電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 宋 健 代 杰 余清華

一種用于單周期控制的斜率自適應(yīng)積分電路的設(shè)計(jì)

電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 宋 健 代 杰 余清華

采用電流模相乘器結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斜率自適應(yīng)、高精度的積分器，具有良好的線性特性，線性范圍達(dá)到0～6V，能夠廣泛應(yīng)用在固定開(kāi)關(guān)頻率的單周期控制的功率因數(shù)校正芯片中。此外，還對(duì)負(fù)反饋電路的穩(wěn)定性和頻率補(bǔ)償進(jìn)行了討論和仿真，得到了約78度的相位裕度。最后給出了具體的積分器電路圖和仿真結(jié)果。

單周期控制；電流模相乘器；計(jì)數(shù)器；積分器

1.引言

在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，任何使輸入電網(wǎng)電流為非線性，或即使是正弦波但和正弦輸入電壓不同相位，或使輸入電流具有諧波的電路結(jié)構(gòu)都會(huì)降低功率因數(shù)從而產(chǎn)生額外的功率損耗。為了提高對(duì)電能的利用效率，需要引入功率因數(shù)校正技術(shù)[1]。

傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路技術(shù)復(fù)雜，步驟繁瑣，體積大，成本高，而單周期控制技術(shù)是一種非線性控制技術(shù)，不但大大簡(jiǎn)化了電路而且使得電路的抗干擾能力、魯棒性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好[2]。單周期控制的控制策略是對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行積分后與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，決定開(kāi)關(guān)的占空比。

本文中的積分器將控制電壓轉(zhuǎn)換成電流后，利用雙極型晶體管的電流-電壓指數(shù)關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)尾電流源的模擬乘法器，再利用電流對(duì)電容充電實(shí)現(xiàn)積分，能夠很好地應(yīng)用在各類(lèi)單周期控制的PFC芯片中。

2.積分器的原理分析

本文中所設(shè)計(jì)的積分器是在電流模相乘器[3]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用電流對(duì)電容充電實(shí)現(xiàn)積分的功能。首先給出單周期控制PFC的原理[4]。

式（7）、（8）為單周期控制方程組。其中Vm是系統(tǒng)控制電壓，ig是輸入電流，RS是輸入電流檢測(cè)電阻。實(shí)際上，V2(t)是對(duì)Vm在整個(gè)周期內(nèi)積分，當(dāng)V1(t)和V2(t)相等時(shí)，通過(guò)PWM比較器可以確定開(kāi)關(guān)的占空比D。從（8）式可知單周期控制的核心在于對(duì)Vm進(jìn)行積分。因此，需要構(gòu)建一個(gè)積分器。

如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的積分器的整體電路圖，其中電源電壓VCC=7.5V，VIN是輸入電壓，即為式（8）中的控制電壓Vm，VBIAS1、VBIAS2是固定偏置電壓，VPULSE是每個(gè)周期對(duì)積分器進(jìn)行復(fù)位的脈沖，VOUT是積分器的輸出。

Q34、Q35、Q36、Q37和R18構(gòu)成電流基準(zhǔn)源，其中Q35、Q36、Q37相同，Q34的面積是他們的4倍。Q27、Q28、Q29、Q30、Q31、Q32、Q33和R17產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電壓VBIAS1。Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成電流模相乘器，Q5、Q7、Q9、R1、R2與Q6、Q8、Q10、R3、R4分別構(gòu)成威爾遜電流鏡，忽略基極電流影響，則有

圖1 積分器整體電路圖

Q12、Q15、Q16、Q17、R5、R6、R7、R11、R12、C2、C3構(gòu)成負(fù)反饋回路，隨著輸入電壓VIN的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)Q12中電流的大小，同時(shí)維持Q9和Q14中流過(guò)的電流相等，因此

將式（7）、（8）、（9）、（11）代入式（6）得到

對(duì)比式（2）與式（13），只要使

.即可滿足要求，一個(gè)周期內(nèi)使得積分器輸出VOUT=VIN。因此只要根據(jù)PFC的工作頻率來(lái)設(shè)計(jì) 的值，就能得到滿足要求的積分電路。

由于電路性能會(huì)受溫度、電源電壓和各種工藝參數(shù)的影響，導(dǎo)致不可能得到一個(gè)精確的 。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)模16可逆型計(jì)數(shù)器來(lái)自動(dòng)調(diào)整 值的大小，1/即為積分斜率。圖1中，Q43～Q50、D1～D4和R19～R22組成四個(gè)開(kāi)關(guān)，根據(jù)計(jì)數(shù)器的4位輸出來(lái)改變I2的大小，來(lái)積分斜率。其中Q23、Q43、Q44、Q45、Q46的面積之比為8:2:1:0.5:0.25。

可逆計(jì)數(shù)器控制由圖2給出。通過(guò)一個(gè)比較器，對(duì)VOUT和VIN進(jìn)行比較，如果VIN＞VOUT，比較器輸出高電平，控制計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù)，I2變小，積分斜率變大，VOUT將會(huì)變大；如果VIN＜VOUT，計(jì)數(shù)器逆向計(jì)數(shù)，I2變大，積分斜率變小，VOUT將會(huì)變小。這樣，通過(guò)一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器就實(shí)現(xiàn)了對(duì)積分器斜率的自動(dòng)調(diào)整。

3.積分器的仿真

3.1 積分器輸出隨輸入電壓變化

如圖3所示為積分器輸出隨輸入電壓變化的仿真圖。其中VIN時(shí)斜坡電壓，VOUT為積分輸出的鋸齒波電壓。圖4是積分器輸出隨輸入電壓變化局部放大圖，可以看到，積分輸出VOUT的峰值與積分輸入VIN基本重合，積分效果理想。

從仿真得到VIN=5.6V時(shí)，VOUTPEAK=5.625V，計(jì)算得到精度為

圖2 可逆計(jì)數(shù)器控制電路

3.2 電路穩(wěn)定性的分析和仿真

當(dāng)電路存在負(fù)反饋時(shí)，如果相位裕度太小，會(huì)在較高頻率擾動(dòng)時(shí)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的說(shuō)明，當(dāng)相位裕度為60°時(shí)，閉環(huán)頻率響應(yīng)的尖峰已可忽

略。如圖1所示，Q12、Q15、Q16、Q17、R5、R6、R7、R11、R12、C2、C3構(gòu)成負(fù)反饋回路，因此必須對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行考慮。隨著輸入電壓VIN的變化反饋回路自動(dòng)調(diào)節(jié)Q12中電流的大小，使得積分電流變化，始終保持與輸入電壓VIN成正比。因此對(duì)積分器反饋回路的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真很重要。

反饋回路中Q16的基極為一個(gè)高阻節(jié)點(diǎn)，因此加電容C2到地，引入一個(gè)低頻主極點(diǎn)，使得環(huán)路增益下降點(diǎn)提前，幅頻曲線增益交點(diǎn)提前，提高了環(huán)路相位裕度。當(dāng)加上C3后在高頻引入極點(diǎn)，使得高頻增益下降變快，抑制高頻噪聲的影響。環(huán)路的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示，環(huán)路增益約為60dB，其相位裕度約為78°，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。

3.3 積分電流的仿真

由于負(fù)反饋的調(diào)節(jié)，尾電流源Q12中的電流會(huì)隨著輸入電壓VIN的變化而變化，實(shí)現(xiàn)積分電流Icharge跟隨輸入電壓變化。對(duì)輸入電壓VIN進(jìn)行DC掃描，范圍從0～7V，觀測(cè)Q10中的充電電流變化。從圖6的仿真結(jié)果可以看到，積分電流Icharge隨著輸入電壓VIN的增大而增大，并且與VIN成正比。仿真結(jié)果驗(yàn)證了式（12）中推導(dǎo)的Icharge與VIN的正比關(guān)系。當(dāng)VIN＞6V時(shí)，Icharge達(dá)到飽和，所以輸入電壓的范圍在0～6V。

圖3 積分器輸出隨輸入電壓變化的仿真圖

圖4 積分器輸出隨輸入電壓變化局部放大圖

圖6 積分電流隨輸入電壓的變化關(guān)系

4.結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的積分器采用電流模相乘器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合可逆計(jì)數(shù)器控制，實(shí)現(xiàn)了斜率自適應(yīng)功能。利用穩(wěn)定的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)以保證積分器在不同輸入電壓下都能精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓進(jìn)行積分的功能。通過(guò)仿真結(jié)果表明，積分器的輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性良好，精度高，適用于單周期控制的PFC芯片。

[1]Abraham I.Pressman,Keith Billings,Taylor Morey.Switching Power Supply Design[M].Third Edition,New York:McGraw-Hill Company,2009:671-672.

[2]Keyue M.Smedley,Slobodan Cuk.One-Cycle Control of Switching Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1995,10(6):625.

[3]周柏毓.一種雙環(huán)控制的連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正控制器設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,2007.

[4]胡新新,郭育華.基于IR1150的有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化信息,2008,11:35.

[5]畢查德拉扎維著.陳貴燦,程軍,張瑞智譯.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003:289-315.

宋?。?986—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。

代杰（1986—），男，四川富順人，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。

余清華（1987—），男，福建寧化人，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。