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1、(10)申请公布号 CN 102412724 A (43)申请公布日 2012.04.11 C N 1 0 2 4 1 2 7 2 4 A *CN102412724A* (21)申请号 201110404419.X (22)申请日 2011.12.07 H02M 3/156(2006.01) H02M 3/157(2006.01) (71)申请人西安启芯微电子有限公司 地址 710075 陕西省西安市高新区沣惠南路 20号华晶广场B座1203室 (72)发明人来新泉 袁冰 刘洁 王红义 赵竞翔 (74)专利代理机构陕西电子工业专利中心 61205 代理人王品华 (54) 发明名称 具有片内频率。
2、补偿的电压模DC/DC电路 (57) 摘要 本发明公开了一种具有片内频率补偿的电压 模DC/DC电路，主要解决现有补偿技术中，环路稳 定性对输出电容等效串联电阻值的依赖和补偿元 件难以完全集成的问题。该DC/DC转换器包括误 差放大模块，补偿模块，调制模块，LC滤波模块和 反馈模块。该补偿模块由电阻R1、R2和电容C1、 C2构成，C1的两端分别与R1和R2的一端连接， R1的另一端接地，R2的另一端通过C2接地；C1和 R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连 接，C2和R2的公共端与误差放大模块的第二输出 端b连接，误差放大模块的输出端通过补偿模块 与调制模块连接，调制模块的输出端经LC。
3、滤波模 块滤波后又通过反馈模块送回误差放大器的输入 端。本发明具有补偿元件数目少、便于集成，印制 电路板面积小的优点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 CN 102412737 A 1/1页 2 1.一种具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，包括误差放大模块(1)，频率补偿模块 (2)，调制模块(3)，LC滤波模块(4)和反馈模块(5)，这些模块构成了DC/DC的控制环路；误 差放大模块(1)的输入端与反馈模块(5)连接，调制模块(3)的输出端经LC滤波模块(4) 滤波后，作为整个DC/DC。
4、的输出电压，通过反馈模块(5)又送回误差放大器的输入端以闭合 环路；其特征在于： 环路补偿模块(2)，由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与 电阻R1和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地； 电容C1和电阻R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公 共端与误差放大模块的第二输出端b连接； 所述的补偿模块(2)连接在误差放大模块(1)的输出端与调制模块(3)的输入端之 间，以摆脱依赖输出电容的等效串联电阻值来提高环路稳定性的制约，扩大了DC/DC应用 器件的选择范围。 2.根据权利要求1所述的具有片内频率。
5、补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：误差 放大模块(1)采用双通路跨导运算放大器，它由两级放大电路组成，第一级放大电路的两 个输入端分别与反馈模块(5)的输出端和控制环路外的一个固定基准电压相连接，输出端 连接到第二级放大电路的输入端。 3.根据权利要求2所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第一 级放大电路由PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅 极相连接，构成电流镜结构，将偏置电流I镜像到M3、M4的源端；该M3、M4构成放大电路的 差动输入对；该M5、M6作为放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M。
6、3、M4的 漏端，漏端均接地；该R1、R2连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R2的公共端与M5、M6的 公共栅端相连接，以实现共模负反馈。 4.根据权利要求2所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第二 级放大电路由PMOS管M9、M10、M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS 管M11作为第一条通路的输入，其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连 接成有源电流镜结构，构成第一条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13 的漏端作为误差放大模块的第一输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入。
7、对管，其栅 端分别与M5、M6的漏端相接；PMOS管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负 载，其漏端分别连接到M7、M8的漏端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出 端b。 5.根据权利要求1所述的具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：调制 模块(3)有两个输入端，其中一个输入端连接到误差放大模块(1)的输出端，另一端连接到 控制环外一个固定的斜坡电压。 权 利 要 求 书CN 102412724 A CN 102412737 A 1/5页 3 具有片内频率补偿的电压模 DC/DC 电路 技术领域 0001 本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路。
8、，特别是一种片内频率电路，可 用于电压模DC/DC转换器中。 背景技术 0002 DC/DC转换器是将输入DC电压转变为固定DC输出电压的电源管理类芯片。按照 拓扑结构可将DC/DC转换器可分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升 降压型DC/DC转换器。每种转换器根据需求可采用三类控制：脉宽调制PWM控制，频率调制 PFM控制，脉宽/频率调制PWM/PFM转换型。同时根据内部控制环路的不同又可分为电压模 DC/DC和电流模DC/DC。目前DC/DC转换器正广泛用于手机、MP3、数码相机等便携式电子产 品中。 0003 在DC/DC转换器的设计中，电路的稳定性是一个非常关。
9、键的指标。稳定性良好的 DC/DC系统应在任何环境，任意负载下都能够提供稳定的输出电压，且能够使系统带宽根据 需要灵活设置。故为了维持稳定，DC/DC转换器的控制环路中要有补偿模块。同时限于目 前便携式电子产品小型化的趋势，补偿元件也应当尽量精简，并且能够完全集成于芯片内 部以节省印制电路板PCB面积。 0004 图3显示了电压模PWM DC/DC降压型转换器的电路简图，其中基准产生电路、斜坡 产生电路在此图中省略。如图3所示，电压模DC/DC转换器的控制环路由一个电压反馈环路 构成，输出电压经过电阻网络分压后反馈到误差放大器的反相输入端，与基准电压比较后 产生误差电压，然后送入PWM比较器与。
10、斜坡电压比较，产生周期性的方波信号控制功率管 的开关状态，从而使输出占空比保持恒定，并通过输出LC滤波器获得平滑的输出电压。这 种控制环路由于电感L0及输出电容C0构成的输出LC滤波器会产生双极点，使系统相位快 速变化，因此易产生180的相移，使系统极易受到多种因素包括：环路直流增益变化，环 路单位增益带宽变化，反馈环路起振以及噪声等干扰而不稳。 0005 为解决这个问题，传统补偿一般将补偿元件跨接在误差放大器反相输入端与输出 端，有两种环路补偿方式，一种为传统二类环路补偿，另一种为传统三类环路补偿。 0006 图1显示了传统二类环路补偿的电路图。由于此补偿电路自身只能产生一个零 点，为了抵消。
11、LC滤波器双极点带来的不良影响，这种传统的二类环路补偿就必须依赖由输 出电容的等效串联电阻ESR产生的零点，以获得足够的相位裕度使系统稳定。然而，由于系 统LC滤波器所产生的双极点通常靠近低频，所以应用此种补偿电路的DC/DC需要庞大的输 出电容以获得精确的电容值和很大的ESR值来补偿，故其输出电容通常选择ESR值较大的 电解电容。相比陶瓷电容而言，这种电容体积庞大且ESR的值常随温度变化严重，同时大的 ESR值又会导致DC/DC输出电压纹波较大。 0007 图2显示了传统三类环路补偿的电路图，这种补偿电路虽然克服了应用二类环路 补偿时，DC/DC稳定性对输出电容ESR值的依赖，但是此种补偿电。
12、路不仅复杂，补偿元件多， 而且需要在上反馈电阻R1两端并联一对电阻电容，这种结构对于输出电压可调的DC/DC转 说 明 书CN 102412724 A CN 102412737 A 2/5页 4 换器而言，由于R1很难集成在芯片内部，影响与其并联的电阻电容的集成，导致系统应用 时消耗了更多的PCB面积。 发明内容 ： 0008 本发明的目的在于针对上述采用现有环路补偿的DC/DC电路的不足，提供一种具 有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，以在不依赖输出电容ESR值的条件下，保证DC/DC芯 片稳定工作，同时简化电路、便于完全集成。 0009 为实现上述目的，包括误差放大模块，频率补偿模块，脉。
13、宽调制PWM比较模块，驱 动模块，输出LC滤波模块、反馈模块和功率管MP1、MN1，这些模块和两个功率管一起构成 DC/DC的控制环路；误差放大模块的输入端与反馈模块连接，比较模块的输出端通过驱动 模块分别连接到功率管MP1、MN1的输入端；功率管MP1、MN1的输出信号经输出LC滤波模 块滤波后，作为整个DC/DC的输出电压，通过反馈模块又送回误差放大器的输入端以闭合 环路；其特征在于： 0010 环路补偿模块，由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与 电阻R1和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地； 电容C1和电阻R1的公共端。
14、与误差放大器的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公共 端与误差放大器的第二输出端b连接； 0011 所述的补偿模块连接在误差放大器的输出端与PWM比较器的输入端之间，以摆脱 依赖输出电容的等效串联电阻值提高环路稳定性的制约，扩大DC/DC应用器件的选择范 围。 0012 上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：所述误差放大器采用 双通路跨导运算放大器，它由两级放大电路组成，第一级放大电路的两个输入端分别与反 馈网络的输出端和控制环路外的一个固定基准电压相连接，输出端连接到第二级放大电路 的输入端。 0013 上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第一级放大。
15、电路由 PMOS管M1、M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅极相连接，构成 电流镜结构，将偏置电流I镜像到M3，M4的源端；该M3、M4构成放大器的差动输入对；该 M5、M6作为放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M3、M4的漏端，漏端均接 地；该R1、R2连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R2的公共端与M5、M6的公共栅端相连 接，以实现共模负反馈。 0014 上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：第二级放大电路由 PMOS管M9、M10、M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS管M。
16、11作为第 一条通路的输入，其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连接成有源电流 镜结构，构成第一条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13的漏端作为误 差放大模块的第一输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入对管，其栅端分别与M5、M6 的漏端相接；PMOS管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负载，其漏端分别 连接到M7、M8的漏端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出端b。 0015 上述具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路，其特征在于：脉宽调制PWM比较模块 有两个输入端，其中一个输入端连接到误差放大器的输出。
17、端，另一端连接到控制环外一个 说 明 书CN 102412724 A CN 102412737 A 3/5页 5 固定的斜坡电压。 0016 本发明与现有技术相比具有以下优点： 0017 (1)本发明由于采用了具有双放大通路的误差放大模块，同时将双通路的两个输 出端均与补偿模块连接，使补偿元件在误差放大模块的两条放大通路共同作用以维持环路 稳定，减少了补偿元件个数，同时克服了系统稳定性对输出电容ESR值的依赖，扩大了DC/ DC外围应用器件的选择范围。 0018 (2)本发明中由于采用的补偿模块仅连接在误差放大模块与PWM比较模块之间， 故能够完全集成于芯片内部，节省了PCB面积。 附图说明 。
18、0019 图1是传统二类补偿模块的电路图； 0020 图2是传统三类补偿模块的电路图； 0021 图3是用传统频率补偿的DC/DC电路简图； 0022 图4是采用本发明频率补偿的DC/DC电路简图； 0023 图5是本发明中的双路跨导放大器电路图； 0024 图6是本发明中的频率补偿模块的电路图； 0025 图7是本发明调制模块的电路简图； 0026 图8是本发明频率补偿模块工作的等效电路图。 具体实施方式 0027 以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。 0028 参照图4，本发明具有片内频率补偿的电压模DC/DC电路包括：误差放大模块1，补 偿模块2，调制模块3，输出LC滤波模块4和。
19、反馈模块5。其中： 0029 误差放大模块1，采用双通路跨导运算放大器，如图5所示。它由两级放大电路组 成，第一级放大电路的两个输入端分别与反馈模块5的输出端和控制环路外的一个固定基 准电压相连接，输出端连接到第二级放大电路的输入端；该第一级放大电路由PMOS管M1、 M2，NMOS管M3、M4、M5、M6以及电阻R1、R2组成；该M1、M2的栅极相连接，构成电流镜结构， 将偏置电流I镜像到M3、M4的源端；该M3、M4构成放大电路的差动输入对；该M5、M6作为 放大电路的负载，其栅端连接在一起，源端分别连接在M3、M4的漏端，漏端均接地；该R1、R2 连接在M5源端与M6的源端之间，R1，R。
20、2的公共端与M5、M6的公共栅端相连接，以实现共模 负反馈，为第一级输出电压提供合适的共模工作点；该第二级放大电路由PMOS管M9、M10、 M12、M13，NMOS管M7、M8、M11组成且分两条放大通路；NMOS管M11作为第一条通路的输入， 其源端接地，栅端与M5的源端相连接；PMOS管M12、M13连接成有源电流镜结构，构成第一 条通路的负载，PMOS管M12的漏端连接到M11的漏端，M13的漏端作为误差放大模块的第一 输出端a；NMOS管M7、M8是第二条通路的输入对管，其栅端分别与M5、M6的漏端相接；PMOS 管M9、M10连接成有源电流镜结构，构成第二条通路的负载，其漏端分别连。
21、接到M7、M8的漏 端，M8与M10的公共漏端作为误差放大模块的第一输出端b。 0030 补偿模块2，连接在误差放大模块1的输出端与调制模块3的输入端之间，其结构 如图6所示。它由一对电阻R1，R2和一对电容C1，C2构成，电容C1的两端分别与电阻R1 说 明 书CN 102412724 A CN 102412737 A 4/5页 6 和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电阻R2的另一端通过电容C2接地；电容C1 和电阻R1的公共端与误差放大模块的第一输出端a连接，电容C2和电阻R2的公共端与误 差放大模块的第二输出端b连接。 0031 调制模块3，设有两个输入端，这两个输入端分别连接。
22、误差放大模块1的输出端和 控制环路外一个固定的斜坡信号，其结构如图7所示。它由PWM比较器、驱动电路和功率管 MN1、MP1构成；PWM比较器的两个输入端分别连接误差放大模块1的输出端Vcomp和控制环 外一个固定的斜坡电压，其输出端连接在驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接两个 功率管的栅端，控制功率管的导通和关断，功率管的公共漏端构成调制模块的输出端，连接 输出LC滤波模块4的输入端。 0032 输出LC滤波模块4，由电感L0和输出电容C0串联组成，其输出端连接反馈模块 5。 0033 所述的误差放大模块1将其输入端的电压信号差转化为两路电流信号放大后输 出给补偿模块2，设误差放大模块1。
23、两条放大通路的增益分别为Gm1、Gm2。这两路电流信号 经补偿模块2补偿后形成电压信号Vcomp提供给调制模块3，调制模块将产生震荡的输出信 号，经输出LC滤波模块4滤波后转变为平滑的输出电压Vout并通过反馈模块5送回到误 差放大模块1的反相输入端，实现负反馈以维持输出电压恒定。 0034 以下参照图8所示的等效电路图简述本发明的补偿原理：误差放大模块1有两条 电流小信号通路，其增益分别为Gm1、Gm2。采用电路叠加法，首先断开通路二，仅考虑第一 通路工作时的情况，得到传输函数如下： 0035 0036 同理，断开通路一，仅考虑第二通路工作时，得到另一传输函数为： 0037 0038 当R 。
24、out R 1 ，R 2 时， 0039 0040 其中，R out 是第二通路的输出电阻。将两个传输函数相加得到DC/DC整体环路的传 输函数如下： 0041 0042 0043 以上各传输函数中的R 1 、R 2 、C 1 、C 2 分别对应图6中的补偿元件R 1 、R 2 、C 1 、C 2 ，s是频 率复变量。由于环路传输函数H(s)的表达式中，分子是s的二次函数，故系统自身产生了 两个零点。只要适当调节补偿模块2中各元件的参数，使这两个零点分布在频域合适的位 置，即可抵消输出LC滤波模块4所产生的双极点对稳定性的不良影响。可见，即使不考虑 输出电容ESR产生的零点，本补偿电路自身仍能。
25、产生足够的零点数目，以维持DC/DC环路稳 定。 说 明 书CN 102412724 A CN 102412737 A 5/5页 7 0044 以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的 构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。 说 明 书CN 102412724 A CN 102412737 A 1/4页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102412724 A CN 102412737 A 2/4页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102412724 A CN 102412737 A 3/4页 10 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102412724 A CN 102412737 A 4/4页 11 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102412724 A 。