（微电子学与固体电子学专业论文）一种电流模式控制pwm开关电源的设计.pdf

摘要 摘要 随着电源技术不断向高频化、集成化发展，高频开关电源更是电源技术领域 的新课题，因此新型的开关电源控制芯片也就成为研究的重点。与电压控制模式 相比，电流控制模式采用双环控制系统，因而由电流控制模式芯片组成的开关电 源系统的电压调整率、瞬态响应速度和稳定性都有很大的提高，所以得到了越来 越广泛的应用。 本文对电流模式p w m 控制电路进行了详细地分析与设计。首先对d c d c 转换 器的基本结构进行了全面介绍，详尽地分析了降压型d c d c 转换器的基本工作原 理以及关键技术，介绍了降压型电流控制模式的p w m 开关电源的主要拓扑结构， 引入了误差放大器的频率补偿的方法，并着重分析了双零点、双极点的补偿电路。 根据p w m 开关电源的原理和特点，合理地设计了各个子电路，其中包括：带 隙基准源、误差放大器、振荡器、p w m 比较器、p w m 脉冲调整器、输出级电路、 过流保护电路和低压比较器等。根据每个子电路的特殊需求，详细地分析了它们 的功能如何实现。 关键词：开关电源d c d cp w m电流型模式b i c m o s 工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gt oh i g hf r e q u e n c ya n dh i 曲 i n t e g r a t i o n ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb e c a m eah o t s p o ti nt h ef i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s t h en e wt y p e so fp w mc o n t r o l l e ra r et h em o s ti m p o r t a n t t h e r ea r et w oc i r c l e c o n t r o l l i n gs y s t e m si np w mc o n t r o l l e r t oc o m p a r e dw i t hv o l t a g em o d ep w m c o n t r o l l e r , c u r r e n tm o d ec o n t r o l l i n gm o d ei m p r o v et h es y s t e mo fl i n er e g u l a t i o na n d l o a dr e g u l a t i o n ，h e i g h t e nt h et r a n s i e n tr e s p o n d i n gv e l o c i t ya n ds t r e n g t ht h es y s t e m s t a b i l i t y t h e s ea d v a n t a g e sm a k et h ec u r r e n tm o d ep w m c o n t r o l l e ru s e dm o r ew i d e l y t h ec u r r e n tm o d ep w mc o n t r o l l e rh a sb e e na n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i l si n t h i st h e s i s f i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fc u r r e n tm o d ep w m c o n t r o l l e r ，d e s i g n e dt h ew h o l eb l o c kd i a g r a ma c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e s e v e r ys u b c i r c u i ti sd e s i g n e dr e a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro f p w ms w i t c h i n gc o n v e r t e r , s u c ha s ：b a n d g a p ，e r r o ra m p l i f i e r ( e a ) ，o s c i l l a t o r , p w m c o m p a r a t o r , p w mm o d u l a t o r , o u t p u ts t a g e i ti sa n a l y z e di nd e t a i lt h a th o wt or e a l i z e e v e r ys u b c i r c u i t s f u n c t i o n sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d s k e y w o r d ：b u c k d c d cp w mc u r r e n tm o d eb i c m o sp r o c e s s 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：缉日期塞丝：型：型 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。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：垡丝盛本人签名：l 圭童蜱 导师躲姓导师签名：雀巡毫： 日期建丝：丛垡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源概述 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向 发展。电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优 质电能的供电设备。电源是一切电子设备的动力心脏【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，它可分为线性电源和开关电源两种。其中，开 关电源分为a c a c 电源、d c d c 电源、a c d c 电源和d c a c 电源。d c d c 变 换器现已实现模块化，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。 开关电源s p s ( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 被誉为高效节能电源，它代表着稳压 电源的发展方向，已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在 高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达8 0 9 0 ，比普通线性稳压 电源效率提高近一倍，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 】，而d c d c 开关电源的设计也更具挑战性。 开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅 能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究 与开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础【3 】。 1 2 开关电源的发展 电源产品的应用十分广泛。据统计，2 0 0 5 年，全球开关电源的市场规模达3 4 0 亿美元。模块电源作为开关电源的一个分支，在通信、汽车、电力控制以及军事 等领域中占有重要的地位。据统计，模块电源的全球市场规模己由1 9 9 9 年的3 0 亿美元增加到2 0 0 4 年的5 0 亿美元。在国内，由于在信息、家电领域，特别是在 电信领域的迅猛发展，推动了电源市场的发展【4 】。目前，在我国通信、信息、家用 电器等领域，普遍采用了开关电源。其中，通信d c d c 电源是增长速度最快的一 部分。程控交换机市场经过几年的发展之后趋于平稳，移动通信已成为发展热点。 预计中国开关电源市场总额在7 0 亿元人民币以上，单片开关电源所占的比例将会 越来大。 2 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 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( 1 9 5 0 年代) ：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、耗能高、效率低； ( 2 ) 晶体管稳压电源( 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( 1 9 7 0 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( 1 9 9 0 至今) ：随着新型功率器件和脉宽调制 ( 删) 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； 由于开关电源功耗低、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、a d d a 和取 样保持电路中，线性电源仍然无法被开关电源取代。 单片开关电源的主要应用领域有： 1 ) 通用开关电源：各种通用开关电源、开关电源模块、精密开关电源模块和 智能化开关电源模块等； 2 ) 专用开关电源：微机电源、u s b 接口电源、彩电、录像机等家用待机电源、 手机电池充电器、调制解调器电源、电子仪器仪表电源等； 3 ) 特种开关电源：恒压恒流型开关电源、恒功率输出型开关电源等。 1 3 开关电源的发展趋势 开关电源技术的发展是一个系统工程。主要技术平台包括电路拓扑结构、标 准i c 及器件、传统及成熟设计技术、e m c 及国际安全标准、c a d c a t 计算机仿 真及制造平台、自动在线测试及功能测试，制作工艺等一系列技术的规范化、量 产化。其中，先进的制作工艺和质量控制技术平台是最重要的部分。一整套全面 质量控制技术包括从自动排料、自动插件至总装制作工艺、表面装贴与插接件组 合焊接工艺、在线测试、功能测试及老化性能测试等，属于系统工程。 近年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展： ( 1 ) 对开关电源的核心单元即控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研制成 第一章绪论 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、s i l i c o ng e n e r a l 公司、u n i t r o d e 公司等相继推出一批p w m 芯片，典型产品有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 m s o n ) 率先推出i a 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l i n e a r t e c 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。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 0 k h z ( a c d c ) 矛i1 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。 开关电源将沿发展以下几个方面将是的特点【7 j ： ( 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 ) 高效率和高可靠性 开关电源使用的元器件大大少于线性工作电源，因此提高了其可靠性。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 4 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 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 ) 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 3 v 降至1 0 v ，电流己达几十至几 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。它的研究内容非常广泛，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都是电力电子界的热点。 现在的电子消费市场上，像手机、个人数字助理( p d a ) 和掌上电脑等这种 由电池供电的便携式电子系统的需求量越来越大。作为便携式电子设备，电池的 使用寿命是最受关注的性能之一。但是一方面，电子设备的功能越来越复杂，芯 片的集成度越来越高，这就使得电子系统的功耗越来越大。而另一方面，电池的 发展速度缓慢，很难找到高容量同时又质量轻的电池。因此为了延长电池的使用 寿命，使用低功耗、高效率的开关电源管理芯片逐渐成为种趋势。 基于c m o s 工艺的开关电源芯片具有静态电流小、集成度高同时速度快的特 点，已有多家国外的公司设计了基于c m o s 工艺的p w m 开关电源芯片。比如凌 特公司( l t ) 推出了同步降压型开关电源l t c 3 4 0 6 ，它可以最大达到9 6 的效率， 在正常工作状态下只消耗2 0 衅的静态电流，开关频率在1 5 m h z 并且在芯片内部 集成了同步管以保证高效率。此类芯片在围外还有很多，例如t i 公司的t p s 5 4 3 1 4 、 m a x i m 公司的m a x 8 5 8 1 和a n a l o gd e v i c e s 公司的a d p l 6 1 0 等。但是在中 国，本土设计的开关电源管理芯片很少，很多公司都在探索阶段并没有可以推向 市场的成熟的技术产品。 1 4 本论文的主要工作 1 4 1 本论文的设计目标 本文所设计的是一个d c d c 变换型电流控制开关电源集成电路，对此集成电 路的设计目标如下： ( 1 ) 正常工作的电压为2 5 5 v ； ( 2 ) 采用降压d c d c 拓扑结构； ( 3 ) 正常工作的温度范围：最低为0 。c ，允许工作的最高温度是1 1 0 。c ； ( 4 ) 采用脉冲宽度调制即p w m 控制方式； ( 5 ) 开关频率设计为3 m h z ，允许范围为2 7 5 m h z 3 2 5 m h z ； 第一章绪论 ( 6 ) 信号输出的最大占空比是9 0 ； ( 7 ) 具有过热保护电路，过流保护电路； ( 8 ) 高输出效率，最高可达8 5 ； 选择电流控制模式为所设计的p w m 开关电源芯片的反馈模式。因为电流控制 模式是在电压模式改进的基础上发展的一种控制方法，技术成熟，原理简单易懂。 能使更多的精力集中在集成技术和电路实现方法上，而不是拓扑结构上的研究。 利用c a d e n c e 的集成电路设计软件和h s p i c e 仿真工具设计电路并且得到仿真结果。 1 4 2 本论文的开发环境 ( 1 ) 在硬件方面：两台分别在u n i x 和w i n d o w s 环境下工作的p c 机； ( 2 ) 在软件方面：开发工具是u n i x 环境下运行的c a d e n c ee d a 工具；电路设 计工具是c a d e n c ee d a 软件中c o m p o s e r 软件包；仿真工具是h s p i c e ，在本论文中 出现的所有仿真图均为h s p i c e 仿真波形； ( 3 ) 在工艺方面：采用了b i c m o s 工艺。 1 4 3 本文所做的工作 第一章：介绍了开关电源i c 的发展进程，应用市场及发展趋势，并分析了此 类i c 在目前市场上的应用前景。 第二章：简要介绍了几种常用d c d c 变压方式，着重阐述b u c k 拓扑结构及 开关电源的控制工作原理。 第三章：分析了电路的相关损耗及其大信号特性，并着重分析了负载跃变的 情况，以及讨论了提高负载跃变特性的方法； 第四章：主要说明电路工作原理和仿真情况。首先对电路的总体结构设计进 行介绍，然后对其中部分电路进行详细分析并给出电路模拟仿真结果。 第五章：总结了该电路的设计工作。 第二章开关电源基础 7 第二章开关电源基础 开关电源是指通过电感、变压器( 一般应用于隔离开关电源) 及电容等开关 电源是指通过电感、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。如图2 1 所示，开关电源电路的基本拓扑为降压( b u c k ) 、升压( b o o s t ) 、反 向，以这三种基本拓扑为基础，就可以搭建多达十几种拓扑。 s 天。 v i n v o u t + + 图2 1 开关电源基本拓j ：l ( a ) b u c k ；( b ) b o o s t ；( c ) 反向 按照p w m 的反馈模式划分，p w m 开关电源大体上可以分为5 种类型【8 】：电 压模式控制p w m 、峰值电流模式控制p w m 、平均电流模式控制p w m 、滞环电流 模式控制p w m 和相加模式控制p w m 。现在市场上比较成熟的可以集成到芯片中 的模式多数为前两种。电压控制模式的优点是：( 1 ) 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；( 2 ) 占空比调节不受限制；( 3 ) 单一反馈电 压闭环设计、调试比较容易；( 4 ) 对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点是： ( 1 ) 对输入电压的变化动态响应较慢；( 2 ) 频率补偿网络设计复杂。峰值电流控 制模式的优点是：( 1 ) 对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态反应快；( 2 ) 控制环易于设计；( 3 ) 瞬时峰值电流限制功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能。 缺点是：( 1 ) 占空比大于5 0 的开环不稳定性；( 2 ) 即使占空比小于5 0 ，也有 发生高频次谐波振荡的可能性，因而需要谐波补偿；( 3 ) 对噪声敏感，抗噪声性 些 左。 现代的d c d c 电源管理方案分为两大类：第一类是线性稳压器，另一类是开 关稳压器。线性稳压器是在输入电压和输出电压之间加入一个线性可调电阻。它 会影响到电路的效率，因为输入和输出之间总是会有压降，所以线性稳压器总是 会消耗掉氓一匕耐) ，。甜的功率。如果输入和输出之间有很大的压差时，线性稳压 器就会表现出很差的效率。但是同时，线性稳压器也有很多好的特性。比如说线 性稳压器的设计简单、输出噪音小、精确的输入线性和负载调整度、对负载或输 入变化时很快的瞬态响应和低电磁干扰( e m i ) 。 对于任意一个电子系统，都必须要有一个稳压器提供出稳定的输出，并且它 8 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 的内部电路保证该输出电压不随输入电压和负载电流的变化而变化。在现代的便 携式电子系统中，输入电压一般会是一个电池，即直流电源。一个典型的电子系 统通常需要它的供给电压的变化在5 1 0 范围之内。我们都知道电池的输出电 压会随着电池电量的减小而下降，无论对于干电池还是锂电池而言，电池输出电 压的变化范围都大于l o 。所以就需要一个稳压器，它可以把一个不稳定的直流 电压转换为一个稳定的直流的输出电压。 图2 2d c - d c 直流一直流稳压器的基本结构 图2 2 是稳压器的基本结构：首先必须加入反馈，使稳压器能够探测到输出电 压的状态，从而使稳压器能够将输出电压稳定在需要的范围内。其次稳压器内部 需要一个基准源，使输出电压经采样后与一个稳定的参考点相比较，再送出控制 信号。 开关稳压器是用一个受控制的开关控制输入的平均能量，再把脉冲输入的能 量在连续的时间内平均输出。它不管输入电压和负载电流的大小，总是能保持很 高的效率( 6 8 一9 5 ) 【9 】。开关稳压器需要为开关提供一个频率，同时需要一个滤 波器使输入的脉冲在连续的时间内被平均，这通常是一个二阶的l c 滤波器。电感 的特性是流过电感的电流不能突变，所以它可以用来平均输出的电流；电容的特 性是电容两端的电压不能突变，所以它可以用来平均输出的电压。但是，无论取 多大的电感电容，输出电压始终是有纹波的。用噪声交换效率【1 0 1 ，这就是开关电 源的最大特点。 2 1 降压型开关电源的工作原理 如图2 3 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t ，占空比为d 。二极管d 在n m o s 关闭 时，对电感起到续流作用，电容c 和电感l 组成低通滤波器，使输出v o u t 主要是 以直流分量为主的稳定电压，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 t 小于等于输入电压v i n 。 第二章开关电源基础 9 图2 3b u c k 变换器原理图 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i l ， 上升趋势，有如下关系： r d i ，l = 一v o w 并且会呈 ( 2 - 1 ) 其中v i n ，v o u t 认为是稳定常量，由式( 2 1 ) ，可得下式： l ( t 一1 0 ) = o 么一v o w ) t ( 2 - 2 ) i o 为t - - - 0 时电感中的初始电流。 当开关s 关闭时，电感电流i l 将通过二极管d 续流，此时，i l 将减小，若忽 略二极管的导通压降，则有如下关系： 盟：一k ( 2 - 3 ) d。l 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t 中，k 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 ) 。 图2 3 是理想化的开关电源的拓扑结构，图2 4 出示了实现电压模式、由p w m 控制的开关电源原理图，它主要由反馈回路和输出级组成。如图2 4 所示，电阻 r 1 、r 2 为采样电阻，它通过一定的比例把输出电压采样与参考源v r e f 相比较。 误差放大器将采样信号与参考电压的差放大送给p w m 比较器的输入的一端，将其 与频率一定的锯齿波比较后得到频率一定的、脉冲宽度被调制的方波，该方波就 是所谓的脉冲宽度调制波( p w m ) 。p w m 经过适当的逻辑和驱动能力处理后送给 输出级。输出级由同步管组成，当p w m 信号为逻辑“l 时，p m o s 管和n m o s 管的栅极电压同时降到零；当p w m 信号为逻辑o ”时，p m o s 管和n m o s 管的栅 极电压同时升到电源电压v d d ：两个开关管同时被一个信号控制，这就是将该结 构命名为“同步”管的原因。当p m o s 管开启n m o s 管关闭时，电路的行为等效 为图2 3 中，开关导通时的情况；当p m o s 管关闭n m o s 管开启时，电路的行为 等效为图2 3 中，开关闭合时的情况。也就是说，如果输出电压偏高，误差放大器 会输出一个比较低的电平，从而p w m 比较器会输出一个占空比低的脉冲，占空比 1 0 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 低的p w m 信号会输出较低的输出电压。反之如果输出电压偏低，反馈回路会产生 占空比高的脉冲使升高输出电压。最终，采样电压会稳定在v r f _ 衅的值上，输出电 压因此会稳定在v m f ( ( r i + r 2 ) r 2 ) 的值上。 图2 4 电压模式、b u c k 型p w m 开关电源原理图 2 1 1 连续电流模式c 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 2 ) 式可知，i l 的_ k y t - t 为【( 一t r r ) d t l l l ；开关s 关闭时间为( 1 一d ) t ，由式( 2 3 ) 可知i l 下降量为w o 时( 1 - d ) t i 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：7 ( 1 - d l ) t v o v r = ( v r n - v r o t r r 一) d t ( 2 - 4 ) 于是占空比d 与v i n ，v o u t 的关系如下： d = 孕 ( 2 5 ) 、 图2 5 显示了c c m 下，降压型开关电源的主要波形。负载电流i o 的关系可按 每个周期t 下，i l 向负载传送的电荷与t o 在同时间下得到的电荷相等得到。 啦 啪ta善 第二章开关电源基础 2 1 2 非连续电流模式d c m 图2 5c c m 下各电流波形图 t 在电感足够小或者输出电流i o 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k i o ，在开关s 开启后电感电流可上升到的最 大值i m ，可由式( 2 2 ) 得到： k ；v i n - ，v 。时d t ( 2 6 ) 当开关s 关闭，电感电流下降为零时，所需的时间为t o ： 岛2 急2 訾凹 陆7 ， 图2 6 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o ， 可根据在一个周期下对电感电流积分得到，即图2 6 电感电流l 三角波形下的面 积。由此d c m 下的输出电流1 0 表示如下： k=望=丝当近(2-8)1 t2 t = 一= = _ u 根据式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) ，并整理可得： v o b t 2 雨面丽v n 而丽( 2 - 9 ) 若在给定电感l 、v o u r 、v i n 的情况下，且t o = ( 1 一d ) t 时，可计算发生d c m 的 临界输出电流1 0 盯为： = 鼍竽一手 口 由式( 2 - 9 ) 矢f l ，电感越小，v i n 越大，越容易进入d c m 状态。 1 2 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 工l i s i d 2 1 3 同步整流 图2 6d c m 下各电流波形图 图2 3 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 c 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一个开关代替二极管，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 s r ec t i f i c a t i o n ) ，如图2 7 所示。 图2 7 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 l 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，以防止该现象造成的功耗。 图2 7 同步整流降压开关电源拓扑 2 2 开关电源的控制技术 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 t h t t t 第二章开关电源基础 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 f m t l l l 也叫跨脉冲调制( 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 8 经典p f m 方式 图2 8 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 r , 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 l n 传递到v o u t 。 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 9 为最小关闭时间电流限制脉频调制的原理 图。 2 2 2 脉宽调制( 删) 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 1 4 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 明 x i m 硼 0 n - t i m e 0 h e s m t 图2 9 最小关闭时间电流限制脉频调制原理图【l l 】 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。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。 1 ) 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 1 0 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压v r e f 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。 电压模式控制具有以下优点n 2 】：( 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。 在图2 4 中，从反馈特点来看，在反馈回路中，只有输出电压信号被采样，并 将其转化为p w m 信号控制输出电压，因此该反馈模式被称为电压模式。 2 ) 电流模式控制 电流模式控制是针对于电压模式的缺点发展起来的，电流模式控制可分为峰 值电流模式控制( p c m ) ，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 1 1 所示为p w m 峰值电流模式控制原理图， 第二章开关电源基础 1 5 这里p w m _ c 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。 lii i 圳p u ，七移锣记 嚣厂 厂 厂 图2 1 0p w m 电压模式控制 【j 1 l 1 7 c 瞧b e h tsese，三：j：；：=丽c 豫s 咖juul 图2 1 1p w m 峰值电流模式控制 图2 1 1 所示电流模式控制具有如下优点：( 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o 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抑制【l 3 1 。 第三章同步降压型电流模式开关电源分析 1 7 第三章同步降压型电流模式开关电源分析 目前，电流模式p w m 控制结构应用于绝大多数的s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y ) 电路中。以降压型开关电源调整器为例( 其它类型的开关电源的控制方法 与此类似) 来说明电流模式的p w m 控制结构，结构原理如图3 1 所示。与传统开 关电源的控制结构相比，它有两个反馈环路。第一个反馈环路是电压反馈，输出 端反馈电压v v a 和参考电压v r e f 经误差放大器放大，产生控制脉宽的控制电压v c ， 进入比较器的负端，经r s 触发器、功率开关管n 1 和开关电源的滤波电路形成环 路。第二个反馈环路是电流反馈，检测电感电流的采样电压v s ( 当开关管n 1 导 通时采样) 输入到比较器的正端，和控制电压v c 进行限流比较产生r 信号，再经 功率开关管n 1 和开关电源的滤波电路形成环路。当v s 大于v c 时，r 信号为高电 平，通过r s 触发器使功率开关管n 1 关断；反之亦然。由此控制时钟信号s 的宽 度，即脉冲宽度得到调制，获得稳定的输出电压。 图3 1 电流模式控制的降压型开关电源调整器结构 图3 2 带斜坡补偿的同步降压p w m 电流模式结构 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 2 1 ，得到广泛应用， 1 8 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 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 2 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i _ l 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。 3 1 开环不稳定性分析 图2 1 l 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， 电感电流的扰动将随着时间的增加而增加，说明该条件下系统是不稳定的1 4 】。因 此为抑制该不稳定性，需要斜坡补偿，解决的办法是给电流采样信号v s 叠加锯齿 波信号而实现。如图3 2 所示的结构，图中所示斜坡电流叠加于采样开关电流。 下面将分析开环不稳定性。如图3 - 3 ( a ) 、图3 - 3 ( b ) 所示，1 0 为没有扰动的 电感电流采样初始值，i o 为上升处的电流扰动量，i l 为下降处的扰动量。a d 为 占空比扰动量，m 1 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 = ，纸刃( 3 - 1 ) a i l = - m 2 a d t ( 3 2 ) 由式( 3 一1 ) 、式( 3 2 ) 式可得： n ：一丝越o ( 3 3 ) ，啊 在降压型开关电源中， = v i n 一7 v o u t ( 3 - 4 ) = 一半 ( 3 5 ) 由式( 2 5 ) 、式( 3 - 3 ) 、式( 3 4 ) 、式( 3 5 ) 式，并整理可得： a i l = 旦a i 0( 3 6 ) l d 式( 3 6 ) 显示当d 小于o 5 时，电流扰动量收敛，系统稳定，如图3 3 ( a ) ；d 大于0 5 时，电流呈发散趋势，如图3 3 ( b ) ，因而会导致系统的不稳定性。 加入斜坡补偿可以消除该不稳定因素。斜坡补偿如图3 4 ( a ) 和3 4 ( b ) 所示， i i l c 为斜坡补偿斜率。3 4 ( a ) 为在误差比较器输出v e 上叠加一负斜率斜坡；而3 4 ( 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 4 ( b ) 的方式。 第三章同步降压型电流模式开关电源分析 1 9 i o ( b ) 图3 3 电感电流扰动比较波形图( a ) d o 5 根据图3 4 ( a ) 可得到如下关系式： a 0 - m 1 a d t = m 。a d t = - a i l + m ：a d t ( 3 - 7 ) 整理得： a i l = 一m e - r r ha i 0 ( 3 8 ) 确+ 豫 为使电感电流呈收敛趋势，需使( m 2 m c ) ( m t + m c ) 吲 ( 3 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m 1 。通常选择斜坡补偿斜率需根 据需要折中考虑。 i 0 f i l l + l i l t 澎 m 1 m c 图3 4 ( 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 5 ( 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，i 张) 为k 时钟下的扰动量，a v e ( k + 1 ) 为k + l 一种电流模式控制p w m 开关电源的设计 ( 1 + 七) 一a i ( k ) + 素( 1 + a ) a v e ( k + 1 ) ( 3 _ 1 0 ) 眦，= 器= 篱 川 一怒= 半舄 p 如毒1 _ _ l 1 蒡s 茜s 2 p 如毒蒡茜 p 1 3 ) 踯) = 焉2 1 ( 3 - ( k + 1 ) 图3 5 ( a )