（微电子学与固体电子学专业论文）boost+dcdc转换器的设计.pdf

中文摘要 中文摘要 随着大量便携式电子产品的使用，对电池电源的管理及使用寿命提出了很 高的要求。b o o s td c 册c 开关电源管理芯片可以及时有效地将电池的低电压提高 到所需的较高电压，以延长电池的使用寿命。本文基于开关电源变换器的原理， 独立设计了一款便携式应用的b o o s td c d c 转换器控制芯片。它采用a s m c 0 3 5 9 m 的工艺，输入电压范围为2 4v 3 3 v ，输出电压为3 3 v 5 v ；采用脉冲 宽度调制和脉冲频率调制方式相结合的控制方式，具有关闭控制功能，在关闭 状态消耗的电流小于0 5 衅；工作温度范围为4 0 c - - 1 2 5 。 本文首先介绍了升压型d c d c 变换器的拓扑结构和基本原理设计，然后在 脉冲宽度调制的基础上引入了脉冲频率调制方式，并将两利，控制方式结合起来， 在此基础上进行控制电路的设计和子电路模块的设计。本文设计芯片其主要特 点是：( i ) 将功率开关管集成到芯片内部，开关管的开关频率为1 5 m h z ：( i i ) 外 部电容电感等常规大体积的元件可以选用小容量的表面贴器件，极大地减小了 电源系统的体积；( i i i ) 电源芯片采用电压控制模式的p w m 与p f m 相结合的工 作方式，有效地减小了电子设备的待机功耗，进一步提高电池的使用效率。电 压控制模式保证了开关电源较好的动态响应和较高的灵敏度，可调性好，减小 了输出电压的波动；( i v ) 采用低导通阻抗的功率p m o s 管代替肖特基二极管起整 流管作用，极大地降低了整流管上的损耗，并实现了同步整流；( v ) 在不连续工 作( d c m ) 模式下，采用零电流比较器可以有效防止电感电流为零时立即变至负值 而使输出信号产生振铃，从而减小由负电感电流引起的损耗。 在完成电路原理分析与电路设计的基础之上，应用仿真软件c a d e n c es p e c l r e 对各模块电路及整体电路进行了功能仿真和量化模拟，仿真结果均达到或优于 预定目标，很好地验证了本文设计芯片的工作原理，为今后设计性能更优越的 升压型d c d c 变换器打下了基础。 关键字：开关电源，b o o s td c d c ，电压控制模式，p w m ( 脉宽调制) a b s t r a c t ab s t r a c t a l o n gw i t ht h es u b s t a n t i a lu s eo fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，h a sp r o p o s e da h i g hr e q u i r e m e n t o nt h ep o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ta n dt h es e r v i c el i f eo ft h eb a k e r y b o o s td c d cc o n v e r s i o nc h i pc a nb ea b l et oi m p r o v et h el o w v o l t a g eb a t t e r yt ob e t h er e q u i r e dh i g h - v o l t a g eo n et i m e l ya n de f f e c t i v e l y ，a n ds ot h a ti tc a l le x t e n dt h e b a t t e r ys e r v i c el i f e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs w i t c h i n gp o w e rc o n v e r t e r s ，t h i sp a p e r h a si n d e p e n d e n t l yd e s i g n e dap o r t a b l ea p p l i c a t i v eb o o s td c d cp o w e rc o n v e r s i o n c h i p t h ec h i pt a k e sa s m c0 3 5 p mb i c m o sp r o c e s s t h ei n p u tv o l t a g er a n g ei s f r o m2 4 vt o3 3 v ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g er a n g ei sf r o m3 3 vt o5 v t h ec o n t r o l s c h e m ei sac o m b i n a t i o no fp w ma n dp f m s h u t d o w nm o d ei so n eo t h e rf e a t u r e ， a n dt h e nt h es t a n d b yc u r r e n ti sn om o r et h a n0 5 l x a t h et e m p e r a t u r er a n g ei s 一4 0 1 2 5 t h et o p o l o g yo fb o o s td c d cc o n v e n e ma n di t sb a s i cp r i n c i p l ei sf i r s ta n a l y z e d i nt h et h e s i s a n dt h e ni n t r o d u c e dp f mo nt h eb a s i so fp w m ，a n dc o m b i n e dt h e m d u r i n gt h es t a g eo fc i r c u i td e s i g n ，t h ew h o l ec h i pa n dt h es u b b l o c kc i r c u i t sa r ew e l l d e s i g n e d ，r e s p e c t i v e l y q h em a i nf e a t u r e so f t h ec h i pa r e ：( i ) t h ep o w e rs w i t c hi s i n t e g r a t e di n t ot h ec h i pi t s e l f , a n dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yi su pt o1 5 m h z ；( i i ) a n e x t e r n a lb u l k yc a p a c i t o r i n d u c t a n c ec o m p o n e n t sc a nb ei n s t e a do fas m a l l - c a p a c i t y s u r f a c em o u n td e v i c e w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h es i z eo fp o w e rs y s t e m ；( i i i ) t h eu s e o f v o l t a g e m o d ea d d i n gp u l s ew i d t hm o d u l m i o mc a l le f f e c t i v e l y r e d u c et h es t a n d b y p o w e rc o n s u m p t i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e si n o r d e rt oi m p r o v eb a t t e r yu s a g e t h e v o l t a g ec o n t r o lm o d ec a l lg u a r a n t e et h ep o w e rs u p p l yh a v eb e t t e rd y n a m i cr e s p o n s e s ， h i g hs e n s i t i v i t y ，a n dg o o da d j u s t a b i l i t y ，w h i c h c a nr e d u c et h e o u t p u t t - v o l t a g e f l u c t u a t i o n s ；( i v ) t h eu s eo fl o w - r e s i s t a n c ep o w e rp m o s t u b ei np l a c eo fs c h o t t k y d i o d ea sar e c t i f i e rt u b e ，c a ng r e a t l yr e d u c et h ep o w e rd i s s i p a t i o no nt h er e c t i f i e rt u b e ， a n di ta l s oc a nr e a l i z es y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ；( v ) t h eu s eo fz e r o c u r r e n t c o m p a r a t o r ，d i s c o n t i n u o u s ( d c m ) m o d ec a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ei n d u c t o rc u r r e n t i m m e d i a t e l yc h a n g m gi n t on e g a t i v ea f t e rt h er e a c h i n gt oz e r o ，i no r d e r t or e d u c et h e i i a b s t r a c t p o w e rd i s s i p a t i o nc a u s e db yt h en e g a t i v ei n d u c t o rc u r r e n t o nc o m p l e t i n gt h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，t h es u b c i r c u i t sa n d w h o l ec h i pc i r c u i ta l ev e r i f i e dw i t hc a d e n c es p e c t r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l li n a c c o r d a n c ew i t ht h e t h e o r ya n a l y s i s ，s o m e e v e nb e t t e rt h a nt h et h e o r e t i c a l s p e c i f i c a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd e s i g n i n gb o o s td c d cc o n v e r t e ri st e s t i f i e d , a n dt h i s e f f o r ta c c u m u l a t e sm o r ee x p e r i e n c et od e s i g nb o o s td c d cc o n v e r t e rw i t h m o r ep e r f e c tp e r f o r m a n c ef o rt h ef u t u r e k e y w o r d ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，b o o s td c d c ，m o d eo fv o l t a g ec o n t r o l ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n i i i 内容目录 图目录 图1 1d c d c 变换器的基本框图5 图2 1b o o s td c d c 变换器拓扑结构9 图2 2 电压纹波示意图。1 2 图2 3c c m 工作模式下电感电流：( a ) 开关管地导通；( b ) 开关管魄截至。1 2 图2 4 升压式转换器电感电压波形和电感电流波形1 4 图2 5 电压控制模式的基本电路。1 9 图3 1 带隙基准电压源的电路结构框图。2 0 图3 2 两级差分输入单端输出的运算放大器。2 3 图3 3 启动电路的原理图。2 4 图3 4 误差放大器的电路原理图2 6 图3 5 误差放大器的补偿网络图2 7 图3 6 脉宽调n ( p w m ) 比较器电路图。2 9 图3 7 过零检测保护电路图3 l 图3 8 死区时间控制电路图。3 2 图3 9 功率管体效应控制电路图一3 3 图3 1 0 功率管控制电路图3 3 图3 1 1 锯齿波振荡器电路图3 5 图3 1 2 恒流源充放电电路图3 6 图3 1 3 变频振荡器结构框图3 7 图3 1 4 电压比较器电路图3 7 图3 1 5 变频振荡器电路图3 8 图4 1 基准电压随温度变化曲线。4 5 图4 2 基准电压随电源电压变化曲线4 5 图4 3 基准电压源的电源抑制比变化曲线4 6 图4 4 误差放大器的瞬态分析4 7 图4 5 误差放大器的频率响应特性4 7 i 内容目录 图4 6 锯齿波的瞬态输出波形4 8 图4 7p w m 比较器的功能特性仿真曲线4 8 图4 8p f m 比较器的功能特性仿真曲线4 9 图4 9 死区时间的瞬态曲线4 9 图4 1 0 整体电路仿真结构框图5 0 图4 1 1 系统的输出电路波形图5 1 图4 1 2 负载电流从3 0 m a - 1 0 0 m a - - 一6 0 m a 内，v i n = 2 4 v 时( a ) 电感电流及( b ) 输 出电压曲线5 2 图4 1 3 负载变化时( 3 0 m a - - 一1 0 0 m a ) ，b o o s td c d c 变换器的瞬态响应5 3 图4 1 4 负载变化时( 1 0 0 i i a 3 0 i n a ) ，b o o s td c d c 变换器的瞬态响应5 3 v i 内容目录 表目录 表4 1 不同输入电压下，输出电压随负载变化的数据( v ) 5 4 表4 2 整体电路的工作效率随负载变化的数据5 5 表4 3 不同输入电压下，输出电压纹波随负载变化的数据( m v ) 5 5 表4 4 整体电路的联合数据5 6 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定。南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a n 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外j 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 随着电子技术产业的飞速发展，电子设备与人们工作、生活的关系日益密 切，而电子设备的良好运行都离不开可靠的高性能电源。电源芯片是电子设备 的“动力心脏”，电了设备对电源的性能要求也日趋增高，同时提出了巨大的市场 需求。 第一节国内外电源芯片的发展动态 近几年，由于中国大陆整机电子产品，特别是便携式消费电子产品、笔记 本电脑、通信以及汽车电子等产品产量的大幅度增长，使得中国大陆电源管理 芯片的应用规模也随之快速增长【l 】。2 0 0 4 年我国电源管理i c 市场加速增长，销 售量和销售额增幅远远超过前两年，分别达到2 8 3 和3 7 6 ，全年销售量为3 0 8 亿片，销售额达到1 6 5 2 亿元。在市场需求量和产品升级这两个动力的推动下， 我国电源管理i c 市场一直保持较高的增长速度。2 0 0 6 年中国大陆电源管理i c 市场销售额达到3 4 亿美元，同比增长3 0 8 ，大大高于全球1 2 9 的增长速度， 已占全球电源管理芯片市场规模的1 3 7 。2 0 0 7 年，中国大陆电子产品整机产 量将持续稳定增长，其中移动通信手持机、数码相机、p c 电脑、l c d 显示器等 将保持2 0 以上的增长速度；3 g 应用的推广，使电源管理芯片将成为网络通信 类电源管理芯片市场新的增长点；平板电视的普及和汽车电子也将促使电源管 理芯片市场快速增长【2 】【3 】。北京奥运会推动中国电源管理芯片增长，奥运会所需 的各类通信应用产品催生出了新的市场商机。 2 0 0 7 年，随着油价和半导体原材料价格的上涨，各种产品都对节能提出了 更高的要求，也给电源管理芯片带来了机遇和挑战。中国大陆电源管理i c 产品 的发展趋势将围绕节能降耗展开，低能耗越来越受到厂商、消费者和政府的关 注。高能效电源设计正在成为影响电子系统设计的关键技术之一；电源设计周 期更短、低待机功耗、高能效、体积更小的要求，正在改变传统的电源设计方 法，小体积、高集成、低功耗、高性能的产品将会受到市场的青睐。 2 0 0 8 年，由于受美国经济下调等凶素影响，以及金融危机的影响，目前整 个半导体行业的预增长值都有下调趋势，对电源芯片的低功耗，低成本又提出 第一苹绪论 了更迫切的需求。凶此在当前世界半导体行业日渐萎缩的大环境下，“如何有力、 有效地降低成本，降低功耗”，满足市场需求，已经成为一个引起全行业高度关 注的问题。正凶如此，“降低成本、绿色节能”比任何一个时候都更能引起业界人 士的共鸣。 1 2 1 线性电源 第二节电源技术的发展及方向 电源系统有如电子设备血液，源源不断地向电子系统提供能量。正如人体 系统不i 一部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也不尽相同。一 般情况下，电源要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如a c d c 转换器。 多年来在a c d c 转换器中线性电源被广泛使用，其中的一个原凶是由于它的电 路简单，用到的元件少，价格便宜。电路通常由变压器、桥堆和电容组成。变 压器把2 2 0v 的交流电压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆得到初 步的直流电源，再经过电容滤波，就是一个简单的线性电源了【4 】。 线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在 一个通用的输入电压范围内工作，但最大的缺陷还是在体积和重量上。前面提 到通过调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。线 性电源要达到5 0 的效率就不容易了，而这些消耗掉的无用功还带来散热问题。 如果使线性电源在一个通用输入电压范围内( 8 5v 2 6 5v ) 工作，会导致线性 电源的效率更低，而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少麻烦， 因此他们不得不准备很多规格的电源。 1 2 2 开关电源 由于体积和重量上的问题，在便携式电器日益增多的今天，线性电源的应 用越来越受到限制。一般来说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形 式转换成另一种电源形式的主电路都叫做开关变换电路。转换时采用自动控制 的闭环电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源( s w i t c hp o w e r s u p p l y ) 。 2 第一章绪论 开关电源自从上世纪6 0 年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。苹 果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹 果电脑价格低廉的一个重要原凶。而现在，几乎所有的计算机都采用各种开关 电源技术来满足不同的需要。 开关电源中主要的组成部分有：p w m 控制器、功率开关管、变压器和反馈 电路。它的输入部分由桥堆和输入电容组成，产生的未经调整的直流电压进入 到变压器的原边，然后耦合到变压器的副边，通过副边上的反馈电路，把输出 电压( 或电流) 的变化反馈到p w m 控制器上，而p w m 控制电路根据反馈回来 电压( 或电流) 值的大小来决定功率m o s f e t 开、关时间的长短，从而将输出 电压( 或电流) 维持在一个稳定的值上 5 1 。也就是说，通过快速的开、关功率管， 由m o s f e t 开、关时间的长短即占空比来调整储存在变压器原边的能量，提供 一个持续的稳定的输出电压。根据反馈电路的不同，输出精度也不同，_ 般可 达1 5 左右。虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁，但是早期的开关电 源除了p w m 控制器和功率开关管外，还包括大概4 0 到8 0 个分立元件构成一些 辅助电路。这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到了影响，所以从提 高开关电源的竞争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成性，使电源系统 的设计简单化成为一个关键的问题。 多年来，由于技术上的障碍( 高压、大功率) ，开关电源集成电路在集成化 上一直得不到很大的进步，但是最近几年，大规模和超大规模集成电路技术的 迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出 现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率m o s f e t 的问世，导致了中小型 功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 的出现，又为大中 型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进 一步提高开关电源的性能和安全性，这包括：热关断电路、限流电路、过欠压 保护电路等等。与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可 靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重 量，这是因为开关电源的变压器工作于5 0k h z 到1m h z 的高频条件下，而不是 像线性电源巾的那样工作于5 0h z 的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重 量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量 6 1 。理论分析和实践经验表明， 电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比。如 果把工作频率从工频5 0h z 提高到2 0k h z ，提高4 0 0 倍，用电设备的体积和重 气 第一章绪论 量可以下降至工频设计的5 1 0 ，其主要材料可节约9 0 或更高，可节电3 0 或更多。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1 4 ，相应的体积大概是线性 电源的1 3 。凶此，开关电源代替线性电源是大势所趋。电源电路除了进一步向 小型化和集成化方向发展以外，电源设计目前正进一步地向着绿色化方向发展， 目前各国特别是欧美等发达国家对节能要求越来越高，而发电是造成环境污染 的重要原因，因此节电可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生 污染，许多开关电源会对电网造成污染，向电网注入严重的高次谐波电流，使 总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。各种 有源滤波器和有源补偿器的诞生，就产生了许多修正功率凶数的方法，这为批 量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 第三节开关电源的种类 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率( 占空比) ，维持稳定输出电压的一种电源。它可分为a c d c 和d c d c 两大 类，一般由脉冲宽度调制( p w m ) 或脉冲频率调制( p f m ) 控制i c 和功率半 导体器件( 一般为m o s f e t ) 构成，具有功耗小、效率高( 可高达7 0 0 0 - - - 9 5 ) 、 体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量的滤波电容等优点【7 1 。 目前d c d c 变换器已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成 熟和标准化，并已得到用户的认可，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得 在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 1 3 1 电源变换器的类别 ( i ) a c d c 变换器 a c d c 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流向由 电源流向负载的称为“整流”，功率流向由负载返回电源的称为“有源逆变”。 a c d c 变换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对 较大的滤波电容器是必不可少的，同时凶遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及 e m c 等的限制( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入端口必须加入e m c 滤波及 使用符合安全标准的元件，这样就限制a c d c 电源体积的小型化。另外，由于 4 第一章绪论 内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大， 也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、 大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了a c d c 变换器模块化的进程，凶此 必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 a c d c 变换器按电路的接线方式可分为：半波电路、全波电路。按电源相 数可分为：单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为：第一象限、第二象 限、第三象限、第四象限。 ( i i ) d c d c 变换器 d c d c 变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩 波器。它有两种工作方式：一是脉宽调制方式( p w m ) ，周期( t ) 不变，t 0 n ( 导通时间) 可改变，另一种是频率调制方式( p f m ) ，t 0 。不变，周期t 。可改 变，其基本框图如图1 1 所示。 图1 1d c d c 变换器的基本框图 1 3 2d c d c 变换器的类别 d c d c 变换器可分为两种基本类型：非隔离型( 在工作期间输入电压源和 输出负载共用一个共同的电流通路) 和隔离型( 能量转换是用一个相互耦合磁 性元件来实现的) 。 从结构上讲，d c d c 变换器又可分以下几种类型【8 】： ( i ) 降压型变换器( b u c k ) ：它的输出电压v o 比输入电压v i n 低，能使直流电 压减小，v o v 劬：d ( 占空比) ，转换率：m ( d ) - - d 。 5 第一章绪论 ( i i ) 升压变换器( b o o s t ) ：它与降压变换器有相似的结构，只是开关和电感 的位置互换。它的输出电压v 0 比输入电压v i l l 高，v o v i i l = 1 ( 1 一d ) ，转换率为： m ( d ) = i ( 1 一d ) 。 ( i i i ) y t 降压变换器( b u c k - b o o s t ) ：它的开关通过功率输入电压连接电感到输 出，改变了电压的极性，同时使电压增加或降低，v o v 访= d ( i d ) ，转换率为： m ( d ) 一1 ( 1 一d ) 。 ( i v ) c u k 变换器：它在输入和输出间串联电感，开关通过电容连接输入和 输出，v o v , = d ( 1 d ) ，转换率m f d ) 与升降型一样。 ( v ) s e p i c ( s i n g l e - e n d e dp r i m a r yi n d u c t a n c ec o n v e r t e r ) ：它同样也可以使电压 大小增加或减小，但是它不改变电压的极性，v o v 访= d ( 1 d ) ，转换率为： m ( d ) = d ( 1 - d ) 。 第四节d c d c 变换技术的发展方向 随着d c d c 变换技术需求的不断提高，d c d c 变换器的发展方向主要体现 出以下几个基本特点 8 1 ： ( i ) 高频化 这是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度，改善动态响应的重要技术 途径。高频化还可使开关电源的动态品质得到改善。在2 0 0 0 年小功率d c d c 变换器的开关频率由原来的2 0 0 3 0 0 k h z ，提高到1 m h z 。但高频化又会产生新 的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频e m i 的问题等。 ( i i ) 高效率 作为电源，效率是重要的指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增加。 因此，自上世纪8 0 年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门 课题，它在理论上可使开关损耗降为零。实际上，它可以使目前的各种电源模 块的变换效率由8 0 提高到9 0 以上，达到高频率、高效率的功率变换。 ( i i i ) 大电流传输 d c d c 变换器在系统中实现的是能量转换功能，是将电池输入能量以不同 的电平转换到不同的部分。现在高速工作系统在瞬时需要传输很大的能量，所 以d c d c 芯片需要提供1 0 0 m a 甚至1 a 级的电流。这需要d c d c 芯片中主要 6 第一章绪论 能量传输线路能够承受如此大的电流。特别是开关管，在现在电源管理的要求 下，需要能够快速响应，在短时间内，从关断条件下转变为传输大电流，或在 大电流条件下迅速关断。同时，需要解决功率传输管的散热问题，因此在工艺 上需要特殊处理。 ( i v ) 高精度 d c d c 变换器芯片是给电子系统的各个不同部分供电，有的部分( 例如计 算机中的c p u ) 需要d c d c 变换器芯片提供高精度的电平，不然会对该部分 的工作效率和散热问题带来致命的影响。 ( v ) 低功耗 虽然d c d c 变换器完成的是系统中大能量传输功能，但是用户或系统生产 厂商希望d c d c 变换器本身消耗系统的能量很少，理想情况是希望d c d c 变 换器根本不消耗能量。从电路设计方面需要进行低功耗设计，减小工作电路的 直流电流并需要智能判别电路工作状态，以关断部分电路，节省电路的功耗。 在工艺方面，宜采用低漏电工艺。 ( v i ) 低工作电压 电子系统使用单节电池的现象越来越普遍，也对在更低输入电压( 0 5 v 1 5 v ) 下可以升压的开关稳压器i c 提出了更高的要求。 第五节本文研究的意义 目前，各种便携式电子产品，如随身听、c d m p 3 、照相机、摄像机、录像 机、个人数字助理、手机、手提电脑等，已普遍采用电池供电( 1 5 v 3 v 3 6 v ) 。 电池供电也就逐渐成为微电源发展的主要趋势。这些系统中所使用的工作电压 大都在3 3 w 5 v ，电压转换主要依靠d c d c 变换器来实现，同时对低功耗、高 转换效率、小体积的d c d c 变换器的需求也迅速增加。因此，对d c d c 变换 器的研究具有极高的市场潜力和价值，前景非常乐观。 目前，国内厂商在使用电源管理芯片方面大多依赖于进口，如：德州仪器、 m a x i m 、日本精工仪器公司( s e i k oi n s t r u m e n t si n c ) 和理光公司( r i c o h ) 等公 司的电源管理芯片。所以，从事应用于便携式电子产品的d c d c 电源变换芯片 的设计及开发，对于节约生产成本，创新生产工艺具有积极的现实意义。 7 第一章绪论 第六节本文的主要内容 本文的主要工作是：设计一个同步整流b o o s td c d c 电源管理芯片，采用 电压模式的p w m p f m 相结合的控制方式，其输入电压为2 4 一- 3 3 v 输出电压为 3 3 v 5 v ，最大输出电压为5 v ，芯片的工作频率1 5 m h z ，最大开关电流6 0 0 m a ， 转换效率约为8 0 。并使用c a d e n c es p e c t r e 仿真软件对所设计芯片的各个模块 及整体性能参数进行了仿真与优化，最终的结果很好地验证了本文设计方案的 可行性。 第二章介绍了b o o s td c d c 开关电源管理芯片的基本工作原理以及本文芯 片设计的总体方案。 第三章介绍了本文b o o s td c d c 电源芯片设计的主要电路模块及其仿真测 试的结果，并从b o o s td c d c 变换器反馈回路的角度详细地描述了电路原理、 设计过程中各项设计指标的权衡折衷。其中，主要电路模块包括：基准电压源、 基准电流源、误差放大器、振荡器、p w m 比较器、p f m 模块、输出功率管驱动 等。 第四章介绍了本文b o o s td c d c 电源芯片的整体性能及仿真测试结果。 第五章是全文总结及展望。 8 第二章d c d c 变换器的工作原理和工作模式 第二章b o o s td c d c 变换器的工作原理和工作模式 第一节b o o s td c d c 变换器的基本原理 尽管d c d c 变换器的种类有很多，但它们的工作原理基本一致，即利用控 制电路受误差信号调制的占空比信号去控制功率开关管和整流管的导通和关 断，再利用电感、电容储能和释能作用实现稳压。 一个基本的b o o s td c d c 变换器拓扑结构如图2 1 所示【9 1 。 图2 1b o o s td c d c 变换器拓扑结构 在理想情况下，开关地是不存在电压降的，但在实际情况中，由于开关通 常使用半导体器件，如：二极管、功率管m o s f e t 、i g b t 、双极性晶体管来实 现，它们是存在电压降的。典型的开关频率范围是：1 k h z - 一i m h z ，这是由半导 体器件的转换速率决定，假设功率开关管隅导通时的电压降。，= v o w , ，二极管 d 导通时的正向电压降为v d ，储能电感l 上的最小电流， = 0 。 一m i 当心开始饱和导通时( 在t d 。时间内) ，v 加通过l 、m n 形成回路，电感中 的电流i l 即为回路电流，由于电感电流不能突变，其两端电压会产生极性：左+ 右的感生电动势，进而存储能量，则二极管d 截止。i l 从最小值开始线性增加， 9 第二章d c d c 变换器的工作原理和- 丁作模式 经过t o 。时间，m 1 从饱和导通转入截止时刻，则电感电流i l 达到最大值i p k , 此时 有 屯= 乞。+ 屯+ = t 十 ( 2 1 )o 钿m lb 、7 蚶= r 与= 争 仁2 ) 当功率管m 。截止时末，i l 同样不能突变。由于截止，二极管d 导通， 存储在l 中的能量通过d 、c 、r l 回路电流从i p k 开始线性减小。在经过t o f f 时 间，s l 从截止重新变为饱和导通，此时f = i p x + a i l - 减小到最小值，即i l 在t o 。时 间内的正增量f l + 与在t o f f 时间内的负增量f 。一数值恰好相等。 f 一可表示为： i t - = p 堕竽= 毕( i - d ) t ， ( 2 - 3 ) a l + i - l 芘一i 时，输出电压v o 为 1r y i n ( 1 - d ) ( 2 4 ) 上式( 2 - 4 ) 表明：升压型d c d c 变换器的输出电压v o 值与开关脉冲占空比 系数d 成正比，而且总是高于输入电压v 未值，且占空比d 不能等于l 。 直流输出电流j o 等于电感l 中的平均电流t ，可以表示为： i o = 洲c 血+ 主，雕 ( 2 5 ) 开关波形不仅包括：理想的直流部分，同时也包括非理想的开关频率谐波 部分。在大多数情况下，必须消除开关频率谐波部分，使变换器的输出电压v o 等于直流部分。电路中l c 低通滤波器就是用来消除谐波的。 滤波器的固有频率石为： f 0 2 赢( 2 - 6 ) 固有频率石必须小于开关频率f ，以使滤波器只通过v d 的直流部分。如果电感 l 和电容c 都是理想器件，则滤波器可以无损耗地消除谐波。 在进行实际的电路设计时，一般要求选取合适的l 值，使厶 i p r 2 ，以确 保i l 为连续的工作状态，否则会导致d c d c 变换器电源的功耗增大从而使其性 能变差。 1 0 第二章d c d c 变换器的工作原理和工作模式 由上式可得保持t 为连续的工作状态的电感临界值丘为： 驴v 0 2 - f 。v _ _ 丝( 1 一。k ( 2 7 ) 滤波电容c 。的值取决于要求的纹波电压值，对一次谐波而言，当开关导通 时，流过滤波电容c 。上的电流为：c = 0 ；当开关关断时，流过滤波电容的电流 为：之= f c i 0 ，但是电容上电荷的变化是相同的，则c o 上纹波电压峰值( ) 胖为： 以川肚才li 叫胪等2 茜 亿8 ， 其中，占空比为：d = z ，开关频率为：无= l t ，则滤波电容c o 的值 为： c 02 丽v o 丽d 。万1 ( 2 - 9 ) 第二节连续与非连续导通工作模式 升压型d c d c 开关变换器的工作模式是根据流过电感的电流是否降为零 来区分，一般可区分为两种工作模式：( 1 ) 连续工作模式( c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ：c c m ) ；( 2 ) 不连续工作模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ：d c m ) 。 当流过的电感电流不会降为零时，我们定义转换器工作状态在连续导通工作模 式；而当流过的电感电流会降为零时，我们定义转换器的工作状态为不连续导 通工作模式，亦即流经电感之电流为不连续。为了便于分析，我们做出如下几 条假设f 9 1 ： ( i ) 开关s 和二极管d 具有理想的特性( 无损耗，无惯性) ； ( i i ) 电感l 足够大，电感的电流连续，电感无损耗；电容c 足够大，电容的 脉冲电压可以忽略，电容无损耗； ( i i i ) 假设输出电压纹波值与输出电压的比值小到可以忽略，即可以认为 矿( f ) = 玩，输出直流电压无脉动；在c c m 时由于电感电流纹波值相对于平均电 感电流较小，为了便于分析我们也认为柳= f ，如图2 2 所示。 第二章d c d c 变换器的- t 作原理和工作模式 ( i v ) 电路进入稳定工作状态。 图2 2 电压纹波示意图 2 2 1 连续导通工作模式分析 假定d c d c