一种高稳定性反激式dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高稳定性反激式DC-DC变换器，该变换器在反激式拓扑中采用了电压和电流两个反馈环路，使得变换器装置的瞬态响应加快。并采用了新型的频率补偿电路。其中频率补偿电路主要包括误差放大器、密勒电容控制单元和动态零点控制单元。通过米勒电容控制单元，可以使用较小的补偿电容代替传统主极点补偿中的大补偿电容，这样既节省了面积又提高系统瞬态响应。通过动态零点控制单元，可以使引入的零点在输出有波动的情况下很好的抵消系统的第一非主极点，保证系统的稳定性。本实用新型能够使补偿电阻和电容均集成于芯片之上，实现内部补偿，节省了芯片的面积；同时电路结构简单，可靠性好，并且相位裕度能达到90°，系统的稳定性很好。
【专利说明】一种高稳定性反激式DC-DC变换器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于开关电源【技术领域】，特别涉及一种高稳定性反激式DC-DC变换器。
【背景技术】
[0002]在便携式电子产品中，系统的各个部分对于工作电源的要求不尽相同，而且各个部分的供电电源一般都是单独供应的，这样能最大可能的保持各个部分的独立。反激式(Fly-back)开关电源结构在便携式电子产品中应用很广泛，主要是因为反激式开关电源的结构简单，所用器件少能大量节约成本，同时更重要的是，反激式开关电源很容易实现多输出，这样通过一个反激式的开关电源控制电路就能实现多种不同电源的输出，这样也能降低电路的复杂度，减小电源的空间，提高便携式电子产品的集成度，进一步减少成本。
[0003]传统的反激式变换器的反馈环路采用电压控制环，此种反馈环路的优点是电路结构简单且易于设计，但其缺点也很明显，即动态响应速度慢，不能满足高速应用要求。为了提高系统的动态响应速度，需要在原有的电压反馈环基础上加入电流反馈环路。在电流反馈环路中，采样到的反馈信号无需通过瞬态效应较慢的误差放大器，直接加到PWM比较器一端，实现对输出信号的控制。因此，加入电流反馈环路后能较大的提高系统的瞬态响应速度。
[0004]然而，在额外加入电流控制环路后，变换器的稳定性会存在较大的问题。在电流控制模式中，控制环路由电压控制环和电流控制环组成，当系统的占空比大于50%时，电流控制环就会不稳定。
[0005]为了分析加入电流控制环路后反激式变换器的系统稳定性，应从其闭环传输函数进行分析。为了简化分析，把`反馈网络和频率补偿电路去掉，则其剩下部分的传输函数为:
【权利要求】
1.一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，包括变压器T、功率开关管Sn、LC滤波网络、电阻反馈网络、电流检测单元、误差放大器及其频率补偿电路、PWM调制器控制与驱动电路；其中功率开关管Sn连接到输入电源端和逻辑控制与驱动电路；变压器T的输出接到LC滤波网络，输入接到电源输入端；LC滤波网络的输出端分别接有电阻反馈网络和电流检测单元；误差放大器相应的频率补偿电路接在误差放大器的输出端；误差放大器负向输入端接有电阻采样网络的输出，正向输入端接基准电压Vref，其输出端接到PWM调制器的输入端；PWM调制器的输入端分别接有误差放大器的输出和电流检测单元的输出，输出端接的是逻辑控制与驱动电路；振荡器OSC分别给PWM调制器和逻辑控制与驱动电路提供时钟。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，LC滤波器网络包括滤波电感L、滤波电容Co，电阻为滤波电容Co的等效电阻，与滤波电容相串联；所述滤波电容Co和等效电阻串联后跨接在滤波电感L和地之间；所述滤波电感L 一端连接前级变压器网络T的输出，另一端和滤波电容Co及其等效串联电阻相连并作为LC滤波器网络的输出。
3.根据权利要求2所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，电流检测网络包括采样电阻Rsmse,第一分压电阻组RS1、RS2，第二分压电阻组RS3、RS4，反馈电阻Rf和误差放大器EA ；电阻Rsense两端分别接有分压电阻Rsi和分压电阻Rs3 ;分压电阻Rs2和分压电阻Rsi相串联，另一端接地；分压电阻Rs4和分压电阻Rs3相串联，另一端接地；误差放大器的正输入端接在分压电阻Rs2和分压电阻Rsi之间，负输入端接在分压电阻Rs3和分压电阻Rs4之间，输出即为采样电压Vsmse ;反馈电阻Rf跨接在误差放大器负输入端和输出之间。
4.根据权利要求3所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，PWM调制器电路连接方式如下:电流源Ib的正极连接到电源电压，负极连接到NMOS管M0的漏端；NM0S管M0的栅端与其漏端相连，并与NMOS管M5的栅端相连，Mtl源端接地；NM0S管M5漏端与NMOS管M1源端相连，M5源端接 地；NM0S管M6漏端与NMOS管M7漏端相连，M6源端接地；NM0S管M1和NMOS管M2栅端分别是PWM调制器的两个输入端，漏端分别接PMOS管M3和PMOS管M4的漏端，PMOS管M3漏端与栅端短接，源端接正电源；PM0S管M4栅端接PMOS管M3栅端，源端接正电源；PM0S管M7栅端接PMOS管M4漏端，源端接正电源，漏端接NMOS管M6的漏端；PMOS管M8栅端接PMOS管M7漏端，源端接正电源，漏端接NMOS管M9漏端；NM0S管M9栅端接PMOS管M7漏端，源端接地，漏端接PMOS管M8漏端；PM0S管Mltl栅端接PMOS管M8漏端，源端接正电源，漏端接NMOS管M11漏端；NM0S管M11栅端接PMOS管M8漏端，源端接地，漏端接PMOS管MlO的漏端。
5.根据权利要求4所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，频率补偿电路包括密勒电容控制单元和动态零点控制单元；所述密勒电容控制单元包括电容Cm和电流放大器；电流放大器包括NMOS管Ma-Mra, NMOS管Mc1-Mcn栅端连接在一起，它们有相同的偏置电压Vb ；NM0S管Mc1-Mcn漏端连接在一起，最后连到误差放大器输出端V。；NM0S管Mc1-Mcn源端连接在一起，与电容Cm相连。
6.根据权利要求5所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，动态零点控制单元连接方式如下:运放A1的两输入端分别接在电容Cm和电阻R1，输出端接在NMOS管M12的栅端；NM0S管Mni漏端接电容C111,栅端接电阻R2,源端接地；电阻R1 —端接地，一端接运放A1输入；NMOS管M12漏端接运放A3的输入端，源端接电阻R1的一端；运放A3两输入端分别接M12漏端和NMOS管M13漏端，输出端分别接PMOS管M14和PMOS管M15的栅端；NM0S管M13栅端接NMOS管M12栅端，源端接电阻R2 —端；PM0S管M14的栅端和PMOS管M15的栅端相连后接运放A3的输出，漏端分别接运放A3的两个输入端，PMOS管M14和PMOS管M15源端都与正电源相连；电阻R2 —端与NMOS管M13和NMOS管M16源端相连，另一端接地；NM0S管M16源端与NMOS管M13源端相连，栅端与NMOS管M17栅端相连，漏端接到运放A4的一个输入端；运放A4的两个输入端分别接到NMOS管M16和NMOS管M17的漏端，输出接到PMOS管M18和PMOS管M19的栅端；NM0S管M17的源端接电阻R3的一端，栅端接到运放A2的输出端，漏端接到运放A4的输入端；电阻R3的一端接M17的源端，另一端接地；PM0S管M18和PMOS管M19的栅端相连，漏端分别接到运放A4的输入端，源端都接到正电源；运放A2的两输入端分别接NMOS管M17的源端和NMOS管M2tl的栅端，输出端接到NMOS管M17的栅端；NM0S管M2tl的源端接到电阻Rs的一端，栅端接运放A2的输入端，漏端接到电阻R4的一端；电阻R4的一端接正电源，另一端接NMOS管M20的漏端；电阻Rs的一端接NMOS管M2tl的源端，另一端接地；电流源Is的一端接正电源，另一端接NMOS管M2tl的源端；运放A1、A2、A3、A4均采用误差放大器。
7.根据权利要求6所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，误差放大器电路包括偏置电路、差分输入对电路和负载级放大电路； 所述偏置电路包括其正极连接到电源电压的电流源Ibias,电流源Ibias负极连接到NMOS晶体管Mbl的漏极；晶体管Mbl的漏极连接到电流源上，栅极连接到NMOS晶体管Mb4的栅极上，源极连接到NMOS晶体管Mb2的漏极；晶体管Mb2的漏极连接到晶体管Mbl的源级,栅极连接到晶体管Mbl的漏极上，源极连接到地；NM0S晶体管Mb3的漏极连接到晶体管Mb4的源极，栅极连接到晶体 管Mb2的栅极，源极连接到地；NM0S晶体管Mb4的漏极连接到PMOS晶体管Mb5的漏极，栅极连接到NMOS晶体管Mbl的栅极，源极连接到NMOS晶体管Mb3的漏极；PM0S晶体管Mb5的漏极连接到NMOS晶体管Mb4的漏极，栅极连接到PMOS晶体管M27的栅极，源极连接到电源电压；NM0S晶体管Mb6的漏极连接到NMOS晶体管Mb7的源级，栅极连接到NMOS晶体管Mb2的栅极，源极连接到地；NM0S晶体管Mb7的漏极连接到PMOS晶体管Mb8的漏极，栅极连接到NMOS晶体管Mb4的栅极，源极连接到NMOS晶体管Mb6的漏极；PMOS晶体管Mb8的漏极连接到NMOS晶体管Mb7的漏极，栅极连接到其漏极，源极连接到电源电压；PM0S晶体管Mb9的漏极连接到PMOS晶体管M21的源级，栅极连接PMOS晶体管Mb8的栅极，源极连接到电源电压。
8.根据权利要求7所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，所述电阻反馈网络包括两个串联的反馈电阻Rfl和反馈电阻Rf2，电阻Rfl —端接LC滤波网络101的输出，另一端接电阻Rf2 ;电阻Rf2 —段接电阻Rf 1，另一端接地；差分对输入电路包括第一输入PMOS管M21、第二输入PMOS管M22 ;第一输入PMOS管M21的漏极连接到M25的漏极，栅极连接电阻反馈网络中反馈电阻Rfl和反馈电阻Rf2之间，源极连接晶体管Mb9的漏极；第二输入PMOS管M22的漏极连接到晶体管M26的漏极，栅极连接到基准电压，源极连接到晶体管Mb9的漏极。
9.根据权利要求8所述的一种高稳定性反激式DC-DC变换器，其特征在于，负载级放大电路的连接方式是，NMOS晶体管M25的漏极连接到PMOS晶体管M27的漏极，栅极连接NMOS晶体管Mbl的栅极，源极连接到NMOS晶体管M23的漏极；NM0S晶体管M26的漏极连接到PMOS晶体管M28的漏极，栅极连接到NMOS晶体管M25的栅极，源极连接到NMOS晶体管M24的漏极；NM0S晶体管M23的漏极连接到NMOS晶体管M25的源极，栅极连接到晶体管Mb2的栅极，源极连接到地；NM0S晶体管M24的漏极连接到NMOS晶体管M26的源极，栅极连接到NMOS晶体管M23的栅极，源极连接到地；PM0S晶体管M27的漏极连接到NMOS晶体管M25的漏极，栅极连接到PMOS晶体管Mb5的栅极，源极连接到PMOS晶体管M29的漏极；PM0S晶体管M28的漏极连接到NMOS晶体管M26的漏极，栅极连接到PMOS晶体管M27的栅极，源极连接到PMOS晶体管M30的漏极；PM0S晶体管M29的漏极连接到PMOS晶体管M27的源极，栅极连接到PMOS晶体管M27的漏极，源极连接到电源电压；PM0S晶体管M30的漏极连接到PMOS 晶体管M28的源极，栅极连接到PMOS晶体管M29的栅极，源极连接到电源电压。
【文档编号】H02M1/12GK203423624SQ201320517586
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】江金光, 汪家轲, 王江鹏 申请人:武汉大学