[发明专利]基于恒定跨导放大器和电容乘法器的片上全集成补偿网络

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路和DC-DC变换器领域，具体涉及一种应用于开关DC-DC变换器的基于恒定跨导放大器和电容乘法器的片上全集成补偿网络。 

背景技术

近几十年来，在半导体产业飞速发展的推动下，便携式消费电子产品在现代生活中扮演着越来越重要的角色，开关DC-DC变换器随着便携式消费电子产品的发展而得到了广泛的应用。结合电子产品的发展趋势，开关DC-DC变换器广泛应用于集成电路之中。 

在开关DC-DC变换器的设计中，需要加入补偿网络来保证系统稳定。根据开关DC-DC变换器控制模式和对象的不同，系统所需要的补偿网络类型和零极点数目也不相同，因此补偿网络也有多种形式，系统可以根据自身特点选择合适的补偿网络类型。一般而言，补偿网络包括阻抗Z₁、阻抗Z₂和运算放大器AMP。若Z₁为一个电阻，Z₂为一个电阻和一个电容的并联，补偿网络为具有带宽增益限制的单极点补偿网络（TYPE-I），它可以提供一个补偿极点。若Z₁为一个电阻，Z₂为一个电阻和一个电容串联后又与一个电容并联，补偿网络为单极点-单零点补偿网络（TYPE-II），它可以提供一个补偿极点和一个补偿零点。TYPE-III型补偿网络可以提供两个补偿零点，它根据系统带宽又分为两种：若系统带宽≤500kHz，则寄生串联电阻ESR引入的零点远远在系统带宽之外，可忽略不计，此时Z₁为一个电阻和一个电容的并联，Z₂为一个电阻和一个电容串联，补偿网络为双极点-双零点补偿网络（TYPE-III(a)），它可以提供两个补偿极点和两个补偿零点；若系统带宽>500kHz，则必须考虑ESR引入的零点，此时Z₁为一个电阻和一个电容的并联，Z₂为一个电阻和一个电容串联后又与一个电容并联，补偿网络为三极点-双零点补偿网络（TYPE-III(b)），它可以提供三个补偿极点和两个补偿零点。 

传统开关DC-DC变换器补偿网络由运算放大器和无源电阻、电容构成。为了保证精度，无源电阻和电容通常采用片外分立器件实现，这就增加了PCB板 的面积和芯片的I/O数目，与开关DC-DC变换器全集成的发展趋势相违背。如果能找到一种方法将传统无源元件构成的补偿网络，在满足稳定性要求的基础上实现片上全集成，将具有非常重要的实际应用和推广价值。 

对于片上全集成补偿网络的设计，目前的最新研究成果有：在集成电容方面，2005年台湾交通大学（NCTU）的Chia-Jung Chang和Ke-Horng Chen实现了双端连接电流模式的电容乘法器，减小了补偿中所需的电容值。在电阻方面，2002年的固态电路期刊（JSSC）中Anand Veeravalli分析了如何实现小且恒定的跨导运算放大器，但没有考虑将其作为电阻应用于补偿网络中。2010年香港科技大学的Wu提出了一种新型Pseudo-Type III补偿，将传统分立器件构成的TYPE-III型补偿网络拆分为低通和高通两部分组合实现，在补偿网络的结构上提出了新的设计方法。2011年韩国科学技术院（KAIST）的Hyun-Hee Park利用四个OTA替换传统P-Controller、I-Controller和D-Controller，实现了一种全集成宽带PID补偿。但设计电路复杂，占用面积相对较大，且灵活性差，具有一定的局限性。国内方面关于全集成补偿网络的设计研究还处于空白。 

发明内容

本发明的目的在于针对传统开关DC-DC变换器补偿网络采用片外分立元件实现的缺点，提出了一种适用于TYPE-I、TYPE-II和TYPE-III型补偿网络结构的基于恒定跨导放大器和电容乘法器的片上全集成补偿网络。 

本发明将有源器件应用于补偿网络，具体实现了基于恒定跨导放大器的有源电阻模块和基于电容乘法器的有源电容模块。通过改变恒定跨导的跨导值，灵活地改变有源电阻的阻值，通过改变电容乘法器的放大倍数及基准电容，灵活地改变有源电容的容值，从而为系统提供合适的补偿零极点，以抵消主回路中零极点的影响，保证系统的稳定，同时还可以校正系统的动态指标。本发明既实现了补偿网络的片上集成，提升了系统集成度，又具有通用性，便于推广和扩展。本发明结构简单，易于设计，具有优良的抗工艺角稳定性特点。