一种基于电流叠加型无损电流检测的升压型变换器

许亦云,张利红,阴亚东

(1.福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州 350108;2.福建江夏学院 电子信息科学学院,福建 福州 350108)

随着手机、平板、智能手表等便携式电子产品的市场需求日益旺盛,便携式电子产品电池的使用寿命成为了决定产品成败的关键因素之一[1]。电流模升压型变换器(Boost Converter)具有效率高、动态响应快等优点,受到业界重视和青睐,已成为便携式电子产品中电源管理的主流方案。

电流检测器是电流模升压型变换器的关键模块之一,当前业界应用较为广泛的电流检测方式主要有外接串联电阻采样法、功率管RDS采样法、并联检测法、电感直流等效电阻(DCR)采样法等。外接串联电阻采样法通过在充电通路上串联电阻并测量其两端的电压得到电感电流大小,该方法简单易实现,但通常会造成无法忽略的功率损耗[2]。功率管RDS采样法无需额外采样器件,而是通过检测功率管导通时的压降实现电流检测,因此不存在额外的功率损耗,然而功率管的导通内阻容易受到温度、工艺以及输出负载的影响,导致采样精度较低[3]。并联检测法通过确保与功率管并联的检测管工作状态一致,从而按比例精确复制功率管电流,最终实现高精度电流采样,但实际电路中很难确保两个管子工作状态完全一致[4]。电感DCR 采样法是近几年发展的新兴技术,其通过检测电感两端电压而实现电流检测,与传统电流检测技术相比具有电路结构简单、精度高、功耗低的优点[5]。

如何有效预防次谐波振荡是电流模升压型变换器的另一设计难点[6]。变换器需在电流采样结果上叠加相应的斜坡补偿电压。常规的电感DCR 采样法是基于电压加法器实现斜坡补偿电压与电流采样电压的叠加。然而此类技术受限于电压加法器带宽,存在瞬态响应速度慢和功耗大的缺点[7]。鉴于此,本文提出了一种电感DCR 电流检测法结合电流叠加技术的电流检测器,其利用电压-电流(V-I) 转换电路将电流采样信号和斜坡补偿信号通过高速电流叠加形式结合,解决了电压叠加法瞬态响应速度慢和功耗大的缺点,最终基于该电流检测器设计了一款升压型变换器。

1 电流叠加型电感DCR 电流检测电路

图1(a)所示为电流模升压型变换器电路结构,其中VIN为输入电压,L 为续流电感,COUT为输出电容,RLOAD为负载电阻,MN、MP为功率开关管,RL为电感内阻。电流检测器检测电感电流产生检测电压VCS,并以之反馈改变功率开关管控制信号CLKP1、CLKP2。

图1(b)所示为本文提出的电流检测器电路结构,其主要由电流采样电路、斜坡补偿电路及电流叠加电路三部分电路构成。其中电流采样电路由电感DCR 检测电路和V-I转换电路A 组成,通过电感DCR 检测电路得到和电感电流成比例的电压信号VSEN;该电压经过V-I转换电路A 形成电流信号ISEN。为了提高升压型变换器的负载调整率,电感DCR 检测电路采用单端输出的形式,使得检测电压VSEN与平均电感电流基本无关[8]。斜坡补偿电路由斜坡电压产生电路和V-I转换电路B 组成。时钟信号VOSC2驱动斜坡电压产生电路的电容C2和电阻R4进行充放电,产生固定斜率的周期性电压信号VSLP,再通过V-I转换电路B 后形成电流信号ISLP。利用电流镜像电路寄生电容小、本征频率高的优点,ISEN和ISLP以电流镜像的方式实现叠加,最终通过PMOS 管负载MP8产生最终输出电压VCS。

图1 (a) 电流模升压型变换器结构;(b)电流叠加型电感DCR 电流检测器Fig.1 (a) Structure of current mode boost converter;(b) Inductance DCR current detector with current combining

由图1 可知,升压型变换器工作时电感两端的电压可表示为:

式中:ωS为开关频率;IL为电感电流。可知:

令τ1=L/RL,τ2=R1C1,则可得:

其中

由于续流电感内阻较小,因此ωSτ1≫1;合理选择R1C1亦可实现ωSτ2≫1,则公式(3)可简化为:

由公式(5)可知,电感DCR 检测电路输出电压VDET和电感电流IL成正比。由于无需使用额外的串联电阻,因而检测引起的功率损耗可忽略不计。通过电阻R2和R3最终获得电流检测电压为:

本文中斜坡电压信号产生电路由MP4、C2、R4构成,当时钟信号VOSC2为低时,VSLP复位为电源电压;否则,C2通过R4放电。通过将C2和R4设置为合适的值,可得斜坡信号时域表达式为:

仿真发现电流检测电路中检测电压信号VSEN与斜坡补偿信号VSLP变化幅度较小,因此可利用小信号分析法对电路进行分析而不影响结果。后文中将使用小信号符号进行计算,如使用vsen和vslp代替VSEN和VSLP。

传统设计中通常利用高速电压加法器实现斜坡电压信号和电流检测电压信号的叠加组合,往往很难在带宽、功耗、稳定性和电路复杂度等方面取得较好折衷。与之不同,本文将利用电流叠加方式解决该技术难题。检测电压信号vsen输入至MOS 管MN1、MP1和MN2构成的源跟随器后,再通过MN3产生电流isen,该电流可表示为:

式中:gmn3为MN3管跨导;il为小信号形式的电感电流。与vsen类似,斜坡信号vslp经过变换后产生斜坡补偿电流islp,可表示为:

式中:gmn7为MN7跨导。电流isen和islp通过MN8和MN9、MN4和MN11构成的电流镜像电路并联叠加后,通过MP8管产生最终的输出电压vcs,令gmn3≈gmn7≈gmp8,则可以得到:

从式(10)可知,电流检测电路最终的输出检测电压vcs和电感电流il成正比,从而实现电感电流检测。

2 升压型变换器电路设计

利用上文所述电感电流检测器搭建电流模升压型变换器,其电路结构如图2 所示。利用本文所提出的电感电流检测器和误差放大器构成了电流环和电压环双环反馈控制结构,从而获得优良的动态响应能力[6]。

图2 升压型变换器电路结构图Fig.2 Circuit diagram of boost converter

升压型变换器检测反馈电压VFB与基准电压VREF之间的差值产生误差电压VEA。VEA与电感电流检测器输出电压VCS同时输入至PWM 比较器产生VCP,在振荡器[7]时钟VOSC1的驱动下通过RS 触发器产生PWM 信号CLKD;CLKD通过驱动电路产生不交叠的功率管驱动信号CLKP1和CLKP2;其中CE、RE构成补偿网络确保电压反馈环的稳定[10]。当时钟信号CLKP1产生上升沿时,开关管MN导通,开关管MP关断,电感开始充电,电感电流上升;当电感电流检测器输出电压VCS大于VEA时,VCP翻转,开关管MN关断,开关管MP导通,电感电流下降。经过几轮反馈调整后,输出电压VOUT达到稳定。

3 电路仿真与验证

本文基于SMIC 18 μm CMOS 工艺完成了升压型变换器的电路设计、版图设计和版图参数提取后仿真验证。其电路版图如图3 所示,面积约为752 μm×542 μm,图中实线所框分别为功率管和电感电流检测器。变换器输出电容COUT=10 μF,电感L=4.7 μH(电感内阻0.4 Ω),开关频率fS=600 kHz,R1=2.1 MΩ,R2=R3=0.6 MΩ,R4=3.0 MΩ,C1=C2=3.36 pF。

图3 升压型变换器电路版图Fig.3 Circuit layout of boost converter

图4 显示了变换器负载电阻RLOAD=20 Ω时,电流检测器瞬态仿真结果。由图可知,电流采样电路能够获得与IL信号反相的ISEN,并与斜坡补偿信号ISLP叠加后产生最终输出电压VCS。图5 分别统计了不同电感电流时电流检测器采样比例的前/后仿真结果。从图中可以看出,当电感电流幅度IL从0 增大至600 mA时,电流检测器的电流-电压转换增益为0.33 V/A,检测误差小于2.9%;同时前/后仿真结果误差不超过0.9%。

图4 电流检测器仿真波形Fig.4 Simulation waveform of current detector

图6 所示为在不同输入电压时变换器输出电压的前/后仿真结果。可以看出,变换器在不同输入电压下均能正常工作;后仿真由于版图寄生参数的影响,启动时间略微大于前仿真。图7 显示了负载电流变化时输出电压的瞬态响应前/后仿真结果,可以看到当负载电流发生变化时,输出电压基本保持稳定。图8 所示为输入电压发生跳变时输出电压的瞬态响应前/后仿真结果,由图可知当输入电压跳变时,输出电压能较快恢复稳定。同时可以看到,以上仿真中版图提取后仿结果均略差于前仿真,这属于正常情况且这两者误差较小可以忽略。

图6 不同输入电压下的输出电压波形Fig.6 Output voltage waveforms at different input voltages

图7 负载瞬态响应仿真结果Fig.7 Simulation results of load transient response

图8 线性瞬态响应仿真结果Fig.8 Simulation results of linear transient response

表1 对本文所提出的升压型变换器的主要性能参数进行了总结,从表中可以看出虽然由于版图寄生参数的影响,转换效率、负载及线性调整率的后仿真结果略低于前仿真,但该误差在合理范围内可以忽略。前/后仿真结果表明该升压型变换器具有较好的电路性能。表2 为本文所述电流检测器与其他文献的参数对比,与常规电流检测方法相比,此次设计采用了电感DCR 检测和电流叠加技术,避免运放的引入,从而实现了较小的功耗和面积。

表1 升压型变换器参数表Tab.1 Parameter table of boost converter

表2 本文电流检测器与其他文献的参数对比Tab.2 Comparison of parameters of current detector between this paper and other documents

4 结论

本文分析介绍了一种电流叠加型电感DCR 电流检测器,对其电流采样和斜坡补偿的原理进行分析和理论推导,进而基于该电流检测器设计了一款电流模升压型变换器。前/后仿真结果表明,该电流检测器的检测误差小于2.9%,功率损耗仅为0.05 mW,电路面积约为0.019 mm2,相比于传统的电流检测器,能够实现较小的功耗和面积,并且基于该电流检测器设计的升压型变换器具有良好的转换效率及瞬态响应速度,可以满足便携式电子产品的使用需求。