（信号与信息处理专业论文）具有ldo模式的电流模同步降压型稳压器芯片xd1112设计.pdf

摘要 本论文基于西安电子科技大学科研项目“深亚微米电源管理类集成电路及各 种数模混合集成电路的关键技术理论研究与设计”。对具有l d o 模式、高效率、 峰值电流模同步降压型稳压器集成电路的工作原理和电路设计作了深入全面研 究。目前该稳压器芯片整体电路采用0 5 岫b i c m o s 模型使用h s p i c e 进行了仿 真验证，各项仿真指标都符合预定设计要求。 论文首先对电感式d c d c ( 直流直流转换) 开关稳压器和线性稳压器的基本原 理进行了深入的分析，又深入研究了开关稳压器的反馈控制模式、低功耗与高效 率技术以及电流检测技术，接着采用片内频率补偿方案确保b u c k ( 降压) 型d c - d c 开关稳压器电压环路稳定工作，并能节约p c b 板的占板面积；采用分段线性斜坡 补偿技术保证了该开关稳压器电流环路的开环稳定性。然后对芯片重要子模块进 行了电路设计与仿真验证，最后给出了芯片的整体仿真结果。 本论文将一路b u c k 型d c - d c 开关稳压器和一路l d o ( 线性稳压器1 两个稳压 器有机的组合集成到单个芯片中，该芯片中的开关稳压器采用了峰值电流模 p w m ( 脉冲宽度调制) 控制方案，同时采用先进的同步整流技术，从而使得该芯片 的工作效率高达9 5 。所设计芯片在重载和中载时工作于p w m 模式，在轻载时 工作于u ) o 模式，实现了低噪声与高效率的优化组合，有效地节省了应用成本。 关键词：降压型 开关稳压器峰值电流模l d o 模式稳定性 a b s t r a c t o nt h eb a s i so f t h ep r o j e c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no f k e yt e c h n i q u ef o r d e o p - s u b m i c r o np o w e rm a n a g e m e n ti ca n dm i x e di c 乙as y s t e m a t i cs t u d yo ft h e p r i n c i p l ea n dc i r c u i td e s i g no fh i g he f f i c i e n c yp e a k - c u r r e n tm o d es y n c h r o n o u s s t e p d o w nr e g u l a t o ri n t e g r a t e dc i r c u i tw i t hl d om o d ei sp r e s e n t e d t h ew h o l ec h i pi s s i m u l a t e db yh s p i c ew i t h0 5 1 x mb i c m o sm o d e l a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e tt h e p r o s p e c t i v ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n f i r s tt h eb a s i ct h e o r yo fi n d u c t a n c ed c d cs w i t c h i n gr e g u l a t o ra n df i n e a r r e g u l a t o ri si n t r o d u c e d , a n dt h e ns o m ei m p o r t a n tt e c h n i q u e sa 坞d i s c u s s e d , s u c ha s f e e d b a c kc o n t r o lm o d eo fs w i t c h i n gr e g u l a t o r , t e c h n i q u eo fl o wp o w e rd i s s i p a t i o na n d h i 班e f f i c i e n c y , t e c h n i q u eo fc u r r e n ts e n s i n ga n ds oo n n e x tai n t e r i o r 丘e q u e n c y c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi su s e dt om a k es u r et h es t a b i l i t yo f t h ev o l t a g e l o 叩o f t h eb u c k d c - d cs w i t c h i n gr e g u l a t o r , a n ds a v e sp c ba r e a ；a l s oas p e c i a ls l o p ec o m p e n s a t i o n t e c h n i q u ei sa d o p t e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ec u r r e n t - l o o po ft h es w i t c h i n g r e g u l a t o r t h e ns o m ei m p o r t a n ts u b - b l o c k sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n r e s u l t so f t h ew h o l ec h i pa r eg i v e n ab u c kd c - d cs w i t c h i n gr e g u l a t o ra n dal i n e a rr e g u l a t o ra r ei n t e g r a t e di nt h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p b ya d o p t i n gt h et e c h n i q u eo fp e a k - c u r r e n tm o d e p w mc o n t r o la n ds y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n , t h ee f f i c i e n c yo f t h e c h i pi su pt o9 5 t h e c h i pw i l lw o r ki np w mm o d ea th e a v ya n dm e d i u ml o a dw h i l ei nl d om o d ea tl i g h t 1 0 a d w h i c hi m p l e m e n t so p t i m i z a t i o na n dc o m b i n a t i o nb e t w e e nl o wn o i s ea n dh i g h e f f i c i e n c ya n dc a n s a v et h ec o s tf o ra p p l i c a t i o n k e y w o r d ：b u c k s w i t c h i n gr e g u l a t o r p e a k - c u r r e n tm o d el d om o d e s t a b i l i t y 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：盔菌日期：立! 塑：生z ： 导师签名：麟日期：塑堡：! 星 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍当前国内外便携式设备电源管理技术的现状，然后给出开关稳 压器的特点、分类及一些参数指标，最后简要介绍d c - d c 开关稳压器芯片的发展 趋势及论文的内容安排。 1 1 当前便携式设备电源管理技术的现状 集成电路技术【l 】、电子技术、通信技术的飞速发展和不断创新，使得大量的便 携式设备进入我们的生活，如手机、m p 3 、m p 4 、数码照相机、数码摄像机、笔记 本电脑等等。便携式设备的广泛使用大大的方便了我们的生活，提高了我们的生 活质量，而且将来会有越来越多的便携设备出现在我们的生活中【2 1 。 众所周知，便携式设备都是依靠电池( 包括化学电池、太阳能电池) 提供能 量，便携式设备的待机时间直接取决于电池的容量，而电池的容量和体积成正比。 便携式设备既要体积小，又要待机时间长是当前便携式设备设计中的一个突出矛 盾。虽然有新型电池( 容量大，体积小) 不断出现，但由于便携式设备的功能越 来越复杂( 如高亮度l c d 屏幕显示、合弦音乐播放、摄像头、闪光灯等) ，如何 更加有效利用电池存储的能量，即电源管理技术，成为当前便携式设备的关键。 便携式设备的电源管理要在便携式设备系统方案设计时就要综合考虑节能、成本、 体积和开发时间等多种因素，进行最佳折衷设计。因此，总的来讲，要从提高电 能的转换效率和提高电能的使用效率两方面着手进行便携式设备的整体电源管 理。 电源及电源管理i c 的某些应用市场预计在未来5 年内将以1 6 1 9 的速率增 长。电源管理芯片厂商与整机厂商及相关供应商必须密切配合，开发效率更高、 体积更小、更高集成度的解决方案，才能应对新的挑战。电源管理技术的发展依 赖于先进的工艺制程、合理的电路设计以及不断改进的封装技术。更小体积、更 多功能、更高性能电源模块的实现将会给便携应用市场带来新的发展契机，会给 人们带来更多功能强大、高效、操作简便的各类电子产品。 随着手机、数码照相机、数码摄像机等便携式设备的功能越来越复杂，对电 源管理芯片的要求也越来越高。设计可以单片解决便携式设备多样化的电源管理 功能的集成电路芯片已成为今后电源管理类芯片的重要发展方向，本论文正是基 于此类应用而开发具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器。 2 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d i l l 2 设计 1 2 开关稳压器的分类、特点与一些参数指标 l 、开关稳压器的分类 根据功率管工作状态的不同，稳压器有线性稳压器和开关稳压器之分，线性 稳压器具有成本低、封装小、外围器件少和噪声小的特点，而其最大的缺点就是 其效率比较低。相对于线性稳压器，虽然开关稳压器在诸多方面都不如它，但是 在一个非常重要的方面即效率上却远高于线性稳压器。 开关稳压器分类如下： 开关_压器fc一。c开关稳压器 ( 转换器) il 升压( 肋f ) lj 9 c d c 电感式开关稳压剁降压( b u c k ) c ) 陪雌一嘉删 l d c d c 电容式开关稳压器( 即电荷泵) 降压 l 负压 图1 1 开关稳压器的分类 上面我们列举了几类分类方式，实际上按照不同的标准对开关稳压器可进行 更多的分类，在此就不一一列举了。 2 、开关稳压器的特点 ( 1 ) 、效率高、功耗小：它的工作效率要比线性稳压器的效率要高。开关稳压 器的功率管工作在开关状态，当导通时，压降接近于零；当截止时，通过的电流 接近于零。其功率管从导通到截止的转换速度很快，所以它的功耗很小，通常效 率可达8 0 以上，而与稳压器的输入、输出电压之差基本上没有关系。而在线性 稳压器中，当稳压器的输入、输出电压差值增加时，效率随之下降。 ( 2 ) 、输出电压变化范围很广：输出电压既可以比输入电压低，也可以比输入 电压高，还可以改变电压的极性。 ( 3 ) 、所需的外围器件尺寸小：随着开关频率越做越高，对于相同的输出电压 纹波，它所需要的外部元件的值越来越小，即外围器件尺寸越来越小，从而节约 了p c b 空间。 ( 4 ) 、安全可靠：在开关电源中设有自动保护电路。当负载短路或过压时可自 动切断电源。 3 、开关稳压器的一些指标 ( 1 ) 、输入电压可调范围：芯片的工作电压范围。 ( 2 ) 、输出电压可调范围：是指在保证输出电压精度的条件下，由外部可调整 的输出电压范围。 第一章绪论 ( 3 ) 、输出电压线性调整率：反映了输出电压随输入电压变化而变化的灵敏程 度。它定义为在负载电流，环境温度保持不变的条件下，输入电压变化v i i ，由 此引发输出电压产生a v 。的变化量。其公式表示为 s v - 瓦a v o “x1 000-1) ( 4 ) 、输出电压负载调整率：反映了输出电压对于负载电流的变化而保持不变 的调整能力。负载调整率定义为 s ，：垒幺1 0 0 1 虬。 ：鲁1 0 0 ( 1 - 2 ) ( 5 ) 、静态电流：即维持芯片正常工作所需要的对地电流。在d c d c 开关稳压 器中，静态电流就是电路的总偏置电流，静态电流越大，静态功耗就越大，电路 的工作效率也就越低。因此降低静态电流对提高稳压器的工作效率来说是很重要 的。 ( 6 ) 、效率：是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。 开关稳压器效率= 羰慧羰蒜枷似( 1 - 3 ) 因此，芯片内部功耗越小，开关稳压器的工作效率就越高，可高达9 0 以上。 ( 7 ) 、输出电压纹波：是在输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分 量，用峰峰值表示，一般为输出电压的0 5 以内。对d c - d c 开关稳压器来说， 在输入输出电压、功率级电感电容确定的情况下，工作频率越高系统输出的纹波 越小。由此可知当今d c d c 开关稳压器的趋势之一是高频化。 ( 8 ) 、最大输出电流：是芯片的最大带负载的能力。 还有一些其他的附属功能指标，例如过、欠压保护，过温保护等，这里就不 一一介绍。 1 3 开关稳压器芯片的发展趋势 集成d c d c 开关稳压器的设计技术及生产工艺在国内外均已成熟并标准化， 其效率达到9 0 以上。为了满足不断发展的电子产品的需要，并且随着半导体工 艺水平不断提高，集成d c d c 开关稳压器正呈现出以下趋判2 】【3 】【4 】： ( 1 ) 提高效率、降低功耗 当前，电源管理已成为当今便携设备设计师遇到的最严峻的技术挑战，这主 要来源于一个日益明显的矛盾，即新型便携式消费电子设备的功能越来越多，但 4 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 同时用户又希望它的工作时间越来越长，因此就要求电压转换器的效率越来越高， 功耗越来越小。 ( 2 ) 减小体积 减小体积有利于产品小型化和降低成本，可通过功率管集成和采用高的工作 频率而缩小电源管理芯片和外围器件的尺寸。还可以采用更先进的封装技术。如 今封装技术的发展重点有三方面：封装越来越小，现在的封装芯片已可基本接近 裸片的大小；封装的厚度不断减小；i o 密度不断提高。 ( 3 ) 开发能够满足多方面需求的单片解决方案 这样不仅可以减少i c 数量，还可以省去用于对这些i c 提供支持的分立组件。 从而降低产品成本，减小产品体积。例如为了克服电荷泵电路固有的缺陷，将电 荷泵和l d o 稳压器结合起来，利用这种结构可以得到任意的输出电压，而且降低 了输出噪声。包含d c d c 升压转换器和l d o 稳压器的单片器件，将升压型d c d c 转换器与l d o 相结合可实现两个功能，即低噪声升压和高效率的升降压。 ( 4 ) 采用能有效抑制电源噪声的技术 这是由开关器件的固有特性决定的，线性电路在这方面仍有自己的优势。现 在通过采用固定频率工作和片内扩展频谱等技术来解决开关器件带来的噪声已取 得实质性的进展。 ( 5 ) 大电流输出 大电流输出，以适应宽负载应用场合。 ( 6 ) 完善的保护措施 开关电源作为一种电力电子集成器件，还需要增加各种保护措施以提高其可 靠性。如过温保护，过流保护，电池反接保护，e s d 保护等保护电路。 1 4 论文的内容安排 本论文分为六章，第一章对当前便携式设备电源管理技术的现状、d c d c 开 关稳压器的发展趋势作介绍；第二章对电感式d c - d c 开关稳压器和线性稳压器进 行原理分析，以指导具体电路设计；第三章对x d l l l 2 系统进行设计并对其关键技 术进行研究；第四章对芯片的电压和电流环路进行稳定性设计；第五章对芯片的 主要模块电路进行具体设计和仿真验证；第六章给出芯片整体电路主要性能指标 的仿真结果；最后是结束语。 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 2 1 开关稳压器基本架构 f l _ - 十世纪6 0 年代开关电源出现以来，d c - d c 开关型稳压器( 以下简称开关 稳压器或d c d c ) 的架构虽然有了较大发展，但仍以降压型( b u c k ) 、升压型( b o o s t ) + 3 0v n v v o u r 0 ，电感电流线性增力，上升 图呈1 = 翥徽巍图 斜率为： l ：等：_ v t u - v o v r ( 2 - 1 ) 屯2 面2 了一 电感电流增加，能量被储存于电感中。 在合适的占空比d 时关断m 1 打开m 2 ，则电感电流通过m 2 续流。电感上压 降则为一v o l r r ，电感电流变化斜率为： o = 等= 一t y o u r ( 2 - 2 )。矿2 石2 一t 电感电流线性减小，释放所储能量。 b u c k 型开关稳压器的输出电压和m 1 的导通时间d 成正比，即： r = d ( 2 。3 ) 设开关频率为f ，则电感电流纹波i l p p 为： 蒸 一一一 6 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 锄= i l r x d t = ( 1 - d ) r = 等( 1 - d ) _ 等( 1 删 b u c k 型开关稳压器是降压型，其输出电压永远低于输入电源电压。 m 1 持续导通时，输出电压达到最大值： = 一惭1 其中，v m l ( o n ) 表示m 1 导通时由于其存在导通电阻而出现的压降。 2 、b o o s t 型开关稳压器 b o o s t 型开关稳压器f 8 】拓扑结构如图2 2 v 埘 所示，工作原理如下： 当m 1 导通m 2 关断时，电感两端压降为 v i n ，电感电流线性上升，电感储存能量，上 升斜率为： 。= 竺a t = 孚 m 1 关断而m 2 续流时，电感两端的电压 为v m - - v o u t ，可得其电流斜率为： o ：一毕( 2 7 ) 则电感电流下降并释放能量。 由于电感两端电势差取决于m 1 导通时 间，则可通过控制该导通时间来实现对输出 电压幅度的控制。 当功率管 ( b ) b n 型开关稳压器储能等效电路 ( 2 5 ) ( c ) b o o s t 壁开关稳压嚣续流等效电路 图2 2b o o s t 型开关稳压器架构图 2 高 ( 2 8 ) b o o s t 型开关稳压器是升压型稳压器，当m 1 导通时间为零时输出电压为最小 值： r o o t = 一。) ( 2 - 9 ) 其中，：表示m 2 的导通电阻压降。 3 、b u c k - b o o s t 型开关稳压器 b u c k b o o s t 型开关稳压器拓扑结构如图2 3 所示。输入一个正电压，输出一极 性相反的电压，且该电压在幅度上可以高于也可以低于输入电压，取决于功率管 导通时间d 。 当m 1 导通时，能量流向电感，电感电流线性增加，其斜率为： + 一 + 一 + 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 7 l = 等寺 此时m 2 关断，输出级电路对输入级无影响， m 1 关断而m 2 导通时，输入电路与输出 v m 级隔离。电感的压降为- - v o u t ，电感电流线 性减小，下降斜率为： o = 等= 一竽 输出电容c o 为负载供电。 ( 2 - 1 0 ) ( t ) b u c k - b o o s t 墅开关稳压器架构图 电路就有前向型稳压器、推挽型稳压器、半 ( c ) b i l d c 勘h 型开关稳压器续流等效电路 桥型稳压器和全桥型稳压器等。 图2 3b u c k - b o o s t 型开关稳压器架构 2 2b u c k 型开关稳压器工作原理 x d l l l 2 中的开关稳压器是b u c k 型开关稳压器，在此对b u c k 开关稳 压器的拓扑结构和工作原理进行详 细的说明，以便于后续电路的设计。 b u c k 开关稳压器的拓扑为电压源、串 联开关和负载组合而成。最基本的一 种直流稳压器结构如图2 4 所示，包 含一个( 主) 开关、一个二极管、一个 电感和一个电容以及负载电阻。 。1 ：d l 9 v i n j【 丰c o ； 图2 4 基本b u c k 开关稳压器拓扑结构 根据电感电流在换能时连续与否，开关稳压器工作模式可以分为连续导通模 式( c c m ) 和非连续导通模式( d c m ) 。在主开关导通期间，电感中的电流上升；在主 开关截止期间，电感电流下降。如果在主开关截止期间，电感电流降到零，则在 截止期间的剩余时间内电感中存储的能量降为零，则稳压器工作在非连续导通模 式；否则稳压器工作在连续导通模式。 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 对开关稳压器的两种工作模式分别进行分析【9 】。 ( 1 ) 连续导通模式工作原理 在工作过程中，当( 主) 开关导通之后，电感l 内的电流逐渐增加，存储的磁场 能量也逐渐增加，c o 充电而使得输出电压逐渐升高。此时续流二极管d 反向偏置 截止。经过t o n 时间后，控制信号使开关截止，l 中的电流减小，l 两端产生的感 应电势使d 导通，l 中存储的磁场能量便通过续流二极管d 传递给负载。当电感 电流减小到一定程度，c o 向负载放电以维持输出电压。经过时间t 0 仃后，控制脉冲 信号又使( 主) 开关导通，则l 电流又增加，重复上述过程。 主开关一般使用双极晶体管 或m o s f e t 晶体管，因为 m o s f e t 晶体管开关速度较快， 控制逻辑相对简单，故m o s f e t 得到了大量使用。 当控制信号使主开关导通时， 电感l 中的电流从最小值i h 咖增 大到最大值i h 。，当控制信号使 主开关截止时，l 的电流又从最大 值减小到最小值。假设主开关具有 理想的开关特性，那么 圪= 一w = 上譬( 2 1 3 ) “i 由此可得 开关s 中电流 二极管d 中电流 实线表示k 粗虚线表示b 实线表示v s w 粗虚线表示v 0 y f、n 一 i l l 0 r j _ f 广广 il 。k 。t a r 。； t。： 图2 5 连续模式b u c k 型开关稳压器的波形 屯= 圭肌一v o 。协= v i n - 上v o u tr + l 向 t = 时l 的电流到达最大值 厶。；旦粤+ l 晌 在主开关截止期间，l 电流经续流二极管d 向负载释放能量， 导通压降，则得出下列方程： y o t r r = - l d 4 i f l ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 忽略d 的正向 ( 2 - 1 6 ) 由此可得 屯= - _ j 1k 捌= 一竽呲一( 2 - 1 7 ) 主开关截止状态终止时，即f = o 时，l 中的电流下降到最小值，得 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 9 l 一= 一半o + t 。 ( 2 。1 8 ) 由式( 2 1 5 ) 和( 2 1 8 ) 可得到 w 2 乏! 苦2 等2 d ( 2 - 1 9 ) 其中，t o i 为开关导通时间，t o 行为开关截止时间，t 为工作周期，f 为( 主) 开关 工作频率，d 为占空比。式( 2 1 9 ) 为b u c k 型开关稳压器工作于连续导通模式时输 入电压和输出电压之间的关系。 由式( 2 1 9 ) 可知，输出电压v o t r r 与主开关的占空比d = t o t 成正比，通过改变 主开关的占空比就可以控制输出平均电压的大小。由于d = t 。，r 总是小于1 ，v o l r r 总是小于v l n ，故称为降压型稳压器。 改变占空比有几种方法：第一，保持开关周期不变，调整导通时间t o l l ，常称 为脉冲宽度调n ( p u t s ew i d t hm o d u l a t i o n ，即p w m ) , 第二，保持导通时间t o i i 不变， 改变开关频率，常称为频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，即p f m ) ：第三，宽 度和频率同时改变，使占空比得到改变，称为混合调制。 假如输入电压变化或者负载发生变化而导致输出电压变化时，通过负反馈控 制电路调节主开关的占空比，就能稳定稳压器的输出电压。 r * v 流过电感的电流平均值等于负载电流，故 垒兰堂：l ( 2 2 0 ) 流过主开关的电流平均值为 ：血粤争：d i o ( 2 2 1 ) 由式( 2 1 8 ) 和( 2 - 2 0 ) ，消去i 岫，可得 厶一= l + 鼍! 笋t o # ( 2 - 2 2 ) 当电感中电流大于负载电流时，电容充电，输出电压开始升高。当电感电流 小于负载电流时，电容放电，输出电压开始下降。流过电容的电流可以表示为 ic=ilio(2-23) 假设t - - 0 时主开关导通，电容放电电流减小，在经过k 2 之后，电容的放电 电流等于零，此时输出电压具有最小值，然后电容开始充电，输出电压开始上升， 电容充电将一直持续到主开关截止后电感电流下降小于负载电流时。算出在主开 关的t o f 2 到t o i l + t 0 母2 时间内电容上的电压增量，就可以算出输出电压的纹波，即 l o 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 。= - - 丢霉i + 箪( 。d t = - - 丢 i 霉t 之出+ e + 等t 疵 g z 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 2 3 ) ，得到导通期间电容电流的表示式 t c = i l i o = i l 洳+ v i n - - l y o u t t i o ( 2 - 2 5 ) 由此求出式( 2 2 4 ) 1 整j 第一项积分 阜泐= 也。一l ) 等+ 篮警，盟。2 = 也。一l ) 等+ ；竽乙。 ( 2 粕) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 2 3 ) ，得到主开关截止期间电容电流的表示式 = 乇一，o = l 一二等f l ( 2 - 2 7 ) 由此求出式( 2 2 4 ) 的第二项积分。便于计算，把积分下限移动到坐标原点，得出 产泸瓴一训等一孚等 ( 2 _ 2 s ) 根据式( 2 1 8 ) 汞1 ( 2 2 0 ) ，可将也。一l ) 和也一一l ) 分别改写为 l l 血一l = 一普o ( 2 2 9 ) l 一一l = 普o ( 2 - 3 0 ) 将式( 2 2 6 ) 、( 2 2 8 ) 、( 2 - 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 代入式( 2 - 2 4 ) ，经过基本的数学变换，就 可以得到输出电压的纹波分量v o 。的计算公式 矿o u t = v 0 8 u 工t t c t 硝- ( 2 - 3 1 ) 将式( 2 1 9 ) 经过适当的数学计算后，式( 2 3 1 ) 可以变换为 = 每( t 一 式( 2 3 2 ) 为b u c k 稳压器工作于连续导通模式时输出电压纹波与输入、输出电 压、功率级电感电容和系统工作频率之间的关系。在稳压器中输出电压的纹波特 性是最重要的性能指标之一。在输出纹波指标、输入输出电压已确定的情况下， 需要综合考虑工作频率和输出级电感、电容的取值。输出纹波的大小同工作频率 的平方成反比，即在输入输出电压、输出级电感、电容确定的情况下，系统工作 频率越高则输出电压的纹波越小。 ( 2 ) 非连续导通模式工作原理 在d c m 模式下，当( 主) 开关导通，电感l 内的电流从零开始逐渐增加，存储 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 1 1 的磁场能量也从零开始逐渐增加。经过d t - - t 。时间以后开关截止，l 中的电流减 小，l 两端产生的感应电势使d 导 通，l 中存储的磁场能量便通过续流 二极管d 传递给负载。当电感电流 小于负载电流时，c o 便向负载放电。 经过时间d 1 t - - t o t r 以后，电感中的电 流减小到零，电感中没有能量，则 完全靠电容c o 对负载放电。此时续 流二极管d 反向偏置而截止，电感 中不会出现反向电流。再经过时间 d 2 t - - t o m 后，周期脉冲信号控制开关 导通，重复上述过程。( 图2 6 中 i l i p e 曲 二援管d 中电流 实线表示k 粗虚线表示k 实线表示v s ， 租虚线表示v o 1 1 一 i 一 f 人 ；i 阿一r k 一 f a 瓣衮刁 y 日一舟一侗一 i - l - 图2 6 不连续模式下b u c k 型开关稳压器的输出波形 分析d c m 模式，根据电感平均电流可计算得 一。归r = 。d i r d = 。( d + d 1 ) 则 k ：旦 d + 日 可得 d 1 =d f 堕一1 1 l wj ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 钔 ( 2 - 3 5 ) r 2 - 3 6 ) 在非连续模式中 d=1一djd2(237) 其中，d 为主开关导通时问占整个周期的比例，d l 为电感电流下降到零所用 时间占整个周期的比例，d 2 为电感中没有能量的时间占整个周期的比例。 将式( 2 - 3 6 ) 代入式( 2 3 7 ) o - y 得 肚卜。喙。 - d 2 = 等) 由 l = ( p 一。) d r l ( 2 3 9 ) 将式( 2 - 3 3 ) 代入式( 2 3 9 ) 可得 她= v o w d l t l ( 2 4 0 ) 1 2 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 输出电流可表示为 l = 她( d + 4 ) 2 = j i v o w o , t ( p 一+ o , ) r ( 2 4 1 ) 则 可以解得 心= v l o o r2 币阿2 lj d d , r o t + d 1 2 r o t = 2 l d 1 2 + d d i 一嚣= 。 d l =一跨 将式( 2 4 5 ) 代入式( 2 3 6 ) 可得 鳖： 2 2 d 。+ 隔 f 2 4 2 ) f 2 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 式( 2 4 6 ) 为b u c k 型开关稳压器在非连续导通模式中输入电压和输出电压之间 的直流关系。 当稳压器的负载电流变小时，导通时间t o i 减小，电感电流在t o 厅期间内会降低 到零，造成电流的非连续，称为非连续导通模式( d c m ) 。连续导通模式和非连续 导通模式之间临界的负载电流为 l ：v o _ w ( 万v , _ - _ v o w 一) ( 2 4 7 ) 2 卢 ( 3 ) b u c k 型开关稳压器的效率 开关稳压器的效率定义为有效输出能量所占电池总输入能量的百分比，为 刁= 苦= 甓 ， 输入能量分为以下几部分：芯片控制部分维持正常工作所损耗的能量；功率 主开关的导通损耗和开关损耗；输出电感电容在进行能量转换的过程中损耗的能 量；负载所使用的有用能量。 ( 4 ) b u c k 型开关稳压器外围元器件的选择 b u c k 型开关稳压器设计是以连续导通模式的相关原理为基础，其外围器件选 择要以器件符合连续导通模式来选择。 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 由式( 2 1 5 ) 可得出 一。：三等 删 式中越l = i l 一一i l i 血。 由此可以得出 工2 惫一w ) 为使在最小负载电流下仍保持电感电流连续。应取 虬2 i o m f 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 但- 5 1 ) 式中，i d 晌为转换器输出电流的最小值。 将式( 2 - 5 0 ) 代入式( 2 5 1 ) ，可得出电感的最小值为 三毕( 2 - 5 2 ) 2 l 日血 “ 根据式( 2 - 1 9 ) 可以得出 f ：t v o u r ：鳖 k 2 2 嵩 将式( 2 - 5 3 ) - f 弋入到式( 2 5 2 ) ，可以获得选取滤波电感l 的公式 三= 老2 f l o ( 一矧一。lj f 2 - 5 3 ) f 2 5 4 ) 从式( 2 3 2 ) 可以看出，根据所需的交流电压输出分量。和其他给定的设计 数据，滤波电容的容量可以由下式求出 c = 上8 l f 2 a v o u t ( ，一等 2 3 线性稳压器的工作原理 l d o ( l o w d r o p o u t ) 线性稳压器，也称为低压差线性稳压器或低漏失线性稳 压器，简称l d o ，是一个自功耗很低的微型片上系统( s o c ) ，它通常由做电流主 通道具有极低导通电阻r d s 。0 n ，的m o s f e t 调整元件、采样电阻、过流保护、过 温保护、带隙基准、差分放大器等专用晶体管电路在一个芯片上集成而成。因为 它在调整元件上的压降非常低，所以改善了传统的线性稳压器效率低的缺点。 自从9 0 年代l d o 出现以来，设计者就一直在为减小压差而奋斗。十年前低 压差的水平是几百m a 输出时输入输出压差近1 v ，如今却可以做到1 0 0 m a 输出 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 时，压差为几十m v 的水平( 压差的大小与输出电流几乎成正比关系) 。 新一代高性能l d o 正向着超低漏、极低噪声、小封装尺寸和无输出电容等方 向迅速发展。另外，为了克服线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源i c 的固 有缺点，新型的电源管理方案是将它们有效结合起来，比如d c - d c 加l d o ，或是 将电荷泵加l d o ，从而实现低噪声和高效率的最佳组合，且多只稳压器的整合还 可显著降低系统的整体成本。 线性稳压器主要由基准电压源及其启动电路、误差放大器、调整元件、采样 电阻及保护电路( 如过压保护、过流保护、过温保护等) 组成，其结构框图如图 2 7 所示。 图2 7 线性稳压器结构图 基准电压、误差放大器、调整元件和采样电阻形成了一个负反馈系统，假设 该负反馈系统稳定且开环增益远大于1 ，则输出电压v o t r r 可近似为： v o w 。盏粤( 2 - 5 6 ) a ，2 其中，v r 为基准电压源输出的精准参考电压，r f l 、r n 为采样电阻阻值。因 此适当选取采样电阻阻值就可以得到所需的输出电压，但该结构也决定了l d o 的 输出电压一定小于输入电压，只能用于降压转换，且转换效率可表示为： 叩：謦争1 0 0 ( 2 - 5 7 ) ( 厶+ l ) 其中，1 0 为负载电流，1 0 为系统工作所需要消耗的静态电流。稳压器正常工 作时，静态电流相比于负载电流很小，此时可忽略1 0 ，则上式可写为： r ：v o w l o 1 0 0 ：上五l 一1 0 0 ( 2 5 8 ) 。+ ( 一。) 、。 由上式可以看出，在输出电压一定时，不论负载电流如何，输入输出压差是 效率的一个本质因素。因此除了小的静态电流，减小输入输出压差也可以获得高 效率。 第二章开关稳压器和线性稳压器的工作原理 1 5 线性稳压器的环路调整过程如下： 系统上电，基准电压源被启动，产生一个精准的参考电压v r ，输入到误差放 大器的反相端。采用电阻网络将输出电压进行分压得到反馈电压，并馈入到误差 放大器的同相端。误差放大器放大基准电压和反馈电压之间的差值，其输出直接 驱动调整元件的栅极，通过改变调整元件的导通情况来控制稳压器的输出电压。 当反馈电压小于基准电压时，误差放大器的输出控制调整元件使其流过更大的电 流，使输出电压v b l r r 上升，反之亦然。 第三章芯片系统设计及关键技术研究 1 7 第三章芯片系统设计及关键技术研究 3 1 芯片功能要求及电特性指标要求 芯片功能要求： x d l l l 2 是恒定频率操作、电流模式架构的高效、单片式、同步降压型稳压器。 工作期间的电源电流仅为3 2 肛a ( 线性稳压器模式，即l d o 模式) ，而在停机模式中 则降至 l 儿a 。在中等输出负载水平上，p w m 脉冲跳跃模式操作可实现非常低的 输出纹波电压，以适应对噪声敏感的应用。芯片在负载电流非常低的条件下将自 动转换至线性稳压器模式，至线性稳压器模式的转换出现于3 m a 的负载电流门限 条件下。通过外部引脚，线性稳压器操作可被设定为接通、关断或自动接通关断。 芯片的引脚定义与功能描述、绝对最大额定值参数及主要电特性指标要求分 别见表3 1 、3 2 和3 3 。 表3 1x d l l l 2 引脚定义与功能描述 名称引脚定义与功能描述 反馈引脚。该引脚从一个跨接在输出端上的外部阻性分压器接收反馈 v 阳( p i n l ) 电压。 输出引脚。该引脚与一个外部电阻分压器和线性稳压器输出相连。在 v o v t ( p i n2 、 外部连接至电感器和输出电容器。 线性稳压器控制。把该引脚接地将关断线性稳压器。把该引脚设定为 v m 将接通线性稳压器，这与负载电流无关。把该引脚连接至中等电压( 即 m o d e ( p i n3 1 至v o u t ) 将把线性稳压器置于自动模式( 此时，接通关断是负载电流的一 个函数) 。 主电源引脚。必须通过一个2 私f 或更大的陶瓷电容嚣来把该引脚紧密 v “p i n4 ) 去耦至g n d 。 至电感器的开关节点连接。该引脚与内部主功率m o s f e t 开关和同步 s w 口i n5 ) 功率m o s f e t 开关的漏极相连。 频率选择。开关频率被设定为1 s m h z ( 当f r e q = o v 时) 和2 2 5m h z f 1 谩q 口i n6 ) ( 当f r e q = v l n 时) 。不要将该引脚浮置。 外部同步引脚。振荡频率可与一个施加在该引脚上的外部振荡器相同 s y n c ( p i b7 ) 步。当外部频率高于2 2 m h z 时，应将f r e q 引脚拉至高电平。 运行控制输入。强制该引脚超过1 5 v 将使能器件。强制该引脚低于o 3 v r u n ( p i n8 1 将关断器件。在停机模式中，所有的功能电路均失效，吸收的电源电流 l 川。 不要将r u n 引脚浮置。 g n d 口i n9 )地。必须将该引脚焊接至p c b 的地。 表3 2 绝对最大额定值参数表 名称 绝对最大定额值 输入电源电压v i n _ o 3 v 6 v r u n 、f r e q 、v f b 、v o u t 电压o 3 v v 吖加3 v 1 8 具有l d o 模式的电流模同步降压型稳压器芯片x d l l l 2 设计 m o d e s y n c 电压- - 0 3 v v n , c f 0 3 v s w 电压o 3 v v r n + 0 3 v p 沟道开关供电电流( d c ) 8 0 0 m a n 沟道开关吸收电流( d c ) 8 0 0 m a v o u t ( l d o ) 供电电流 2 5 m a 峰值s w 吸收和供电电流 1 3 a 工作环境温度范围 - 4 0 8 5 结温( 注释1 ) 1 2 5 存放温度范罔 6 5 1 2 5 引脚焊接温度( 焊接l o 秒) 3 0 0 注释1 ：t j 根据环境温度t 和功率耗散p d ，依下面的公式计算而得： 乃= 乃+ ( t o ) ( 2 5 0 c w ) 表3 3 主要电特性指标 符号参数测试条件 m m t y p m “ 单位 i v f b反馈电流3 0 n a v m稳定反馈电压 0 5 8 5o 60 6 1 2 v a v f b 基准电压调整率v n t = 2 5 v 5 5 v 0 20 4 v o v l 输出过压闭锁 d p 占v z = p 孑v l - v f b 1 53 55 5m v v r s = 2 ，5 v 5 5 v a v o u r 输出电压调整率 o 1o 8v ( l d o ) 峰值 v f b 卸5 v 或 i p kv o u o o 711 3a 电感电流 占空比 4 m h z s y n c 启动输入门 v m t s v n c ) l1 3 v 限 p 管导 b v = 1 0 0