一种用于Buck变换器的环路补偿电路，属于电子技术领域。包括超前相位补偿电路、全差分低通滤波器电路。超前相位补偿电路产生一个零点和两个高频极点，提供超前相位补偿；所述全差分低通滤波器提供一个极点与高的低频增益。两者的输出电压在PWM比较器的输入端线性叠加，得到了三型补偿所需的电压信号：较高的低频增益与两个低频零点，从而弥补了超前相位补偿中低频增益低，稳态误差大的缺点。本发明中，超前相位补偿电路和低通滤波器均采用全差分输入输出结构，提高了电源抑制比（PSRR），能有效解决PMU中各路DC-DC变换器之间的串扰问题。
1.一种用于Buck变换器的环路补偿电路，其结构包括超前相位补偿电路、全差分低通滤波器和两个NMOS管M1-1、M1-2；
所述超前相位补偿电路，由第一偏置电路、零极点产生电路和电流转电压电路组成；
所述第一偏置电路由第一电流偏置源IBias和NMOS管M2-17组成；第一偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M2-17的漏极上，NMOS管M2-17栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS；
所述零极点产生电路由六个PMOS管M2-1、M2-2、M2-5、M2-6、M2-7与M2-8、六个NMOS管M2-3、M2-4、M2-11、M2-12、M2-13和M2-14、一个电阻R2-0和一个电容C2-0组成；PMOS管M2-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M2-2的栅极输入参考电压信号vref，电阻R2-0和电容C2-0并联在PMOS管M2-1和PMOS管M2-2的源极之间；PMOS管M2-5的漏极接PMOS管M2-1的源极，PMOS管M2-6的漏极接PMOS管M2-2的源极，PMOS管M2-5和PMOS管M2-6的源极接电源VDD；PMOS管M2-7的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-5的栅极相连，PMOS管M2-8的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-6的栅极相连，PMOS管M2-7和PMOS管M2-8的源极接电源VDD；NMOS管M2-3的栅极接PMOS管M2-1和NMOS管M2-12的漏极，NMOS管M2-4的栅极接PMOS管M2-2和的NMOS管M2-13漏极，NMOS管M2-3的漏极接PMOS管M2-1的源极，NMOS管M2-4的漏极接PMOS管M2-2的源极，NMOS管M2-3和NMOS管M2-4的源极接地电位VSS；NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的栅极接NMOS管M2-11和PMOS管M2-7的漏极，NMOS管M2-14与PMOS管M2-8共漏连接，NMOS管M2-11、NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的源极接地电位VSS，NMOS管M2-11的栅极接第一偏置电路中NMOS管M2-17的栅极；
所述电流转电压电路由两个NMOS管M2-9和M2-10与两个电阻R2-1和R2-2组成；NMOS管M2-9的栅极接PMOS管M2-1的漏极，NMOS管M2-10的栅极接PMOS管M2-2的漏极；NMOS管M2-9的漏极通过电阻R2-1接电源VDD，NMOS管M2-10的漏极通过电阻R2-2接电源VDD；
NMOS管M2-9和NMOS管M2-10的源极接地电位VSS；电流转电压电路中NMOS管M2-9的漏极输出超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1，NMOS管M2-10的漏极输出超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2；
所述全差分低通滤波器，其结构由第二偏置电路和单极点产生电路组成；
所述第二偏置电路由第二电流偏置源IBias和NMOS管M3-10组成；第二偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M3-10的漏极上，NMOS管M3-10栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS；
所述单极点产生电路由四个PMOS管M3-1、M3-2、M3-8和M3-9、五个NMOS管M3-3、M3-4、M3-5、M3-6和M3-7，两个电阻R3-0和R3-1，一个电容C3-0组成；PMOS管M3-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M3-2的栅极输入参考电压信号vref；PMOS管M3-1的源极通过电阻R3-0接NMOS管M3-3的漏极和PMOS管M3-9的漏极，PMOS管M3-2的源极通过电阻R3-1接NMOS管M3-4的漏极和PMOS管M3-9的漏极；NMOS管M3-3的栅极接PMOS管M3-1的漏极和NMOS管M3-5的漏极，NMOS管M3-4的栅极接PMOS管M3-2的漏极和NMOS管M3-6的漏极；PMOS管M3-8的栅极与漏极短接并连到PMOS管M3-9的栅极，PMOS管M3-8和PMOS管M3-9的源极接电源VDD；NMOS管M3-5和NMOS管M3-6的栅极接NMOS管M3-7的漏极和PMOS管M3-8的漏极，NMOS管M3-3、NMOS管M3-4、NMOS管M3-5、NMOS管M3-6和NMOS管M3-7的源极接地电位VSS；NMOS管M3-7的栅极接第二偏置电路中NMOS管M3-10的栅极；电容C3-0跨接在PMOS管M3-1和PMOS管M3-2的漏极之间，其中PMOS管M3-1的漏极输出全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1，PMOS管M3-2的漏极输出全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2；
超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1接所述NMOS管M1-1的漏极，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2接所述NMOS管M1-2的漏极；全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1接所述NMOS管M1-1的栅极，全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2接所述NMOS管M1-2的栅极；NMOS管M1-1和NMOS管M1-2的源极接地；超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1和全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1通过NMOS管M1-1线性叠加后与Buck变换器中振荡器所产生的锯齿波信号Isaw一起输入到Buck变换器中PWM比较器的负相输入端，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2和全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2通过NMOS管M1-2线性叠加后输入到Buck变换器中PWM比较器的正相输入端。
一种用于Buck变换器的环路补偿电路
技术领域
[0001] 本发明属于电子技术领域，涉及电源技术，具体涉及一种用于降压式稳压变换器（也称Buck变换器）的环路补偿电路。
背景技术
[0002] 近年来，便携式电子产品（比如：手机、平板电脑、MP3等）快速发展，电源管理单元（Power Management Unit，简称PMU）因其高效且适应各种负载需求的优点，日益被人们重视与青睐。PMU单元由多路DC-DC变换器与控制逻辑电路组成。其中Buck型DC-DC变换器是PMU单元的核心，负责输出外围设备所需要的电流与电压。Buck变换器可分为片外补偿和片内补偿两种。片外补偿需要额外的PCB板面积和片外补偿电容，而片内补偿具有更低的噪声敏感度与更小的面积。
[0003] 片内补偿可分为二型补偿和三型补偿，二型补偿为超前相位补偿，其需要的无源器件尺寸较小，适合于片内集成，但是由于其低频增益较低，因此稳态误差较大。传统的三型补偿利用运算放大器与电阻电容网络实现，为得到低频零点，需要很大的电阻和电容，很难片内集成，其结构如图1所示。文献（Patrick Y.Wu,Sam Y.S.Tsui and Philip K.T.Mok,“Area-and Power-Efficient Monolithic Buck Converters With Pseudo-Type III Compensation,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.45,pp.1446–1455,Aug.2010.）提出了一种伪三型电路结构，降低了电容电阻面积，使得片内集成成为可能，但是其需要的片内电容值为30pF，对于集成电路来说还是太大了。
发明内容
[0004] 本发明提供一种应用于Buck变换器的环路补偿电路，该环路补偿电路通过一路经超前相位补偿的电压信号和一路低通滤波器补偿的电压信号线性叠加，得到了与传统三型补偿电路相似的频率特性：较高的低频增益与两个低频零点，从而弥补了超前相位补偿中低频增益低，稳态误差大的缺点；另外超前相位补偿电路和低通滤波器均采用全差分输入输出结构，提高了电源抑制比（PSRR），能有效解决PMU中各路DC-DC变换器之间的串扰问题；同时本发明不仅可以产生于传统三型补偿的频率响应，而且只需要两个5pF的电容，易于片内集成、且大大减少了无源器件的面积，降低了电路成本。
[0005] 本发明详细技术方案如下：
[0006] 一种用于Buck变换器的环路补偿电路，其结构如图2所示，包括超前相位补偿电路、全差分低通滤波器和两个NMOS管M1-1、M1-2。
[0007] 所述超前相位补偿电路，如图3所示，由第一偏置电路、零极点产生电路和电流转电压电路组成。超前相位补偿电路产生一个零点和两个高频极点，提供超前相位补偿。
[0008] 所述第一偏置电路由第一电流偏置源IBias和NMOS管M2-17组成；第一偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M2-17的漏极上，NMOS管M2-17栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS。第一偏置电路为零极点电路和电流转电压电路提供电流偏置。所述零极点产生电路由六个PMOS管M2-1、M2-2、M2-5、M2-6、M2-7与M2-8、六个NMOS管M2-3、M2-4、M2-11、M2-12、M2-13和M2-14、一个电阻R2-0和一个电容C2-0组成；PMOS管M2-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M2-2的栅极输入参考电压信号vref，电阻R2-0和电容C2-0并联在PMOS管M2-1和PMOS管M2-2的源极之间；PMOS管M2-5的漏极接PMOS管M2-1的源极，PMOS管M2-6的漏极接PMOS管M2-2的源极，PMOS管M2-5和PMOS管M2-6的源极接电源VDD；PMOS管M2-7的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-5的栅极相连，PMOS管M2-8的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-6的栅极相连，PMOS管M2-7和PMOS管M2-8的源极接电源VDD；NMOS管M2-3的栅极接PMOS管M2-1和NMOS管M2-12的漏极，NMOS管M2-4的栅极接PMOS管M2-2和的NMOS管M2-13漏极，NMOS管M2-3的漏极接PMOS管M2-1的源极，NMOS管M2-4的漏极接PMOS管M2-2的源极，NMOS管M2-3和NMOS管M2-4的源极接地电位VSS；NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的栅极接NMOS管M2-11和PMOS管M2-7的漏极，NMOS管M2-14与PMOS管M2-8共漏连接，NMOS管M2-11、NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的源极接地电位VSS，NMOS管M2-11的栅极接偏置电路中NMOS管M2-17的栅极。所述电流转电压电路由两个NMOS管M2-9和M2-10与两个电阻R2-1和R2-2组成；NMOS管M2-9的栅极接PMOS管M2-1的漏极，NMOS管M2-10的栅极接PMOS管M2-2的漏极；NMOS管M2-9的漏极通过电阻R2-1接电源VDD，NMOS管M2-10的漏极通过电阻R2-2接电源VDD；NMOS管M2-9和NMOS管M2-10的源极接地电位VSS。NMOS管M2-9和M2-10分别镜像流过NMOS管M2-3和NMOS管M2-4的电流，并通过电阻R2-1和电阻R2-2转换为电压信号。电流转电压电路中NMOS管M2-9的漏极输出超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1，NMOS管M2-10的漏极输出超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2。
[0009] 所述全差分低通滤波器，其结构如图4所示，由第二偏置电路和单极点产生电路组成。所述第二偏置电路由第二电流偏置源IBias和NMOS管M3-10组成；第二偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M3-10的漏极上，NMOS管M3-10栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS。第二偏置电路为单极点产生电路提供电流偏置。所述单极点产生电路由四个PMOS管M3-1、M3-2、M3-8和M3-9、五个NMOS管M3-3、M3-4、M3-5、M3-6和M3-7，两个电阻R3-0和R3-1，一个电容C3-0组成。PMOS管M3-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M3-2的栅极输入参考电压信号vref；PMOS管M3-1的源极通过电阻R3-0接NMOS管M3-3的漏极和PMOS管M3-9的漏极，PMOS管M3-2的源极通过电阻R3-1接NMOS管M3-4的漏极和PMOS管M3-9的漏极；NMOS管M3-3的栅极接PMOS管M3-1的漏极和NMOS管M3-5的漏极，NMOS管M3-4的栅极接PMOS管M3-2的漏极和NMOS管M3-6的漏极；PMOS管M3-8的栅极与漏极短接并连到PMOS管M3-9的栅极，PMOS管M3-8和PMOS管M3-9的源极接电源VDD；NMOS管M3-5和NMOS管M3-6的栅极接NMOS管M3-7的漏极和PMOS管M3-8的漏极，NMOS管M3-3、NMOS管M3-4、NMOS管M3-5、NMOS管M3-6和NMOS管M3-7的源极接地电位VSS；NMOS管M3-7的栅极接第二偏置电路中NMOS管M3-10的栅极；电容C3-0跨接在PMOS管M3-1和PMOS管M3-2的漏极之间，其中PMOS管M3-1的漏极输出全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1，PMOS管M3-2的漏极输出全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2。
[0010] 超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1接所述NMOS管M1-1的漏极，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2接所述NMOS管M1-2的漏极；全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1接所述NMOS管M1-1的栅极，全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2接所述NMOS管M1-2的栅极；NMOS管M1-1和NMOS管M1-2的源极接地；超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1和全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1通过NMOS管M1-1线性叠加后与Buck变换器中振荡器所产生的锯齿波信号Isaw一起输入到Buck变换器中PWM比较器的负相输入端，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2和全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2通过NMOS管M1-2线性叠加后输入到Buck变换器中PWM比较器的正相输入端。
[0011] 本发明提供的用于Buck变换器的环路补偿电路，其中所述超前相位补偿电路产生一个零点和两个高频极点，提供超前相位补偿；所述全差分低通滤波器提供一个极点与高的低频增益。两者的输出电压在PWM比较器的输入端线性叠加，得到了三型补偿所需的电压信号：较高的低频增益与两个低频零点，从而弥补了超前相位补偿中低频增益低，稳态误差大的缺点。
[0012] 本发明提供的用于Buck变换器的环路补偿电路，具有以下优点：
[0013] 1、所需电容值小，芯片面积大大减小
[0014] 传统三型补偿采用片外补偿，需要片外大电容，本发明采用片内补偿技术，所需要的电容值小（10pF），大大减小了芯片面积与成本。
[0015] 2、有效抑制开关动作产生的高频噪声与串扰
[0016] 本发明所述的环路补偿电路采用全差分输入输出结构，提高了电源抑制比（PSRR），能有效解决PMU中各路DC-DC变换器之间的串扰问题。
附图说明
[0017] 图1：传统三型补偿电路示意图。
[0018] 图2：应用了本发明所述环路补偿电路的Buck变换器。
[0019] 图3：超前相位补偿电路图。
[0020] 图4：全差分低通滤波器电路图。
[0021] 图5：采用本发明的Buck电路小信号环路传输函数。
[0022] 图6：超前相位补偿电路的频率响应。
[0023] 图7：全差滤波器的频率响应。
[0024] 图8：采用本发明的Buck整体环路频率响应。
[0025] 图9：采用本发明的Buck电路负载阶跃响应仿真波形。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明的环路补偿电路原理进行阐述。
[0027] 一种用于Buck变换器的环路补偿电路，其结构如图2所示，包括超前相位补偿电路、全差分低通滤波器和两个NMOS管M1-1、M1-2。
[0028] 所述超前相位补偿电路，如图3所示，由第一偏置电路、零极点产生电路和电流转电压电路组成。超前相位补偿电路产生一个零点和两个高频极点，提供超前相位补偿。
[0029] 所述第一偏置电路由第一电流偏置源IBias和NMOS管M2-17组成；第一偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M2-17的漏极上，NMOS管M2-17栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS。第一偏置电路为零极点电路和电流转电压电路提供电流偏置。所述零极点产生电路由六个PMOS管M2-1、M2-2、M2-5、M2-6、M2-7与M2-8、六个NMOS管M2-3、M2-4、M2-11、M2-12、M2-13和M2-14、一个电阻R2-0和一个电容C2-0组成；PMOS管M2-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M2-2的栅极输入参考电压信号vref，电阻R2-0和电容C2-0并联在PMOS管M2-1和PMOS管M2-2的源极之间；PMOS管M2-5的漏极接PMOS管M2-1的源极，PMOS管M2-6的漏极接PMOS管M2-2的源极，PMOS管M2-5和PMOS管M2-6的源极接电源VDD；PMOS管M2-7的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-5的栅极相连，PMOS管M2-8的漏极与栅极短接并与PMOS管M2-6的栅极相连，PMOS管M2-7和PMOS管M2-8的源极接电源VDD；NMOS管M2-3的栅极接PMOS管M2-1和NMOS管M2-12的漏极，NMOS管M2-4的栅极接PMOS管M2-2和的NMOS管M2-13漏极，NMOS管M2-3的漏极接PMOS管M2-1的源极，NMOS管M2-4的漏极接PMOS管M2-2的源极，NMOS管M2-3和NMOS管M2-4的源极接地电位VSS；NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的栅极接NMOS管M2-11和PMOS管M2-7的漏极，NMOS管M2-14与PMOS管M2-8共漏连接，NMOS管M2-11、NMOS管M2-12、NMOS管M2-13和NMOS管M2-14的源极接地电位VSS，NMOS管M2-11的栅极接偏置电路中NMOS管M2-17的栅极。所述电流转电压电路由两个NMOS管M2-9和M2-10与两个电阻R2-1和R2-2组成；NMOS管M2-9的栅极接PMOS管M2-1的漏极，NMOS管M2-10的栅极接PMOS管M2-2的漏极；NMOS管M2-9的漏极通过电阻R2-1接电源VDD，NMOS管M2-10的漏极通过电阻R2-2接电源VDD；NMOS管M2-9和NMOS管M2-10的源极接地电位VSS。NMOS管M2-9和M2-10分别镜像流过NMOS管M2-3和NMOS管M2-4的电流，并通过电阻R2-1和电阻R2-2转换为电压信号。电流转电压电路中NMOS管M2-9的漏极输出超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1，NMOS管M2-10的漏极输出超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2。
[0030] 所述全差分低通滤波器，其结构如图4所示，由第二偏置电路和单极点产生电路组成。所述第二偏置电路由第二电流偏置源IBias和NMOS管M3-10组成；第二偏置电流源IBias跨接在电源VDD和NMOS管M3-10的漏极上，NMOS管M3-10栅极与漏极短接，其源极接地电位VSS。第二偏置电路为单极点产生电路提供电流偏置。所述单极点产生电路由四个PMOS管M3-1、M3-2、M3-8和M3-9、五个NMOS管M3-3、M3-4、M3-5、M3-6和M3-7，两个电阻R3-0和R3-1，一个电容C3-0组成。PMOS管M3-1的栅极输入Buck变化器的输出采样电压vfb，PMOS管M3-2的栅极输入参考电压信号vref；PMOS管M3-1的源极通过电阻R3-0接NMOS管M3-3的漏极和PMOS管M3-9的漏极，PMOS管M3-2的源极通过电阻R3-1接NMOS管M3-4的漏极和PMOS管M3-9的漏极；NMOS管M3-3的栅极接PMOS管M3-1的漏极和NMOS管M3-5的漏极，NMOS管M3-4的栅极接PMOS管M3-2的漏极和NMOS管M3-6的漏极；PMOS管M3-8的栅极与漏极短接并连到PMOS管M3-9的栅极，PMOS管M3-8和PMOS管M3-9的源极接电源VDD；NMOS管M3-5和NMOS管M3-6的栅极接NMOS管M3-7的漏极和PMOS管M3-8的漏极，NMOS管M3-3、NMOS管M3-4、NMOS管M3-5、NMOS管M3-6和NMOS管M3-7的源极接地电位VSS；NMOS管M3-7的栅极接第二偏置电路中NMOS管M3-10的栅极；电容C3-0跨接在PMOS管M3-1和PMOS管M3-2的漏极之间，其中PMOS管M3-1的漏极输出全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1，PMOS管M3-2的漏极输出全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2。
[0031] 超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1接所述NMOS管M1-1的漏极，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2接所述NMOS管M1-2的漏极；全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1接所述NMOS管M1-1的栅极，全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2接所述NMOS管M1-2的栅极；NMOS管M1-1和NMOS管M1-2的源极接地；超前相位补偿电路的第一输出电压V2-1和全差分低通滤波器的第一输出电压V3-1通过NMOS管M1-1线性叠加后与Buck变换器中振荡器所产生的锯齿波信号Isaw一起输入到Buck变换器中PWM比较器的负相输入端，超前相位补偿电路的第二输出电压V2-2和全差分低通滤波器的第二输出电压V3-2通过NMOS管M1-2线性叠加后输入到Buck变换器中PWM比较器的正相输入端。
[0032] 该环路补偿电路应用于Buck变换器的框图如图2所示。Buck变换器的输出采样电压VFB与超前相位补偿电路的负相输入端相连，参考基准电压Vref与超前相位补偿电路的正相输入端相连；Buck电路的输出采样电压VFB与低通滤波器的负相输入端相连，参考基准电压Vref与低通滤波器的正相输入端相连。经超前相位补偿电路的输出电压信号与经低通滤波器补偿的电压信号在PWM比较器的输入端线性叠加，得到了三型补偿所需的电压信号。
[0033] 采用本发明的Buck电路小信号模型如图5所示。
[0034] 功率级传 输函数为Gvd(s)，整体 环路传输 函数为T(s)，超 前相 位补偿电路的传输函数 全差分低通滤波器的传输函数为 则系统整体环路的传输函数为
其中补偿电路的传输函
数为：
[0035]其中
由此可见采用本发明提供的环路补偿电路传输函数有两个低频
零点，能够补偿LC网络共轭极点产生的180°的相位滞后，另外低频增益高（Av1+Av2），能极大弥补超前相位补偿低频增益低，稳态误差大的缺点。
[0036] 将本发明所述环路补偿应用到一例具体的Buck变换器中，图6、图7、图8为利用HSPICE仿真软件对超前相位补偿电路、全差分低通滤波器，采用本发明的Buck整体环路频率响应仿真图，从图中可以看出经超前相位补偿电路的电压信号和经全差分低通滤波器的电压信号在PWM比较器前线性相加得到了类似传统三型补偿的频率响应。图9是采用了本发明所述的环路补偿的Buck电路负载电流从800mA阶跃到400mA和从400mA阶跃到800mA的仿真图，其中，输入电压为3.3V，输出电压为1.22V，开关频率为2MHz，外围电感为
3.3μH，电容为22μF（esr=3.6mΩ）。
