（微电子学与固体电子学专业论文）一种同步降压型dcdc开关电源ic的设计.pdf

摘要 相对于线性电源，开关电源具有体积小、效率高等优点，使其在通讯、计算机 等领域得到广泛应用。近年来，电池供电便携式设各( 如p d a 、手机等) 的需求 越来越大。要求d c d c 转换器具有高转换效率，以提高电池供电时间；并具有良 好大信号特性，以满足c p u 、d s p 和闪存等模块要求。 根据电池供电便携式设备的要求，本论文设计了一款高效率、良好负载特性 的双模式同步降压型开关电源l c 。该i c 集成了除输出低通滤波器的所有控制电路， 提供p w m 和p f m 两种模式供选择。选择p w m 模式，开关电源将工作在c c m 模式下；选择p f m 模式，在负载较高的情况下，开关电源仍然工作于p w m 模式， 只有当负载降低到一定程度时，开关电源才退出p w m 模式，而按照p f m 工作模 式操作，以提高轻负载时低效率的问题，使得开关电源在很宽的负载范围内都具 有高效率。同时，电路设计采用同步整流技术、低功耗电流采样技术降低功耗， 提高转换效率；采用灵活的外部环路补偿技术、误差放大器输出嵌位技术以实现 良好大信号特性；采用分段斜坡补偿技术，消除不稳定因素，并最小程度地减小 过补偿带来的闯题。芯片内设过热保护和欠压保护，以实现电路的可靠性操作。 最后设计电路基于o sumc o m sn 阱工艺，用h s p i c e 仿真，每个模块性能都 满足电路要求。通过整体电路仿真，实现负载电阻在2 欧姆到1 6 0 欧姆间，p w m 模式下最高效率达9 5 ，而p f m 模式下效率基本在9 0 以上。负载由1 2 5 a 变化 到0 2 5 a 有良好的负载跃变特性。 关键词：开关电源，同步整流，脉宽调制，脉频调制 生! 堡竺! a b s t r a c t t h es w i t c hp o w e rp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts i z ea n dh i g he f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ll i n e a rp o w e rw h i c hm a d ei t sw i d e l ya p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d o fc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r , e t c i nr e c e n t l yy e a r , t h e r ei sar a p i di n c r e a s i n gm a r k e t d e m a n d i n gf o rb a t t e r y - p o w e r e dp o r t a b l ee q u i p m e n t s ( s u c ha sp d a s ，m o b i l e s ，e t e ) ， w h i c hr e q u i r e st h ed c - d cc o n v e r t e r 谢t 1 1h i 曲e f f i c i e n c yt ob o o s tt h eb a t t e r ys u p p l y c a p a b i l i t ya n dg o o dl a r g es i g n a lp r o p e r t yt os a t i s f yt h es p e c i a ld e m a n do f t h ec p u ，d s p a n df l a s hm e m o r y t h ep r i n c i p l eo ft h eb u c ks w i t c hp o w e rw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ；m o r e o v t h es u b h a r m o n i ci n s t a b i l i t y , e f f i c i e n c yd e p e n d e n c ea n dl o a dt r a n s i e n tr e s l o o r i s eu n d e r p c mm o d ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ，b a s eo nw h i c h ，w eb u i l das y n c h r o n o u sr e c t i f r i n g s w i t c hp o w e ri cw i t h h i 【g he f f i c i e n c y a n dg o o dl o a dc h a r a c t e r i s t i cf o l l o wt h e r e q u i r e m e r i t so ft h eb a t t e r y - p o w e r e dp o r t a b l ee q u i p m e n t s 灿lc o n t r o lc i r c u i t sa r e i n t e g r a t e di nt h ei ce x c tt h eo u t p u tl o w - p a s sf i l t e r , t w oo p t i o n a lo p e r a t i o nm o d e s ： p 1 ，ma n dp f ma r ea v a i l a b l e t h es w i t c hp o w e rw i l lo p e r a t e8 士c c mc o n d i t i o nw h e n c i r c u i ti ss e tt op w mm o d e 、h e np f mm o d ei ss e l e c t e df o rt h eo p e r a t i o nm o d e t h e s w i t c hp o w e rw i l ls t i l lo p e r a t i o na tp w mc o n d i t i o nw i t ht h eh i 幽l o a d ，t h es y s t e mw i l l c a n c e lt h ep w mm o d ea n de n t e rt h ep f mm o d eo n l yw h e nt h el o a di sd r o pt oac e l t a l n t h r e s h o l dt ob o o s tt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c ya tl i g h tl o a d , m a k et h ei ch a sh i 吐e m c i e n c y w t h i nw i d el o a dr a n g e 1 1 1 es y n c h r o n o u sr e c t i f y i n ga n dl o w p o w e rs a m p l i n gt e c h n o l o g y i su s e dt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，f l e x i b l ee x t e r n a ll o o pc o m p e n s a t i o n ，e l l o r a m p l i f i e ro u t p u tc l a m pa r ea d o p t e df o rb e t t e rs y s t e ml a r g es i g r l a lr e s p o n s e t h e p i e c e w i s es l o p ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yi se m p l o y e dt om i n i m i z et h ec o n s e q u e n c eo f o v e rc o m p e n s a t i o n t h eo r e r h e a tp r o t e c t i o na n du n d e rv o l t a g ep r o t e c t i o nm o d u l e sa l e i n t e g r a t e di nt h e d i et oa l l o wt h er e l i a b l eo p e r a t i o no f t h es y s t e m t h ec i r c u i tw a ss i m u l a t e dv i ah s p i c eb a s e do i lc s m c0 5 u mp r o c e s sw h o s er e s u l t s i n d i c a t e st h ea l lm o d u l e sh a v em e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dt h ee f f i c i e n c yc a ng ou pt o 9 5 u n d e rp w mm o d ea n ds t a ya b o v e9 0 u n d e rp f mm o d ew h e nt h el o a dr e s i s t a n c e i sw i t h i nr a n g eo f2 0 m e t h es y s t e ma l s oe x h i b i t e dag o o dl o a dt r a n s i e n tr e s p o n s e p e r f o r m a n c ew h e nl o a ds t e pf r o m1 2 5 at oo 2 5 a k e y w o r d ：s w i t c hp o w e rs u p p l y , s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r , p w m ，p f m l l 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：盔，堡! 圭日期：砂。石年弓月日 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：董，垡! 窿导师签名： 日期：。z 年；月日 第一章绪论 第一章绪论 电源是一切电子设备的动力心脏【1 1 ，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全 性和可靠性指标。它分为线性电源和开关电源两种，开关电源又分为a c a c 电源、 d c - d c 电源、a c - d c 电源、d c - a c 电源。开关电源以其效率高、体积小等优点， 在通信、计算机及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需 求巨大，d c d c 开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高 2 1 1 3 1 1 4 1 ，而d c - d c 开关电源的设计也更具挑战性。 1 1 开关电源的发展 1 1 1 开关电源的发展 稳压电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期【5 】： 1 ) 电子管稳压电源时期( 1 9 5 0 年代) 。此时期主要为电子管直流电源和磁饱 和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。 2 ) 晶体管稳压电源时期( 1 9 6 0 1 9 7 0 年代中期) 。随着晶体管技术的的发展， 晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。 3 ) 低性能稳压电源时期( 1 9 7 0 年代1 9 8 0 年代末期) 。出现了晶体管自激式 开关稳压电源，工作频率在2 0 k h z 以下，工作效率6 0 左右。随后压控功率器件 的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取 代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率m o s f e t 的出现，构成了高频电 力电子技术，其开关频率可达1 0 0 k h z 以上，并且可并联大电流输出。 4 ) 高性能的开关稳压电源时期( 1 9 9 0 年代一至今) 。随着新型功率器件和脉宽 调制( p w m ) 电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现 了小体积、高效率、高可靠性的混合集成d c d c 电源。 由于开关电源功耗小、效率高( 可高达7 0 , - - 9 5 ) 、体积小、重量轻、稳压 范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低( 一般 低于5 0 ) ，并且电压转换形式单一( 只有降压) 等缺点，如今开关电源已逐渐取 代线性电源1 6 。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电予测量仪器、 第一章鳍论 第一章绪论 电源是一切电子设备的动力心脏1 1 i ，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全 性和可靠性指标。它分为线性电源和开关电源两种，开关电源又分为a c - a c 电源、 d c d c 电源、a c d c 电源、d c - a c 电源。开关电源以其效率商、体积小等优点， 在通信、计算机及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需 求巨大i d c - d c 开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高 2 1 a 1 1 4 1 ，而d c ：- d e 开关电源的设计也更具挑战性。 1 1 开关电源的发展 1 1 1 开关电源的发展 稳压电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期1 5 1 ： 1 ) 电子管稳压电源时期( t 9 5 0 年代) 。此时期主要为电子管赢流电源和磁饱 和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。 2 ) 晶体管稳压电源时期( 1 9 6 0 1 9 7 0 年代中期) 。随着晶体管技术的的发展。 晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。 3 ) 低性能稳压电源时期( 1 9 7 0 年代1 9 8 0 年代末期) 。出现了晶体管自激式 开关稳压电源，工作频率在2 0 k h z 以下，工作效率6 0 左右。随后压控功率器件 的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化r 可取 代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率m o s f e t 的出现，构成了高频电 力电子技术，其开关频率可达1 0 0 k h z 以上，并且可并联大电流输出a 4 ) 高性能的开关稳压电源时期( 1 9 9 0 年代至今) 。随着新型功率器件和脉宽 调制( p w m ) 电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现 了小体积、高效率、高可靠性的混合集成d c - d c 电源。 由于开关电源功耗小、效率高( 可高达7 0 - 一9 5 ) 、体积小、重量轻、稳压 范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低( 一般 低于5 0 ) ，并且电压转换形式单一( 只有降压) 等缺点，如今开关电源已逐渐取 代线性电源【6 】。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、 代线性电源问。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、 电子科技大学硕士学位论文 a d d a 和取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。 近年来，集成开关电源的沿着两个方向不断发展： 1 ) 对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研制 成功脉冲宽度调制( p w m ) 控制器集成电路。美国摩托罗拉公司、硅通用公司 ( s i l i c o ng e n e r a l ) 、尤尼特德公司( u n i t r o d e ) 等相继推出一批p w m 芯片，典型 产品有m c 3 5 2 0 、m c 3 8 4 2 、s g 3 5 2 4 。2 0 0 5 年凌特公司推出频率高达4 m h z 的 d c d c 控制器l t c 3 4 1 7 效率高达9 5 。 2 ) 对中、小功率开关电源实现单片集成化。 此方向大致分两个阶段：8 0 年代初，意法半导体有限公司( s g s t h o l l l s o n ) 率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器。该公司于9 0 年代又推出了l 4 9 7 0 a 系列。 其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片。 1 9 9 4 年，美国动力( p o w e r ) 公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调 制型单片开关电源，被人们称誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为t o p s w i t c h 系列，第二代产品则是1 9 9 7 年问世的t o p s w i t c h i i 系列。1 9 9 8 年又推出了高效、 小功率、低价格的四端单片开关电源t i n y s w i t c h 系列。在这之后，m o t o r o l a 公司 于1 9 9 9 年又推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。 目前，手机、数码相机、m p 3 播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量 的逐年增大，带动适合于电池供电电源管理芯片的发展。在国外凌特( l i n e a r t e e h ) 、 t i 、i n t e r s i l 等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式设备的电源管理 芯片，如凌特公司的同步降压型稳压器l t c 3 4 1 2 a ，工作频率高达4 m h z ，效率高 达9 5 ，在输出电压低至0 8 v 时，输出电流高达3 a 。i n t e r s l l 公司的i s l 8 8 5 5 0 a 驱动两个外部n 通道m o s f e t s ，从2 v 到2 5 v 的输入中产生低至0 7 v 的输出电 压，输出电流高达2 0 a ，效率高达9 5 。 我国开关电源起源于1 9 7 0 年代末期，到1 9 8 0 年代中期，开关电源产品开始推 广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为2 0 k h z 以下的p w m 技术，其效率 只能达到6 0 7 0 。经过2 0 多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源 的高频化奠定了基础，功率m o s f e t 和i g b t 的应用使中小功率开关电源工作频 率高达到4 0 0k h z ( a c d c ) 和1 m h z ( d c d c ) 。软开关技术的出现，真正实现了开 关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效 率。目前。采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到9 3 。但是，目前我国 的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。 第一章绪论 1 1 2 开关电源的发展趋势 5 】【7 】 1 ) 小型化、轻量化和高频化。 开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元件和电容) 决定，因此，开关电 源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提 高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电 源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2 ) 高效率和高可靠。 开关电源使用的元器件大大少于线性工作电源，因此提高了可靠性。电容、光 电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采 用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、 散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。 3 ) 低噪声和良好的动态响应。 开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采用部 分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。 4 1 低电压、大电流、高功率。 低电压、大电流、高功率变换技术，已从3 t 3v 降至1 0v ，电流已达几十至 几百安培。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过冲以 及动态特性等，也得到进一步提高。它的研究陡容非常广泛，包括电路拓扑结构、 动态问题( 尤其是负载的大信号动态问题) 、同步整流技术、控制技术以及其它相关 技术的研究。诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。从 目前至今后一段时间内，它都是电力电子界的热点。 1 2 论文工作的意义及工作简介 目前，各种电池供电便携式电子产品，需求量迅速增长，据s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ( s i a ) 发布的报告预测，认为2 0 0 6 年度成长较为迅速的主要最 终市场有i s ：( 1 ) p c ，出货量将成长1 0 ；( 2 ) 手机，成长1 3 ；( 3 ) 数位相机，成长 9 ；( 4 1 数字电视，成长5 2 ；( 5 ) m p 3 随身听，成长5 2 。这些产品的增长对于 电源管理芯片，特别是d c - d c 变换器的需求将进一步扩大。同时d c - d c 变换器 自身的性能和功能也需要跟进终端产品的要求：效率需要进一步提高，使能源有 电子科技大学硕士学位论文 效利用：需要有良好的动态特性，以满足c p u 、d s p 等的高要求。然而，目前国 内这方面的电源管理芯片大多依赖进口，如t i 、m a x i m 、凌特等公司的电源管理 芯片。所以，从事应用于便携式电子的d c d c 变换芯片的设计与开发，促进我 国开关电源事业的发展，具有重要的现实意义。 论文主要从大信号特性、稳定性、电压和负载调整率及效率等方面，对同步 降压p c m 开关电源作了分析，并设计了一款同步降压型d c d c 变换器，该变换 器采用p w m 峰值电流控制模式和p f m 调制两种方式。该降压型变换器适合于便 携式设备、板载电源。其特点如下： 输入电压范围：2 6 2 5 5 5 v 输出范围可编程：o 8 5 v 可选择p f m 模式和p w m 模式 效率高达9 5 良好负载特性 开关电流达1 5 a 内设过热保护、欠压保护 电路设计仿真基于0 5pm c o m sn 阱工艺。 论文结构为：第二章以b u c k 电路为基础介绍了开关电源的基本知识；第三 章着重分析了同步降压型p c m 开关电源，对其大信号特性、稳定性、电压负载调 整率及效率等性能作了分析；第四章完成了控制电路中各子模块的设计。第五章 对整体电路进行了仿真，并得到了较好的性能。 茎三童堑茎皇塑薹壁 第二章开关电源基础 开关电源电路指通过电感、变压器( 一般应用于隔离开关电源) 及电容等储 能元件，以离散的形式将能量传送出去。开关电源输出通过反馈控制电路调节， 以使输出稳定。开关电源电路的基本拓扑为降压( b u c k ，如图2 1 ( a ) ) 、升压( b o o s t ， 如图2 1 ( b ) ) 、反向( 如图2 1 ( c ) ) ，以这三种基本拓扑为基础 9 】，可以搭建多达 1 0 几种拓扑。 s 图2 1 开关电源基本拓扑c a ) b u c k ；( b ) b o o s t ；( c ) 反向 2 1 降压型开关电源工作原理 如图2 2 为降压型开关电源的原理图。n m o s 作为开关器件，n m o s 开启与 关闭受c o n t r o l 信号控制，其周期为n 占空比为d 。二极管d 在n m o s 关闭时， 对电感电流起到续流作用，电容c 和电感l 组成低通滤波器，使输出叩为一主 要为直流分量的稳定电压，r l 为可代表任意数字电路或模拟电路作为负载。降压 型开关电源产生输出v o u r d 于等于输入电压p h 。 图2 2 b u c k 变换原理图 一皇王型垫查堂堡圭堂垡造皇 在开关管s 开启时，若忽略s 上的压降，流过电感l 的电流为五，并且会里 上升趋势，有如下关系： 上粤：一v o w。 a t ( 2 1 1 ) 其中p 知，v o v r 认为是稳定常羹，由( 2 1 1 ) 式，可得下式： 三( l 一厶) = ( p i v o 汀) t o 为t = o 时电感中的初始电流。 当开关s 关闭时，电感电流丘将通过二极管d 续流， 略二极管的导通压降，则有如下关系： 堕：一鳖 研三 ( 2 - 1 2 ) 此时，丘将减小，若忽 ( 2 1 3 ) 电感l 中的电流i l ，在开关s 开启时上升，而在s 关闭时下降。若在这样一 个周期r 中，五下降到零，并在之后一直保持为零，则开关电源工作在非连续电流 模式( d c m ) ，否则工作在连续电流模式下( c c m ) 。 2 。1 。1c c m 开关电源工作在c c m 下时，一个周期内，开关s 开启时间为d t , 由( 2 1 - 2 ) 式可知，屯的上升量为 ( p 知- 曲+ d 刀尼；开关s 关闭时间为( 1 - d ) n ( 2 1 3 ) 可 知h 下降量为【u t 弋p d ) t v l 。在稳态状态下，i l 在每个周期的末尾和开始必须 相等，因此 ( 1 - d ) t v o v r ：! 强= 堡鳗! 丝 工 ( 2 1 4 ) 于是占空比d 与p ，w 的关系如下： d ：k ( 2 1 5 ) 图2 3 显示了c c m 下，降压型开关电源的主要波形。负载电流岛的关系可按 6 塑三里茎差皇塑薹壁! ! 每个周期t t ，无向负载传送的电荷与岛在同时间下得到的电荷相等得到。 2 1 2d c m 己 b 图2 3c c m 下各电流波形图 在电感足够小或者输出电流岛低于一定值时，开关电源可能进入d c m 状态。 开关电源工作在d c m 时，初始电流而= o ，在开关s 开启后电感电流可上升到的最 大值m ，可由( 2 1 2 ) 式得到： i m ：v 肼- ? v o u r d t l ( 2 - l 一6 ) 在开关s 关闭，电感电流下降为零，所需的时间为t o ， r o2 急2 警钟( 2 - 1 - 7 ) 图2 4 为d c m 下，各元件通过电流波形图。电感l 向电容c 传递的电荷q ， 可根据在一个周期下对电感电流积分得到，即就是图2 4 电感电流矗三角波形下的 面积。由此d c m 下的输出电流而表示如下： 厶：旦：( d t + t o ) l u ( 2 - 1 - 8 ) 。t2 t 根据( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 和( 2 - 1 8 ) ，并整理可得： 7 皇王型垫奎兰堡圭堂堡篁茎 w 2 1 + ( 2 l i o ) 址( d 2 t v m ) ( 2 - 1 - 9 ) 若在给定电感l 、r o u t 、矿虱地情况下，且t o = ( 一d ) t 时，可计算发生d c m 的 临界输出电流k 为， k = 訾一手 味。， 由( 2 1 - 9 ) 式知，电感越小，p 知越大，越容易进入d c m 状态。 2 1 3 同步整流 图2 4d c m 下各电流波形图 图2 2 所示的开关电源中，二极管d 是功耗的原因之一，其功耗可简单表示 为流过其电流值与导通电压之乘积。该功耗很大程度上减小了开关电源的转换效 率。为了减少功耗，大多数d e d c 转换器使用低导通电压肖特基二极管。尽管如 此，最有效的方式是运用个开关代替二极管，该开关通常用n m o s 功率管代替， 即所谓同步整流( s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ) 【9 】1 1 0 1 1 1 ”，如图2 5 所示。 图2 5 用同步整流开关s y n s w i t c h 代替二极管d ，s y n s w i t c h 开启则 m a i n s w i t c h 关闭，s y n s w i t c h 关闭则m a i n s w i t c h 开启，由于 m a i n s w i t c h 和s y n s w i t c h 通常采用同一控制信号，易出现同时导通现象， 因而其驱动d r i v e r 往往要精心设计，以防止这现象造成的功耗。 墨三兰堑差皇塑苎型 2 2 控制技术 图2 5 同步整流降压开关电源拓扑 为将开关电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出调整。开关电源控 制技术按调制方式可分为：脉频调制( p f m ) 和脉宽调制( p w m ) 。各种调制方式 都有其优缺点，可根据实际需要选择。 2 2 1 脉频调制( p f m ) 经典p l m 【9 l 也口q 跨脉冲调制( p s m ，以开关管控制信号，略过一部分时钟 周期而得名) 。经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下固定时钟被定 为5 0 占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时， 固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时， 开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。 = 图2 6 经典p f m 方式 图2 - 6 为一种经典p f m 调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器 c o m 输入端与v r e f 比较，当低于v r e f 时，c l k 将通过r s 触发器直接控制开 关管，当高于v r e f 时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的方式，能 量由v i n 传递到v o u t 。 9 电子科技大学硕士学位论文 经典p f m 模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大。 电流限制脉频调制【9 l 不同于p f m 调制，此调制方式运用峰值电感电流限制 和一个最小关闭或最大开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值， 开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间( 最小关闭 时间) ，电感电流开始下降、当该段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比 较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。 由于电流限制脉频调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经 典p f m 小，但噪声频谱仍然随负载变化。图2 7 为最小关闭时间电流限制脉频调 制的原理图。 图2 7 最小关闭时间电流限制脉频调制原理图【9 】 2 2 2 脉宽调制( p w m ) 脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比d 实现对输出 电压的调整。p w m 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定 噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压a 因此p w m 技 术普遍应用于通信技术中。p w m 调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模式 和电流模式。 电压模式控制电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式。图2 8 所 示为p w m 电压模式的原理图。如图示，输出电压通过电阻分压与基准电玉v r e f r o 第二章开关电源基础 比较，其差值通过e r r o r a m p 放大为v e ，并作为p w m 比较器p w m _ c o m 的输入 端，p w m _ c o m 另一端则是由时钟产生的斜升电压。p w m _ c o m 输出v s 控制开关 管，在一个周期内，v e 越大，占空比越大，则开关管开启时间越长；v e 越小，占 空比越小，则开关管开启时间越短。 圳叫。产莎母忱 帽广 厂 厂 图2 8 p w m 电压模式控制 电压模式控制具有以下优点【l2 】：( 1 ) 单环控制，设计简单；( 2 ) 较大的斜升 坡幅度将提供良好噪声裕度；( 3 ) 低输出阻抗有利于多输出。同时具有以下缺点： ( 1 ) 响应慢；( 2 ) 补偿复杂。 电流模式控制针对于电压模式的缺点，电流模式控制发展起来，电流模式 控制可分为峰值电流模式控制( pcm ) ，和以其为基础发展起来的平均电流模式， 通常情况下所指电流模式为峰值电流模式控制。图2 9 所示为p w m 峰值电流模式 控制原理图，这里p w mc o m 的输入端由电压模式控制中的斜升电压，换成对开 关管电流采样值所转换成的电压，因而电流模式控制是双环控制，其中电压环为 外环，电流控制为内环。 。岫一耋了西7 丌 鬯广 广 厂 图2 9p w m 峰值电流模式控制 电子科技丈学硕士学位论文 图2 9 所示电流模式控制具有如下优点c 1 2 j ：( 1 ) 由于输入前馈，有较好的开环 线形调整；( 2 ) 单极点系统，具有良好的小信号稳定性能，较好补偿；( 3 ) 优异的动 态特性。缺点如下：( 1 ) 当占空比高于0 5 时出现次谐波不稳定状况，需要有斜坡 补偿；( 2 ) 噪声抑制差；( 3 ) 负载调整差；( 4 ) 峰值电流与平均电流有很大的误 差。针对于峰值电流模式的缺点，平均电流模式可以很好的予以抒毫酽。 第三章同步降压型pcm 开关电源分析 第三章同步降压型p c m 开关电源分析 p w m 电流模式控制开关电源，由于其对电压模式的优点1 1 2 1 ，得到广泛应用， 而同步整流开关对于二极管的高效率，使得现在同步整流技术得到广泛应用。如 图3 1 显示了带斜坡补偿的同步降压型峰值p w m 电流模式开关电源的结构。该结 构中斜坡补偿电流与采样电流以求和的形式叠加后与误差比较器的输出il e v e l 比较，以实现开关控制信号的占空比控制。d r i v e r 作为驱动级，并且保证主开 关m a i n s w i t c h 与同步开关s y n s w i t c h 不会同时开启。 图3 1 带斜坡补偿的同步降压p w m 电流模式结构 3 1 开环不稳定性分析 图2 9 所示的峰值电流控制中，在占空比高于0 5 时，不考虑反馈的情况下， 存在无条件的不稳定性【1 4 1 。为抑制该不稳定性，需要斜坡补偿，如图3 1 所示的结 构，图中所示斜坡电流叠加于采样开关电流。下面将就开环不稳定性以分析。 如图3 2 ( a ) 、图3 2 ( b ) 所示，l o 为没有扰动的电感电流采样初始值，ai 0 为上 升处的电流扰动量，a i l 为下降处的扰动量。a d 为占空比扰动量，m l 为电感电 流上升斜率，m 2 为电感电流下降斜率，则有如下关系： a i 0 2 m l a d t f 3 1 1 、 a i l2 一m 2 a d t ( 3 1 。2 1 一皇量型垫查兰堡圭堂堡垒奎 由( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 式可得： 在降压型开关电源中， a i l ：一堕f 0 啊 ( 3 1 3 ) = 气竽 m ：竽 ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 由( 2 1 5 ) 、( 3 - 1 3 ) 、( 3 - 1 4 ) 、( 3 - 1 5 ) 式，并整理可得： i l ：旦茁o 1 - d ( 3 1 6 ) ( 3 l 一6 ) 式显示当d 小于0 5 时，电流扰动量收敛，系统稳定，如图3 2 ( a ) ： d 大于o 5 时，电流星发散趋势，如图3 2 ( b ) ，因而会导致系统的不稳定性。 甜叫 出0 图3 2 电感电流扰动比较波形图( a ) d o 5 加入斜坡补偿可以消除该不稳定因素。斜坡补偿如图3 _ 3 ( a ) 和3 3 ( b ) 所 示，朋。为斜坡补偿斜率。3 3 ( a ) 为在误差比较器输出v e 上叠加负斜率斜坡； 而3 3 ( b ) 以一正斜率斜坡叠加在电感电流的上升斜坡上。两种叠加方式等效， 但在实际电路中更多采用图3 _ 3 ( b ) 的方式。 根据图3 3 ( a ) 可得到如下关系式： a i 0 一m 1 a d t = m a d t = 一a i l + m 2 a d t ( 3 1 7 ) 整理得 第三章同步降压型pcm 开关电源分析 a i l ：m c - m 2a i 0 坍i + 豫 为使电感电流呈收敛趋势，需使( 珊2 m 。) ( m i + m j l 2 1 m ：f ( 3 1 8 ) 即占空比为 ( 3 - 1 9 ) 对于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减越快，但补偿斜率过大，会造成过补偿。 过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的影响，从而降低系统的带载能力； 另一方面，过补偿会影响系统瞬态响应特性1 1 5 】。通常选择斜坡补偿斜率需根据需要 折中考虑。 “一y - 2 匠 图3 3 ( a ) 负斜率斜坡补偿波形图；( b ) 正斜率斜坡补偿波形图 3 2 次谐波振荡分析 内部电流环的增益峰值，是电流模式控制的显著问题，该峰值发生在1 2 开关 频率处，并且由于内部调制器的相移，将导致电压反馈环路在1 2 开关频率处发生 振荡，这就是著名的次谐波振荡【1 4 1 。下面通过对电流环传递函数对电流模式控制 的不稳定性分析。 图3 4 ( a ) 所示为采样电感电流i ，通过采样电阻r s 量化，其中实线表示稳 态条件下的波形，虚线为扰动后的波形，f 为k 时钟下的扰动量，v e ( k + d 为斛1 时刻的控制扰动量。图3 4 ( b ) 为在稳态条件下电感电流的精确瞬态扰动：国3 4 ( c ) 为采样保持系统下的近似波形。根据近似，可以得到采样保持的离散时间函 数【1 6 】： 1 f ( 忌+ 1 ) = 一a j ( k ) + 一( 1 + a ) a v , ( k + 1 ) ( 3 - 2 - 1 ) 一 皇至登垫查堂堡主堂垡笙塞 其中，a = ( 肌2 一) ( 聊l + 历c ) 。对( 3 2 1 ) 进行z 变换得到： 肌)=而rsi(z)=潞(3-2-2)av,(z )( z + a ) 由( 3 2 - 2 ) 式，可知当没有斜坡补偿，且m 1 l ，电流环将会不稳 定，因为有一个极点在单位圆之外。将h ( z ) 转化为s - 域传递函数如下： 脚器= 幽篇( 3 - 2 - 3 ) s t 、7 0 ) e ”+ a 其中t 为开关周期，而r = - l 饥。，7 可用p a d 6 进行二阶近似【1 8 1 ，则 将式( 3 2 4 ) 代入式( 3 - 2 。3 ) 可得： h f 曲：r s i ( s ) ： a v , ( s ) ( 3 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) 其中龟皆2 u ( 2 a 1 ) 】，a = ( m 2 + m 1 ) ( 珊l + m 。) 。式( 3 2 5 ) 即就是电流环传递函数， 为典型的二阶传递函数。幺小于0 ，该传递函数将在右平面产生两个极点，将导 致电流环路不稳定，从而整个开关电源系统都处于不稳定状态，将在c o j 2 处发生 振荡，即次谐波振荡【1 7 l 嘲。应选取适当的肌。以使得办大于0 。 ( c ) 图3 4 ( a ) 电流模式电流波形；( b ) 稳态电流波形精确扰动；( c ) 等效的一阶采样保持系统波 形 1 6 | 1 6 表i h 鬲 矗萌 ，一枷一。一撕 三 第三章同步降压型pcm 开关电源分析 3 3 效率分析 当今社会，能量的节省，已成为一大热点。减少电压转换的功耗，提高转换 效率已成为一大难题。特别是电池供电设备的发展，需要有高效率电压转换器， 以提高电池的持续时间，延长电池寿命【1 9 】。 开关电源的效率表示为： 叩2 等慨= 等- 一等眠( 3 - 3 - 1 ) j i v w y w 其中p d 盯为输出功率，p i s 为输入功率，i v m 为供电电源所流过的电流，丘御d 为负载电流，哳为供电电源电压，沂为输出电压，p l o s s 为功率损失。其中p l o s s 主要包含以下几个方面1 4 1 ： ( 1 ) 负载相关的导通损失。由开关管的导通电阻，二极管的导通压降，电感 等效电阻及电容的等效串联电阻等引起。 ( 2 ) 频率相关的损失。由晶体管和二极管寄生电容充放电，开关驱动损失， 电感磁芯等决定，频率越大损失将越大。 ( 3 ) 固有的损失。主要是必要的静态电流，晶体管及二极管的漏电流引起。 图3 5 所示在p w m 和p f m 调制下各部分能量损失随负载变化的情况。在重 负载的情况下，p w m 调制模式下，导通损失与频率损失占主要。2 0 中曲线报告 显示导通损耗占总损失的6 0 ，频率损失约为1 0 ，但由于重负载中输出功率较 大，能量损失所占比例小；而在轻负载中频率损失达到6 0 ，而轻负载输出功率 小，能量损失所占比例大，因而往往造成p w m 模式下轻负载转换效率低。而p f m 则可在轻负载时将频率降低，从而减小频率损失。 本节将就同步降压p c m 模式开关电源工作于c c m 模式的效率以分析。 兰鉴蜘一 三竺l l 图3 5 ( a ) p w m 调制下的能量损失：( b ) p f m 调制下的能量损失【4 】 皇! 型垫查兰堡主堂垡堡兰 3 3 1 导通损耗 图3 1 所示的同步降压p w m 电流模式开关电源导通损耗的模型可表示如图 3 6 所示， r o n s 胛为其导通电阻，且) 腮睨为其导通电阻，其中s w l 为其中的 m a i n s w i t c h ，s w 2 为其中的s y n s w i t c h ，r e s l 为电感