基于PI补偿调节的DC-DC转换器瞬态响应增强方法

《Integration》：Transient response enhancement method for DC-DC converters based on PI compensation regulation

　　

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  阐明了PI补偿与小信号分析中瞬态响应速度之间的内在关系
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  推导了PI补偿积分项对输出电压信号（纵轴）与时间（横轴）所围面积的具体影响
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  通过动态调整PI补偿电容并自适应改变PI补偿的积分项，可加快瞬态响应速度

引言

在现代电子系统中，电源的稳定性与动态性能对系统整体可靠性至关重要[1]。随着处理器、FPGA、ASIC等高性能芯片对电源电压精度和负载响应速度的需求不断提高，DC-DC开关电源的瞬态响应特性已成为衡量其性能的关键指标之一[2]。Buck-Boost转换器具有负载电流大、效率高以及可升压降压的优势，常被用作电子设备的电源。在电源管理系统的控制环路中，当负载电流突然变化时，电感储能也需要同步改变。然而，电感能量的传递速度受环路限制，环路需要从非稳态恢复到稳态需要一定时间。

文献[3]采用FMC控制模式，开关频率范围为20MHz~100MHz。在负载变化时自适应地改变电荷泵的输出电压，然后将电荷泵的输出电压送入压控振荡器（VCO）以改变电路的开关频率，从而加快环路能量的传递速度。当负载从轻载变为重载时，提高开关频率；当负载从重载变为轻载时，降低开关频率，将瞬态响应过冲/下冲恢复时间降低至16.89μs/12.12μs。然而，使用电荷泵会增加芯片面积、降低转换效率，且电荷泵的输出电压变化也需要一定时间，这对瞬态响应速度会产生一定影响。

文献[4]提出了一种基于峰值电流模式控制Buck转换器的方法，通过检测输出电压的变化并自适应地调整斜坡波形的电压，从而加快瞬态响应速度。该方法将瞬态响应恢复时间减少了70%，但未考虑输出电压纹波，可能影响系统稳定性。

文献[5]提出了一种由逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）辅助的DC-DC Buck转换器。在负载瞬态响应期间，4位SAR ADC（量化单位为6.7mV）对转换器的输出电压下冲/过冲进行采样，并控制可编程电流泵电路向输出电容提供的电流。当输出电压显著偏离稳态值时，提供大电流（最大0.8mA）；当输出电压接近稳态值时，提供小电流（最小0.2mA），从而加快并平滑负载的瞬态响应。但直接对输出电容充电会影响环路稳定性，需要额外的补偿电路来确保控制环路和电流泵的稳定性。

文献[6]提出了一种具有主动斜坡跟踪控制的脉宽调制Buck转换器，以实现快速的负载瞬态响应。在负载瞬态情况下，当输出电压与参考电压之间的差值增大到一定水平时，斜坡偏置电压跟踪误差电压并为功率开关提供全占空比。结果表明，该Buck转换器在450mA负载电流阶跃下，将输出过冲/下冲降低了61.1%，恢复时间降低了60.0%。然而，该设计固定的检测阈值在不同负载阶跃幅度或动态电压调整要求的场景下带来了稳定性挑战。

文献[7]提出了一种基于自适应瞬态检测和瞬态增强技术的Buck转换器快速瞬态响应策略。当检测到负载瞬态时，自适应瞬态检测模块识别单次瞬态响应周期的持续时间，并立即将占空比强制设为100%或0%，从而加快补偿电容的电压调节速度。与传统Buck转换器相比，该转换器将瞬态响应速度提高了2.4倍以上，过冲电压降低了0.64倍，下冲电压降低了0.42倍。然而，输出电压纹波可能对瞬态增强控制产生影响。

上述方法通过改变环路结构或直接注入能量来增强瞬态响应，但PI补偿仍然限制了环路的瞬态响应速度。本文对Buck-Boost转换器的负载瞬态响应进行了数学分析，从理论上分析了负载瞬态与转换器环路参数之间的对应关系，提出了一种基于PI补偿调节的Buck-Boost转换器瞬态响应增强方法，通过实时检测占空比和负载电流与输入电压的比值来调整PI补偿，从而减少PI补偿对瞬态响应速度的限制并增强瞬态响应。这为高性能、高速Buck-Boost转换器的研究与设计提供了理论指导。

章节摘要

Buck-Boost环路稳定性分析

当负载瞬态发生时，电感电流不能突变，需要在环路调节下逐步调整。在电感电流逐步变化的过程中，此时的电感电流可能大于或小于稳态时的电感电流。该多余或不足的电流将流过电容，导致电容充电或放电，从而使输出电压出现过冲或下冲[8]。由于整个瞬态响应过程是

快速瞬态响应监测方法

传统Buck-Boost瞬态响应检测电路通过检测V_fb的变化来判断是否发生了负载切换。它将V_fb与两个固定电压（一个大于V_fb，一个小于V_fb）进行比较。当V_fb超出这两个固定电压形成的区间时，表示发生了负载切换。然而，V_fb是通过电阻分压网络对输出电压V_o进行分压获得的，因此ΔV_fb小于ΔV_o，使得检测更加困难。此外，

版图后仿真结果

采用本文所提瞬态响应增强方法的峰值电流模式Buck-Boost转换器的整体结构如图15所示。采用本文所提方法的Buck-Boost转换器芯片版图如图16所示。该电路基于0.18μm BCD工艺进行设计和仿真。该Buck-Boost转换器的输入电压范围为2.9V至4.5V，输出电压范围为-5.4V至-1.4V，最大输出

结论

针对传统Buck-Boost瞬态响应检测电路检测速度慢的问题，本文提出了一种基于检测相邻周期误差放大器输出电压差值的快速瞬态响应检测方法。该方法具有高检测精度和速度。

同时，针对传统峰值电流模式DC-DC转换器瞬态响应速度受限的问题，本文提出了一种瞬态响应增强方法

未引用参考文献

[11].

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知经济利益冲突或人际关系。

致谢

本研究部分受国家自然科学基金资助（批准号62571426）、陕西省教育厅服务地方专项项目（批准号25JC076）以及西安市科技计划项目（批准号25ZQRC00013）支持。

郭中杰|王昊亮|强小晶