作者：羅鵬，張樹春，王慧，李慶委?
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? ? ? ?引言

固定頻率峰值電流模式PWM（Pulse WidthModulation） DC-DC變換器同傳統的電壓模式控制相比，具有瞬態響應好，輸出精度高，帶載能力強等優點，因而被廣泛應用。作為重要的模擬單元，斜坡補償電路和電流采樣電路是電流模式PWM控制的根基，對電流模式控制中電流環路的穩定性起著重要作用。

1 電路結構

圖1所示是典型峰值電流模式PWM Boost DC-DC控制系統的結構框圖。當電壓外環的電壓反饋信號經過誤差放大器放大得到的誤差信號VE送至PWM比較器后，將與電流內環的一個變化的、其峰值代表輸出電感電流峰值的三角波或梯形尖角狀合成波信號VE比較，從而得到PWM脈沖關斷閾值。即：

在（1）式中：第一項為斜坡補償部分，用于保證電流環路的穩定；第二項反映了電感電流的大小，通常由電流采樣電路產生；第三項用于產生一個固定的基礎電平，以為PWM比較器輸入端圖1 典型峰值電流模式PWMBoostDC—DC控制系統框圖提供一個合適的直流工作點。

因此，峰值電流模式控制不是用電壓誤差信號直接控制PWM脈沖寬度，而是通過控制峰值輸出端的電感電流大小，然后來間接地控制PWM脈沖寬度。

但是，電流模式的結構決定了其應用時存在電流內環在占空比大于50％時的開環不穩定現象、亞諧波振蕩、非理想的環路響應，以及容易受噪聲影響等幾個固有缺點。針對上述問題，在環路的補償方式上，除了電壓環路的RC串聯補償之外，還必須對電流環路進行補償，以滿足電流環路的穩定性要求。有效的解決方法是采用斜坡補償技術，并在提高電流采樣精度的同時降低采樣損耗，以保證電流環路的穩定。

本文利用對振蕩器充放電電容上的電壓作V／I轉換來得到穩定且斜率易于調節的補償斜坡，同時采用功率SENSEFET作為采樣器件，并結合設計簡潔的V／I變換，使采樣系數不受溫度和工藝的影響，從而在得到較高精度采樣值的同時，還減低了損耗。

2 電路原理分析

2．1 斜坡補償

圖2給出了在誤差信號VE上疊加斜坡補償電壓的方法。VE為電壓反饋回路的誤差放大信號，實線波形為未加擾動的電感電流，虛線為疊加△I0擾動量的電感電流，D為占空比，m1、m2分別為采樣得到的等效電感電流的上升和續流斜率。

而經過n個周期后，由△I0引起的電流誤差△In為：

由式（3）可以看出，當m250％時，電流誤差△In將逐漸放大，從而導致系統不穩定。

圖2（c）是D》50％時，疊加補償電壓后的電感電流波形。對于該波形，有：

顯然，要使環路穩定，必須使△I1》m1）滿足系統的開環穩定性要求。

圖1所示的電路同時給出了在電流反饋電壓上疊加斜坡補償電壓的方法。通過比較分析可知，兩種補償方法在效果上是等效的，但是第二種方法中的電路實現相對更簡單，因此較為常用。

2．2 電流采樣原理與方法

傳統電流采樣方法是在開關管的電流通路上串接檢測電阻，這樣不僅降低了DC-DC轉換器的效率，而且對于傳統工藝來說，制作這樣的小電阻也很困難。為了彌補這些不足，本文在SENSEFET采樣方法的基礎上，加入了簡潔的V／I變換電路，從而形成了一種結構簡單且精度較高的采樣電路，其電路主體如圖l中的采樣電路所示。其中MM為POWER FET，其寬長比設計的非常大，可以減小其導通阻抗（本電路的典型值為150 mΩ）；Ms為SENSE FET；檢測電阻RSEN可利用工作在線性區MOS管的導通阻抗特性，使其寬長比與Ms相同，因此，導通阻抗與Ms的相等，記為RSEN。為了減小采樣損耗，一般必須使（W／L）MM50％），加入斜坡補償的仿真波形。

其中，圖5（a）是電感實際的電流波形。其電感電流峰值為Iinductor_PEAK=1．796 A；圖5（b）是采樣得到的電感電流波形，其采樣電感電流峰值為Isensc_PEAK=10．505μA。

由于設計中的典型值R2=R3=10 kΩ，RDS（MM）=150 mΩ，RDS（MS）=15 Ω，n=100，故其電流采樣系數α為：7．5x10-6，采樣精度為77．9％。

圖5（c）是斜坡補償電路產生的斜坡電流波形，實測的補償斜坡的斜率為5．487 A／s，時鐘CLK為1．2 MHz，占空比為85．7％，T1=685．563 ns。由于本設計中的典型值為：

V1=0．4 V，V2=1 V，R=65 kΩ。

故可得其補償斜坡的斜率為：m=6．732 A／s。

因此可知，本設計的補償斜坡已經達到較高精度（81．5％），可以滿足設計要求；

圖5（d）是電感電流采樣值與補償斜坡的合成波形。可以看出，其斜坡補償的加入有效的抑制了亞諧波振蕩。

5 結束語

本文針對峰值電流模式DC-DC轉換器固有的不穩定性，設計了斜坡補償電路。采用固定斜率補償技術，雖然在小占空比條件下會減弱電流模式PWM控制的優點，但其電路結構簡單，容易調節，可降低設計難度，同時針對一般的便攜式設備，完全可以滿足應用要求；而電流采樣電路使用SENSE FET，同時結合緩沖級和V／I轉換電路，可在采樣精度得到提高的同時減小損耗。因此，本設計中的兩個V／I轉換電路可以較好地移植到其它DC-DC變換器電路中。

目前，本電路已經應用在一款升壓型DC-DC芯片中，并且已經完成了前期仿真。仿真結果達到了預期要求，證明了該電路的可行性。

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