一種提高DC―DC瞬態(tài)響應的誤差放大器設計

便攜式消費類電子產(chǎn)品的深入發(fā)展對電源的要求越來越高，電流模DC—DC轉換器具有輸入范圍寬、轉化效率高、輸出功率大等優(yōu)點，被廣泛應用于智能手機，PDA等便攜式電子產(chǎn)品中。由于這些移動設備的功能的不斷豐富，要求負載電流的動態(tài)范圍也越來越大，這就對供電電源的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

近年來，許多改善電流模DC—DC瞬態(tài)響應方案被提出。例如文獻提出在補償電路引入新的零點和極點來抵消控制環(huán)路的零極點。雖然文中的轉換器獲得了足夠的相位裕度，但這種設想并沒有得到實驗的驗證。文獻提出了一種針對線性穩(wěn)壓器的零極點跟蹤頻率補償，但由于控制策略不同，這種方法并不適合脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制環(huán)路。文獻提出了一種數(shù)字控制方案，但設計芯片的模數(shù)轉換部分開銷較大。本文在分析電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩(wěn)定性的基礎上提出了一種新穎的控制策略。用采樣電路采樣電感電流，將所得值與一系列基準電壓進行比較，所得比較結果控制誤差放大器輸出級和補償電阻。這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)的主極點和主零點動態(tài)地隨負載電流調(diào)整。

1 電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩(wěn)定性分析

從圖1中Buck型DC—DC的拓撲結構來看，輸入電壓Vin到輸出電壓Vout之間經(jīng)歷了一個LC濾波網(wǎng)絡。假設電感和電容是理想情況，得出該濾波網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)

由等式(2)可見LC濾波網(wǎng)絡存在共軛雙極點。小信號時，電流流經(jīng)該濾波器會在共軛雙極點處發(fā)生180°相移，從而導致系統(tǒng)振蕩。

DC—DC控制方式分為電壓模和電流模兩種。電壓?？刂品绞竭m用于高頻系統(tǒng)中，抗噪性好。但電壓?？刂品绞降娜秉c是環(huán)路補償復雜，且系統(tǒng)的瞬態(tài)響應差。電流模控制方式是在原電壓控制環(huán)的基礎上添加了一個電流控制環(huán)，實現(xiàn)雙環(huán)控制。用采樣電路對電感電流進行峰值采樣，將采樣的結果與誤差放大器的補償端進行比較，比較結果用于調(diào)節(jié)開關信號的占空比，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出。由于調(diào)整信號沒有經(jīng)過LC濾波器，避免了LC濾波器的共軛雙極點帶來的困擾。

通過對圖1進行小信號建模得出，在忽略輸出電容寄生效應的前提下，要使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，必須在補償模塊中出現(xiàn)一個極點和一個零點，其中極點盡可能靠近原點，零點用于補償位于輸出級的極點，從而使整個系統(tǒng)成為一個穩(wěn)定的單極點系統(tǒng)。圖2所示的由誤差放大器和電阻電容組成的補償網(wǎng)絡可以實現(xiàn)這一要求。圖2(b)為圖2(a)的小信號模型。

其中，r0為誤差放大器的輸出阻抗;RCCc為補償電阻和補償電容;AV為運放開環(huán)增益。添加補償網(wǎng)絡后，系統(tǒng)的頻率響應曲線如圖3所示。誤差放大器將ωp1往前推，作為主極點。同時引入了一個零點ωz，補償了位于次主極點損失的相位裕度，使系統(tǒng)成為一個穩(wěn)定的單極點系統(tǒng)。ωp2為位于輸出端的次主極點。由負載電阻和輸出電阻決定。

2 改進的誤差放大器設計

在電流模Buck型DC—DC系統(tǒng)中，誤差放大器作為反饋回路檢測輸出負載變化的信息，并反映到系統(tǒng)中去。從式(4)得到誤差放大器的輸出阻抗，確定系統(tǒng)主極點的位置，從而得出環(huán)路的瞬態(tài)響應。

當要求系統(tǒng)的負載電流變化范圍較大且較快速時，通常設置的零極點由于不能隨著負載電流的變化而做出調(diào)整，使系統(tǒng)的帶寬被限定在某一固定值，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。設想如果系統(tǒng)的零極點位置隨著負載電流的變化而動態(tài)調(diào)整時，系統(tǒng)的相位裕度就會較固定，從而改善系統(tǒng)在負載電流變化情況下的瞬態(tài)響應。

圖3為設計的誤差放大器，采用常用的OTA結構。M1、M2為運放的差分輸入端，M3、M4，M5、M6為共源共柵結構作為輸出端以提高運放第一級的增益。M7、M8，M9、M10，為第二級共源共柵的輸入，M11、M12，M13、M14為第二級負載。M15、M16，為運放的偏置電流。虛線框內(nèi)為選擇性添加的電路。例如，當開關S1導通時，S1所在的支路則添加到右邊電路中。S1的導通與關斷由圖4給出。

當開關S1，S2，…，Sn均關斷時，運放的輸出阻抗為

3 開關控制邏輯設計

誤差放大器中控制開關的導通實現(xiàn)了系統(tǒng)零極點的動態(tài)調(diào)整。而開關何時導通則由電感電流幅度決定。

該控制電路主要由比較器和邏輯驅(qū)動電路構成。Vsense為采樣的電感電流轉換成的電壓，其反映了電感電流的變化。Buck型DC—DC轉換器中電感電流的平均值等于負載電流，本文檢測電感電流相當于檢測了負載電流。Vref_1，Vref_2，…，Vref_n。為門限電壓，Vref_1Vref_1，但>Vref_2時，比較結果通過邏輯驅(qū)動產(chǎn)生S1導通信號。當采樣電流Vsense>Vref_1和Vref_2，但>Vref_3時，產(chǎn)生S2導通信號，以此類推，實現(xiàn)了誤差放大器的輸出阻抗和補償電阻，負載電流的變化而調(diào)整。

4 測試結果

采用以上結構的電流模Buck型DC—DC基于某廠家0.5μm標準CMOS工藝進行流片。并在以下條件下測試：片外電感L=5.6μH，輸出電容Cout=47μF，輸入電壓Vin=12 V，輸出電壓Vout=3.3 V，負載電流Iout=1.5 A，室溫25℃。圖6(a)所示，當負載電流Iout由1.5 A跳變到3 A時，輸出電壓的上沖或下沖約為100 mV。圖6(b)所示為采用此結構誤差放大器的DC—DC在同等條件下的測試圖，此時上沖或下沖約為50 mV?？梢娛褂迷撾娐方Y構的誤差放大器明顯改善了當負載電流跳變時的瞬態(tài)響應。

5 結束語

設計了一種誤差放大器，其輸出級電路和補償電阻均采用自適應的方式，實現(xiàn)了隨著負載電流的變化而自動調(diào)整。實現(xiàn)了環(huán)路的動態(tài)補償，提高了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。電路的調(diào)整由開關控制電路實現(xiàn)，將采樣所得的電流與門限電壓相比較產(chǎn)生修調(diào)信號。測試結果顯示，該設計提高了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。