专利名称：一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种峰值电流控制模式芯片中的斜坡补偿技术，尤其是涉及一种 线性调节斜坡补偿电压斜率的系统。
背景技术：
峰值电流控制模式(PCM，Peak Current Model)是开关电源领域应用最广泛的控 制方式之一，其主要优点体现在(1)由于输出负载电流正比于电感电流，PCM实现了逐个 开关周期内控制输出电流，从而具有更优越的负载调整特性和抗输入电源扰动能力；(2) 具有瞬时峰值电流限流功能，不会因过流而使开关管损坏，大大减少了过载与短路的保护；整个反馈电路变成了一个一阶电路，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定 度得以提高且可改善频响环路的稳定性，易补偿；(4)输出电压纹波较小。但是，由于PCM中 输出负载电流与电感电流平均值成正比，而不是与电感电流峰值成正比，而电感电流平均 值与电感电流峰值之间存在差值，当开关电源系统的开关信号占空比大于50%时存在难以 校正的电感电流峰值与电感电流平均值的误差，开关电源系统开环不稳定。为了弥补这一 缺点，通常的做法是在电流采样信号上叠加一个正斜率的斜坡信号或者在误差放大器的输 出端叠加一个负斜率的斜坡信号加以补偿电感电流峰值和电感电流平均值之间的误差，使 开关电源系统的开关信号占空比大于50%的情况下保持开关电源系统环路稳定。然而传统 的斜坡补偿电压的斜率为一固定值，容易产生过补偿和欠补偿，如果斜坡补偿电压斜率太 大，则在大的占空比时易发生过补偿，从而将降低开关电源系统的带载能力；如果斜坡补偿 电压斜率太小，则在较小的占空比时易发生欠补偿，从而将降低开关电源系统稳定性和负 载调节能力。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种简单实用，能够根据峰值电流控制模 式芯片中的开关信号的占空比的大小线性的调节斜坡补偿电压的斜率，且不会产生过补偿 或欠补偿问题的系统。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为一种线性调节斜坡补偿电压 斜率的系统，包括占空比检测电路、电压电流转换电路、斜坡产生电路和基准电流源，所述 的占空比检测电路将输入的开关信号转换为与所述的开关信号成线性关系的电压信号，并 将所述的电压信号传输给所述的电压电流转换电路，所述的电压电流转换电路将所述的电 压信号线性的转换成第一电流信号并输出，所述的第一电流信号与所述的基准电流源相叠 加形成输入给所述的斜坡产生电路的第二电流信号，所述的斜坡产生电路输出斜坡补偿电 压，所述的斜坡补偿电压与所述的开关信号的占空比成线性关系。所述的占空比检测电路主要由反相器、第一 NMOS晶体管、第二 NMOS晶体管、第一 电阻和第一电容组成，所述的反相器的输入端接入所述的开关信号，所述的反相器的输出 端分别与所述的第一 NMOS晶体管的栅极和所述的第二 NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第一 NMOS晶体管的漏极接入基准电压，所述的第一 NMOS晶体管的源极与所述的第一电阻 的第一端相连接，所述的第二 NMOS晶体管的漏极与所述的第一电阻的第一端相连接，所述 的第二 NMOS晶体管的源极接地，所述的第一电容连接于所述的第一电阻的第二端与所述 的第二 NMOS晶体管的源极之间，所述的第一电阻与所述的第一电容的公共连接端输出与 所述的开关信号成线性关系的电压信号。所述的电压电流转换电路主要由低压差线性稳压器、第二电阻和第一电流镜组 成，所述的低压差线性稳压器包括运算放大器和第三NMOS晶体管，所述的第一电流镜包括 第四PMOS晶体管和第五PMOS晶体管，所述的运算放大器的正输入端接入所述的电压信号， 所述的运算放大器的输出端与所述的第三NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第三NMOS晶 体管的源极与所述的运算放大器的负输入端相连接，所述的第三NMOS晶体管的源极与所 述的运算放大器的负输入端的公共连接端与所述的第二电阻的第一端相连接，所述的第二 电阻的第二端接地，所述的第三NMOS晶体管的漏极分别与所述的第四PMOS晶体管的源极、 所述的第四PMOS晶体管的栅极及所述的第五PMOS晶体管的栅极相连接，所述的第四PMOS 晶体管的漏极和所述的第五PMOS晶体管的漏极分别接电源，所述的第五PMOS晶体管的源 极输出所述的第一电流信号。所述的斜坡产生电路主要由第二电流镜、第三电流镜、第十PMOS晶体管、第十一 NMOS晶体管及第二电容组成，所述的第二电流镜包括第六NMOS晶体管和第七NMOS晶体管， 所述的第三电流镜包括第八PMOS晶体管和第九PMOS晶体管，所述的第六NMOS晶体管的漏 极接入所述的第一电流信号，所述的第六NMOS晶体管的漏极分别与所述的基准电流源的 负极端、所述的第六NMOS晶体管的栅极及所述的第七NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第 六NMOS晶体管的源极和所述的第七NMOS晶体管的源极分别接地，所述的第七NMOS晶体管 的漏极分别与所述的第八PMOS晶体管的源极、所述的第八PMOS晶体管的栅极及所述的第 九PMOS晶体管的栅极相连接，所述的基准电流源的正极端、所述的第八PMOS晶体管的漏极 和所述的第九PMOS晶体管的漏极分别接电源，所述的第九PMOS晶体管的源极与所述的第 十PMOS晶体管的漏极相连接，所述的第十PMOS晶体管的栅极和所述的第十一 NMOS晶体管 的栅极分别接入用于控制所述的第二电容的充电时间的时钟信号，所述的第十PMOS晶体 管的源极与所述的第十一 NMOS晶体管的漏极相连接，所述的第十一 NMOS晶体管的源极接 地，所述的第二电容连接于所述的第十PMOS晶体管的源极与所述的第十一 NMOS晶体管的 漏极的公共连接端与所述的第十一 NMOS晶体管的源极之间，所述的第十PMOS晶体管的源 极、所述的第十一 NMOS晶体管的漏极及所述的第二电容的公共连接端输出所述的斜坡补 偿电压。与现有技术相比，本实用新型的优点在于通过设置占空比检测电路、电压电流转 换电路和斜坡产生电路，利用占空比检测电路将峰值电流控制模式芯片中的开关信号的占 空比转换为一个与开关信号的占空比成线性关系的电压信号，电压电流转换电路则把该电 压信号线性的转换成第一电流信号，第一电流信号与基准电流源叠加后形成的第二电流信 号经斜坡产生电路后得到斜坡补偿电压，实现了能够根据峰值电流控制模式芯片中的开关 信号的占空比的大小线性的调节斜坡补偿电压的斜率的功能，很好地解决了峰值电流控制 模式芯片中在低占空比时易发生过补偿，在高占空比时易发生欠补偿的问题，使得峰值电 流控制模式芯片在所有占空比工作范围内都具有良好的带载能力和负载调整能力。
图1为本实用新型系统的逻辑框图；图2为本实用新型的占空比检测电路原理图；图3为本实用新型的电压电流转换电路原理图；图4为本实用新型的斜坡产生电路及基准电流源的连接电路原理图；图5为本实用新型系统的整体电路原理图；图6为本实用新型中占空比检测电路的等效电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。如图所示，一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，包括占空比检测电路1、电压 电流转换电路2、斜坡产生电路3和基准电流源IB，占空比检测电路1将输入的开关信号Vl 转换为与开关信号Vl成线性关系的电压信号Vc，并将电压信号Vc传输给电压电流转换电 路2，电压电流转换电路2将电压信号Vc线性的转换成第一电流信号Ic并输出，第一电流 信号Ic与基准电流源IB相叠加形成输入给斜坡产生电路3的第二电流信号Ic2，斜坡产生 电路3经第二电流信号Ic2对其充电后得到斜坡补偿电压Vramp，斜坡补偿电压Vramp与开 关信号Vl的占空比成线性关系。在此具体实施例中，占空比检测电路1主要由反相器Ul、第一 NMOS晶体管Ml、第 二 NMOS晶体管M2、第一电阻Rl和第一电容Cl组成，反相器Ul的输入端接入开关信号VI， 在此开关信号Vl为一个周期为T、占空比为D的方波信号，反相器Ul的输出端分别与第一 NMOS晶体管Ml的栅极和第二 NMOS晶体管M2的栅极相连接，第一 NMOS晶体管Ml的漏极接 入基准电压V2，在此基准电压V2为常数，不同的峰值电流控制模式芯片中，V2的大小可调 节该芯片所需的斜坡补偿电压。第一 NMOS晶体管Ml的源极与第一电阻Rl的第一端相连 接，第二 NMOS晶体管M2的漏极与第一电阻Rl的第一端相连接，第二 NMOS晶体管M2的源 极接地，第一电容Cl连接于第一电阻Rl的第二端与第二 NMOS晶体管M2的源极之间，第一 电阻Rl与第一电容Cl的公共连接端输出与开关信号Vl成线性关系的电压信号Vc。当开关信号Vl在第η个周期内，且ηΤ彡t彡n(T+TXD)时，即当开关信号Vl为 高电平时，第一 NMOS晶体管Ml导通，而第二 NMOS晶体管M2关闭，此时第一 NMOS晶体管Ml 的源极和第二 NMOS晶体管M2的漏极的公共连接端的电位V3等于基准电压V2。当开关信 号Vl在第η个周期内，且η (Τ+Τ X D)彡t彡(n+1) T时，即当开关信号Vl为低电平时，第一 NMOS晶体管Ml关闭，而第二 NMOS晶体管M2导通，此时第一 NMOS晶体管Ml的源极和第二 NMOS晶体管M2的漏极的公共连接端的电位V3等于0V，可得知第一 NMOS晶体管Ml的源极 和第二 NMOS晶体管M2的漏极的公共连接端的电位V3与开关信号Vl完全同步且电位V3的 最高电平恒定为基准电压V2，即电位V3是一个与开关信号Vl在时域上同步且高电平为常 数即V2的方波信号，此时占空比检测电路1可以等效为一个方波信号V3与第一电阻Rl和 第一电容Cl可构成一个RC回路，如图6所示，当第一电阻Rl的阻值和第一电容Cl的电容 值足够大时，第一电容Cl与第一电阻Rl相连接的一端的电压可以近似为直流电压Vc，将该 直流电压Vc作为输入给电压电流转换电路2的电压信号Vc，该电压信号Vc与开关信号Vl
6的占空比D成线性关系，即存在Vc = V2XD，而与开关信号Vl的幅度和频率均无关系。具 体分析如下令 (0为第一电容Cl上的瞬时电压，在一个周期内，当nT彡t彡n(T+TXD) 时，RC回路为零状态响应，存在Uei (t) = VcX (l-e KC)，而当n(T+TXD)彡t彡(n+l)T时， RC回路为零输入响应，存在Ua (t) =VcXe_t/Ke，其中，R和C为RC回路的时间常数，在此， 时间参数RC的大小应根据芯片所需的Vc电压的精度和电阻R、电容C在芯片中所占面积 综合考虑，由上述两式可知R和C越大，则Uci (t)变化的越缓慢，Uci (t)的稳态响应可以近 似的看成一个三角波，当R和C大到使Uci⑴的摆幅非常小时，为了方便计算，可以将其近 似为一个直流电压(即电压信号)Vc，即在一个周期T内第一电容Cl上的电压为常数即为
电压信号Vc，因此一个周期T内第一电容Cl的充电电荷O^fCj^l^xCrxD)，第一
电容Cl的放电电荷Ojischarge=C1 X^XT(I-D)，根据电荷守恒定理，得到Qctoge = Qdischarge,即
Cix^l^x(TxD)=Cix^xT(1-D)，从而可得到 Vc = V2XD,由 Vc = V2XD 可知电压信 K1kI
号Vc与电位V3的占空比成线性关系，斜率为V2，而电位V3与开关信号Vl在时域上完全同 步，因此可知电压信号Vc与开关信号Vl的占空比D成线性关系，且斜率为V2，上述C1为第 一电容Cl的电容值，R1为第一电阻Rl的电阻值。 在此具体实施例中，电压电流转换电路2主要由低压差线性稳压器(LD0， lowdropout regulator) 7、第二电阻R2和第一电流镜4组成，低压差线性稳压器7包括运 算放大器U2和第三NMOS晶体管M3，第一电流镜4包括第四PMOS晶体管M4和第五PMOS晶 体管M5，运算放大器U2的正输入端接入电压信号Vc，运算放大器U2的输出端与第三NMOS 晶体管M3的栅极相连接，第三NMOS晶体管M3的源极与运算放大器U2的负输入端相连接， 第三NMOS晶体管M3的源极与运算放大器U2的负输入端的公共连接端与第二电阻R2的第 一端相连接，第二电阻R2的第二端接地，第三NMOS晶体管M3的漏极分别与第四PMOS晶体 管M4的源极、第四PMOS晶体管M4的栅极及第五PMOS晶体管M5的栅极相连接，第四PMOS 晶体管M4的漏极和第五PMOS晶体管M5的漏极分别接电源，第五PMOS晶体管M5的源极输 出第一电流信号Ic。电压电流转换电路2利用运算放大器U2的深度负反馈得到一个与运 算放大器U2的正输入端接入的电压信号Vc相同的电压Vcl，由运算放大器U2和第三NMOS 晶体管M3构成的低压差线性稳压器7的作用就是迫使Vcl = Vc,该电压Vcl加在第二电 阻R2上得到一个与电压信号Vc相关的直流电流IM3 D，即流过第三NMOS晶体管M3的漏极 V 1 V
的直流电流1M3，R2为第二电阻R2的电阻值，直流电流IM3 D通过由第四PMOS晶
体管Μ4和第五PMOS晶体管Μ5组成的第一电流镜4得到一个与电压Vcl成线性关系的直
V
流补偿电流Ic，第一电流镜4迫使I。= IM3 d，即有Ic=Im3 D=-^-，将该直流补偿电流Ic作为
一 K2
输入给斜坡产生电路3的第一电流信号Ic，由于Vc = Vcl,因此第一电流信号Ic与电压信 号Vc也存在线性关系，第一电流信号Ic也与开关信号Vl的占空比D成线性关系，即根据
τ τ Vc T V2xD T V2xD
Vc = V2XD和IC=IM3_D = ^可得到Ic = 一^~，从Ic = 一^~可得出第一电流信号Ic与开关信号Vl的占空比D成线性关系。 在此具体实施例中，斜坡产生电路3主要由第二电流镜5、第三电流镜6、第十PMOS 晶体管M10、第十一 NMOS晶体管Ml 1及第二电容C2组成，第二电流镜5包括第六NMOS晶体 管M6和第七NMOS晶体管M7，第三电流镜6包括第八PMOS晶体管M8和第九PMOS晶体管 M9，第六NMOS晶体管M6的漏极接入第一电流信号Ic，第六NMOS晶体管M6的漏极分别与基 准电流源IB的负极端、第六NMOS晶体管M6的栅极及第七NMOS晶体管M7的栅极相连接， 第六NMOS晶体管M6的源极和第七NMOS晶体管M7的源极分别接地，第七NMOS晶体管M7 的漏极分别与第八PMOS晶体管M8的源极、第八PMOS晶体管M8的栅极及第九PMOS晶体管 M9的栅极相连接，基准电流源IB的正极端、第八PMOS晶体管M8的漏极和第九PMOS晶体管 M9的漏极分别接电源，第九PMOS晶体管M9的源极与第十PMOS晶体管MlO的漏极相连接， 第十PMOS晶体管Mll的栅极和第十一 NMOS晶体管Mll的栅极分别接入用于控制第二电容 C2的充电时间的时钟信号Vclock，第十PMOS晶体管MlO的源极与第i^一 NMOS晶体管Mll 的漏极相连接，第十一 NMOS晶体管Mll的源极接地，第二电容C2连接于第十PMOS晶体管 MlO的源极与第十一 NMOS晶体管Mll的漏极的公共连接端与第十一 NMOS晶体管Mll的源 极之间，第十PMOS晶体管MlO的源极、第十一NMOS晶体管Mll的漏极及第二电容C2的公共 连接端输出斜坡补偿电压Vramp。由于第一电流信号Ic与电压信号Vc存在线性关系，且又 因为电压信号Vc与开关信号Vl的占空比D存在线性关系，而基准电流源IB的基准电流为 一个常数，在此，基准电流源IB为斜坡产生电路3提供一个固定偏置，其基准电流的大小由 峰值电流控制模式芯片所需斜坡补偿大小决定，因此第一电流信号Ic和基准电流源IB叠 加后形成的第二电流信号Ic2(Ic2 = Ic+IB)与开关信号Vl的占空比D也存在线性关系， 第二电流信号Ic2通过由第六NMOS晶体管和第七NMOS晶体管组成的第二电流镜5及由第 八PMOS晶体管和第九PMOS晶体管组成的第三电流镜6得到恒定电流(即第二电容C2的充 电电流)Iramp，其中，第二电流镜5和第三电流镜的作用就是迫使恒定电流Iramp等于第二 电流信号Ic2。上述时钟信号Vclock为峰值电流控制模式芯片中的振荡器的输出信号，其 在同一个峰值电流控制模式芯片中具有固定的频率f和占空比Dclock，当时钟信号Vclock 为低电平时，第十PMOS晶体管MlO导通，第十一 NMOS晶体管关闭，斜坡产生电路3以恒定 电流Iramp在一定的时间内给第二电容C2充电即可得到斜坡补偿电压Vramp，其中，充电 时间tl = Dclock/f ；当时钟信号Vclock为高电平时，第十PMOS晶体管MlO关闭，第i^一 NMOS晶体管导通，第二电容C2通过第十一 NMOS晶体管以很大的电流放电，在下一个时钟 周期发生之前放电完毕，其中放电电流与第十一 NMOS晶体管的宽长比相关，综上第二电容 C2上的稳态相应为一个斜坡补偿电压Vramp，且该斜坡补偿电压Vramp可以近似为一个三
,T Iramp xtl Ic2 χ Dclock 角波，
C2为第二电容的电容值，即斜坡补偿电压Vramp的
斜率与恒定电流Iramp成线性关系，根据
可得
可得知斜
坡补偿电压Vramp与开关信号Vl的占空比D成线性关系。在同一个峰值电流控制模式芯片中，f、R2和C2为定值，因此合理调节
中的基准电压
V2和基准电流源IB的基准电流的大小，可使芯片在所有占空比条件下都具有合适的斜坡 补偿大小，具有良好的带载能力和抗电源干扰能力，实现根据峰值电流控制模式芯片中的 开关信号的占空比的大小线性调节斜坡补偿电压的斜率的功能。
权利要求一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，其特征在于包括占空比检测电路、电压电流转换电路、斜坡产生电路和基准电流源，所述的占空比检测电路将输入的开关信号转换为与所述的开关信号成线性关系的电压信号，并将所述的电压信号传输给所述的电压电流转换电路，所述的电压电流转换电路将所述的电压信号线性的转换成第一电流信号并输出，所述的第一电流信号与所述的基准电流源相叠加形成输入给所述的斜坡产生电路的第二电流信号，所述的斜坡产生电路输出斜坡补偿电压，所述的斜坡补偿电压与所述的开关信号的占空比成线性关系。
2.根据权利要求1所述的一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，其特征在于所述的 占空比检测电路主要由反相器、第一 NMOS晶体管、第二 NMOS晶体管、第一电阻和第一电容 组成，所述的反相器的输入端接入所述的开关信号，所述的反相器的输出端分别与所述的 第一 NMOS晶体管的栅极和所述的第二 NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第一 NMOS晶体管 的漏极接入基准电压，所述的第一 NMOS晶体管的源极与所述的第一电阻的第一端相连接， 所述的第二 NMOS晶体管的漏极与所述的第一电阻的第一端相连接，所述的第二 NMOS晶体 管的源极接地，所述的第一电容连接于所述的第一电阻的第二端与所述的第二 NMOS晶体 管的源极之间，所述的第一电阻与所述的第一电容的公共连接端输出与所述的开关信号成 线性关系的电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，其特征在于所 述的电压电流转换电路主要由低压差线性稳压器、第二电阻和第一电流镜组成，所述的低 压差线性稳压器包括运算放大器和第三NMOS晶体管，所述的第一电流镜包括第四PMOS晶 体管和第五PMOS晶体管，所述的运算放大器的正输入端接入所述的电压信号，所述的运算 放大器的输出端与所述的第三NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第三NMOS晶体管的源极 与所述的运算放大器的负输入端相连接，所述的第三NMOS晶体管的源极与所述的运算放 大器的负输入端的公共连接端与所述的第二电阻的第一端相连接，所述的第二电阻的第二 端接地，所述的第三NMOS晶体管的漏极分别与所述的第四PMOS晶体管的源极、所述的第四 PMOS晶体管的栅极及所述的第五PMOS晶体管的栅极相连接，所述的第四PMOS晶体管的漏 极和所述的第五PMOS晶体管的漏极分别接电源，所述的第五PMOS晶体管的源极输出所述 的第一电流信号。
4.根据权利要求3所述的一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，其特征在于所述的 斜坡产生电路主要由第二电流镜、第三电流镜、第十PMOS晶体管、第十一 NMOS晶体管及第 二电容组成，所述的第二电流镜包括第六NMOS晶体管和第七NMOS晶体管，所述的第三电流 镜包括第八PMOS晶体管和第九PMOS晶体管，所述的第六NMOS晶体管的漏极接入所述的第 一电流信号，所述的第六NMOS晶体管的漏极分别与所述的基准电流源的负极端、所述的第 六NMOS晶体管的栅极及所述的第七NMOS晶体管的栅极相连接，所述的第六NMOS晶体管的 源极和所述的第七NMOS晶体管的源极分别接地，所述的第七NMOS晶体管的漏极分别与所 述的第八PMOS晶体管的源极、所述的第八PMOS晶体管的栅极及所述的第九PMOS晶体管 的栅极相连接，所述的基准电流源的正极端、所述的第八PMOS晶体管的漏极和所述的第九 PMOS晶体管的漏极分别接电源，所述的第九PMOS晶体管的源极与所述的第十PMOS晶体管 的漏极相连接，所述的第十PMOS晶体管的栅极和所述的第十一 NMOS晶体管的栅极分别接 入用于控制所述的第二电容的充电时间的时钟信号，所述的第十PMOS晶体管的源极与所述的第十一 NMOS晶体管的漏极相连接，所述的第十一 NMOS晶体管的源极接地，所述的第二 电容连接于所述的第十PMOS晶体管的源极与所述的第十一 NMOS晶体管的漏极的公共连接 端与所述的第十一NMOS晶体管的源极之间，所述的第十PMOS晶体管的源极、所述的第十一 NMOS晶体管的漏极及所述的第二电容的公共连接端输出所述的斜坡补偿电压。
专利摘要本实用新型公开了一种线性调节斜坡补偿电压斜率的系统，通过设置占空比检测电路、电压电流转换电路和斜坡产生电路，利用占空比检测电路将峰值电流控制模式芯片中的开关信号的占空比转换为一个与占空比成线性关系的电压信号，电压电流转换电路把电压信号线性转换成第一电流信号，第一电流信号与基准电流源叠加后形成的第二电流信号经斜坡产生电路后得到斜坡补偿电压，实现了根据峰值电流控制模式芯片中的开关信号的占空比的大小线性的调节斜坡补偿电压的斜率的功能，很好地解决了峰值电流控制模式芯片中在低占空比时易发生过补偿，在高占空比时易发生欠补偿的问题，使得芯片在所有占空比工作范围内都具有良好的带载能力和负载调整能力。
文档编号H02M3/158GK201656778SQ20102015510
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者曾强 申请人:日银Imp微电子有限公司