采用功率SENSEFET实现V／I变换电路的设计

作者：罗鹏，张树春，王慧，李庆委

引言

固定频率峰值电流模式PWM（Pulse WidthModulation）DC-DC变换器同传统的电压模式控制相比，具有瞬态响应好，输出精度高，带载能力强等优点，因而被广泛应用。作为重要的vwin 单元，斜坡补偿电路和电流采样电路是电流模式PWM控制的根基，对电流模式控制中电流环路的稳定性起着重要作用。

1 电路结构

图1所示是典型峰值电流模式PWM Boost DC-DC控制系统的结构框图。当电压外环的电压反馈信号经过误差放大器放大得到的误差信号VE送至PWM比较器后，将与电流内环的一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的三角波或梯形尖角状合成波信号VE比较，从而得到PWM脉冲关断阈值。即：

在（1）式中：第一项为斜坡补偿部分，用于保证电流环路的稳定；第二项反映了电感电流的大小，通常由电流采样电路产生；第三项用于产生一个固定的基础电平，以为PWM比较器输入端图1 典型峰值电流模式PWMBoostDC—DC控制系统框图提供一个合适的直流工作点。

因此，峰值电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是通过控制峰值输出端的电感电流大小，然后来间接地控制PWM脉冲宽度。

但是，电流模式的结构决定了其应用时存在电流内环在占空比大于50％时的开环不稳定现象、亚谐波振荡、非理想的环路响应，以及容易受噪声影响等几个固有缺点。针对上述问题，在环路的补偿方式上，除了电压环路的RC串联补偿之外，还必须对电流环路进行补偿，以满足电流环路的稳定性要求。有效的解决方法是采用斜坡补偿技术，并在提高电流采样精度的同时降低采样损耗，以保证电流环路的稳定。

本文利用对振荡器充放电电容上的电压作V／I转换来得到稳定且斜率易于调节的补偿斜坡，同时采用功率SENSEFET作为采样器件，并结合设计简洁的V／I变换，使采样系数不受温度和工艺的影响，从而在得到较高精度采样值的同时，还减低了损耗。

2电路原理分析

2．1 斜坡补偿

图2给出了在误差信号VE上叠加斜坡补偿电压的方法。VE为电压反馈回路的误差放大信号，实线波形为未加扰动的电感电流，虚线为叠加△I0扰动量的电感电流，D为占空比，m1、m2分别为采样得到的等效电感电流的上升和续流斜率。

而经过n个周期后，由△I0引起的电流误差△In为：

由式（3）可以看出，当m250％时，电流误差△In将逐渐放大，从而导致系统不稳定。

图2（c）是D》50％时，叠加补偿电压后的电感电流波形。对于该波形，有：

显然，要使环路稳定，必须使△I1》m1）满足系统的开环稳定性要求。

图1所示的电路同时给出了在电流反馈电压上叠加斜坡补偿电压的方法。通过比较分析可知，两种补偿方法在效果上是等效的，但是第二种方法中的电路实现相对更简单，因此较为常用。

2．2 电流采样原理与方法

传统电流采样方法是在开关管的电流通路上串接检测电阻，这样不仅降低了DC-DC转换器的效率，而且对于传统工艺来说，制作这样的小电阻也很困难。为了弥补这些不足，本文在SENSEFET采样方法的基础上，加入了简洁的V／I变换电路，从而形成了一种结构简单且精度较高的采样电路，其电路主体如图l中的采样电路所示。其中MM为POWER FET，其宽长比设计的非常大，可以减小其导通阻抗（本电路的典型值为150 mΩ）；Ms为SENSE FET；检测电阻RSEN可利用工作在线性区MOS管的导通阻抗特性，使其宽长比与Ms相同，因此，导通阻抗与Ms的相等，记为RSEN。为了减小采样损耗，一般必须使（W／L）MM50％），加入斜坡补偿的仿真波形。

其中，图5（a）是电感实际的电流波形。其电感电流峰值为Iinductor_PEAK=1．796 A；图5（b）是采样得到的电感电流波形，其采样电感电流峰值为Isensc_PEAK=10．505μA。

由于设计中的典型值R2=R3=10 kΩ，RDS（MM）=150 mΩ，RDS（MS）=15 Ω，n=100，故其电流采样系数α为：7．5x10-6，采样精度为77．9％。

图5（c）是斜坡补偿电路产生的斜坡电流波形，实测的补偿斜坡的斜率为5．487 A／s，时钟CLK为1．2 MHz，占空比为85．7％，T1=685．563 ns。由于本设计中的典型值为：

V1=0．4 V，V2=1 V，R=65 kΩ。

故可得其补偿斜坡的斜率为：m=6．732 A／s。

因此可知，本设计的补偿斜坡已经达到较高精度（81．5％），可以满足设计要求；

图5（d）是电感电流采样值与补偿斜坡的合成波形。可以看出，其斜坡补偿的加入有效的抑制了亚谐波振荡。

5 结束语

本文针对峰值电流模式DC-DC转换器固有的不稳定性，设计了斜坡补偿电路。采用固定斜率补偿技术，虽然在小占空比条件下会减弱电流模式PWM控制的优点，但其电路结构简单，容易调节，可降低设计难度，同时针对一般的便携式设备，完全可以满足应用要求；而电流采样电路使用SENSE FET，同时结合缓冲级和V／I转换电路，可在采样精度得到提高的同时减小损耗。因此，本设计中的两个V／I转换电路可以较好地移植到其它DC-DC变换器电路中。

目前，本电路已经应用在一款升压型DC-DC芯片中，并且已经完成了前期仿真。仿真结果达到了预期要求，证明了该电路的可行性。

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