一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路的制作方法
【專利摘要】一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，允許一個超前相位補償電路和開關穩(wěn)壓器集成在同一芯片上。本實用新型為單片的開關穩(wěn)壓器的環(huán)路增益提供了相位的增加。這個增加的相位需要接近回路增益的單位增益頻率，并且不會無限期持續(xù)下去。本實用新型所需的超前相位補償功能可以通過使用一個跨導放大器驅(qū)動一個頻率相關的負載來實現(xiàn)。跨導放大器將差分輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成單端的輸出電流。這個輸出電流流過頻率相關負載。
【專利說明】一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路
【技術領域】:
[0001]本發(fā)明涉及一個單片集成的開關穩(wěn)壓器(使用一個片內(nèi)或片外的輸出過濾器)，其在開關穩(wěn)壓器的反饋回路上具有一個片內(nèi)的超前相位補償電路。
【背景技術】:
[0002]開關穩(wěn)壓器在控制回路中使用負反饋以減少參數(shù)變化對輸出穩(wěn)壓的影響。然而，由于控制回路中反饋的存在，可能引入系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性可能會引起負載阻抗的波動。與幾乎所有反饋系統(tǒng)類似，開關穩(wěn)壓器控制回路必須滿足奈奎斯特準則以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0003]一個開關穩(wěn)壓器的環(huán)路增益(或者任何反饋系統(tǒng))是一個復雜的數(shù)學量(可以由幅度和相位來表示)。在一個系統(tǒng)中，環(huán)路增益的幅度是I (O分貝)的頻率被定義為交叉頻率fc，在交叉頻率的環(huán)路增益的相位角和-180度之間的差值被定義為相位容限(PM)。奈奎斯特準則指出，如果在交叉頻率的環(huán)路增益的相位容限是低于零度，那么該系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的。在交叉頻率的相位容限接近零的程度，是衡量系統(tǒng)相對穩(wěn)定的一種方法。
[0004]一個傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓器使用一個電感一電容(LC)網(wǎng)絡來過濾脈沖寬度調(diào)制(PWM)的規(guī)則變換的波形產(chǎn)生一個相對恒定的直流輸出電壓。然而，LC濾波器在開關穩(wěn)壓器的控制回路中引入了較大的相位偏移(通常被稱為相位滯后)。如果不修正相位滯后，那么會導致低的瞬態(tài)響應和環(huán)路的不穩(wěn)定性。在大多數(shù)情況下，必須給開關穩(wěn)壓器的控制回路來添加一個補償電路，以補償LC輸出濾波器引入的相位滯后。
[0005]例如，在圖1所示的傳統(tǒng)降壓型開關穩(wěn)壓器中，一個LC輸出濾波器10，會得到環(huán)路增益響應的兩個極點。這兩個極點會導致環(huán)路增益幅度的減少，以及在信號頻率大于LC網(wǎng)絡的諧振頻率時，反饋回路的相位滯后。開關穩(wěn)壓器中的控制電路也可能造成高頻極點。環(huán)路增益的幅度和相位角曲線示于圖2。
[0006]由于增益幅度減少和相位滯后，圖1系統(tǒng)的相位容限趨近于零或者從負方向上接近環(huán)路增益的單位增益頻率(fc)。不足或為負的相位容限會導致振蕩或者閉環(huán)特性的不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定類似于運算放大器電路沒有得到正確補償?shù)姆绞?。因此，這是可取的:在開關穩(wěn)壓器上增加補償電路以補償LC輸出濾波器的相位滯后。
[0007]現(xiàn)有技術的開關穩(wěn)壓器的設計使用超前相位電路以補償控制環(huán)路的相位響應，如圖3的引線電路14。引線電路14的增益幅度和相位響應曲線示于圖4。當電路14包含于一個開關穩(wěn)壓器的反饋回路中時，該電路將增加穩(wěn)壓器的相位容限，從而提高了穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。
[0008]圖5示出了具有相位補償?shù)慕祲盒烷_關穩(wěn)壓器。除去圖3中的相位引線電路14，它和圖1中所示的開關穩(wěn)壓器相同。引線電路14已經(jīng)包括在誤差放大器16和比較器18之間的反饋回路中。具有相位補償?shù)慕祲盒烷_關穩(wěn)壓器的環(huán)路增益幅度和相位響應曲線示于圖6。經(jīng)過補償?shù)姆€(wěn)壓器的相位容限遠遠大于未補償?shù)姆€(wěn)壓器，因此，前者要穩(wěn)定得多。
[0009]因為圖5的電容Cl必須非常大以在需要的頻率提供相位補償，并且大電容不能集成在一個集成電路芯片上，所以圖3的相位超前補償電路14被限制為離散設計方式。
[0010]本發(fā)明需要將相位超前補償電路完全集成到一個單片開關穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路內(nèi)。本發(fā)明還需要不使用相對大的電容或電感來得到相位超前補償功能。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0011]本發(fā)明允許一個相位超前補償電路和開關穩(wěn)壓器集成在同一芯片上。本發(fā)明為單片集成的開關穩(wěn)壓器的環(huán)路增益提供了額外的相位補償。這個額外的相位需要接近于回路增益的單位增益頻率。
[0012]本發(fā)明的技術解決方案:
[0013]所需的相位超前補償功能可以通過使用一個跨導放大器驅(qū)動一個頻率相關的負載來實現(xiàn)。跨導放大器將差分輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出電流。這個輸出電流流過頻率相關的負載。該相位引線補償級的電壓增益(Av)模式是由放大器的跨導(gm)和頻率相關負載的輸入阻抗(Zin)決定的:
[0014]Av = gmXZin (方程 I)
[0015]在優(yōu)選實例中，頻率相關的負載使用一個頻帶受限的運算放大器。在低頻率時，在運算放大器求和結點的阻抗由運算放大器的高環(huán)路增益減少，并且作為虛擬的交流信號接地端。然而，隨著信號頻率增加，該運算放大器的環(huán)路增益降低，從而求和節(jié)點的阻抗增加。這種阻抗的增加相當于一個大電感。最終，連接到運算放大器端子的電阻在很高的頻率處限制求和節(jié)點阻抗的幅度。由此產(chǎn)生的相位超前補償電路的增益幅度和相位響應曲線就與前面描述的離散的相位超前補償電路相同。
[0016]對比專利文獻:CN101694962A—種用于開關穩(wěn)壓電源控制器的環(huán)路補償電路200910167916.5
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0017]圖1示出了傳統(tǒng)的降壓型開關穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在現(xiàn)有技術中是已知的；
[0018]圖2是圖1的開關穩(wěn)壓器的環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)的幅度和相位曲線；
[0019]圖3示出了用來穩(wěn)定現(xiàn)有技術的開關穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)的相位超前網(wǎng)絡；
[0020]圖4是一個具有代表性的用來穩(wěn)定圖1的開關穩(wěn)壓器的相位超前網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性圖；
[0021]圖5示出了整合圖3相位超前網(wǎng)絡的圖1的開關穩(wěn)壓器的完整電路；
[0022]圖6是圖5穩(wěn)壓器環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)的幅頻曲線和相頻曲線；
[0023]圖7是一個根據(jù)本發(fā)明的具有基于頻率阻抗的單片的相位超前補償電路的一個實例的原理概圖；
[0024]圖8示出了圖7電路的等效電路圖；
[0025]圖9是一個圖7的相位超前補償電路的傳遞函數(shù)的幅頻曲線和相頻曲線；
[0026]圖10和圖11是說明圖7的運算放大器結構的原理概圖；
[0027]圖12是在根據(jù)本發(fā)明的開關穩(wěn)壓器的一個實例的原理示意圖，其包含片內(nèi)的開關穩(wěn)壓器反饋回路中的相位超前補償電路?！揪唧w實施方式】:
[0028]圖7是相位超前補償電路40的一個實例的原理示意圖，并且其可以與開關穩(wěn)壓器在同一芯片上實現(xiàn)。相位超前補償電路40由一個跨導放大器42和頻率相關的負載44構成。頻率相關的負載44包括電阻器R1、R2和R3，運算放大器46以及電容器C。?？鐚Х糯笃?2將一個差分輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出電流。
[0029]跨導放大器42的輸入是一個穩(wěn)壓器的直流輸出電壓Vwt的分壓，以及一個參考電壓Vref。假設誤差放大器45的輸入阻抗非常高，跨導放大器42的輸出電流基本全部流過頻率相關的負載44。
[0030]相位超前補償電路40的電壓增益Av由跨導放大器42的跨導(gm)和頻率相關的負載44的輸入阻抗(Zin)決定的:
[0031]Av=gmXZin (方程 2)
[0032]頻率相關的負載44的輸入阻抗由下式給出:
[0033]
【權利要求】
1.一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:一個輸出濾波器；一個開關電路，其提供調(diào)制波形給所述的輸出濾波器，并且該開關電路的至少一部分以集成電路形成呈現(xiàn)；一個超前相位補償電路，其耦合在所述的輸出濾波器的輸出端和所述的開關電路的輸入端之間，并且該超前相位補償電路與所述的開關電路構造在一塊集成電路上，所述的超前相位補償電路包括:一個跨導放大器，其第一輸入端通過耦合接收輸出濾波器的輸出電壓、第二輸入端I禹合到一個參考電壓源，并且具有一個輸出端；一個頻率相關阻抗器件，其耦合到所述的跨導放大器的輸出端，其阻抗跟隨所述的跨導放大器的輸出電流的頻率變化。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:超前補償電路的電壓增益在第一頻率處增加使得超前相位補償電路提供一個增加的相位，超前相位補償電路的電壓增益在第二頻率處逐漸下降使得超前相位補償電路提供一個減少的相位。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:所述的阻抗器件在低于第一頻率時提供一個第一阻抗，這個阻抗用于模擬在第一頻率和第二頻率之間的與阻抗器件串聯(lián)的電感的作用，并且在大于第二頻率時提供第二阻抗。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:所述的頻率相關的阻抗器件包括一個帶寬限制的運算放大器，其中一個輸入通過第一阻抗連接到所述跨導放大器的輸出端；頻率相關的阻抗器件包括:一個運算放大器，其反相輸入端通過第一阻抗耦合到所述跨導放大器的輸出端，同相輸入端耦合到參考電壓源；第二阻抗，其耦合到運算放大器的輸出端和反相輸入端之間；一個頻率補償電容，其耦合到運算放大器的一個輸入和一個輸出級之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:穩(wěn)壓器電路還包括一個第三電阻，其連接在所述運算放大器的反相輸入端和同相輸入端之間；其中的頻率補償電容全部形成在所述集成電路內(nèi)；所述電容器包括擴散下層，絕緣層和導電材料覆蓋所述絕緣體形成的上層。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:穩(wěn)壓器電路還包括一個誤差放大器，其第一輸入端子連接到所述跨導放大器的輸出端、第二輸入端連接到一個參考電壓，并且具有一個連接到所述開關電路的輸出端。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種用于集成開關穩(wěn)壓器的超前相位補償電路，其特征是:所述開關電路包括一個矩形波的波形發(fā)生器，其占空比相關于所述誤差放大器輸出的振幅，這個波形發(fā)生器連接到一個開關的控制端，以使輸出過濾器周期性地連接到電源電壓；輸出濾波器包括一個電感和電容網(wǎng)絡；所述跨導放大器的第一輸入端被連接到一個分壓器，這個分壓器將所述輸出濾波器的輸出進行分壓；所述跨導放大器的第一輸入端是同相輸入端，而第二輸入端是反相輸入端；輸出濾波器會引起穩(wěn)壓器反饋回路的相位滯后，所述超前相位補償電路將補償所述反饋回路的相位滯后。
【文檔編號】H03F3/45GK203813660SQ201320760556
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司