交換式電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及電源管理，更確切地說，是設(shè)計(jì)一種帶有高精度運(yùn)算放大器的用 于電源管理的交換式電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在常規(guī)的電源管理系統(tǒng)中，交換式電源轉(zhuǎn)換器通常是一個(gè)閉回路系統(tǒng)，一般結(jié)構(gòu) 至少包含一個(gè)電感L及輸出電容C，這種LC回路中必定會(huì)產(chǎn)生雙重極點(diǎn)（Pole)，若沒有把 頻率補(bǔ)償好，則系統(tǒng)會(huì)不穏定，大部份的頻率補(bǔ)償都由運(yùn)算放大器（0PA)來實(shí)現(xiàn)。如圖1A所 示為一個(gè)直流_直流降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，通常的頻率補(bǔ)償方法有TypeI、TypeII與TypeIII 型，關(guān)于DC-DC這三種類型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以參見申請(qǐng)?zhí)枮?01310208472. 1的中國專利申 請(qǐng)。無論是使用那一種方式做頻率補(bǔ)償都需要大電容值才能使系統(tǒng)具有較佳的穏定狀態(tài)， 但是試圖在硅襯底的集成電路（1C)內(nèi)做一取值較大的大電容器是很難的，會(huì)占用大量的有 效面積，此外，還有些專利或其他文獻(xiàn)是在線路上做一些技巧使得電容器的電容值放大以 達(dá)到頻率補(bǔ)償。
[0003]圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)簡略的降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該系統(tǒng)中大體上包括主開關(guān)轉(zhuǎn) 換器和接在主開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出端的負(fù)載R，在控制器和主開關(guān)轉(zhuǎn)換器之間稱合有一個(gè)控制 器，控制主開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)晶體管Q，開關(guān)晶體管Q的輸入端接輸入電壓Vg(t)，開關(guān)晶 體管Q的輸出端接電感，電感的另一端輸出期望的輸出電壓，在電感的輸出端還耦合有一 個(gè)濾波電容C，有時(shí)候也選擇在電感的輸入端耦合一個(gè)二極管，起到續(xù)流的作用。開關(guān)晶體 管Q的柵極受到控制器的輸出開關(guān)信號(hào)的控制，選擇開關(guān)狀態(tài)，而控制器則根據(jù)由負(fù)載部 分的反饋信號(hào)來判斷輸出開關(guān)信號(hào)的電位。具體而言，反饋電壓V和預(yù)定的參考電壓Vref 進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果傳送給補(bǔ)償器，在補(bǔ)償器的輸出端產(chǎn)生補(bǔ)償電壓信號(hào)Vc(t)，Vc(t)與 時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，在圖1C中有所展示。控制器的脈沖寬度調(diào)制器接收Vc(t)信號(hào)并依據(jù) 它而發(fā)送脈沖信號(hào)S(t)給晶體管門極驅(qū)動(dòng)器，晶體管門極驅(qū)動(dòng)器輸出的高低電平控制晶 體管Q是否關(guān)斷輸入電壓Vg(t)輸出到開關(guān)轉(zhuǎn)換器，脈沖信號(hào)S(t)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系 在圖1B中有所展示。籍此來實(shí)現(xiàn)控制負(fù)載R兩端的電壓V(t)的取值。
[0004] 圖1D大體上示意出了電源轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)關(guān)系，詳細(xì)而言，系統(tǒng)在傳遞函數(shù)的 關(guān)系中包含了以下函數(shù)關(guān)系式：
[0007] 另外，圖1E還展示了雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)TypeIII型的頻率補(bǔ)償方法，參考電壓Vref 和反饋電壓分別輸入至比較器的正、負(fù)輸入端，在比較器的負(fù)輸入端和輸出端之間連接有 串接的電容C1、電阻R2,以及連接有一個(gè)電容C2,在反饋網(wǎng)絡(luò)ZFB中，電容C1、電阻R2先 串聯(lián)后再作為一個(gè)整體與電容C2并聯(lián)。在反饋網(wǎng)絡(luò)ZIN中，在比較器的負(fù)輸入端和輸出端Vout之間連接有串接的電容C3、電阻R3,和連接有一個(gè)電阻R1，電容C3、電阻R3先串聯(lián)后 再作為一個(gè)整體與電阻R1并聯(lián)。這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中有以下函數(shù)關(guān)系，其中的零點(diǎn)極點(diǎn)結(jié)果尤 其值得我們予以關(guān)注：
[0011] -般在降壓轉(zhuǎn)換器（BuckConverter)中，開環(huán)回路頻率響應(yīng)會(huì)在1/^/lC*產(chǎn)生兩 個(gè)極點(diǎn)（Pole)，和在輸出電容C及它的等效串聯(lián)電阻ESR產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)（Zero)。一般電解 電容會(huì)在1/VZU所產(chǎn)生零點(diǎn)會(huì)在所產(chǎn)生兩個(gè)極點(diǎn)之后，一般的運(yùn)算放大器會(huì)在低頻時(shí)就產(chǎn) 生一個(gè)極點(diǎn)，若此運(yùn)算放大器若沒在1/VTZ7之前產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，則頻率響應(yīng)會(huì)有三個(gè)極點(diǎn) 相鄰，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入不穏定狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在本發(fā)明的一種交換式電源轉(zhuǎn)換器的內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)中，包括一個(gè)運(yùn)算放大 器，該運(yùn)算放大器包括：一個(gè)差分輸入級(jí)，用于比較兩個(gè)輸入電壓信號(hào)INN、INP; -個(gè)緩沖 器，將差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出信號(hào)以源極跟隨的方式轉(zhuǎn)換輸出；一個(gè)中間級(jí)差分模塊，用于 接收緩沖器輸出的兩個(gè)源極跟隨信號(hào)之后產(chǎn)生單邊差動(dòng)輸出信號(hào)；一個(gè)輸出級(jí)，放大所述 差動(dòng)輸出信號(hào)并在輸出級(jí)輸出端產(chǎn)生輸出電壓。
[0013] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，差分輸入級(jí)包括P型差分晶體管對(duì)Mil、M12,晶體管對(duì) M11、M12各自的柵極分別接收一對(duì)輸入電壓信號(hào)INN、INP。
[0014] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，緩沖器包括接收差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出信號(hào)的N型晶體 管M7、M10,完成差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出信號(hào)的電平下降轉(zhuǎn)移。
[0015] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，中間級(jí)差分模塊包括P型晶體管對(duì)M8、M9,它們各自的柵 極分別對(duì)應(yīng)接收緩沖器輸出的一組源極跟隨信號(hào)。
[0016] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，包括一個(gè)連接在輸出級(jí)輸入端和輸出端之間的RC網(wǎng)絡(luò)， RC網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)電阻R2和一個(gè)電容C1串聯(lián)。
[0017] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，包括一個(gè)反饋電阻R1，連接在中間級(jí)差分模塊的差分晶 體管對(duì)中一個(gè)晶體管的柵極和輸出級(jí)的輸出端之間。
[0018] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，中間級(jí)差分模塊的差分晶體管對(duì)中柵極未連接電阻R1 的一個(gè)晶體管上的輸出信號(hào)耦合到輸出級(jí)的一個(gè)放大晶體管的輸入端上。
[0019] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，差分晶體管對(duì)Mil、M12各自的漏極連接接地端，晶體管 Mil、M12各自的源極和電源電壓之間對(duì)應(yīng)分別連接有P型晶體管M3、M4,晶體管M3、M4均 形成一個(gè)電流源IB的鏡像電流，分別為晶體管M11、M12提供靜態(tài)電流。
[0020] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，晶體管M7、M10各自的漏極連接電源電壓，晶體管M7、M10 各自的源極和接地端之間對(duì)應(yīng)分別連接有N型晶體管M14、M15,晶體管M14、M15均形成一 個(gè)電流源IB的鏡像電流，分別為晶體管M7、M10提供靜態(tài)電流。
[0021] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，中間級(jí)差分模塊還包括一個(gè)P型的尾電流源晶體管M5， 晶體管M5的源極連接到電源電壓且漏極連接到晶體管M8、M9的源極，N型負(fù)載晶體管M16、 Ml7分別對(duì)應(yīng)連接在晶體管M8、M9和接地端之間。
[0022] -個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)算放大器的增益設(shè)定為40DB。一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)算放大器的極點(diǎn) 頻率是振蕩頻率Fosc的1/5至1/2。
[0023] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，所述運(yùn)算放大器產(chǎn)生的一個(gè)極點(diǎn)在一LC電路的輸出電 容C和該電容C的一個(gè)等效串聯(lián)電阻ESR所產(chǎn)生的零點(diǎn)之后，并在交換式電源轉(zhuǎn)換器的振 蕩頻率Fosc之前；其中，LC電路的輸出負(fù)載電壓Vload或者輸出負(fù)載電壓Vload的一個(gè)分 壓作為輸入電壓信號(hào)INN反饋耦合到運(yùn)算放大器的反向輸入端。
[0024] 上述內(nèi)建補(bǔ)償電路系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出電容C產(chǎn)生高頻零點(diǎn)時(shí)，以負(fù)載電 壓Vload的一個(gè)分壓作為輸入電壓信號(hào)INN反饋耦合到運(yùn)算放大器的反向輸入端，并在分 壓器的用于采樣分壓的一個(gè)分壓電阻上并聯(lián)一個(gè)電容，籍此增加一個(gè)零點(diǎn)來穩(wěn)定交換式電 源轉(zhuǎn)換器。
【附圖說明】
[0025] 閱讀以下詳細(xì)說明并參照以下附圖之后，本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將顯而易見：
[0026] 圖1A~1D是常規(guī)電源轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)關(guān)系；
[0027] 圖1E是雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)TypeIII型的頻率補(bǔ)償方法；
[0028] 圖2A是本發(fā)明放大器的電路圖；
[0029] 圖2B是轉(zhuǎn)換器開環(huán)回路的頻率響應(yīng)示意圖；
[0030] 圖2C是運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)不意圖；
[0031] 圖2D是降壓型轉(zhuǎn)換器閉環(huán)回路的頻率響應(yīng)示意圖。
[0032] 圖3是采用分壓作為反饋電壓時(shí)在分壓電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 在圖2A所示的運(yùn)算放大器的實(shí)施例中，在一個(gè)電流源模塊100中，包括提供的理 想偏置電流源IB，流經(jīng)電流源模塊100的一個(gè)P-型晶體管M1，晶體管Ml的漏極接到柵極， 體現(xiàn)出M0S二極管結(jié)構(gòu)，電流源模塊100中還包括串聯(lián)連接在一起的一個(gè)P-型晶體管M2 和一個(gè)N-型晶體管M13,晶體管Ml、M2的源極都連接到電源電壓，但M0S二極管結(jié)構(gòu)的晶 體管M13的源極連接到接地端GND。晶體管M2的漏極連接到晶體管M13的漏極，流過晶體 管M2、M13的電流完全相同，而晶體管M2的柵極連接到晶體管Ml構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，將偏置 電流IB鏡像到晶體管Ml。電流源模塊100為其他模塊或單元提供鏡像電流