升压型DC-DC变换器电流环路补偿设计摘要：针对固定频率峰值电流模式PWM升压型DC-DC变换器。
给出了一种结构简单、易于集成的电流环路补偿电路的设计方法。
该电路的斜坡产生电路可对片内振荡器充放电电容上的电压作V／I转换，其所得到的斜坡电流具有稳定、斜率易于调节等特点；而电流采样电路主体采用SENSEFET结合优化的缓冲级和V／I转换电路，从而在提高采样精度的同时，还减小了损耗。
整个电路可采用0．6 μm 15 V BCD工艺实现。
通过Cadence Spectre进行的仿真结果表明，该电路可有效地抑制亚谐波振荡，采样精度达到77．9％，补偿斜率精度达到81．5％。
关键词：斜坡补偿；电流采样；电流模式；V／I转换O 引言固定频率峰值电流模式PWM(Pulse WidthModulation) DC-DC变换器同传统的电压模式控制相比，具有瞬态响应好，输出精度高，带载能力强等优点，因而被广泛应用。
作为重要的模拟单元，斜坡补偿电路和电流采样电路是电流模式PWM控制的根基，对电流模式控制中电流环路的稳定性起着重要作用。
1 电路结构图1所示是典型峰值电流模式PWM Boost DC-DC控制系统的结构框图。
当电压外环的电压反馈信号经过误差放大器放大得到的误差信号VE送至PWM比较器后，将与电流内环的一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的三角波或梯形尖角状合成波信号VE比较，从而得到PWM脉冲关断阈值。
即：在(1)式中：第一项为斜坡补偿部分，用于保证电流环路的稳定；第二项反映了电感电流的大小，通常由电流采样电路产生；第三项用于产生一个固定的基础电平，以为PWM比较器输入端图1 典型峰值电流模式PWMBoostDC—DC控制系统框图提供一个合适的直流工作点。
因此，峰值电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是通过控制峰值输出端的电感电流大小，然后来间接地控制PWM脉冲宽度。
但是，电流模式的结构决定了其应用时存在电流内环在占空比大于50％时的开环不稳定现象、亚谐波振荡、非理想的环路响应，以及容易受噪声影响等几个固有缺点。
文章编号:100423365(2005)0420420204升压型DC2DC转换器中的动态斜坡补偿电路设计来新泉,周丽霞,陈富吉(西安电子科技大学CAD研究所,陕西西安 710071)摘 要: 文章给出了一种用于升压型DC2DC转换器的动态斜坡补偿电路。
该设计引入了输入、输出电压反馈控制电路,利用工作于线性区的MOS管压控电阻特性,实现了动态、优化的斜坡补偿。
与传统的设计相比,引入的斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响有效减小,并给出了仿真结果。
关键词: DC2DC转换器;斜坡补偿;反馈控制;压控电阻中图分类号: TN432 文献标识码:ADesign of a Dynamic Slope Compensation Circuit for Boost DC2DC ConverterL A I Xin2quan,ZHOU Li2xia,C H EN Fu2ji(I nstit ute of Elect ronic CA D,X i dian Uni versit y,X i’an,S haanx i710071,P1R1China)Abstract: A dynamic slope compensation circuit for boost DC2DC converter is presented in this paper1With the utilization of the voltage controlled resistor characteristics of MOS transistor and the introduction of a feedback cir2 cuit controlled by input and output voltages,a dynamic and optimal slope compensation circuit is realized1Compared with the traditional design,negative effects on the system’s output current capability and transient response are ef2 fectively reduced1Finally,the simulation results are provided1K ey w ords: DC2DC converter;Slope compensation;Feedback control;Voltage controlled resistorEEACC: 2570D1 引 言电流模脉宽调制(PWM)开关电源由于其优越的电源电压和负载调整特性,得到越来越广泛的应用。
第30卷 第2期2007年4月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30 No.2Ap r.2007Slope Compensat ion Cir cuit B a sed on Pea k Cur r ent Mode DC 2DC Conver terZ H A N G H on g 2yu ,X I A Xi ao 2j uan(S chool of I nt egr at ed Ci rcuit ,S out heast Univers it y ,N anj i ng 210096,Chi na)Abstract :In t he design of current 2mode PWM DC 2DC converter s ,t he slope co mpensation met hod i s widely used to prevent sub 2harmonic oscil lation.A slope compensation ci rcuit is presented and t hi s ci rcuit is based on pea k cur re nt mode DC 2DC convert er.This ci rcui t i s st able and can easily be a dded wit hout loadi ng down t he PWM clock ramp.Thi s slope compensat ion ci rcui t i s sim ulated by st andard 0.6μm ,CMOS proce ss.K ey w or ds :Peak current mode ;Slope co mpensation ;DC 2DC co nverte r ;Sub 2harmonic o scillation EEACC :8110D;2570一种基于峰值电流模DC 2DC 转换器的斜坡补偿电路张洪俞,夏晓娟(东南大学集成电路学院,南京210096)收稿日期6225作者简介张洪俞(82),男,攻读硕士学位,研究方向为模拟集成电路的设计与研究,x xj @摘 要:设计电流模脉冲宽度调制直流转换器时,人们广泛采用斜坡补偿电路来消除谐波振荡.提出了一种基于峰值电流模直流电压转换器的斜坡补偿电路,在不影响PWM 时钟斜率的情况下,该斜坡补偿具有稳定、易于叠加的特点.该电路采用0.6μm 线宽的标准CMOS 工艺仿真.关键词:峰值电流模;斜坡补偿;直流转换器;谐波振荡中图分类号:TN 43;TP331.1 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)022******* 随着电子技术的飞速发展,电源技术也得到了很大的发展,它从过去不太复杂的电子电路变为今日具有较强功能的功能模块.目前,电源管理集成电路市场大部分被国外产品占据,研究开发国内的电源管理电路产品,能夺回巨大的市场[123].DC 2DC CONV ER TER 是电源管理器中一个非常大的组成部分,而采用峰值电流模控制方法的直流电压转换器是这类产品的主流,它具有瞬态响应快、稳定范围广、易于补偿等优点[426].峰值电流模控制模式的一项关键技术就是斜坡补偿.它能有效去除直流转换器在使用过程中占空比大于50%时产生的谐波振荡,对整个系统的稳定性有着至关重要的作用.设计电流模脉冲宽度调制直流转换器时,通常需要采用斜坡补偿电路来消除谐波振荡.本文设计的斜坡信号产生电路是直接在系统振荡器的基础上通过增加少量电路而得到的,充分利用了系统的资源,实现了一个高稳定性、容易叠加的斜坡信号产生电路[728].1 斜坡信号产生电路设计该斜坡产生电路和振荡器融合在一起,所以在本文中,把振荡器和斜坡产生电路放在一起描述.电路中用到两个参考电压和一个能够产生零温度系数电流的偏置电压,由于峰值电流模DC 2DC CON 2V ER TER 系统中都会存在这样的电路,为了重点介绍斜坡补偿信号产生电路,本文对这两个电路不再进行叙述,而只是作为系统资源直接利用.图1中,振荡器由P 1、P 2、P 3、P 4、P 5、P 6、P 7、N 1、N 2、N 3、N 4、N 5、C 1、C 2、i nv 1、inv 2还有一个R S 触发器组成,核心电路斜坡信号产生部分由P 8、P 9、P 10、P 11、P 12、N 6、R 1、R 2组成.刚上电瞬间,由于电容上的电压不能突变,电容C 1两端的电压为零,比较器P 6的gate 端为高电压,从而使得RS 触发器的R 端为,另一方面,上电瞬8:200092:190ia seu.ed u.c n1图1 OSC &SL OP SI G NAL 模块电路间电容C 2两端电压也为零,经过两级倒相,使得R S 触发器的S 端为0,这样RS 触发器输出端就为0,经过inv 2倒相,osc 为1(即振荡器输出为1),P 4管中的电流对电容C 2进行充电,C 2上的电压线性上升.osc 为1导致N 1管开启,C 1上电荷迅速泄放,使得P 6gate 端变为0,使得R 为0,这个时候R S 触发器为保持状态.该状态会一直维持到C 2的上升电压使得N 5管导通.由此可以看出,osc 信号高电平的维持时间由P 4对C 2充电这条支路决定.当N 5导通后,RS 触发器的S 端为1,此时R 端仍然为0,R S 触发器输出为1,经过倒相器inv 2,使得o sc 为0,N 1管截止,P 1管中电流对电容C 1进行充电,P 6管gat e 端电压线性上升,此时RS 触发器R 端和S 端均为0,处于保持状态,该状态会一直维持到P 6的gat e 端电压达到V ref 1时比较器输出翻转为止.由此可以看出,o sc 信号低电平的维持时间由P 1对C 1充电这条支路决定.该电路中,除了C 1和C 2这两条支路外,其他电路的延迟时间极短,所以该振荡器的占空比就等于这两个支路的充电时间的比.这对设计特定频率和占空比的振荡器非常方便,在普通的环振电路中,调节占空比时,频率会发生变化,而在调节频率时,占空比又会变化,很难调节.而对于这个振荡器电路,我们可以根据频率和占空比算出充电时间T on 和放电时间T off ,然后对C 1和C 2这两条支路分别进行调节,非常方便.一般的峰值电流模直流转换器中,osc 信号是作为一个复位信号使用,占空比为10%.结合电路不难看出,P 6管的gat e 端信号为一个幅度固定为V ref 1的三角波信号,我们定义为V ramp .这个信号非常有用,本文正是利用这个信号来产生同步的斜坡补偿信号的.P 8、P 9、P 10构成源跟随电路,使得P 9管的源极电压为V ramp +V gsp9.为了更方便的描述,我们将图1中的部分电路单独画出来进行讨论.假设图这条支路的电流为I ,那么从信号V +V 到V f ,我们可以得到如下等式V +V I R =V +V f ()图2 斜坡信号产生电路则有:I s =V ramp -V ref 2+V gsp 9-V gsp 11R 1(2)当设置支路电流,使得P 9管和P 11管的电流变化不太大,而且P 9和P 11管的宽长比都比较大的时候,V gsp 9≈V gsp 11.那么就有:I s =V ramp -V ref 2R 1(3)那么就有:V slope =I s R 2=(V ramp -V ref 2R 1)R 2(4)我们知道,V ramp 为一个具有固定幅度的三角波信号,由式(4)可以看出,V slope 也具有三角波的性质,其斜率为V ramp 斜率的R 2/R 1倍,调节R 2和R 1的大小比例,就可以得到我们所需要的斜率了.从式(4)可以看出,只有当V ramp >V ref 2时,V slope 才开始产生我们所需要的斜率信号.而电流模DC 2DC CONV ERT 2ER 的系统要求占空比大于50%时,斜坡补偿信号是从复位信号开始时就以一定的斜率进行补偿.P 12和N 6管就是为了满足上面的要求而采用的电路.当复位信号开始后,P 12管就以一恒定电流对电阻R 2进行充电,使得R 2上的电压降抵消式(4)中的常数项,从而使得V slope 信号的补偿效果满足系统的要求.具体示意图如图3.图3 N 6和P 12管电路的作用示意图由图3可以看出,经过抵消常数项的处理电路后,V slope 的补偿效果,等效于从原点开始就进行补偿,满足系统的要求.另外该斜坡补偿还有易于叠加的特点,只需要把需要叠加的电流信号直接注入到P 11管的漏端,那么V slope 信号就是该电流信号和斜坡补偿信号叠加后的信号. 模拟仿真结果我们采用S TR 对图进行了仿真,其中取V f =3V ,V f =5V ,R =Ω,R =8Ω215电 子 器 件第30卷82s ramp gsp9re 2:ram p gsp 9-s 1gsp 11re 212P EC E 1re 11.r e 20.140k 2k .由图4可以看出,V ramp 三角波的信号的最大幅度为1.3V.图5和图6对比,发现其斜率都为93K ,而且图6中波形起始的台阶电压为100mV 左右(常数项),和理论计算的常数项为R 2R 1V ref 2=100mV 非常吻合.图4 osc 以及V ramp 信号波形图5 V slo pe 波形(没有抵消常数相时)图6 V s lo pe 波形(抵消常数相后)3 结束语本文设计了一种结构简单、稳定性好、易于叠加的斜坡补偿信号发生电路.并通过SP EC TR E 进行了电路仿真.仿真结果显示,该斜坡补偿电路符合峰值电流模直流转换器的系统要求.具有很好的实用价值.参考文献:[1] Philli p E.All en Do ugl as R.CMOS Analo g Cicrcuit Design[M].Hol berg.[2] Behzad Razavi Des i gn of Analog CMOS Int egrat ed Ci rcuit s[M].[3] K est er W and Eris man B ,Swit chi ng Regul at ors [C ]//AnalogDevices Techni cal Li brary on Po wer Management ,1999.[4] Di xon L H ,C l osing t he Feedback Loop [R ].App endi x C ,Uni t ro de Power Supply Design Seminar ,1983,2C122C18,.[5] Dei s ch Cecil W.Simple Switchin g Cont rol Met ho d C han gesPower Converter i nt o a Current So urce[C ]//IEEE Power E 2lect ronicsS p eciali st sConference ,1978Record :3002306(IEEE Publicat ion 78C H133725A ES).[6] Holland B.Mo deli ng ,Anal ys i s and Compensatio n of t he Cur 2rent 2Mode C o nvert er[C ]//Proceedi ngs of Powerco n1984,11:122.[7] Hs u Shi 2Ping ,Brown Art ,Rensin k Lo m an and MiddlebrookR D.Modeli ng and Anal ysis of Swi tching DC 2to 2DC i n Con 2st ant 2Frequency Current 2Programmed Mode[C ]//IEEE Pow 2er El ect ronics Speci ali st s C o nference 1979Reco rd :2842301(IEEE Publicat ion 79C H146123A ES ).[8] Middlebrook R D ,Topics i n Mult ipl e 2Loop Regul at or s andCurrent Mode Programmin g [C ]//IEEE Power El ect ro nics S p eciali st s C o nference ,1985Reco rd.315第2期张洪俞,夏晓娟:一种基于峰值电流模DC 2DC 转换器的斜坡补偿电路8。
一种用于DC-DC变换器的带斜坡补偿电路的振荡器设计的开题报告1. 研究目的及意义DC-DC变换器广泛应用于电子设备中，如手机充电器、笔记本电脑等。
为了实现高效率、低成本和高可靠性，需要设计稳定的输出电压。
而周期性稳定的振荡器则是DC-DC变换器的核心。
因此，在DC-DC变换器的设计中，如何设计稳定的振荡器是非常重要和关键的。
本研究旨在设计一种带斜坡补偿电路的振荡器，以实现高效率、低成本和高可靠性的DC-DC变换器设计。
斜坡补偿电路可以有效地抑制振荡器的不稳定性，改善输出电压精度，提高DC-DC变换器的性能。
2. 研究内容及方法本研究的内容主要包括以下几个方面：（1）设计带斜坡补偿电路的振荡器。
通过仿真和实验，调整电路参数，优化振荡器的稳定性和输出电压精度。
（2）分析振荡器的工作原理。
研究振荡器的各种参数对其性能的影响和作用。
（3）比较不同类型的振荡器的性能。
通过实验比较，考虑不同类型的振荡器的优缺点，从而选择最适合DC-DC变换器的振荡器类型。
本研究的方法主要包括仿真和实验两种方法。
首先通过电路仿真软件（如LTSpice）进行仿真和优化，然后在实验室中进行实验验证。
在实验中，采用高精度的电压表、电流表等测试仪器，对变换器输出电压、输出电流和效率等参数进行测试和分析。
3. 预期成果及应用本研究预期将设计出稳定性高、输出电压精度高的带斜坡补偿电路的振荡器，并研究其工作原理和参数的选择方法。
通过实验对比，选出最适合DC-DC变换器的振荡器类型和电路参数，从而实现高效率、低成本和高可靠性的DC-DC变换器设计。
本研究成果可以应用于各种DC-DC变换器设计中，提高电源稳定性和输出电压精度，从而适应各种应用需求。
如手机充电器、笔记本电脑、LED驱动器、电力电子等。
同时，本研究方法和思路也可应用于其他电子电路的设计和优化中。
dcdc斜坡补偿原理DC-DC斜坡补偿原理一、概述DC-DC斜坡补偿原理是一种在直流-直流转换器中使用的补偿技术，旨在提高转换器的动态响应和稳定性。
该原理通过改变转换器的控制信号斜坡来实现电流和电压的平稳过渡，从而减小输出纹波和提高转换效率。
二、DC-DC转换器的工作原理DC-DC转换器是一种电子器件，用于将直流电压转换为另一种直流电压。
其基本工作原理是通过控制开关管的导通和截止时间来改变输入电压的平均值，并通过电感和电容来实现电流和电压的平滑。
三、DC-DC斜坡补偿原理的应用斜坡补偿原理广泛应用于各种类型的DC-DC转换器中，包括降压型、升压型和反激型转换器。
它可以改善转换器的动态性能，提高输出电压的精度和稳定性。
四、斜坡补偿的原理斜坡补偿原理的基本思想是通过改变控制信号的斜坡来控制开关管的导通和截止时间，从而实现电流和电压的平稳过渡。
斜坡补偿技术通过使开关管的导通和截止时间渐变，减小了开关管的切换过程中的电流和电压冲击，从而降低了输出纹波和噪声。
五、斜坡补偿的实现方法1. 硬件实现：通过改变控制电压的上升和下降斜率，可以实现斜坡补偿。
这需要在电路中添加一个斜坡产生电路来控制控制信号的斜率。
2. 软件实现：通过在控制器中编程控制信号的斜率，可以实现斜坡补偿。
这种方法通常需要使用微处理器或数字信号处理器来实现。
六、斜坡补偿的优势1. 提高转换器的动态响应：斜坡补偿技术可以减小开关管的切换过程中的电流和电压冲击，从而提高转换器的动态响应能力。
2. 减小输出纹波：斜坡补偿技术可以平滑输出电流和电压的过渡过程，减小输出纹波和噪声。
3. 提高转换效率：通过减小开关管的切换过程中的电流和电压冲击，斜坡补偿技术可以提高转换器的效率。
七、斜坡补偿的局限性1. 需要额外的硬件或软件支持：实现斜坡补偿需要在电路中添加斜坡产生电路或使用专门的控制器，增加了系统的复杂性和成本。
2. 对设计要求较高：斜坡补偿的效果受到斜坡的斜率和补偿时间的影响，需要进行精确的设计和调试。
东南大学硕士学位论文降压型DC-DC中自适应斜坡补偿电路的设计姓名：薛彦红申请学位级别：硕士专业：集成电路设计指导教师：吴金20090409摘要摘要电流模ＤＣ．ＤＣ开关电源冈其响应速度快、稳定性高、增益带宽大等特点而得到广泛的应用。
加入斜坡补偿可以改善峰值电流模在占空比大于５０％时存在的系统开环不稳定性，但是过补偿量会导致系统的带载能力大大降低，甚至由电流模系统退化为电压模，因此需要取合适的补偿量。
在这一背景下，本文设计了一款基丁．自适应斜坡补偿电路的降压型ＤＣ．ＤＣ转换器，输入电压Ｖｉ。
范围为２．５—５．５Ｖ，输出电压Ｖｏ范同为Ｖ他ｒＶｉｎ，采用ＰＷＭ／ＰＦＭ切换控制，ＰＷＭ信号工作频率为１．２ＭＨｚ。
斜坡补偿的补偿量很重要，它关系到系统带载能力的大小，文中对分别加入分段线性斜坡补偿和具有二次特性的自适应斜坡补偿在不同占空比区间进行仿真比较，并且对这两种补偿电路波形进行分析和对比，通过分析比较，选择具有二次特性的自适应斜坡补偿进行补偿。
在完成系统和电路设计的基础上，对具有二次特性的自适应斜坡补偿模块进行版图的规划和布局，运用Ｃａｄｅｎｃｅ的Ｖｉｒｔｕｏｓｏ软件完成版图设计．并对版图进行ＤＲＣ、ＬＶＳ设计规则检查。
采用ＣＳＭＣ０．５９ｍＣＭＯＳ工艺，用Ｃａｄｅｎｃｅ对系统的各种特性进行仿真验证。
首先验证系统的静态特性，可驱动的最大负载为５００ｍＡ．输出电压最小值为１．２Ｖ，最高可达Ｖｉｎ，输出电压纹波的最大值为１４ｍＶ；其次，验证系统的动态特性，系统的动态响应时间在６０９ｓ左右，输出电压变化的最大值为１１０ｍＶ：对负载调整率进行仿真，验证了系统具有良好的负载调整率：整个系统的峰值切换电流为１４０ｍＡ，负载切换电流为４０ｍＡ左右。
关键词；斜坡补偿，转换效率。
ＰＷＭ／ＰＦＭ自动切换，纹波，版图ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＣｕｒｒｅｎｔ・ｍｏｄｅＤＣ—ＤＣｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｈａｓｇａｉｎｅｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｌａｒｇｅｇａｉｎ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．ＡｄｄｉｎｇｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＣａｌｌｓｏｌｖｅｔｈｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｐｅｎ－ｌｏｏｐｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈｏｃｃｕｒｓｗｈｅｎｔｈｅｄｕｔｙｃｙｃｌｅｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ５０％．Ｂｕｔｔｈｅｏｖｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗｉｌｌｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｏａｄｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｏｒｅｖｅｎｔｕｒｎｓｉｎｔｏａｖｏｌｔａｇｅ—ｍｏｄｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｏｎａｖｏｉｄｓｕｃｈｉｓｓｕｅ．Ｉｎｔｈｉｓｃｏｎｔｅｘｔ，ａｂｕｃｋＤＣ－ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｂａｓｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅｉｎｐｕｔｖｏｌｔａｇｅＶｉｎｏｆｔｈｅｎｅｗｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｄａｐｔｉｖｅｆｒｏｍｓｌｏｐｅｔｏｒａｎｇｅｓ２．５Ｖ５．５Ｖ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅＶｏｔｕｒｎｓｂｅｔｗｅｅｎＶｒｅｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｎｄＶｉｎ，ｕｓｉｎｇＰＷＭ／ＰＦＭＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｏｎｔｒ０１．ＴｈｅＰＷＭｓｉｇｎａｌｉｓ１．２ＭＨｚ．ｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ，ｉｔｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｌｏａｄｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙＴｈｅａｎｄｓｅｌｆａｍｏｕｎｔｏｆｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｓ＆ｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｂｅｔｗｅｅｎｕｓｉｎｇｐｉｅｃｅｗｉｓｅｌｉｎｅａｒｓｌｏｐｅｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｌｏｐｅａｄａｐｔｉｖｅｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗｉｔｈｑｕａｄｒａｔｉｃｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｕｔｙｃｙｃｌｅ．Ｂａｓｅｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｉｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｑｕａｄｒａｔｉｃｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ａｆｔｅｒｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｄｅｓｇｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｓｄｅｓｉｇｎ，ｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｒｏｕｔｉｎｇｏｆｔｈｅｑｕａｄｒａｔｉｃｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＣａｄｅｎｃｅ’ＳｖｉｒｔｕｏｓｏｇｏｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｕｌｅｓｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＤＲＣ，ＬＶＳ．ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｃｉｒｃｕｉｔｓａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄ，ｗｉｔｈＣＳＭＣ０．５１ａｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ：ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｈｉｔｓ５００ｍＡ；ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓ１．２ＶａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｒｅａｃｈｅｓＶｉｎ；ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｒｉｐｐｌｅｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｔａｂｏｕｔ１４ｍＶ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄ：Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｂｏｕｔ６０１ａｓ；ｔｈｅ１ｌＯｍＶ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｐｒｏｖｅｎｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉＳ１４ｍＡａｍａｘｉｍｕｍｃｈａｎｇｅｉｎｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓａｂｏｕｔｇｏｏｄａｄｊｕｓｔｉｎｇｒａｔｅａｆｔｅｒｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｏｆａｎｄｔｈｅＩｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｉＳａｂｏｕｔ４０ｍＡ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ＰＷＭ／ＰＦＭａｕｔｏｍａｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇＤＣＭ，ｒｉｐｐｌｅ，ｌａｙｏｕｔ东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
斜坡补偿的原理
图3.4-1为峰值电流控制脉冲宽度调制（PWM ）升压型DC-DC 变换器的系统工作原理：
图3.4-1 PWM 升压型DC-DC 变换器系统工作原理图
该电路工作原理如下：锁存器Lock 在时钟信号上升沿输出高电平，功率管导通，电感电流开始上升。
电流检测感应电感电流并在比较器COMP 正端转化为电压信号，此电压信号增大到误差放大器EA 输出电压时，比较器COMP 状态翻转，锁存器输出低电平，功率管截止，电感电流开始下降，如图3.4-2所示。
图3.4-2 电感电流扰动情况
设电感电流上升的斜率为m1，下降的斜率为-m2，电感电流在一个周期开始的时候产生0I ∆的误差，经过一个周期误差变为1I ∆，得：
1201
1I m D
I D m ∆==∆- （3.4.1） 占空比小于50%时，m1>m2，误差逐级减小；占空比大于50%时，m1<m2，
误差逐级放大，系统不再稳定。
在误差放大器的输出端叠加斜率为-m 的信号如图所示：
图3.4-3 加入斜坡补偿后电感电流扰动情况
12011I m m D
I D m m
∆-==∆-+ （3.4.2） 要保持系统稳定，必须满足
211m m
m m
-<+ （3.4.3） 根据图3.4-3可以得到：
12(1)D T m D T m ⨯⨯=-⨯⨯ （3.4.4）
将（3.4.4）带入（3.4.3），得：
21
(1)2m m D
>-⨯ （3.4.5）
将D=1（最大占空比）带入，得：
20.5m m >。
Buck型DCDC转换器二次斜坡补偿电路设计摘要提出了一种应用于电流型DC/DC转化器的二次斜坡补偿电路的设计，该方法使补偿的斜率随着占空比动态变化，不仅提高了芯片的带载能力以及消除了占空比>50%时出现的开环不稳定和亚谐波振荡和对噪声敏感等缺点。
同时也避免了系统的过补偿和带载能力降低的问题。
电路基于TSMC的0.35μm BCD工艺设计，经Cadence 仿真验证，达到设计目标。
由于DC/DC变换器中电流模控制较电压模控制方法有许多优点，所以得到了广泛应用，但恒定频率下的峰值电流存在问题：(1)当占空比D>50%时，系统的开环不稳定。
(2)由于采样的是峰值电感电流而非平均电流的原因而产生系统开环不稳定。
(3)次斜坡振荡。
(4)抗干扰能力差，当电感中的纹波电流成分很小时，这种情况更严重。
但是采用在电流波形上叠加斜坡补偿方法，可以在占空比D>50%情况下使系统稳定，同时也使性能得到大幅改善。
1 产生亚谐波振荡的原因如图1所示，IC是与电感电流相比较的误差信号，当系统稳定时，其大小可以认为是固定不变的;m1是功率上管导通时，电感电流上升的斜率，-m2是上管关断下管导通时电感电流下降低斜率。
实线三角波形为未加扰动时电感电流，虚线波形为初始时刻存在△I0扰动量后电感电流的变化。
通过几何知识计算可知，由初始时刻扰动量△I0的下个周期初始电流扰动量△I1为当占空比D<50%时，电感电流扰动量△In会逐渐趋于0，系统稳定。
当占空比D>50%时，电感电流扰动量△In会逐渐放大，此时会导致电感电流峰峰值逐渐增大，出现亚谐波振荡现象，使系统无法正常稳定工作。
2 斜坡补偿的基本原理为使系统在占空比>50%时也能稳定工作，引入了斜率为-m的斜坡补偿信号。
斜坡补偿技术有两种，一种是在误差信号IC上叠加一斜坡补偿信号，另一种方法是在采样的电感电流上斜坡叠加补偿信号，这两种方式的原理相同。
升压型DC-DC 中的动态斜坡补偿电路设计周丽霞1 来新泉 陈富吉（西安电子科技大学CAD 所 西安 710071）摘要：本文给出一种用于升压型DC-DC 转换器的动态斜坡补偿电路。
该设计引入输入、输出电压反馈控制电路，利用工作于线性区的MOS 管压控电阻特性，实现动态的、优化的斜坡补偿。
与传统的设计相比，这一设计使引入的斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响有效减小。
论文最后给出仿真结果。
关键词：DC-DC ；斜坡补偿；反馈控制；压控电阻The Design of A Dynamic Slope Compensation Circuitfor BOOST DC-DC ConverterZhou Lixia Lai Xinquan Chen Fuji(Institute of Electronic CAD Xidian University Xi’an 710071 P. R. China)Abstract ： This paper presents the design of a dynamic slope compensation circuit for Boost DC －DC converter. With the utilization of the voltage controlled resistor characteristics of MOS transistor and the introduction of a feedback circuit controlled by input and output voltages, a dynamic and optimum slope compensation circuit is realized. Compared with the traditional design, the negative effects on the system’s output current capability and transient response are effectively reduced. Finally, the simulation results are provided.Key words: DC-DC; slope compensation; feedback control; voltage controlled resistor1 引言电流模PWM （Pulse Width Modulation ）开关电源由于其优越的电源电压和负载调整特性，得到越来越广泛的应用。
但随之而来的是：电流反馈环在占空比大于50％时的开环不稳定现象、可能出现的亚谐波振荡、非理想的环路响应、以及容易受噪声影响。
幸运的是通过斜坡补偿技术可以有效的解决或使上述问题最小化[4-6]。
本文基于升压型DC-DC ，首先介绍了开关电源中斜坡补偿原理，在此基础上提出了一种动态的斜坡补偿思想。
2 设计思想2.1 DC-DC 的斜坡补偿技术回顾[5,6]电流模PWM 升压型DC-DC 在占空比大于50％时存在固有的开环不稳定现象。
图1为引入了斜坡补偿信号后的示意图，经简单的数学推导，可得下式： m m m m I I ++∆=∆1201 (1) 由式（1）可知，引入具有适当斜率m 的补偿斜坡，使下式成立： 1周丽霞，（1979~ ），女，山西省绛县人，现为西安电子科技大学电路与系统专业硕士研究生，主要从事电源管理类集成电路的设计与研发工作。
图1 引入斜坡补偿后的开环稳定性示意图Fig.1. Open loop Stability with slop compensation11201<++=∆∆mm m m I I (2) 即可消除电流模DC-DC 中占空比大于50%时的开环不稳定现象。
由式（2）易知，当m 满足下式时，可在最坏情况（占空比为100％，即m2>>m1）下满足系统的开环稳定性要求。
221m m −> (3) 2.2 动态斜坡补偿思想把升压型DC-DC 中等效电感电流续流斜率m 2的表达式代入式（3）可得升压型DC-DC 电流环稳定条件：max*21⎟⎠⎞⎜⎝⎛−>SENSE in out R L V V m (4) 式（4）给出的条件可在输入输出相差很大的最坏情况下保证系统的稳定性，但在非最坏情况下会出现过补偿现象。
本文基于当今DC-DC 芯片宽电源电压输入、宽输出电压的发展趋势，利用输入输出电压的差值作为反馈信号控制MOS 压控电阻，最终提供如图2所示的补偿斜坡，其斜率大小正比于输出输入电压差，从而有效避免了由于V dif 的变化而引起的过补偿现象。
图2中，实线为最坏情况下（输入输出电压之差最大）的补偿斜坡，虚线为输入输出电压之差减小时相应的补偿斜坡。
3 电路实现与仿真验证实际电路包括反馈控制电路与斜率转换电路，如图3所示。
图3 实际电路图Fig.3. Complete schematic3.1 反馈控制电路设计中取晶体管M1、M2宽长比相等，偏置I 0≈I FB ,则有Vgs1≈Vgs2成立，则：V 图2 动态斜坡补偿示意图 Fig.2. Dynamic slop compensation021)(R V V R V V V V I in out gs gs in out B F −≈+−−= (5) 运放A1接作电压跟随器形式[1]，其反相端接0.2V 基准电压，设计A1的增益远大于1，则晶体管M3漏极电压恒为0.2V ，M3工作于线性电阻区，其阻值可确定如下：inout FB M V V R I R −==03*2.02.0 (6) 3.2 斜率转换电路设计M12、M13工作于线性电阻区,电路中M12、M13、M3栅极电位、源极电位分别相等，即其具有相同的V gs ，又设计它们宽和长相等，则三管具有相同的导通电阻，即：inout M M M V V R R R R −===031312*2.0 (7) 图3中M4～M7、R1、R2构成了第一级斜率转换电路，其输入级采用带源极负反馈的形式[1,3]：thm th gs th OXRAMP V g V V I R I V L W C I R I V +−+=++=66111111)(2****2**µ (8) 对式（8）中的平方根项进行化简： 616611*2)(**2***2m m th gs OX g I g V V I L WC I ≈=−=L L µ (9) 结合式（8）和式（9）可知，若R 1>>1/g m6，则在式（8）中，可忽略平方根项，近似认为M6管的漏电流是其栅端输入电压的线性函数，得到下式：11R V V I th RAMP −≈(10) 同理取R 2>>1/g m7，可得： 22R V V I th BE −≈ (11) 设计M4、M5的宽长比相等，R 1=R 2,则根据电流镜像关系可得：1213R V V I I I BE RAMP −=−= (12) 图3中R3、R4、I7、I8、M8～M13构成了第二级斜率转换电路，则采用同样的方法可得：1233134812333745****M M th M th SLOPE R R I R V R I R V R I R I I I I =−−−+=−= (13)最终补偿斜坡电流经M14、M15、R5实现与等效电感电流采样信号Vsense 的叠加，图中R5两端的电压V SLOPE 即为最终补偿斜坡电压，结合式（7）、式（12）、式（13）可得：1053512335**2.0**)(*)(***R R R R V V V V R R R I R I V BE RAMP in outM SLOPE SLOPE −−=== (14) 由式（14）不难得到补偿斜坡斜率如下：RAMP in out SLOPE m R R R R V V m ***2.0**)(1053−= (15) 由式(15)可见，所产生的补偿斜坡电压的斜率正比于DC-DC 芯片输入输出电压差，在设计时根据锯齿波信号的斜率m RAMP ，合理选择R0、R1、R3、R5的值，使其满足下式：LR m R R R R SENSE RAMP 2***2.0*1053> (16) 就可在任何（V out -V in ）情况下，实现系统电流环稳定性设计，并且消除了由于（V out -V in ）的减小而引起的过补偿现象。
3.3 仿真结果上图中，in out dif V V V −=，图4为传统的单一斜率补偿波形。
图5为本文设计电路仿真结果，所产生的补偿斜坡斜率能随着输入输出电压差V dif 的变化而变化，实现了动态的斜坡补偿。
4 结论论文根据电流模DC-DC 对斜坡补偿电路的基本需求，提出一种动态斜坡补偿技术。
利用工作于线性区的MOS 管压控电阻特性，采用输入、输出电压作为反馈控制信号，实现了动态斜坡补偿电路设计并最后通过了仿真验证。
这一动态斜坡补偿设计非常适用于升压型DC-DC,通过对其反馈系数的调整亦适用于降压型DC-DC 。
参考文献[1] Paul R.Gray ，Paul J.Hurst,et. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits pp 38～72. pp 197~203 pp406~408[2] Phillip E. Allen, Douglas R.Holberg CMOS Analog Circuit Design pp 124~126[3] Bahzad Razavi Design of Analog CMOS Integrate Circuits 陈贵灿等译 pp 50～63[4] A.L.Baranovski,H.Giidner On the Trade-Off of Ripple and Properties of Chaotic DC-DC Converters[5] Unitrode Application Note U-97 Modelling, Analysis and Compensation of the Current-Mode Converter[6] Lloyd H..Dixon Current-Mode control of Switching Power Supplies图5 动态补偿斜坡电压波形 Fig.5. Simulated voltage ofdynamic slope compensation design图4 传统补偿斜坡电压波形Fig.4. Simulated voltage oftraditional slope compensation design。
