屈 凡， 劉國權(quán)， 張秋建， 秦 力， 秦曉紅， 孫 玲

（中國石油集團測井有限公司技術(shù)中心， 陜西省 西安市 710077）

0 引言

DC-DC轉(zhuǎn)換器具有高效率的突出優(yōu)點[1-2]，已經(jīng)成為目前電源管理的主流方案，在通信、計算機、便攜式電子設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。電流采樣不僅應(yīng)用于電壓模DC-DC轉(zhuǎn)換器[3]的過流保護電路中，更廣泛地應(yīng)用于電流模DC-DC轉(zhuǎn)換器[4]的電流控制環(huán)路中。然而電流采樣電路[5]在存在較強干擾（例如電源電壓干擾和開關(guān)管開關(guān)動作所造成的干擾）時，采樣信號與電感電流的真實值偏差較大，甚至出現(xiàn)錯誤，致使整個電路的控制邏輯發(fā)生混亂。

目前針對采樣干擾問題的研究還比較少，文獻[6]提出了通過采樣保持電路在開關(guān)管動作瞬間保持前面的狀態(tài)，屏蔽掉采樣信號的方法，來消除導(dǎo)通瞬間的毛刺影響。這種方法電路簡單，容易實現(xiàn)，應(yīng)用很普遍，但僅適用于低頻慢速采樣場合，如果芯片高頻工作時需要在很短時間采樣時，這種方法將會失效。

除了上述方法外，針對采樣干擾問題，文獻[7]提出了一種Sensorless方法，這個方法構(gòu)造了一個可控的系統(tǒng)模型，并利用模型自身的狀態(tài)信息加以控制。其思想是對電感兩端的電壓進行積分，在芯片內(nèi)部“重構(gòu)”出虛擬的電感電流信號。該文獻中給出了buck、buck-boost、boost轉(zhuǎn)換器的Sensorless控制環(huán)路法則。它們分別如公式（1）、（2）、（3）所示。

這種積分式采樣與傳統(tǒng)的線性采樣不同，是將采樣信號進行積分處理，這樣可以濾除各種干擾，抗干擾能力比較強，但是積分后的信息與真實采樣信號的關(guān)系發(fā)生變化，不再是簡單的線性關(guān)系，因此基于線性采樣的環(huán)路控制理論和穩(wěn)定性理論都不再適用，必須研究基于積分式采樣的環(huán)路控制理論和方法，然后結(jié)合新方法進行穩(wěn)定性補償、電路設(shè)計和實現(xiàn)、實驗驗證等。此外，由上述公式可以看出，不同模式下的DC-DC轉(zhuǎn)換器的Sensorless控制法則不同，電路結(jié)構(gòu)也會不同，因此增加了復(fù)雜性。

目前針對采樣干擾問題的研究還比較少，Sensorless方法具有較好的抑制噪聲的能力，但由于沒有進行真實采樣，沒法進行實時的過流保護，電路實現(xiàn)過分復(fù)雜。

1 對消法原理

圖1所示為對消法[8]采樣原理示意圖。在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，增加一組沒有輸出的較小輔助開關(guān)管MPX和MNX，并保證輔助開關(guān)管與工作開關(guān)管MP、MN匹配良好（圖中虛線框表示匹配器件），然后對輔助開關(guān)管進行相同的采樣。

圖1 對消法采樣原理圖

圖1 中，MP，MN是主開關(guān)管，MP，MN的漏端接到電感，OP是主采樣電路，Is是開關(guān)管MP的采樣電流；MPX，MNX是輔助開關(guān)管，MP，MN的漏端不接輸出，OPX是輔助采樣電路，Isx是輔助采樣的電流值。R，RX分別是主，輔采樣電路的采樣電阻，當(dāng)采樣電流流過它們時，形成采樣電壓Vs，Vsx。由于輔助開關(guān)沒有連接輸出，因此輔助采樣得到采樣電流Isx僅是各種干擾信號，又因為與主采樣電路的環(huán)境相同，所以采集到的干擾信號Isx與主 采樣信號Is中的干擾信號具有形同的 “形狀”，因此將它通過合適的加權(quán)與主采樣信號疊加，就可以從正常采樣信號中抵消掉干擾分量而得到“干凈”的電感電流采樣信號Isc，具體過程如圖2所示。

圖2 對消法采樣過程

圖3 所示電路是實際的抗干擾電流采樣電路。

圖3 抗干擾采樣電路

為了直接得到對消后的電流采樣信號，把主、輔采樣電路輸出端用電阻R3連接起來，R1、R2分別是主、輔采樣電路的采樣電阻。則流過R3的電流就是對消掉干擾的采樣電流Isc。取R1=R2=R3=R。設(shè)原采樣電路的采樣比例為N，即IM/IS=N，其中IM流過主PMOS開關(guān)管Mp的電流，IS是主采樣電路的輸出值。加入電阻R3后，采樣電流Isc與開關(guān)管電流IM的比例發(fā)生了變化。Isx是輔采樣電路的輸出值，IMX是流過輔PMOS開關(guān)管Mpx的電流。其中，IM≈IL。Is，Isx分別可以表示為：

主、輔采樣電路的輸出端的電壓Vs、Vsx分別為：

Isc可以表示為：

由式（4）～（8）可以導(dǎo)出Isc與IM、IMX的關(guān)系：

Isc很好地反映了沒有干擾的電感電流，并且提高了采樣比例。這個對消法電流采樣電路可以很好的屏蔽掉開關(guān)管寄生電容對采樣電流的影響，消除電源電壓干擾的影響。

2 仿真結(jié)果

仿真條件：采用3.6V的電源電壓。采樣比例為N=30000，仿真圖中ILscaled為電感電流縮小N倍的值。開關(guān)管的控制信號是周期為300ns的方波。

(1)未加電源擾動的仿真結(jié)果

圖4顯示的是未加電源擾動時對電感電流采樣的仿真結(jié)果，Is是未進行干擾對消的采樣電流，Isc是對消掉干擾的采樣電流。可以很明顯的看出，對消掉干擾的采樣電流完全濾除了開關(guān)管轉(zhuǎn)換瞬間的電流尖峰，并且消除了固定的采樣電流偏差，能很好的反映電感電流在上升階段的變化，采樣精度也比較高。

圖4 未加電源擾動時對電感電流采樣的仿真結(jié)果

（2）加入電源擾動的仿真結(jié)果

給電源加入了一個擾動，讓其由3.6V跳變到4V再跳變回3.6V。

圖5顯示的是加入電源擾動后的電流采樣仿真結(jié)果。Is是未進行干擾對消的采樣電流，Isc是對消了干擾的采樣電流。圖中，由于電源擾動的影響，Is在上升過程中有一跳變，Isc將這個跳變消除了大約90%，使其對采樣電流的影響降低了許多，并且濾除了電流偏差。可以看出，干擾對消電路具有很好的濾除干擾的能力。

3 總結(jié)

圖5 加入電源擾動后的電流采樣仿真結(jié)果

本文針對集成電流模DC-DC轉(zhuǎn)換器的高速電流采樣抗干擾性差的問題，提出了一種解決方案，利用輔助采樣、干擾對消的方法，來消除電源擾動和開關(guān)管寄生效應(yīng)對采樣電流的影響。從仿真結(jié)果來看，基于對消法的抗干擾電流采樣電路能夠很好的消除開關(guān)管寄生效應(yīng)的影響，能夠大部分消除電源電壓擾動對采樣電流的影響，在DC-DC高速電流采樣中起到了很好的抗干擾的作用，具有十分重要的意義。

[1]趙負圖.電源集成電路手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計（修訂版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[3]J. N. Ross.The Essence of Power Electronics[M].London, U.K.:Prentice Hall,1997.

[4]R. W. Erickson,D. Maksimovic.Fundamentals of Power Electronics[M].Norwell, MA:Kluwer, 2001.

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