一种应用于DC/DC转换器的高效PWM控制电路的设计

摘要：本文提出一种用于DC/DC转换器的高效PWM控制电路。该控制电路采用电流控制模式，在宽范围内有着良好的瞬态响应。斜坡补偿信号与误差放大器的输出信号进行叠加，叠加后的信号与电流采样信号进行比较，产生一个占空比信号控制功率管的通断。并且本PWM控制电路中的误差放大器与软启动结合在一起，实现输出电压平滑稳定上升，有效减少了输入电流和输出电压过冲现象，保护了系统安全。

关键词：DC/DC转换器；误差放大器；软启动；斜坡补偿；PWM比较器

Design of A High-efficient PWM

Control Circuit Application for DC/DC Converter

CHEN Cheng，WANG Hui-fang，XU Xiang-zhu，ZHOU Ze-kun，ZHANG Bo

（State Key Lab of Electronic Thin Films and Integrated Device, University

of Electronic Science & Technology of China, Chengdu, 610054, China）

Abstract: A High-efficient PWM control circuit which is applied to DC/DC converter is presented in this paper. Based on current-mode control, good transient response has been realized in wide range. Superimposed signal of slope compensation and error amplifier output is compared with the signal of current sense, then produce a duty cycle to control the power transistor off. Meanwhile, This PWM control circuit combine error amplifier with soft-start, which realize the voltage of output smooth and steady increase. It is effective to reduce input current and output voltage overshoot, and protect the system security.

Key words: DC/DC converter; error amplifier; soft-start; slope compensation; PWM comparator

1 引言

DC/DC转换器因其低静态电流、高效率和体积小的优点而广泛应用于便携式电子设备。随着集成电路的发展，应用广泛的笔记本电脑、手机、PAD等便携式设备对电源管理芯片体积、转换效率、可靠性的要求越来越高。PWM控制电路的设计直接关系到DC/DC转换器的性能，因此设计出高效的PWM控制电路至关重要[1]。

本文根据参考文献[2]的斜坡补偿原理及转换器功能要求，结合工程实际，设计出了一款应用于DC/DC转换器PWM控制电路（如图1所示）。电路主要包括功率管M1和M2、储能电感L、输出电容C、反馈电阻网络（R1和R2）以及PWM控制电路。PWM控制电路实现整个系统的反馈控制，包括误差放大器（ Error Amplifier, EA）、软启动、电流采样电路、振荡器、PWM比较器、基准源电路和驱动电路等。文献[2]中是斜坡补偿信号与电流采样信号叠加，然后与EA输出信号比较，促使PWM比较器的反转，从而控制功率管的通断。而本文采用的是斜坡补偿信号与EA输出进行叠加，叠加得到的信号与电流采样信号比较，进而控制PWM比较器的反转，有效地实现了功率管M1、M2的通断时长，对电感进行充放电来得到稳定的输出电压，保证了PWM控制电路的高效。

本文第二节将介绍该PWM控制电路的重点模块的具体电路及其工作原理；第三节分析仿真结果，第四节给出最后的结论。

2实际电路分析

2.1误差放大器

在DC/DC 转换器中，误差放大器是输出电压检测模块的一部分，它主要用于将反馈信号VFB与基准电压VREF进行比较，并输出误差放大信号后级PWM 比较器，与电流采样信号进行比较，从而产生一个脉冲以确定功率管通断时长[3]。

误差放大器的实际电路如图2所示，该误差放大器是一个三端输入的两级运放，采用套筒式结构。三个输入端由两个正端（SS,VREF）和一个负端（VFB）组成。EA输出由RC和CC组成的系统补偿电路，对环路进行补偿。误差放大器的输出端由限压电路进行钳位，使得其在允许的范围内变化。限压电路有一个上拉电路和一个下拉电路。

上拉电路由MN9、MN10、MN11、MN12、MP10和MP11组成，其中MN9、MN10、MP10和MP11组成一个电流比较器。正常情况下，电流比较器上路MP10、MP11流过的电流小I1，下路MN9和MN10流过的电流和I2+I3大，为了维持电流平衡，迫使MN9和MN10工作在线性区，使得节点VA电位下降，从而MN12不开启，EA输出端Ve电位不被拉高。当输出端Ve电位较低时，电流比较器中上路I1大，下路电流和I2+I3小，迫使MP10、MP11工作在线性区来保持电流平衡，节点VA电位抬高即MN12栅电位被拉高，这样MN12导通，由于Vbias1是高电平MN11始终开启，EA输出端Ve电位被拉高。

下拉电路由MP12、MN13和MN14三个管子组成的，正常情况下，Ve端电位不是很高，偏置电压Vbias2较高，MP12不开启，由于Vbias3较高MN13始终开启，所以节点VB电位被拉低，从而MN14不开启，这样不对Ve电位拉低。当Ve电位较高时，MP12导通，Ve高电位送进来，节点VB电位抬高即MN14栅电位升高，这样MN14开启，将其漏端电位拉低，即把EA输出端Ve电位拉低。

由图2中的误差运放和系统补偿电路产生一个主极点ωp 1=1/ROCC（RO为误差放大器的输出电阻），次极点ωp 2=1/RCC1，零点ωZ 1=1/RCCC。主极点ωp 1处的频率很低，次极点ωp 2和零点ωZ 1位于较高频处，合理设置主次极点以及零点的位置，可以增加系统的稳定性。

DC/DC转换器的环路中，也有一个极点 ωp 3=1/RLOADCout，和一个零点ωZ 2=1/RESRCout（RESR为输出电容的Cout寄生电阻）。由于误差放大器的输出电阻RO很大，所以ωp 1为整个系统的主极点。同时，调节误差放大器输出处的次极点ωp 2来抵消RESR产生的零点ωZ 2来改善系统的相位裕度。

2.2 软启动电路

DC/DC转换器是通过将误差信号转换成占空比驱动功率管而工作的，在启动阶段，误差放大器处于非平衡状态，使得环路处于100%占空比工作，因此会有很大的浪涌电流灌入输出电容，使得输出电压产生较大的过冲，浪涌电流也有可能损耗功率管和其它器件[4]。因此，DC/DC转换器中加入软启动电路可以避免上述现象发生，软启动是通过限制占空比或限制开关电流来消除浪涌电流，防止输出电压过冲。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

本文的软启动电路是通过限制占空比来实现输出电压平滑稳定上升，其实际电路如图3所示，其中CSS是软启动外挂电容。Ibias是基准镜像过来的能使cascode结构电流源MP 19、MP 20和MP 21、MP 22和MP 23、MP 24产生较恒定的电流。芯片上电时，SSCTRL是低电平，通过INV 1、INV 2两次反相后，作用在MP 25和MN 40上，使得MP 25开启同时MN 40关闭，这样从MP 21、MP 22流出来的电流I1给CSS充电，节点SS电压从零缓慢上升。当SS电压上升到大约两个阈值电压时，MN 43开启， MP 23、MP 24、MN 43、MP 26、MN 44形成电流通路，MN 43漏端电位被拉低，通过INV 3后SSOVER由低翻高。当环路出现异常时，SSCTRL会翻转为高，MN 40开启同时MP 25关闭，MP 19、MP 20流入MN 41的电流镜像给MN 42，CSS将电流I2通过MN 40、MN 42放电到地，SS电压逐渐降低。

对图3所示的软启动电路，充电电流和放电电流满足：

CU=∫I（t）dt （4）

其中C为CSS的大小，U为CSS两端电压变化值，（t）为充放电电流瞬时值，t为充放电时间。

软启动时，误差放大器中SS和VFB比较，VREF不起作用，由于SS和VFB差压小，产生较小的占空比，所以误差放大器控制输出电压缓慢上升。随着SS和VFB上升，VREF慢慢地起比较作用。当VFB上升到VREF值左右时，SS端电位继续上升，慢慢地失去比较作用，表明软启动完成，输出电压上升到正常值。最终VFB和VREF比较，电路正常工作。

2.3 补偿叠加及电流采样电路

在设计DC/DC转换器时，通常可以采用的拓扑有电压反馈和电流反馈两种控制模式[2,5]。本文的DC/DC转换器环路结构采用的是电流控制模式。由于电流控制模式存在抗干扰能力差的缺点，我们又采用斜坡补偿消除噪声干扰，以期使系统工作在稳定状态。叠加电路及电流采样电路如图4所示。

振荡器产生一个斜波信号VRAMP作用在MN 15上，把电压信号转换为电流信号。通过MP 13镜像，斜波电流IRAMP转移到MP 14上。同样，误差放大器的输出电压Ve作用在MN 16上，产生一股电流Ie。两股电流叠加（即Ie -IRAMP）后得到Im，该电流流过电阻R5产生电压Vm送到PWM比较器，和电流采样信号比较，PWM比较器输出一个控制占空比的逻辑信号VPWML。

3.4 PWM比较器

PWM比较器把误差放大器输出与斜坡补偿叠加后的信号和电流采样信号进行比较，当采样电路的电流在检测电阻上产生的电压达到叠加后的电流在电阻上产生的电压时，PWM比较器的输出就会发生翻转，产生一个很窄的脉冲信号，控制功率管通断 [6]。

本文设计的PWM比较器如图5所示，VSSP是一个相对Vin的低电平。电流源采用cascode结构，偏置电流模块中电流I流过MN 19、MN 20后通过镜像给PWM比较器各个部分提供电流源。全差分放大器中，R8、R9是不匹配的电阻，MN 20、MN 24是匹配的，这样设计的目的是放大后面比较器需要的输入信号，起到加快比较器翻转的作用。放大的差动信号输入到源极跟随器MN 25、MN 26中，通过电平移位，再输入到比较器中。比较器输出一个逻辑信号，通过反相器反相。输出级中给MP 18、MN 38提供一个初始低电平，使得PWM比较器刚开始就输出一个逻辑高电平VPWML。当PWM比较器翻转后，输出一个逻辑低电平VPWML。整个PWM比较器的增益AV不难得出：

3仿真结果及分析

3.1误差放大器

图6为误差放大器带系统补偿电路的增益和相位裕度曲线图，其中gain和phase margin分别代表误差放大器开环状态下的增益和相位裕度。从图中容易看出，开环状态下，误差放大器的增益达到50db，并且3db带宽100Hz。并且从图中可以看出电路有一个主极点和一个零点位于低频处，主极点在100Hz处，零点大约在10KHz处。

3.2软启动电路

图7为软启动过程中占空比变化曲线。由图中可以看出，软启动与误差放大器结合有效控制占空比缓慢增加，进而实现输出电压较平稳上升。

图8中Vout、IL分别为输出电压和电感电流随时间变化曲线，不难看出软启动很好控制了输入电流和输出电压过冲，实现了输出电压缓慢平稳上升，直到输出稳定。当负载电流由0A跳到3A时，输出电压有瞬间跌落和过冲，但很快就稳定在恒定值。

3.3 补偿叠加与电流采样电路

补偿叠加与电流采样电路的波形如图9所示，其中，SW、VS、VM和 RAMP分别为占空比波形、电流采样波形、叠加输出波形和斜坡补偿波形。在上管功率管关闭时，采样点已没有电流信号,其电压等于电源电压。从图中波形可以看出，已经很好的实现了对采样电流信号的斜坡补偿。

3.4 PWM比较器

图10 为PWM比较器增益曲线，从图中可以看出其增益达到120db以上，3db带宽1MHz，单位增益带宽将近1GHz，具有较快反应速度，满足了系统要求。图11为PWM比较器整体仿真，当输入端VM与VS碰撞时，输出VPWML就翻转，起到了及时控制功率管通断的作用。

4结论

本文对比了文献[2]中补偿结构，提出了一种用于DC/DC转换器的高效PWM控制电路。详细分析了误差放大器、软启动电路、斜坡叠加和电流采样电路、PWM比较器。其中，误差放大器输出采用限压结构和软启动结合在一起，实现了输出电压平滑稳定上升，防止了输入电流和输出电压过冲现象；斜坡补偿信号与误差放大器的输出叠加，再与电流采样信号进行比较，促使PWM比较器产生一个控制功率管通断的脉冲信号，保证了系统稳定。

参考文献

[1] 廖敏, 胡永贵. 一种高效降压型DC/DC变压器控制电路的设计[J].微电子学, 2010, 40（3）, 400-405.

[2] 徐祥柱, 王易, 陈程. 一种DC/DC斜坡补偿电路的设计[J]. 中国集成电路, 2011, 20（7）, 31-36.

[3] Ke-Horng Chen, Hong-Wei Huang, and Sy-Yen Kuo.Fast-Transient DC-DC Converter With On-Chip Compensated Error Amplifier IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, 2007, 54（12）, 1150-1154.

[4] 李演明, 来新泉, 袁冰, 叶强, 贾新章. 一种DC/DC开关电源片上软启动电路[J]. 半导体学报, 2008, 29（6）, 1210-1215.

[5] Kimio SHIBATA and Cong-Kha PHAM. A Compact Adaptive Slope Compensation Circuit for Current-Mode DC-DC Converter[C]//Circuits and Systems. Pairs, 2010:1651-1654.

[6] Yie-Tone Chen and Cing-Hong Chen . A DC-DC Buck Converter Chip with Integrated PWM/PFM Hybrid-Mode Control Circuit[C]//Power Electronics and Drive Systems .Taipei, 2009:181-186.

作者简介

陈程，硕士研究生，主要从事模拟集成电路与功率集成电路的研究设计。

张波，教授，博士生导师，主要从事功率半导体技术、电源管理集成电路及专用集成电路的研究设计。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文