交换式电源转换器内建补偿电路系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及电源管理，更确切地说，是设计一种带有高精度运算放大器的用 于电源管理的交换式电源转换器内建补偿电路系统。
【背景技术】
[0002] 在常规的电源管理系统中，交换式电源转换器通常是一个闭回路系统，一般结构 至少包含一个电感L及输出电容C，这种LC回路中必定会产生双重极点（Pole)，若没有把 频率补偿好，则系统会不穏定，大部份的频率补偿都由运算放大器（0PA)来实现。如图1A所 示为一个直流_直流降压转换器系统，通常的频率补偿方法有TypeI、TypeII与TypeIII 型，关于DC-DC这三种类型的补偿网络，可以参见申请号为201310208472. 1的中国专利申 请。无论是使用那一种方式做频率补偿都需要大电容值才能使系统具有较佳的穏定状态， 但是试图在硅衬底的集成电路（1C)内做一取值较大的大电容器是很难的，会占用大量的有 效面积，此外，还有些专利或其他文献是在线路上做一些技巧使得电容器的电容值放大以 达到频率补偿。
[0003]图1A是现有技术的一个简略的降压转换器系统，该系统中大体上包括主开关转 换器和接在主开关转换器输出端的负载R，在控制器和主开关转换器之间稱合有一个控制 器，控制主开关转换器的开关晶体管Q，开关晶体管Q的输入端接输入电压Vg(t)，开关晶 体管Q的输出端接电感，电感的另一端输出期望的输出电压，在电感的输出端还耦合有一 个滤波电容C，有时候也选择在电感的输入端耦合一个二极管，起到续流的作用。开关晶体 管Q的栅极受到控制器的输出开关信号的控制，选择开关状态，而控制器则根据由负载部 分的反馈信号来判断输出开关信号的电位。具体而言，反馈电压V和预定的参考电压Vref 进行对比，比较结果传送给补偿器，在补偿器的输出端产生补偿电压信号Vc(t)，Vc(t)与 时间的函数关系，在图1C中有所展示。控制器的脉冲宽度调制器接收Vc(t)信号并依据 它而发送脉冲信号S(t)给晶体管门极驱动器，晶体管门极驱动器输出的高低电平控制晶 体管Q是否关断输入电压Vg(t)输出到开关转换器，脉冲信号S(t)与时间的函数关系 在图1B中有所展示。籍此来实现控制负载R两端的电压V(t)的取值。
[0004] 图1D大体上示意出了电源转换器的传递函数关系，详细而言，系统在传递函数的 关系中包含了以下函数关系式：
[0007] 另外，图1E还展示了双极点-双零点TypeIII型的频率补偿方法，参考电压Vref 和反馈电压分别输入至比较器的正、负输入端，在比较器的负输入端和输出端之间连接有 串接的电容C1、电阻R2,以及连接有一个电容C2,在反馈网络ZFB中，电容C1、电阻R2先 串联后再作为一个整体与电容C2并联。在反馈网络ZIN中，在比较器的负输入端和输出端Vout之间连接有串接的电容C3、电阻R3,和连接有一个电阻R1，电容C3、电阻R3先串联后 再作为一个整体与电阻R1并联。这种补偿网络中有以下函数关系，其中的零点极点结果尤 其值得我们予以关注：
[0011] -般在降压转换器（BuckConverter)中，开环回路频率响应会在1/^/lC*产生两 个极点（Pole)，和在输出电容C及它的等效串联电阻ESR产生一个零点（Zero)。一般电解 电容会在1/VZU所产生零点会在所产生两个极点之后，一般的运算放大器会在低频时就产 生一个极点，若此运算放大器若没在1/VTZ7之前产生一个零点，则频率响应会有三个极点 相邻，则系统会进入不穏定状态。
【发明内容】
[0012] 在本发明的一种交换式电源转换器的内建补偿电路系统中，包括一个运算放大 器，该运算放大器包括：一个差分输入级，用于比较两个输入电压信号INN、INP; -个缓冲 器，将差分输入级的两个输出信号以源极跟随的方式转换输出；一个中间级差分模块，用于 接收缓冲器输出的两个源极跟随信号之后产生单边差动输出信号；一个输出级，放大所述 差动输出信号并在输出级输出端产生输出电压。
[0013] 上述内建补偿电路系统，差分输入级包括P型差分晶体管对Mil、M12,晶体管对 M11、M12各自的栅极分别接收一对输入电压信号INN、INP。
[0014] 上述内建补偿电路系统，缓冲器包括接收差分输入级的两个输出信号的N型晶体 管M7、M10,完成差分输入级的两个输出信号的电平下降转移。
[0015] 上述内建补偿电路系统，中间级差分模块包括P型晶体管对M8、M9,它们各自的栅 极分别对应接收缓冲器输出的一组源极跟随信号。
[0016] 上述内建补偿电路系统，包括一个连接在输出级输入端和输出端之间的RC网络， RC网络中一个电阻R2和一个电容C1串联。
[0017] 上述内建补偿电路系统，包括一个反馈电阻R1，连接在中间级差分模块的差分晶 体管对中一个晶体管的栅极和输出级的输出端之间。
[0018] 上述内建补偿电路系统，中间级差分模块的差分晶体管对中栅极未连接电阻R1 的一个晶体管上的输出信号耦合到输出级的一个放大晶体管的输入端上。
[0019] 上述内建补偿电路系统，差分晶体管对Mil、M12各自的漏极连接接地端，晶体管 Mil、M12各自的源极和电源电压之间对应分别连接有P型晶体管M3、M4,晶体管M3、M4均 形成一个电流源IB的镜像电流，分别为晶体管M11、M12提供静态电流。
[0020] 上述内建补偿电路系统，晶体管M7、M10各自的漏极连接电源电压，晶体管M7、M10 各自的源极和接地端之间对应分别连接有N型晶体管M14、M15,晶体管M14、M15均形成一 个电流源IB的镜像电流，分别为晶体管M7、M10提供静态电流。
[0021] 上述内建补偿电路系统，中间级差分模块还包括一个P型的尾电流源晶体管M5， 晶体管M5的源极连接到电源电压且漏极连接到晶体管M8、M9的源极，N型负载晶体管M16、 Ml7分别对应连接在晶体管M8、M9和接地端之间。
[0022] -个实施例中，运算放大器的增益设定为40DB。一个实施例中，运算放大器的极点 频率是振荡频率Fosc的1/5至1/2。
[0023] 上述内建补偿电路系统，所述运算放大器产生的一个极点在一LC电路的输出电 容C和该电容C的一个等效串联电阻ESR所产生的零点之后，并在交换式电源转换器的振 荡频率Fosc之前；其中，LC电路的输出负载电压Vload或者输出负载电压Vload的一个分 压作为输入电压信号INN反馈耦合到运算放大器的反向输入端。
[0024] 上述内建补偿电路系统，其特征在于，所述输出电容C产生高频零点时，以负载电 压Vload的一个分压作为输入电压信号INN反馈耦合到运算放大器的反向输入端，并在分 压器的用于采样分压的一个分压电阻上并联一个电容，籍此增加一个零点来稳定交换式电 源转换器。
【附图说明】
[0025] 阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的特征和优势将显而易见：
[0026] 图1A~1D是常规电源转换器的结构及传递函数关系；
[0027] 图1E是双极点-双零点TypeIII型的频率补偿方法；
[0028] 图2A是本发明放大器的电路图；
[0029] 图2B是转换器开环回路的频率响应示意图；
[0030] 图2C是运算放大器的频率响应不意图；
[0031] 图2D是降压型转换器闭环回路的频率响应示意图。
[0032] 图3是采用分压作为反馈电压时在分压电阻上并联一个电阻。
【具体实施方式】
[0033] 在图2A所示的运算放大器的实施例中，在一个电流源模块100中，包括提供的理 想偏置电流源IB，流经电流源模块100的一个P-型晶体管M1，晶体管Ml的漏极接到栅极， 体现出M0S二极管结构，电流源模块100中还包括串联连接在一起的一个P-型晶体管M2 和一个N-型晶体管M13,晶体管Ml、M2的源极都连接到电源电压，但M0S二极管结构的晶 体管M13的源极连接到接地端GND。晶体管M2的漏极连接到晶体管M13的漏极，流过晶体 管M2、M13的电流完全相同，而晶体管M2的栅极连接到晶体管Ml构成电流镜结构，将偏置 电流IB镜像到晶体管Ml。电流源模块100为其他模块或单元提供镜像电流