（微电子学与固体电子学专业论文）pwm+dcdc降压变换ic研究与设计.pdf

摘要 摘要 电源在电视、计算机和移动通讯终端等电子设备中占有重要位置，它是一切 电路能否正常工作的基础。开关电源( s 、i t c hm o d ep o 、e rs u p p l y ) 由于具有体积 小、重量轻、效率高、输出稳压范围宽等优势，被应用于各种电子、电器设备领 域。开关电源核心的部分就是控制i c ，具有高集成度、高性价比、高效率的优点， 得到广泛的应用。 本文设计了一种新型电压控制模式p w m 电源管理i c 。该电路工作频率为 1 3 8 m h z ，内部集成耐压5 0 v 的功率m o s 肿，输入电压范围2 7 v 5 5 、，输出 电压可在一2 v 一1 5 v 间连续可调，典型工作条件下输出电流在2 0 0 m a 之内；同 时，在轻负载下提供跳周期模式，具有很高的待机效率。并具有欠压、过压、过 流等保护功能，配以简单的外围电路就可以构成完整、可靠的开关电源。 在论文中，首先阐述了电压控制模式p w m 开关电源的基本原理，对比了电流 控制模式和电压控制模式，分析了各自的优缺点；随后根据设计要求进行了电路 的总体设计，完成了各个子电路的原理分析，电路设计和仿真验证，重点阐述了 误差放大电路、三角波发生电路、p w m 控制电路、节能控制电路、振荡电路和基 准源电路的分析、设计和验证过程；最后，利用e d a 软件h s p i c e 对整体电路进行 了功能仿真验证，仿真结果表明，本文完成了设计工作，达到设计要求。 关键词：开关电源，p w m ，电压模式，电流模式 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi sa 1 1 砌s p e n s a b l ep a ni n 印p l i c a t i o ne l e c t r o n i ce q u i p m e n t ss u c ha s t v ，c o m p u t c ra n dp o r t a b l ec o i m m m i c a t i o ne q u i p m e n t s 、池i c hi s 廿l e 劬帕锄e m a l r e q u i r e m e n tf b rn o n n a lo p e r a d o n s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ，w i t l li t sc o m p a c tv o l u m e ， s m a l lw e i g h t ，h i 曲e 伍c i e n c ya i l dg o o dl i n er e g u l 珏廿o n ，h a sb e e n 、v i d e l ya p p l i e di nm o s t o fe l e c n d n i cf i e l d s n l ec o r eo fs w i t c hm o d ep o w e rs u p p l yi si r l t e 鲜a t e di cc o i 血o l s y s t e m i t sh i 曲i n t e g r a t i o n1 e v e l ，q u a l i t y 巾r i c er a t i oa n de m c i e n c y 眦i tb e c o m en l c m a j o rc a n d i d a t ef o ra p p l i c a t i o np o w e rd e s i g n an e wt y p eo fv o l t a g e i n o d ea 芏1 dp u l s e w i d 山- m o d ec o n 订o l l c ri sd e s i g n e di nt l l i s t i l e s i s i t so p e r a t i o n 丘e q u e n c yi s1 3 8 m h z ，谢协a ni m e 伊a t i o no fap o w e rm o s f e t w h o s eb r e a k d o w nv 0 1 t a g ei su pt o5 0v n l ea 1 1 0 w a b l ei n p u tv o l t a g er a i l g e g 仃o m2 7 v t o5 5 va n di t so u mv o l t a g ec a l lb ep r o 鲥瑚m e db e m e e n 一2 va n d 1 5v ，a d d i t i o n a l l y ， m eo u l p u tc u r r e n ti si na2 0 0 m ar 锄g ei nt y p i 9 a 1a p p l i c a t i o n t oa v o i dt 1 1 ep o o r e 衢c i e n c yo f 血ep 、mc o n t r o ls c h e m ea t1 培h tl o a d ，as k i p c y c l e m o d eo p e r a t i o ni s i n t r o d u c e dm a ta l l o w ss y s t e m se 衔c i e n to p e r a t i o na tm el 培h t1 0 a d f u r 山黜r c ，t 1 1 e b u i l d i n gb l o c k si ns y s t e ma r ee l e g a n t l yd e s i g n e dt o 萄v e l er e s l l l to fl o wp o 、e r d i s s i p a t i o n 0 v e r _ v o l t a g ep r o t e c t i o nm o d u l e ，o v e r _ c u i r e n tp r o t e c t i o nm o d u l e ，l l 士1 d e r v o l t a g ep r o t e c t i o nm o d m ei sa l s oi n t e g r a t e di nm es y s t e m c o n s e q u e n t l y a l li n t e g r a t e 刚t c hm o d ep o w e rs u p p l y 诵mh i g he f f i c i e n c ya n dg o o dr e l i a b i l i t yc a i lb er e a l i z e db y t h ec o n n d l l e rw i t hv e r yf 毫we x t e m a lp a r t s t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fm o n o l i 也i cv o l t a g e m o d es 诚t c h i n gr e g u l a t o ri s f i r s t l y i m r o d u c e di n n l i s m e s i s ， w h i c hi sf o l l o w e d b y a c o m p 捌s o nb e t w e e n v o l t a g e - m o d ea 1 1 dc u r r c n t m o d ec o n v e n e r sw h e r et h ep m sa 1 1 dc o n so f b o t l ic o n v e r t e r s a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ；n e x t ，让i c9 1 0 b a ls y g t e ma r c h j t e c t u r ei sp r o p o s e du p o nt h ed e s i g n r e q 试r e i r l e m sa n ds d b b l o d kc i r c u i t sa r ea l s oi n t r o a u c e dm a tf o c u s e so ns e v e 衄1e s s c n t i a l s u b b l o c k ss u c ha sa m 只w w e ，p w mc o n 订o l ，p s c ，0 s ca n dv 砌讯f 血a l l y ，a l l s u b - c i r c 试t sa i l d 1 ew l l o l ec h i pc 如u i ta r es i m u l a t e db yh s p i c e ，h o s er e s u l t si n d i c a t e 廿l a tt l l ec n l l i tf h c t i o na l l d p e r f b r n l a n c eh a v ep e f f e c t l ys a t i s f i e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s 1 ( e yw o r d s ：s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y p u l s e 埘d mm o d e ，v o l t a g em o d e ，c u r r e n tm o d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：! 生垒! 氢日期：由一i 年，月，阳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：竺坌! 氢导师签名： 日期：咖o 第一章引言 第一章引言 电源是各种用电设备的动力装置，是电子工业的基础产品。经济建设和社会 生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。 1 1 开关电源的发展 开关电源的研究和发展是从7 0 年代兴起的，8 0 年代中国也开始了开关电源 的研究工作。现在，开关电源已经在各种整机产品上得到广泛的应用，其发展速 度是惊人的，其应用的主要领域有： f 1 1 邮电通信：作为程控交换机，移动通信基础电源。 f 计算机：作为各种p c 机，服务器，工业控制机的开关电源。 门) 家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品，如电视机，影碟机 等。 ( 4 ) 其他行业：如电力、航天、军事等领域。 据f r o s t s a u l l i v a n 公司的资料显示，1 9 9 9 年全球开关电源的规模从 1 9 9 2 年的8 4 亿美元猛增至1 6 6 亿美元，平均年增长率为1 0 ，这是作为电源和 开关电源用户的计算机及其外围设备市场的不断发展，通讯业的异军突起，促进 了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景。日本 和美国的电子工业和通讯工业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。日本约 占全球市场5 0 ；美国约占2 9 ；欧洲约占1 1 ；亚洲( 除日本外) 约占5 。 虽然亚洲目前在全球开关电源市场所占比例尚小，但由于亚洲通讯业的高速发展， 对开关电源的需求也将与日俱增，2 0 0 0 年其需求量在全球市场上的比例已达1 0 ，在2 1 世纪初继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一。 在中国，电源管理芯片保持旺盛的增长势头，2 0 0 4 年的市场规模达到1 6 1 2 亿元， 较2 0 0 3 年增长3 4 2 。同时，中国芯片销量达到3 0 5 亿片。信息产业的发展成 为电源产业发展的强大动力1 1j 。 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家。 国产开关电源已经占据了相当的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系 国产开关电源已经占据了相当的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系 电子科技大学硕士毕业论文 列产品己获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口【2 】。 开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩 大输出电压范围、提高输入端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方 向发展。在开关电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、相 位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式调节器等。所有这些改进， 都使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的 通信领域大有用武之地p j 。 1 2 开关电源技术的分类 开关电源可以根据不同的类型分类：根据实现功能可以分为a c d c 和d c d c 两个大类，现在市场上使用最多的是d c d c 变换器，其设计技术和生产工艺已 经相当成熟，而a c d c 由于自身的特性在模块化的进程中遇到了许多问题；根 据控制模式可分为电流模式和电压模式两个大类，电压模式的基本原理就是将采 样电压与基准电压在误差放大器中进行比较放大，误差放大器的输出再与固定的 锯齿波比较，产生控制用的p w m 信号。电流模式是在电压控制模式的基础上， 增加一个电流负反馈的环节，使其成为一个双环控制系统，从而提高电源的性能 4 】【5 1 1 3 本文所做的工作 近年来便携式设备应用越来越广泛，体积日益缩小，因而对电源的要求也越 来越高。如在电池供电的设备中提出延长电池的使用时间，提高电源效率，减小 电源体积等一系列要求。 本课题就是在这种情况下提出的，属于跟公司合作的项目。要求设计一种能 输出负电压的d c 仍c 转换器，主要应用于小型和中型的o l e d 显示、移动电话、 数码相机和便携式摄像机，具体要求如下： ( 1 ) 输出电压可在一2 v 一1 5 v 之间连续可调，最低可达一1 5 v 。 ( 2 ) 1 0 0 0 m a 的开关电流限制值：保护功率开关管。 ( 3 ) 能量转化效率高于8 1 。 ( 4 ) 低负载时自动跳转到高效的节能工作模式。 2 第一章引言 f 5 1 线性调整率低：在2 7 v 5 5 v 的输入电压范围内，均能保证输出电压稳 定。 ( 6 ) 最小的工作频率为1 2 5 m h z ，减少外围器件。 ( 7 1 小于l u a 的关断电流。 ( 8 ) 具有高可靠性：在电路中集成有多种保护电路，如过温、过流、过压、 欠压保护等。 本文设计了一个单片集成开关电源管理i c 。首先，借鉴已经成熟的产品，从 系统的角度出发选取本电路所需要的电路结构，确定所需要的模块和参数指标， 节省设计时间；其次，根据提出的设计要求，详细分析设计各个子电路；最后， 利用h s p i c e 软件在合作公司提供的模型基础上对各个子电路和整个系统电路进 行仿真验证，确保电路能满足设计要求。本文主要由以下部分组成： 第一章：引言。介绍开关电源的发展、分类，以及本文所做的工作。 第二章：电路总体设计。阐述负电压转换器的工作原理以及总体设计，对课 题内容作总体概述，并对电压控制模式开关电源电路给出具体分析。 第三章：子电路的设计与仿真。对本课题中的子电路模块进行分析，对输出 电压反馈输入电压前馈电路、节能控制电路、d c m 检测电路的工作原理及参数 求解都做了较为详细的阐述，给出了典型情况的仿真结果并作了详细的分析：对 其他电路包括带隙基准源、振荡器、p w m 生成电路、以及逻辑控制电路等给出 了简单分析。 第四章：联合仿真。介绍整体电路联合仿真和参数验证，并给出仿真结果。 第五章：结论。总结本文所做的工作和对开关电源未来的展望。 电子科技大学硕士毕业论文 第二章开关电源电路原理设计 开关电源的主要特点是功率开关管工作在开关状态。开关电源利用电感元件 和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动 的直流电流能量断续的经过开关管，暂时以磁场能的形式存储在电感器中，然后 经电容滤波得到连续的能量并传送到负载，得到电压脉动较小的直流电能，实现 d c d c 变换。 开关电源系统由主电路和控制电路组成。构成开关电源主电路的元件，包括 输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，他们共同完成电能 的转换和传递，合称功率级；控制电路则通过控制功率管的通断，实现调节输出 电压恒定在设定值的要求，从而控制住电路的工作状态，使主电路从输入电源处 获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入电池电压及输出端的负 载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定 6 】。 2 1 开关电源的电路拓扑结构 将功率开关元件和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以得到各 种输出电压与输入电压的关系。开关电源的拓扑结构是指能用于转换、控制和调 节输出电压的功率开关元件和储能元件的具体配置关系。正是多种拓扑结构的存 在使开关电源具有灵活的正负极性和升、降压方式，这一特性明显优于线性稳压 器和电荷泵。b u c k 、b o o s t 、i n v e r t 和c l l k 是四种基本的开关电源拓扑结构f 7 l o 21 1 b u c k 变换器 b u c k 型开关电源将输入电压v i n 变换成o v o n 的稳定输出电压v o ，所 以又称降压开关电源。 图2 一l 是b u c k 变换器拓扑图：v i n 为输入电源，通常为电池或电池组。m p 是主开关管，因其源端接电源n ，适宜选用低电平导通的p m o s 管。二极管是 辅助开关管，也叫整流管，一般使用具有较低正向电压的肖特基二极管。v p 是 4 第二章开关电源电路原理设计 m p 的控制信号，由控制电路提供，r l 表示负载电阻。 v n 鼍 r -i 一 t j v 0 图2 1b u c k 变换器拓扑图 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，m p 导通，x 点商电位，二 极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经m p ，电感l 到电容c 和负载。电感 电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二 阶段，控制电路使m p 截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电 动势使得电流维持原来的流向，迫使x 点电位降至比地电位还低一个二极管的正 向导通压降，二极管d 导通，为电感电流提供通路，电流由电感l 流向电容c 和负载，电感电流随时间下降，髓量由电感流向负载。 经电感l ，电容c 滤波，在负载r l 上可得到脉动很小的直流电压。 2 1 2b 0 0 s t 变换器 b o o s t 型开关电源将输入电压v i 变换成n v o 的稳定输出电压v 0 ，所以 又称升压开关电源。 图2 - 2b 0 0 s t 变换器拓扑图 图2 2 是b 0 0 s t 变换器拓扑图：v i n 为输入电源。m n 是主开关管，因其源端 接地，适宜选用高电平导通的n m o s 管。二极管是辅助开关管，使用具有较低正 5 电子科技大学硕士毕业论文 向电压的肖特基二极管。v n 是m n 的控制信号，由控制电路提供，r l 表示负载 电阻。 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，m n 导通，x 点低电位，二 极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经电感l 、开关管m n 到地，电感电流 持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段， 控制电路使m n 截止，切断地和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得 电流维持原来的流向，迫使x 点电位升高到比v o 还高一个二极管的正向导通压 降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电感流向电容和负载，电感电流 随时间下降，能量由电感流向负载。 经电感l ，电容c 滤波，在负载r l 上可得到脉动很小的直流电压。 2 1 3in v e r t 变换器 i n v e r t 型开关电源将输入电压v i n 变换成v o o 的稳定输出电压v 0 ，所以又 称负电压开关电源。 v 图2 31 1 1 v e n 变换器拓扑圈 图2 - 3 是i n v e n 变换器拓扑图：n 为输入电源，m p 是主开关管，因其源端 接电源v i n ，适宜选用低电平导通的p m o s 管。二极管是辅助开关管，一般使用 具有较低正向电压的肖特基二极管。v p 是m p 的控制信号，由控制电路提供， r l 表示负载电阻。 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，m p 导通，x 点商电位，二 极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经过m p 、电感l 到电容c 和负载。电 感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中：第 二阶段，控制电路使截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电动 势使得电流维持原来的流向，迫使x 点电位降至比v 0 还低个二极管的正向导 通压降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电容c 和负载流向电感l ， 6 第二章开关电源电路原理设计 电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 经电感l ，电容c 滤波，在负载上r l 可得到脉动很小的直流电压。 2 1 4c u k 变换器 c u k 变换器的电路图如图2 - 4 所示。当开关m n 导通时，输入电流使得l 1 储 能，c l 的放电电流使l 2 储能，并给负载供电，流过开关m n 的电流为输入、输 出电流之和。当开关断开后，电源输入和l 1 的释能电流向c 1 充电，同时l 2 的 释能电流1 2 以维持负载。流过二极管的电流也为输入、输出电流之和。 阿 - - - - j l 2 ( 已 上c 2i 1 2 2 开关电源调制方式 图2 4c u k 变换器拓扑图 开关电源电路的调制方式主要有：p w m 、p f m 、p s m 三种调制方式，目前 p w m 、p f m 应用最多。脉冲宽度调制( p w m ) 方式，其开关频率恒定，通过调 节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”；脉 冲频率调制( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率来改变通断比， 从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”【8 1 。 2 2 1p w m p w m 调试方式是开关功率变换器中最常用的控制方式，其基本工作原理就 是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控 制信号与基准信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度， 使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。其工作波形如图2 5 所示。 7 电子科技大学硕士毕业论文 目前p w m 控制方式在开关电源中使用普遍，具有以下优点：电压调整率高， 线性度好，输出纹波小，适用于电流或电压控制模式，在负载较重的情况下效率 很高。但也存在输入电压调制能力差，轻负载时效率下降厉害的缺点。 2 2 2p f m 图2 。5p w m 工作原理图 p f m 也是开关功率变换器中常用的调制方式，其基本工作原理就是在输入电 压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基 准信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通频率，使得开关电源的 输出电压或电流等被控制信号稳定。其工作波形如图2 6 所示。 图2 6p f m 工作原理图 最近几年p f m 控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：在轻负 载下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。存在以下缺点：负载 调整范围窄，滤波成本高。 8 第二章开关电源电路原理设计 2 3 开关电源控制模式 开关电源按控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式 9 】 。 2 3 1 电压控制模式 电压控制模式p w m 是6 0 年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一 种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路结合，至今仍然在工业界很好 地被广泛利用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即 将电压误差放大器采样放大后缓慢变化的直流信号与恒定频率的三角波的斜波比 较，通过脉冲宽度调制原理，得到适当的脉冲宽度。当输入电压突然变小或负载 阻抗突然变小时，因为主电路有较大的电容和电感相移延时作用，输出电压的变 小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞 后，才能传至p w m 比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主 要原因。 图2 - 7 电压控制模式开关电源工作原理图 电压控制模式的优点：p w m 三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好 的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，他们之间的交互 调节效应较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化 9 电子科技大学硕士毕业论文 有较好的响应调节。缺点：对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网路设计 本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；输出u c 滤波器 给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或 者增加一个零点进行补偿； 改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种：一是增加电压误差放大 器的带宽，保证具有一定的高频增益。但是这样容易受到高频开关噪声干扰影响， 需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理；另一 方法是采用电压前馈模式控制p w m 技术。用输入电压对电阻电容充电产生的具 有可变化上升斜率的三角波取代传统电压模式控制p w m 中振荡器产生的固定三 角波。此时输入电压变化能立刻在脉冲的变化上反映出来，因此该方法对输入电 压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈是开环控制，而对输 出电压的控制是闭环控制，目的是增加对输入电压变化的动态响应速度。这是一 个有开环和闭环的构成的双环控制系统【1 l 】【1 2 】 2 3 2 电流控制模式 电流模式控制又称峰值电流模式控制。它的概念在6 0 年代后期来源于具有原 边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在7 0 年代后期才从学术上作深入地 建模研究。直至8 0 年代初期，第一批电流模式控制p w m 集成电路的出现使得电 流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时 所需要的同步不失真斜波补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制 面临改善性能后的电压模式控制的挑战。如图2 8 所示，误差电压信号送至p w m 比较器后，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较， 而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成 波形信号比较，然后得到p w m 脉冲关断时刻。因此电流模式控制不是用电压误 差信号直接控制p w m 脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然 后间接控制p w m 脉冲宽度。 电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电 感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电 感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下， 相同的峰值电流可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯 一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少 1 0 第二章开关电源电路原理设计 一半以上斜率加在实际检测电流的下斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电 流的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。因而合成 波信号要由斜波补偿信号与实际电感电流信号两部分合成。当外加补偿斜波信号 的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将 斜波补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，不过此时的 电流信号可以认为是一种电流前馈信号，当输出电流减小时，峰值电流控制模式 就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态时，输出电流为零并且斜 波补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制实际上变为电压模式控制了。 峰值电流模式控制p w m 是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流 内环是快速按照逐个脉冲工作的。功率极是由电流内环控制的电流源，而电压外 环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化， 因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制l c 储能电路。由于这些，峰值电流 控制模式p w m 比起电压模式控制大得多的带宽。 图2 _ 8 电流控制模式开关电源的原理图 峰值电流模式控制p w m 的优点：暂态闭环响应较快，对输入电压的变化 和输出负载的变化的瞬态响应均快；控制环易于设计；输出电压的调整可与 电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美；简单自动的磁通平衡功能；瞬时 峰值电流限流功能；自动均流并联功能。缺点：占空比大于5 0 的开环不稳 定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；闭环响应不如平均电流模 式控制理想；容易发生次谐波振荡；对噪声敏感，抗噪声性能差；电路拓 电子科技大学硕士毕业论文 扑受限制；对多路输出电源的交互调节性能不好 1 3 】1 1 4 l 。 为了达到上一章提出的电路设计要求，本电路采用的是电压控制模式i n v e n 型p w m 控制方式，同时采用输入电压前馈的方法，提高电路对输入电压的调整 率。 2 4 开关电源的设计要求 单片开关电源的设计基本流程为：首先，根据客户使用要求确定设计目标； 其次，根据确定的设计目标设计适当的系统框图；再次，在确定的系统框图中定 出各个子电路的设计指标和具体的子电路图；最后，根据设计的子电路、整体电 路分别进行详细调试、仿真，确保设计的电路能满足客户的要求。可能要经过多 次的反复设计、验证，才能得到满意的电路。 本文根据合作公司给出的设计要求，参考国外相关成熟产品设计思想的基础 上，设计了具有以下特点的单片1 n v e r t 型开关电源电路： ( 1 1 低至一1 5 v 的可调节输出电压。 ( 2 1 典型应用时输出电流在2 0 0 l i i l a 之内。 ( 3 ) 功率m o s f e t 电流限制值1 0 0 0 m a 。 ( 4 ) 负电压输出时功率转化效率达8 1 。 ( 5 ) 低负载电流下可实现高效的节电模式。 ( 6 ) 独立的外部使能信号控制。 ( 7 ) 输入电压范围：2 7 v 5 5 v 。 ( 8 ) 最小固定工作频率为1 2 5 m h z ，适合较小尺寸的外围器件。 ( 9 ) 过热保护。 f 1 0 1 过压保护。 ( 1 1 1 在关断模式下，静态电流典型值小于1 u a 。 2 5 开关电源结构 为了简化设计、分析过程，将电路分为0 s c 、a m p 、w a 、o v p 、u v s t 、 d c m 、d r i v e 、遇f 、p w mc o n 昀l 等1 4 个模块，每个模块有着相对独立的功 能，图2 9 是包含了外围电路的开关电源等效架构图： 1 2 第二章开关电源电路原理设计 图2 9 开关电源电路结构内部示意图 整个电路分为1 4 个模块，它们的简单功能描述如下： ( 1 ) o s c 振荡器，输出一个固定占空比的脉冲信号，信号的振荡频率为 1 3 5 m h z 。 ( 2 ) a m p ( 3 ) w 鲥e ( 4 ) c o m p 误差放大器，两个差分信号输入分别是v f b n 和g n d ，其中v 是输出电压反馈信号；a m p 模块将反馈电压的误差转化为误差电 流输出到w 埘e 模块。 三角波发生电路，利用a m p 输出的误差电流，给模块内部电容充、 放电而生成三角波，三角波的上升斜率受误差电流大小控制。 高速比较器，输入端“+ ”是w a 输出的三角波，输入端“一” 为一固定电平，其大小与输入电压v l n 成正比；c o m p 模块的输出 为脉冲信号。 ( 5 ) p w m n 仃o lp w m 发生器，主要是生成驱动脉冲信号，驱动脉冲的占空比 受输出反馈电压和输入前馈电压的控制；同时在整个电路过压、过 流时关闭驱动脉冲。 ( 6 ) u v s t输出欠压重启电路，其核心就是一个具有滞回功能的高速比较器， 输出电压上升到设定值得9 7 时，比较器输出由低变高；输出电压 1 3 电子科技大学硕士毕业论文 下降到设定值的9 8 时，比较器由高变低。 f 7 ) d c md c m 检测电路，当电路工作在电流间断模式时输出一个上沿触发 信号。 ( 8 ) v i 也f 带隙基准源和p 丑玎电路，为其他模块提供电流偏置和参考电压， 同时输出一个1 2 1 3 v 的电压到外围电路，形成反馈分压电路。 ( 7 ) d r i v e 功率管的驱动电路。 ( 1 0 ) o v p过压保护电路，实际是为了避免输出电压与设定值偏离太大。具体 电路就是一个比较器，通过设定差分输入对管的宽长比控制失调电 压，当输出电压超过设定值得5 时，输出信号将关闭功率m o s f e t 驱动脉冲，只有在输出电压下降后，功率m o s 聊才重新导通。 ( 1 1 ) o t p 过热保护电路。 ( 1 2 ) u v u )欠压锁定模块，仅当也f 模块正常工作时，u v l o 模块才启动， u v l 0 模块工作正常而且输出表征输入电压正常的信号时，其他各 个模块才正常启动。 ( 1 3 ) c u r r e n t l j i i l i t 功率m o s 肿的电流限制电路。 ( 1 4 ) p s c节能控制电路，在系统工作于d c m 模式时，节能控制电路输出高 电平，关闭驱动脉冲的输出。 各输入输出信号线如下： i n n ：输入电压，接功率m o s f e t 。 v i n ：芯片内部工作电压。 e n n ：使能信号。 p s n ：节能控制信号。 v r e f ：基准电压输出信号，正常工作时为1 2 1 3 v 。 f b n ：输出电压反馈端，输入到内部误差放大器中，通过反馈来稳定输出电压。 旺g ：输出电压。 0 u i n ：内部功率m o s 唧的漏端，外接电感和肖特基二极管。 c n ：外接电容引脚，接一定大小的电容可以稳定整个系统，同时应用于软启动。 2 6 开关电源工作原理 图2 9 是比较典型的降压式电压控制模式p w m 开关电源结构，其工作过程 1 4 第二章开关电源电路原理设计 如f ： ( 1 ) 当e n n 端的输入电压为低电平时，整个芯片处于关断状态，芯片的静 态输入电流小于0 3 u a ，o u t n 端输出的电压为零，忸g 的输出电压也近似为 零。 ( 2 ) 当e n n 端为高电平时，芯片内部各个模块启动并且进入工作状态。由 于唔g 端的初始电压为零，模块a m p 中的偏置电流较低( a m p 的偏置电流与 输出电压呈正比) ，a m p 中输出的电流也较小，从而w 郴e 模块内部电容充电时 间较长，由于该电容的充电时间等于功率m o s h 玎的截止时间，这样功率 m o s f e t 在较小的占空比下工作；随着v n e g 端的电压上升，a m p 的偏置电流 上升，其输出电流也随之上升，w w e 模块内电容充电时间变小，驱动脉冲占空 比增加，功率m o s h 强的截止时间减小，导通时间延长：直到f b n 端的电压等 于零时整个软启动过程才结束，整个系统进入稳定工作状态。稳定后输出电压为： 鲁 ( 2 6 1 ) a m p 模块的核心是一个快速比较器，其主要功能是将反馈电压与零电平比 较，输出包含反馈电压信息的电流信号。当系统进入稳定状态后，如果反馈电压 v f b n 大于零，a m p 输出电流信号变小，导致w a 、，e 中内部电容充电时间增加， 功率m o s f e t 的驱动脉冲占空比变小，输出电压减小；反之，如果反馈电压v f b n 小于零，a m p 输出电流信号变大，导致w a v e 中内部电容充电时间减小，功率 m o s f e t 的驱动脉冲占空比变大，输出电压上升。 为了提高电路工作效率，降低开关损耗，本电路在不同的负载下有不同的工 作模式： 正常工作负载 在一般负载情况下，系统工作在标准的p w m 模式下，o s c 模块的输出脉冲 由低变高时，功率m d s f e t 关闭，c o m p 模块的输出信号由低变高时，功率 m o s h 丌打开，而c o m p 模块输出电压的上跳时刻决定p w m 信号的翻转时间， 也就决定功率m 0 s f e t 的占空比。无论是负载变化，还是输入电压变化，系统都 会自动调节c 0 m p 模块输出的上跳时问，使功率管m o s f e t 工作在合适的占空 比，从而得到精确的输出电压。 轻负载 在外接负载很轻，即负载电阻很大，需要的输出功率很小时，如果端子p s n 1 5 电子科技大学硕士毕业论文 为高电平，则芯片进入节能工作模式。在这个模式下，当外部的电感电流不连续 时，功率m o s h 玎被关闭，输出电压下降，在输出电压下降到设定值的9 8 时， p w mc o n 的l 模块输出正常p w m 信号，功率m o s f e t 正常通、断，一个或几个 周期后，当电感电流再次进入不连续状态时，功率m 0 s f e t 再次关断。这种模式 可以有效的改善轻负载时系统效率降低的问题。相关的电路包括d c m 、u v s t 、 p w mc o n t r o l 模块。 重负载 在输出电压很高而且负载电阻很小时，需要的输出功率很大，称之为重负载 情况。较重的负载需要系统工作在较大的占空比，但是电感也需要时间放电，所 以为了系统能正常工作，占空比不能无限接近1 0 0 ：由于w 心忸模块中内部电 容的充电时间与功率m 0 s h 玎的截止时间相等，所以通过设定w a v e 的内部电 容容值和a m p 模块的最大输出电流，可以将驱动脉冲的占空比限制在8 7 5 以 下；同时，由于工艺的限制，功率m 0 s f e t 也有电流限制，否则芯片将被烧毁， 为此专门设计了c u r i 逻tl i m i t 模块对功率m o s f e t 的源漏电流进行限制，限制 值为1 0 0 0 m a 。 1 6 第三章子模块电路设计 第三章子模块电路设计 本文在设计电路时，根据电压模式p w m 开关电源工作原理和控制流程将电 路划分为多个模块，每个模块有相对独立的功能和指标，然后根据这些模块的功 能设计实际的电路，并且进行了仿真分析验证，以下是对重要模块的设计分析。 3 1a m p 电路 a m p 电路就是输出电压反馈电路。整个电压控制模式开关电源就是一个电压 反馈系统，输出电压直接反馈到控制电路，控制功率m o s f e t 的通、断时间，从 而得到稳定的输出电压。 3 1 1 设计要求 a m p 电路由误差放大器a m p u h m 、偏置电路b n s 和电流镜m m r o r 组 成，其功能就是将输出的误差电压转换为误差电流。 输入输出信号： 输入信号： c 0 n t r o l ：控制信号，芯片正常工作时为高电平。 c o n t r o l l ：控制信号，芯片正常工作时为高电平。 c o n t r o l 2 ：控制信号，芯片正常工作时为低电平。 c o n t r o l 3 ：控制偏置电路b i a s 的信号，芯片正常时为低电平。 f b n ：输出电压反馈信号。 旺g ：输出电压。 v i 砸f 2 ：基准电压，始终为零。 输出信号： 1 0 u t ：输出误差电流。 1 7 电子科技大学硕士毕业论文 3 1 2 电路结构 电压反馈电路的等效架构图3 1 如所示： f b n 端的反馈电压： 2 一箐孥啵 b ， v f b n 与基准v r e f 2 比较，输出电流信号1 1 ，1 1 再与偏置电流1 2 相加，形成 误差电流b ，通过电流镜的镜像，最终输出电流信号l o u t ，i o u t 的大小间接受输 出电压的控制。 圈3 - 1a m p 模块等效架构图 ( 1 ) b i a s 电路结构 如图3 - 2 中b 埝s 部分所示，m 1 、r 3 、r 4 、m 2 组成串连电路，m 2 的栅极 驱动信号c o n t r o l 3 始终为低电平，m 2 导通，由于r 3 、r 4 的阻值很大，所以 偏置电流为： k 一气篇等 m ， 其中k 。为m 1 的阈值电压。在整个系统进入稳定状态后，输出电压。也 第三章子模块电路设计 趋于稳定，此时： 一鲁 ( 3 1 3 ) 所以我们可以得到稳定状态时的偏置电流： k “k 学 ( 3 _ 1 4 ) 在实际的电路设计中，通过设定r 3 、r 4 的阻值，在g = 一5 y ，j m * 1 6 鲥； 在p 赫= 一1 0 y ，s “3 2 剃a ( 2 ) a m p l i f e r 电路结构 如图3 2 中a m p l i f e r 部分所示，a m p l i f e r 电路组成一个高速比较器，是 电压反馈电路中的核心部分，该电路采用正反馈的形式实现高速的要求。其功能 是将v f b n 和v r e f 2 比较，当v f b n 大于v r e f 2 时，放大器的输出端输出电流，当 v f b n 的电压小于v r e f 2 时，放大器的输出端吸入电流。 电路利用正反馈结构来实现高速比较的目的。假设f b n 端加正电压，v r e f 端加负电压。由于输入对管为p m o s ，因此m 3 中的漏电流减小，m 4 中的漏电流 增大，m 5 、m 7 中的漏电压下降，m 6 、m 8 中的漏