[实用新型]一种具有电流模式频率补偿装置的降压型DC-DC变换器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种降压型DC-DC变换器，尤其是涉及一种具有电流模式频率补偿装置的降压型DC-DC变换器。

背景技术

随着电子技术的高速发展，便携式产品如MP4、手机、PSP、笔记本电脑等的功能越来越丰富，而在这些便携式产品中，电源是其动力心脏，电源管理技术已经成为便携式电子产品中必不可少的技术。同时便携式电子产品也需要为其提供能量的电源具有更小的体积。

传统的开关电源，通常被设计成固定的输出电压，这样的电源能够使系统的工作时间最长且电池的使用寿命也更长。随着消费类电子产品的增加，开光电源输出可变的电压，快的瞬态响应和好的系统稳定性也急需改进。

在开关电源中，电压控制模式和电流控制模式是两种常用的控制方式，它们都广泛的应用在低电压低功耗的DC-DC变换器中。电压控制模式只有一个电压控制环，其优点是电路结构简单而且易于设计，然而缺点是动态响应速度很慢。与电压控制模式相反，电流控制模式的动态响应很快，但是当占空比大于50%时，系统将会不稳定。除此之外，电流控制模式比电压控制模式多一个电流控制环，其能够对电感的电流进行检测，当电感电流过大时会使开关断开，即峰值电流保护，防止系统因电流过大而烧坏。因此，一般电流控制模式在DC-DC变换器中应用更广一些。

如图1所示的是电流控制模式的DC-DC变换器的结构图。其工作原理打下：系统没有上电时，输出电压V_out和电感电流I_L均为0。当系统开始工作，输出端的反馈电压bV_Out与基准电压V_ref输入频率补偿装置的两端，因为系统刚上电，此时频率补偿装置可以看成一个比较器，且基准电压远大于反馈电压，因此频率补偿装置的输出电压V_a上升至电源电压；然后V_a和电流检测网络检测的电压V_s输入到PWM调制器的两端，输出控制信号d(t),控制逻辑驱动单元使开关管开启，变换器开始电流给输出电容充电，V_Out和I_L同是逐步增加。经过这样几个周期后，输出电压达到稳定。同时，又由于DC-DC变换器采用负反馈控制，故由输入电压或者负载电流的变化所引起的输出电压变化都可以通过负反馈来调节，使输出稳定。

在电流控制模式的DC-DC变换器中，稳定性也是一个很重要的问题。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。同时，根据负反馈系统的稳定性理论，当系统的增益下降到0时，其相移应小于180°，否则系统将会变成正反馈，使系统振荡。为了使系统更稳定的工作，一般要求其相位裕度大于45°，所以为了使系统能稳定的工作，频率补偿是必不可少的。

为了分析电流模式DC-DC变换器的系统稳定性，应从其闭环传输函数进行分析，图2和图3分别给出了其对应的小信号等效电路和信号流图。由图可知，系统的传输函数为：

其中是频率补偿装置的传输函数，

，,

,,

为了简化分析，把反馈网络和频率补偿装置去掉，则其剩下部分的传输函数为：

则系统的零极点可以很容易的写出：

主极点          

第一非主极点     

零点           

通过上述分析可知，电流模式的DC-DC变换器存在两个分离的极点。通常第一非主极点附近，且两个极点形成了一个的大的相移，这样系统的稳定性会受到影响。

为了解决双极点所带来的不稳定性，一般常用的方法是采用主极点补偿法，如图4所示。这种方法是在误差放大器的输出端接一个大的电容，从而在系统的传输函数中引入一个低频主极点。此时传统的频率补偿装置的频率响应为：

其中为低频直流增益，为误差放大器的跨导，为误差放大器的输出电阻，为补偿电容。则有：

主极点           

单位增益带宽      

由上面的分析可知，系统在误差放大器的输出端加入补偿电容后，使其单位增益带宽之前只有一个主极点，保证其在单位增益带宽处的相位裕度为90°。