降压型DCDC中自适应斜坡补偿电路的设计概要

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。

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研究生签名：蘸杰兰至导师签名：差重；日期：。

，￡兰丝第一章绪论第一章绪论１．１课题研究背景和意义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二Ｉ：作和生活的关系日益密切，而所有电子设备都离不开可靠的电源，由此带来了电源管理技术的腾飞。

电源及电源管理ＩＣ的某些应用市场预计在未来５年内将以１６．１９％的速率增长。

电源管理芯片厂商与整机厂商及相关供应商必须密切配合，开发效率更高、体积更小、更高集成度的解决方案，才能应对新的挑战【¨。

电源及电源管理ＩＣ市场近年来经历了持续高速增长，它已经从过去不太复杂的分立电子电路演变为当今具有较强功能的集成电路模块：电源稳压的方式，由传统的线性稳压发展剑今天的非线性开关稳压，稳压电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去依附其它电子设备的状态。

逐渐演变成为一个独立的电路系统门类。

在微电子技术日益发展的今天，各种电子系统更是如雨后春笋般的涌现。

对于便携式的应用，为了方便人们的携带，对性能和待机时间延长的要求在日益提高。

这就要求更高效率的直流电压转换器，在常用的ＩＸ；．ＤＣ、ＬＤＯ、电荷泵等直流电压转换器中，ＩＸ：．ＤＣ转换器的效率最高。

尤其是在采用同步整流时，其转换效率可以达到８５．９５％１２，３．４ｌ。

ＤＣ．ＤＣ开关电源利用电感作为储能元件，为负载提供持续不断的电流，并且能够提供大的负载驱动电流，变化比较灵活，通过不同的拓扑结构Ｂｕｃｋ、Ｂｏｏｓｔ、Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ、Ｃｕｋ等可以实现降压、升压、升降压和电压翻转等功制５１，如下图１．１．１所示：图１．１．１、ＤＣ．ＤＣ开关电源拓扑结构ＤＣ．ＤＣ电源变换器是应用于电子设备中的一种重要结构，它以其不可替代的作用稳固地占据电源管理ＩＣ市场的一席，但是要进一步适应现今电子设备日新月异的发展，还需要不断改进其性能及可靠性【６．７Ｊ。

而且随着便携式电子产品的发展，对电源的要求也越来越高，尤其是对高可靠性和快速动态响应的追求。

开关电源使用的电容、电感以及功率ＭＯＳ等元器件其寿命决定了开关电源的寿命。

同时具备良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应。

在系统结构方面采用电流模控制方式，引入电流反馈，改造系统的开环频率特性，电压环的开环传递函数不再有低频共轭极点，频率特性曲线也没有高的谐振峰，电压环可选较高的开环增益，不仅使电路的补偿变得简单，同时也提高了系统的稳定性，进～步提高了系统的高可靠性。

开关电源中采用峰值电流控制可以对电感的峰值电流进行逐个脉冲限制，简化了过载保护和短路保护。

总而言之，高可靠性能电源模块的实现将会给便携应用市场带来新的发展契机，会给人们带来Ｉ东南人学硕，ｆ：学位论文更多功能强大、高效、操作简便的各类电子产品。

１．２国内外研究发展现状电源是一切电子设备的动力心脏【引，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性。

当代高性能开关电源系统普遍采用基于峰值电流控制的电流模反馈结构反馈，反馈环路包括电流内环与电压外环１９Ｊ。

电压外环针对功率级中“控制到输出”的传输特性进行补偿，由于“控制到输出”传输函数的极点为ＬＣ滤波网络决定的一对共轭复极点，其较低的特征频率决定了电压外环回路的带宽，限制了系统瞬态调节性能的提高。