一种基于峰值电流模DC-DC转换器的斜坡补偿电路

本科毕业设计（论文）峰值电流控制中的斜坡补偿研究***燕山大学2012年 6 月本科毕业设计（论文）峰值电流控制中的斜坡补偿研究学院（系）：***专业：08级应用电子学生姓名：***学号：***指导教师：***答辩日期：2012年6月17日燕山大学毕业设计（论文）任务书摘要摘要相比传统的线性电源，DC-DC开关电源由于具有高效率、高可靠性、体积小等优点，使其成为国内外研究的热点。

电流模式DC-DC开关电源具有响应速度快、稳定性高、内在限流保护等特点在电源管理芯片中得到了广泛的运用。

在这一背景下，本文以Boost变换器为例，设计峰值电流控制的斜坡补偿电路；输入电压48V，输出电压200V。

本文主要研究电流模式DC-DC开关电源中斜坡补偿理论，分析了电感电流扰动导致控制环路产生不稳定的原因，给出抑制这种不稳定因素的处理办法即斜坡补偿方法。

针对此问题提出斜坡补偿设计思想，在此理论基础上完成了相应的斜坡补偿控制电路路设计。

本文中完成了DC-DC开关电源系统的各个单元电路设计与分析，重点分析斜坡补偿控制电路的设计。

最后采用MATLAB软件进行仿真。

通过整体仿真，实现稳定电压，系统具有良好的负载调整特性和快速的稳态恢复时间和优良的电源调整率。

关键词开关电源，峰值电流模式，斜坡补偿AbstractAbstractThe switch power possesses the advantages of high efficiency, high reliability and compact size compared with conventional linear power which becomes a pop research object home and abroad. Due to its characteristics of fast response, good stability, inherent current limiting, current-mode controller has been widely applied in power management circuits. In this background, this paper to Boost converter as an example, the design of peak current control slope compensation circuit; the input voltage 48V, output voltage 200V.This paper mainly studies the current mode switching power supply DC-DC slope compensation in theory, analysis of inductor current disturbance causes the control loop to generate unstable reason given, inhibition of the unstable factors approach that slope compensation method. The slope compensation design, on the basis of the theory to accomplish the corresponding slope compensation control circuit design. This paper completed the DC-DC switching power supply system each unit circuit design and analysis, focusing on the analysis of the slope compensation control circuit design. Finally using the MATLAB software simulation. Through the simulation, to achieve stable voltage, the system has a good load regulation characteristics and rapid steady state recovery time and excellent power adjustment rate.Keywords Switch power supply, peak current mode, slope compensation目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1课题背景 (1)1.2开关电源的发展阶段 (2)1.3开关电源的发展趋势 (4)1.4论文的主要内容和设计目标 (4)1.5本章小结 (5)第2章电流峰值控制 (6)2.1开关电源基础知识 (6)2.2升压型(BOOST)变换器电路 (7)2.2.1工作原理和工作过程 (7)2.2.2稳态波形和主要参数计算 (8)2.3电流峰值控制 (11)2.3.1 电流峰值控制的概念 (13)2.3.2 电流控制的稳定性问题 (15)2.4本章小结 (20)第3章斜坡补偿电路设计 (21)3.1锯齿波补偿稳定电流控制的稳定性分析 (21)3.2常见的几种斜坡产生电路 (25)3.2.1线性斜坡 (25)3.2.2 n阶线性斜坡 (27)3.2.3带箝位的斜坡补偿电路 (31)3.2.4可外同步的斜坡补偿电路 (32)3.2.5非线性斜坡产生电路 (32)3.2.6总结这几种斜坡补偿电路 (33)3.3本章小结 (34)第4章仿真结果 (35)4.1仿真 (35)4.2本章小结 (40)结论 (41)参考文献 (42)致谢 (43)附录1 (44)附录2 (47)附录3 (50)附录4 (54)附录5 (60)第1章绪论第1章绪论1.1 课题背景随着电子技术的飞速发展和不断创新，电子电力设备与人们工作和生活的关系日益密切，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作，由此也带来了电源管理技术的腾飞。

峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设
计
峰值电流模式变换器是一种常用于直流-直流转换的电子电路，
通过其高效率的转换功能能在很多场合得到应用。

但是，在实际应用中，峰值电流模式变换器也会出现一些问题，其中之一就是在工作时
出现的输出波形不稳定、峰值电流难以控制。

为此，我们需要在设计
峰值电流模式变换器时添加自适应斜坡补偿电路，以解决这个问题。

自适应斜坡补偿电路的设计中，首先需要确定可靠的反馈信号。

一种可选的信号来源是峰值电压，因为一些参数、比例和输出电压之
间的关系通常是稳定的。

接下来，我们需要通过与输入信号进行比较
得出一个误差电压。

然后，通过斜坡产生器生成一个斜率与误差电压
成比例的信号，该信号与输入信号相加后，将获得我们的输出信号。

自适应斜坡补偿电路具有良好的稳定性及灵敏性，在峰值电流模
式变换器中能够起到很好的作用。

在实践中，我们可以通过仿真实验
或者实际电路的搭建来验证其效果。

通过对斜率及误差电压进行调整，我们可以更好地控制峰值电流，避免出现波形不稳定的情况。

总之，峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路是一种有效的解
决方案，能够消除输出波形的不稳定性，使得峰值电流得到更稳定的
控制，提高电路的工作效率。

在实际应用过程中，需要仔细考虑设计
参数的选择和调整，以达到最好的实验效果。

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 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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。

峰值电流模式升压型DC-DC变换器中斜坡补偿信号产生电路
设计
王侠
【期刊名称】《河南大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2013(43)5
【摘要】在分析引起电流控制模式升压型DC-DC变换器产生亚谐波振荡的因素的基础上,阐述了斜坡补偿原理,采用UMC 0.6μm BiCMOS工艺设计了相应斜坡补偿电路,HSPICE仿真结果表明所设计的斜坡补偿电路所产生的补偿信号满足斜坡补偿的要求,可用作电流控制模式升压型DC-DC变换器的斜坡补偿信号.
【总页数】3页(P509-511)
【关键词】升压型DC;DC转换器;斜坡补偿;电流模式
【作者】王侠
【作者单位】西安科技大学电气与控制工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.峰值电流模式升压DC-DC变换器中斜坡补偿的分析与设计 [J], 陈慧宁
2.峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计 [J], 田锦明;王经卓;曹双贵;胡全斌;董自健;樊纪山
3.峰值电流控制模式Boost DC-DC变换器的斜坡补偿研究 [J], 李璐
4.峰值电流控制模式DC-DC BUCK变换器的斜坡补偿研究 [J], 高鹏飞
5.峰值电流控制DC-DC Boost变换器优化斜坡补偿 [J], 程为彬; 李璐; 郭颖娜; 宋久旭
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峰值电流控制模式Boost DC—DC变换器的斜坡补偿研究作者：李璐来源：《电脑知识与技术》2017年第13期摘要：该文简要地介绍了峰值电流控制中斜坡补偿的基本原理以及优点，并对系统的稳定条件进行了分析，研究了斜坡补偿和系统稳定的关系，最后通过斜坡补偿设计解决了系统中出现的不稳定的因素。

关键词：峰值电流；斜坡补偿中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0228-021概述DC-DC功率变换器有许多种控制模式，最常用的有电压控制和电流控制，电流模式具有补偿电路简单，动态响应快，增益带宽大，稳定性好等优点与电压控制模式相比。

在峰值电流控制的Boost电路中，由于采用了功率开关等非线性的器件，给系统带来了非线性现象，影响变换器的性能，所以我们引入斜坡补偿的手段来实现系统的稳定性控制。

2峰值电路控制的电路原理及优缺点图1为峰值电流控制的DC-DC Boost功率变换器的原理图，输出电压u0经过采样后与设定的参考电压u ref通过电压误差放大器比较，比较后得到的信号与整流后采样电压相乘，其乘积信号作为参考电流信号，将此电流信号与流过开关管的电感电流采样信号进行比较，将电流比较器的输出PWM波形作为驱动信号来控制开关管的开通和关断。

当电感电流i L的值达到参考电流的值之前，开关管S一直处于导通状态。

当电感电流达到参考电流之时，电流比较器就会输出关断信号，使开关S处于截止状态。

峰值电流模式与平均电流模式相比具有以下优点：闭环响应速度快，具有良好的线性调整率；控制环易于设计；对并联工作的多台电源能够实现自动均流；具有瞬时峰值的电流限流功能。

3系统稳定条件分析如图2可以看出，当占空比大于0.5时，后一个开关周期的电感电流扰动误差比前一个开关周期的扰动误差要大，电感电流误差信号是振荡发散的，系统处于不稳定状态。

接下来将以数学推导的方式得到系统不稳定的条件，根据峰值电流型DC-DC Boost变换器的工作原理，可以得到系统的微分方程：即占空比小于0.5时系统稳定，占空比大于0.5时系统不稳定。