用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路

摘要

本发明涉及一种用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡‑误差补偿电路，属于开关电源技术领域，解决了现有技术中峰值电流控制BUCK变换器进行斜坡补偿后输出电流存在静态误差的问题。本发明公开的斜坡‑误差补偿电路包括斜坡补偿子电路、误差补偿子电路、调理放大子电路。所述误差补偿子电路的输入信号取自BUCK变换器的输出电压，其误差补偿值与BUCK变换器输出电压呈正比，并等于斜坡补偿子电路输出电流的静态误差。因此，对任意占空比工作时的BUCK变换器均可实现误差补偿，消除斜坡补偿引起的静态误差。

权利要求

1.一种用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，包括斜坡补偿子电路、误差补偿子电路、调理放大子电路；所述斜坡补偿子电路和误差补偿子电路并联，再与所述调理放大子电路串联；

所述斜坡补偿子电路，用于接收PWM控制器输出的锯齿波信号、偏置电压信号和目标电流信号，转换成带斜坡补偿的电流参考信号输出；

所述误差补偿子电路，用于接收BUCK变换器输出的电压信号，转换成上述电流参考信号对应的误差补偿信号输出；

所述调理放大子电路，用于将上述带斜坡补偿的电流参考信号和对应的误差补偿信号进行加和，将所述加和结果作为用于峰值电流控制的电流参考信号输出；

上述斜坡补偿子电路包括依次串联的运放模块1、运放模块2；

所述运放模块1，用于接收PWM控制器输出的锯齿波信号、偏置电压信号，将PWM控制器输出的锯齿波信号进行偏置和反向，生成由零开始变化的倒锯齿波信号传输至运放模块2；

所述运放模块2，用于接收上述倒锯齿波信号和所述目标电流信号，将所述倒锯齿波信号与所述目标电流信号进行叠加，生成带斜坡补偿的电流参考信号。

2.根据权利要求1所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述误差补偿子电路包括依次串联的电压采集模块、运放模块3；

所述电压采集模块，用于采集BUCK变换器输出的电压信号，将所述电压信号由高压信号转换为低压控制信号，并将所述低压控制信号传输至运放模块3；

所述运放模块3，用于将接收到的低压控制信号按预设倍数放大，并转换成电流信号输出；所述输出的电流信号为带斜坡补偿的电流参考信号对应的误差补偿信号。

3.根据权利要求2所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述调理放大子电路包括反向求和电路；

所述反向求和电路，用于将所述带斜坡补偿的电流参考信号和所述对应的误差补偿信号进行加和，获得用于峰值电流控制的电流参考信号输出。

4.根据权利要求3所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述运放模块1包括运算放大器A1、电阻R1～R4；

所述运算放大器A1的负向输入端，经电阻R1与PWM控制器输出的锯齿波信号Islope连接，经电阻R2与直流电源提供的偏置电压连接，并经电阻R4与A1的输出端连接；A1的正向输入端经电阻R3接地。

5.根据权利要求4所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述运放模块2包括运算放大器A2、电阻R5～R8；

所述运算放大器A2的负向输入端，经电阻R6与运算放大器A1的输出端连接，经电阻R5与目标电流信号Ig连接，并经电阻R8与A2的输出端连接；A2的正向输入端经电阻R7接地。

6.根据权利要求5所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述电压采集模块包括霍尔电压传感器LEM、电阻R9、R10；

所述霍尔电压传感器LEM的正向输入端经电阻R9与输入信号Uout正端连接，LEM的负向输入端与输入信号Uout负端连接，LEM的输出端经电阻R10接地。

7.根据权利要求6所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述运放模块3包括运算放大器A3、电阻R11～R13；

所述运算放大器A3的负向输入端，经电阻R11与LEM的输出端连接，并经电阻R13与A3的输出端连接；A3的正向输入端经电阻R12接地。

8.根据权利要求7所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，所述反向求和电路包括运算放大器A4、电阻R14～R17；

所述运算放大器A4的负向输入端，经电阻R14与运算放大器A3的输出端连接，经电阻R16与运算放大器A2的输出端连接，并经电阻R17与A4的输出端连接；A4的正向输入端经电阻R15接地。

9.根据权利要求8所述的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，其特征在于，运算放大器A2和A4的放大倍数为1，运算放大器A1和A3的放大倍数分别为：KA1＝m/m3

式中，m为斜坡补偿斜率，m3为倒锯齿波Islope'的斜率，Uin为BUCK变换器输入电压，Ku为电压反馈系数，Ts为开关周期。

说明书

用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路

技术领域

[0001] 本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路。

背景技术

[0002] 现有开关电源控制中，常用的PWM控制方式主要有平均电流控制和峰值电流控制两种方式。与平均电流控制相比，峰值电流控制的暂态闭环响应快，对输入电压变化和输出负载变化的瞬态响应也快，具有瞬时峰值电流限制功能，能够实现自动并联均流。

[0003] 现有的典型峰值电流模式的PWM控制如图1所示，其特征信号波形如图2所示，采用斜坡补偿方案能够提高峰值电流控制模式在占空比大于50％时的稳定性，虽然解决了其占空比大于50％时的开环不稳定，减小了次斜坡振荡，一定程度上提高了BUCK变换器的输出电流稳定性，但是带来了BUCK变换器输出电流峰值与目标值存在一定的误差。具体地，如图3所示，斜坡补偿前后参考电流的误差为

[0004] ΔIref＝Ig-Iref(dTs)＝mdTs

[0005] 式中，d为占空比，Ig为目标电流给定值，Iref为斜坡补偿后输出的电流参考值，m为斜坡补偿斜率，Ts为功率开关管开关周期。

[0006] 可见，占空比越大，误差越大，造成BUCK变换器输出电流控制的准确性下降。

发明内容

[0007] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，用以解决现有峰值电流控制BUCK变换器进行斜坡补偿后的输出电流存在静态误差的问题。

[0008] 一方面，本发明实施例提供了一种用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路，包括斜坡补偿子电路、误差补偿子电路、调理放大子电路；所述斜坡补偿子电路和误差补偿子电路并联，再与所述调理放大子电路串联；

[0009] 所述斜坡补偿子电路，用于接收PWM控制器输出的锯齿波信号、偏置电压信号和目标电流信号，转换成带斜坡补偿的电流参考信号输出；

[0010] 所述误差补偿子电路，用于接收BUCK变换器输出的电压信号，转换成上述电流参考信号对应的误差补偿信号输出；

[0011] 所述调理放大子电路，用于将上述带斜坡补偿的电流参考信号和对应的误差补偿信号进行加和，将所述加和结果作为用于峰值电流控制的电流参考信号输出。

[0012] 上述技术方案的有益效果如下：第一，误差补偿子电路的输入信号取自BUCK变换器输出电压，误差补偿值与BUCK变换器输出电压呈正比，因此对任意占空比工作时的BUCK变换器均可实现误差补偿，消除斜坡补偿引起的静态误差。第二，斜坡补偿信号取自PWM控制器，与VT1开关频率完全同步。

[0013] 基于上述方法的另一个实施例中，所述斜坡补偿子电路包括依次串联的运放模块1、运放模块2；

[0014] 所述运放模块1，用于接收PWM控制器输出的锯齿波信号、偏置电压信号，将PWM控制器输出的锯齿波信号进行偏置和反向，生成由零开始变化的倒锯齿波信号传输至运放模块2；

[0015] 所述运放模块2，用于接收上述倒锯齿波信号和所述目标电流信号，将所述倒锯齿波信号与所述目标电流信号进行叠加，生成带斜坡补偿的电流参考信号。

[0016] 上述技术方案的有益效果是：运放模块1将PWM控制器输出的锯齿波信号进行偏置和反向，生成由零开始变化的倒锯齿波信号，运放模块2将所述倒锯齿波信号与目标电流信号进行叠加，生成带斜坡补偿的电流参考信号。

[0017] 进一步，所述误差补偿子电路包括依次串联的电压采集模块、运放模块3；

[0018] 所述电压采集模块，用于采集BUCK变换器输出的电压信号，将所述电压信号由高压信号转换为低压控制信号，并将所述低压控制信号传输至运放模块3；

[0019] 所述运放模块3，用于将接收到的低压控制信号按预设倍数放大，并转换成电流信号输出；所述输出的电流信号为带斜坡补偿的电流参考信号对应的误差补偿信号。

[0020] 上述进一步方案的有益效果是：电压采集模块采集BUCK变换器输出的电压信号，并将其反馈给误差补偿子电路，将BUCK变换器输出的电压信号由由高压信号转换为低压控制信号，运放模块3用于将接收到的低压控制信号按预设倍数放大，转换成带斜坡补偿的电流参考信号对应的误差补偿信号。

[0021] 进一步，所述调理放大子电路包括反向求和电路；

[0022] 所述反向求和电路，用于将所述带斜坡补偿的电流参考信号和所述对应的误差补偿信号进行加和，获得用于峰值电流控制的电流参考信号输出。

[0023] 上述进一步方案的有益效果是：消除峰值电流控制BUCK变换器斜坡补偿后的输出电流静态误差，保证BUCK变换器输出电流控制准确度。

[0024] 进一步，所述运放模块1包括运算放大器A1、电阻R1～R4；

[0025] 所述运算放大器A1的负向输入端，经电阻R1与PWM控制器输出的锯齿波信号Islope连接，经电阻R2与直流电源提供的偏置电压连接，并经电阻R4与A1的输出端连接；A1的正向输入端经电阻R3接地。

[0026] 上述进一步方案的有益效果是：所述运放模块1的电路搭建简单、易实现，后续更换器件、维修时易操作且成本较低。

[0027] 进一步，所述运放模块2包括运算放大器A2、电阻R5～R8；

[0028] 所述运算放大器A2的负向输入端，经电阻R6与运算放大器A1的输出端连接，经电阻R5与目标电流信号Ig连接，并经电阻R8与A2的输出端连接；A2的正向输入端经电阻R7接地。

[0029] 上述进一步方案的有益效果是：所述运放模块2的电路搭建简单、易实现，后续更换器件、维修时易操作且成本较低。

[0030] 进一步，所述电压采集模块包括霍尔电压传感器LEM、电阻R9、R10；

[0031] 所述霍尔电压传感器LEM的正向输入端经电阻R9与输入信号Uout正端连接，LEM的负向输入端与输入信号Uout负端连接，LEM的输出端经电阻R10接地。

[0032] 上述进一步方案的有益效果是：所述电压采集模块的电路搭建简单、易实现，后续更换器件、维修时易操作且成本较低。

[0033] 进一步，所述运放模块3包括运算放大器A3、电阻R11～R13；

[0034] 所述运算放大器A3的负向输入端，经电阻R11与LEM的输出端连接，并经电阻R13与A3的输出端连接；A3的正向输入端经电阻R12接地。

[0035] 上述进一步方案的有益效果是：所述运放模块3的电路搭建简单、易实现，后续更换器件、维修时易操作且成本较低。

[0036] 进一步，所述反向求和电路包括运算放大器A4、电阻R14～R17；

[0037] 所述运算放大器A4的负向输入端，经电阻R14与运算放大器A3的输出端连接，经电阻R16与运算放大器A2的输出端连接，并经电阻R17与A4的输出端连接；A4的正向输入端经电阻R15接地。

[0038] 上述进一步方案的有益效果是：所述调理放大子电路的电路搭建简单、易实现，后续更换器件、维修时易操作且成本较低。

[0039] 进一步，运算放大器A2和A4的放大倍数为1，运算放大器A1和A3的放大倍数分别为：

[0040] KA1＝m/m3

[0041]

[0042] 式中，m为斜坡补偿斜率，m3为倒锯齿波Islope'的斜率，Uin为BUCK变换器输入电压，Ku为电压反馈系数，Ts为开关周期。

[0043] 上述进一步方案的有益效果是：给出了能实现本发明的一种放大倍数设置，简单、易调试。

[0044] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

[0045] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0046] 图1为现有峰值电流控制BUCK变换器原理图；

[0047] 图2为现有峰值电流控制BUCK变换器特征信号波形；

[0048] 图3为现有峰值电流控制BUCK变换器斜坡补偿前后参考电流误差；

[0049] 图4为本发明实施例1斜坡-误差补偿电路结构示意图；

[0050] 图5为本发明实施例2斜坡-误差补偿电路结构示意图；

[0051] 图6为本发明实施例2斜坡-误差补偿电路图；

[0052] 图7为本发明实施例2峰值电流控制BUCK变换器原理示意图；

[0053] 图8为本发明实施例2BUCK变换器特征信号波形；

[0054] 图9为本发明实施例2PWM控制器生成锯齿波信号电路组成图；

[0055] 图10为本发明实施例2PWM控制器生成锯齿波信号示意图；

[0056] 图11为本发明实施例2获得的用于峰值电流控制的电流参考信号示意图。

具体实施方式

[0057] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0058] 实施例1

[0059] 本发明的一个具体实施例，公开了一种用于峰值电流控制BUCK变换器的误差补偿电路，其连接关系如图4所示。本实施例公开的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路包括斜坡补偿子电路、误差补偿子电路、调理放大子子电路。所述斜坡补偿子电路和误差补偿子电路并联，再与所述调理放大子电路串联。下面给出一种具体连接方式。

[0060] 具体地，斜坡补偿子电路包括输入端1、输入端2、输入端3和输出端。其中，输入端1接收PWM控制器PWM控制器输出的锯齿波信号，输入端2接收用户设置的偏置电压信号，偏置电压的大小由锯齿波信号最小值决定，输入端3接受目标电流信号(电流给定信号)，输出端输出带斜坡补偿的电流参考信号。

[0061] 误差补偿子电路的输入端采集BUCK变换器输出的电压信号，其输出端输出上述电流参考信号对应的误差补偿信号。

[0062] 调理放大子电路包括输入端1、输入端2和输出端。输入端1接收斜坡补偿子电路输出的带斜坡补偿的电流参考信号，输入端2接收误差补偿子电路输出的对应的误差补偿信号。其功能是将上述带斜坡补偿的电流参考信号和对应的误差补偿信号进行加和，获得用于峰值电流控制的电流参考信号，将其输出。

[0063] 与现有技术相比，本实施例提供的斜坡-误差补偿电路具有如下两个优点：

[0064] 第一，误差补偿子电路的输入信号取自BUCK变换器输出电压，误差补偿值与BUCK变换器输出电压呈正比，因此对任意占空比工作时的BUCK变换器均可实现误差补偿，消除斜坡补偿引起的静态误差。

[0065] 第二，斜坡补偿信号取自PWM控制器，与VT1开关频率保持完全同步，保证了一个开关周期内，峰值电流信号起始时刻与斜坡补偿信号起始时刻相同。

[0066] 实施例2

[0067] 在上述实施例的基础上进行优化，如图5所示，斜坡补偿子电路包括依次串联的运放模块1、运放模块2。运放模块1，用于接收PWM控制器输出的锯齿波信号、偏置电压信号，将PWM控制器输出的锯齿波信号进行偏置和反向，生成由零开始变化的倒锯齿波信号传输至运放模块2。运放模块2，用于接收上述倒锯齿波信号和所述电流参考信号，将所述倒锯齿波信号与所述电流参考信号进行叠加，生成带斜坡补偿的电流参考信号。

[0068] 优选地，如图6所示，运放模块1包括运算放大器A1、电阻R1～R4，运放模块2包括运算放大器A2、电阻R5～R8。其中，运算放大器A1的负向输入端，经电阻R1与锯齿波信号Islope连接，经电阻R2与-0.8V(偏置电压)直流电源连接，并经电阻R4与其输出端连接；A1的正向输入端经电阻R3接地。运算放大器A2的负向输入端，经电阻R6与A1的输出端连接，经电阻R5与目标电流信号Ig连接，并经电阻R8与A2的输出端连接；A2的正向输入端经电阻R7接地。

[0069] 误差补偿子电路，包括依次串联的电压采集模块、运放模块3。电压采集模块，用于采集BUCK变换器输出的电压信号，将所述电压信号由高压信号转换为低压控制信号，电压反馈系数为Ku，并将所述低压控制信号传输至运放模块3。运放模块3，用于将接收到的低压控制信号按预设倍数放大，并转换成电流信号输出；所述输出的电流信号为带斜坡补偿的电流参考信号对应的误差补偿信号。

[0070] 优选地，电压采集模块包括霍尔电压传感器LEM、电阻R9、R10，运放模块3包括运算放大器A3、电阻R11～R13。其中，LEM的正向输入端经电阻R9与输入信号Uout正端连接，LEM的负向输入端与输入信号Uout负端连接，其输出端经电阻R11与运算放大器A3的负向输入端连接，并经电阻R10接地。运算放大器A3的负向输入端还经电阻R13与A3的输出端连接，其正向输入端经电阻R12接地。

[0071] 调理放大子电路包括反向求和电路。反向求和电路，用于将所述带斜坡补偿的电流参考信号和所述对应的误差补偿信号进行加和，获得用于峰值电流控制的电流参考信号输出。

[0072] 优选地，反向求和电路，包括运算放大器A4、电阻R14～R17。其中，运算放大器A4的负向输入端，经电阻R14与运算放大器A3的输出端连接，并将电阻R16与运算放大器A2的输出端连接，并经电阻R17与A4的输出端连接。

[0073] 优选地，运算放大器A2和A4的放大倍数为1，运算放大器A1和A3的放大倍数分别为：

[0074] KA1＝m/m3  (1)

[0075]

[0076] 式中，m为斜坡补偿斜率，m3为倒锯齿波Islope'的斜率，Uin为BUCK变换器输入电压，Ku为电压反馈系数，Ts为开关周期。

[0077] 上面参数均为已知量，且在同一BUCK变换器中固定不变。

[0078] 下面以现有技术中的峰值电流控制BUCK变换器为例，如图7所示，来介绍本发明的功能。

[0079] 现有峰值电流控制BUCK变换器一般采用逐个脉冲电流限制(一个开关周期为一个脉冲)的方式，通过实时检测流过功率开关管的电流波形，当其峰值达到给定值的时刻决定输出PWM的脉冲宽度，使得功率开关管的导通电流瞬态具有相对独立性，能够快速地获得变换器工作所需的理想电流特性曲线，提高其动态响应速度和可靠性。现有峰值电流控制BUCK变换器的控制原理是利用功率开关管的输出电流信号波形作为载波信号，与调制信号进行比较，以产生PWM控制信号，本实施例在此基础上改进了现有技术的斜坡补偿电路，即采用本实施例图6的斜坡-误差补偿电路代替图1中的斜坡补偿电路，如图7所示。本实施例中，BUCK变换器特征信号波形如图8所示。

[0080] 直流输入电压Uin正极接点解电容C1正极、高频电容C2一端、开关管VT1源极，直流输入电压Uin负极接电解电容C1负极、电容C2另一端、续流二极管D阳极、公共地GND、负载R一端。开关管VT1漏极与续流二极管D阴极、续流电感L一端相连，续流电感L另一端接负载R另一端。通过开关管VT1与续流二极管D之间的峰值电流信号If作为载波信号，连接比较器的反相输入端；目标电流信号Ig与斜坡补偿信Islope经过斜坡补偿电路后生成新的电流参考信号Iref作为调制信号，Iref连接比较器的同相输入端；比较器输出端与RS触发器的R引脚相连，RS触发器S引脚连接时钟电路，RS触发器输出引脚Q接驱动电路一端，驱动电路另一端接开关管VT1的基极。

[0081] 采用斜坡-误差补偿电路后，锯齿波信号Islope减去0.8V的电压偏移量，经过运放A1后变为斜率为m的倒锯齿波信号Islope'，m＝0.7～0.8m2，m2为开关管占空比最大时的电感电流下降斜率。

[0082] 倒锯齿波信号Islope'与目标电流信号Ig叠加后变为带斜坡补偿的电流参考信号Iref'。输出电压Uout经过霍尔电压传感器LEM以及运放A3后变为误差补偿信号ΔIref，误差补偿信号与带斜坡的电流参考信号相叠加，得到最终的电流控制信号Iref。

[0083] 本实施例中，峰值电流模式控制BUCK变换器加入斜坡补偿子电路后，误差信号ΔIref与斜坡补偿斜率m、占空比d、开关周期Ts成正比。当电路结构与参数固定时，m、Ts不变，因此，误差信号仅与占空比d有关。为消除误差信号，需计算占空比d。当BUCK变换器工作在电感电流连续模式时，变换器输出电压Uout与输入电压Uin之间的关系为：

[0084]

[0085] 目标目标电流信号幅值与占空比的关系为：

[0086]

[0087] 误差补偿子电路，对斜坡补偿后的电流参考信号进行了误差补偿，且补偿量的大小与占空比有关，电压传感器LEM采集变换器输出电压Uout，反馈系数为Ku，采集后的电压信号输入到运算放大器3，因此，运算放大器3输出结果为

[0088]

[0089] 与斜坡补偿引起的误差信号ΔIref相等。

[0090] 将 作为误差补偿信号ΔIref，在一个开关周期内不同占空比时刻(d1Ts、d2Ts、d3Ts)得到一组斜率相同，截距不同的平行线，占空比越大，截距越大，补偿量越大，如图11所示，根据输出电压的大小对输出电流静态误差进行补偿。LEM采集变换器输出电压Uout，经过误差补偿电路，与斜坡补偿后的信号叠加形成新的电流参考信号Iref，Iref信号连接比较器的同相输入端。

[0091] 本实施例中，斜坡补偿信号Islope取自PWM控制器输出的锯齿波信号，如图9和图10所示，PWM控制器的引脚5、6、7分别外接电容CT、电阻RT及电阻RD，构成时钟振荡电路，5脚产生的锯齿波信号，斜率为m3，其电压上、下门限分别为UH＝3.3V、UL＝0.8V。

[0092] 实施时，每个开关周期开始时，RS触发器置位，开关管VT1导通，电流If线性增加，当检测到电流信号If大于调制信号Iref时，比较器翻转并复位RS触发器，开关管VT1关断，电感L储能通过二极管D续流。如此往复，产生用于驱动开关管VT1开通或关断的PWM信号。

[0093] 与实施例1相比，本实施例提供的用于峰值电流控制BUCK变换器的斜坡-误差补偿电路搭建更加简单、易实现，后续更换器件、维修时更加易操作且成本较低。

[0094] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

[0095] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。