[实用新型]一种用于集成开关稳压器的超前相位补偿电路

说明书

技术领域：

本发明涉及一个单片集成的开关稳压器（使用一个片内或片外的输出过滤器），其在开关稳压器的反馈回路上具有一个片内的超前相位补偿电路。

背景技术：

开关稳压器在控制回路中使用负反馈以减少参数变化对输出稳压的影响。然而，由于控制回路中反馈的存在，可能引入系统的不稳定性。这种不稳定性可能会引起负载阻抗的波动。与几乎所有反馈系统类似，开关稳压器控制回路必须满足奈奎斯特准则以保证闭环系统的稳定性。

一个开关稳压器的环路增益（或者任何反馈系统）是一个复杂的数学量（可以由幅度和相位来表示）。在一个系统中，环路增益的幅度是1（0分贝）的频率被定义为交叉频率f_c，在交叉频率的环路增益的相位角和-180度之间的差值被定义为相位容限（PM）。奈奎斯特准则指出，如果在交叉频率的环路增益的相位容限是低于零度，那么该系统将是不稳定的。在交叉频率的相位容限接近零的程度，是衡量系统相对稳定的一种方法。

一个传统的开关稳压器使用一个电感—电容（LC）网络来过滤脉冲宽度调制（PWM）的规则变换的波形产生一个相对恒定的直流输出电压。然而，LC滤波器在开关稳压器的控制回路中引入了较大的相位偏移（通常被称为相位滞后）。如果不修正相位滞后，那么会导致低的瞬态响应和环路的不稳定性。在大多数情况下，必须给开关稳压器的控制回路来添加一个补偿电路，以补偿LC输出滤波器引入的相位滞后。

例如，在图1所示的传统降压型开关稳压器中，一个LC输出滤波器10，会得到环路增益响应的两个极点。这两个极点会导致环路增益幅度的减少，以及在信号频率大于LC网络的谐振频率时，反馈回路的相位滞后。开关稳压器中的控制电路也可能造成高频极点。环路增益的幅度和相位角曲线示于图2。

由于增益幅度减少和相位滞后，图1系统的相位容限趋近于零或者从负方向上接近环路增益的单位增益频率（fc）。不足或为负的相位容限会导致振荡或者闭环特性的不稳定，这种不稳定类似于运算放大器电路没有得到正确补偿的方式。因此，这是可取的：在开关稳压器上增加补偿电路以补偿LC输出滤波器的相位滞后。

现有技术的开关稳压器的设计使用超前相位电路以补偿控制环路的相位响应，如图3的引线电路14。引线电路14的增益幅度和相位响应曲线示于图4。当电路14包含于一个开关稳压器的反馈回路中时，该电路将增加稳压器的相位容限，从而提高了稳压器的稳定性。

图5示出了具有相位补偿的降压型开关稳压器。除去图3中的相位引线电路14，它和图1中所示的开关稳压器相同。引线电路14已经包括在误差放大器16和比较器18之间的反馈回路中。具有相位补偿的降压型开关稳压器的环路增益幅度和相位响应曲线示于图6。经过补偿的稳压器的相位容限远远大于未补偿的稳压器，因此，前者要稳定得多。

因为图5的电容C1必须非常大以在需要的频率提供相位补偿，并且大电容不能集成在一个集成电路芯片上，所以图3的相位超前补偿电路14被限制为离散设计方式。

本发明需要将相位超前补偿电路完全集成到一个单片开关稳压器的反馈环路内。本发明还需要不使用相对大的电容或电感来得到相位超前补偿功能。

发明内容：

本发明允许一个相位超前补偿电路和开关稳压器集成在同一芯片上。本发明为单片集成的开关稳压器的环路增益提供了额外的相位补偿。这个额外的相位需要接近于回路增益的单位增益频率。

本发明的技术解决方案：

所需的相位超前补偿功能可以通过使用一个跨导放大器驱动一个频率相关的负载来实现。跨导放大器将差分输入电压信号转换成单端输出电流。这个输出电流流过频率相关的负载。该相位引线补偿级的电压增益（A_V）模式是由放大器的跨导（gm）和频率相关负载的输入阻抗（Z_in）决定的：

A_V＝gm×Z_in  （方程1）

在优选实例中，频率相关的负载使用一个频带受限的运算放大器。在低频率时，在运算放大器求和结点的阻抗由运算放大器的高环路增益减少，并且作为虚拟的交流信号接地端。然而，随着信号频率增加，该运算放大器的环路增益降低，从而求和节点的阻抗增加。这种阻抗的增加相当于一个大电感。最终，连接到运算放大器端子的电阻在很高的频率处限制求和节点阻抗的幅度。由此产生的相位超前补偿电路的增益幅度和相位响应曲线就与前面描述的离散的相位超前补偿电路相同。

对比专利文献：CN101694962A一种用于开关稳压电源控制器的环路补偿电路200910167916.5

附图说明：