（微电子学与固体电子学专业论文）基于cmos工艺的峰值电流模式dcdc开关电源的设计.pdf

摘要 摘要 电源在各种电子设备中占有重要地位，它是一切电路能否正常工作的基础， 它的性能直接关系到许多电力电子设备的性能。开关电源体积小、重量轻、效 率高、性能好，广泛应用于各种电子产品，诸如手机、m p 3 、p d a 、手提电脑等， 已经成为市场的主流。因此，设计开发高效率、小体积的d c d c 开关电源芯片， 无论是从经济角度，还是从科学研究上来讲都是很有价值的。 本文设计了一种峰值电流控制模式p w m 电源管理i c 。该电路工作频率为 1 m h z ，输入电压范围2 5 v - 6 v ，输出电压在0 9 v 一4 v 间连续可调，最大负载电流 达到6 0 0 m a ，外围应用电路简单。在s t a n d b y 模式下，所有电路均被关断，消耗电 流控制在l u a 以下。 在本文中，首先对d c - d c 开关电源的工作原理、设计思想和系统性能作了详 细的分析，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，重点阐述了带隙基准源、欠压保护模块、电流 采样电路、死区时间控制电路和比较器的分析、设计和验证过程并利用c a d e n c e 软件对各个模块和系统性能进行了仿真。仿真结果表明，本文完成设计工作， 达到设计指标。 关键字：d c - d c 电流模式脉冲宽度调制斜波补偿 a b s t r a c t r o w e rs u p p l yp l a y sa l li m p o r t a n t p a r ti na p 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 s i ti s t h ef u n d a m e n t a lr e q u i r e m e n tf o rn o r m a lo p e r a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h ee l e c t r o n i c e q u l p m 咄1 5m a i n l yd e t e r m i n e db yt h ep o w e rs u p p l y c a p a b i l i t i e s i n t e 擎a t e d s w i t c h i n gp o w e rs u p p1i e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm o b i l ep h o n e ，m p 3 ，p d aa n d c o m p u t e r s 坝n li t sa d v a n t a g e so fm o r ec o m p a c ts i z e ，l o w e rw e i g h t ，a n db e t t e r e 蛳c l e n c y s o ，t od e s i g nh i g he f f i c i e n c yd c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc h i pi s v a l u a b l ei nt h ev i e wo fb o t he c o n o m ya n d r e s e a r c h an e w t y p eo fc u r r e n t m o d ea n dp u l s e w i d t h m o d ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt 1 1 i s t h e s l s l t so p e r a t i o nf r e q u e n c yi s 1m h z ，t h ea l l o w a b l ei n p u tv o l t a g em g e s 疔o m 2 5 vt o6 va n di t s o u t p u tv o l t a g ec a nb ep r o g r a m m e db e t 、e e n0 9 va n d4 v t h e m a ) ( 姗啪o u t p u tc u r r e n tc a nr e a c h6 0 0 m a ，w i t hf e we x t e r n a lp a r t s i ns t a n d b ym o d e e v e r yb l o c k sa l es h u td o w n ，t h ec o n s u m p t i o nc u r r e n ti sb e l o w1u a i nt h i s p a p e r , f i r s tt h ew o r k i n g t h e o r y ，d e s i g np h i l o s o p h ya n ds v s t e m c n 微t e r i z ea r ep r e s e n t e dd e t a i l e d l y n e x t ，t h eg l o b a ls y s t e m a r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d u p o nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n ds u b b l o c kc i r c u i t sa l ea l s oi n t r o d u c e dt h a tf o c u s e s o ns e v e r a le s s e n t i a ls u b - b l o c k ss u c ha sb a n d g a p ，u v l o c i r c u i t ，c 岍e n ts e n s ec i r c u i t d e a dt i m ec o n t r o lc i r c u i ta n d c o m p a r a t o rc i r c u i t s p e c t r es i m u l a t i o n sa r ed o n eo ne a c h c e l la n dt h ew h o l es y s t e mi nc a d e n c es o f t w a r e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec i i - c u i t t i m c t i o na n d p e r f o r m a n c eh a v ep e r f e c t l ys a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u r e m e n t s k e yw o r d s ：d c d cc u r r e n tm o d ep w m s l o p ec o m p e n s a t i o n l l 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 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，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 1 1 i 电源产业的发展 第一章绪论 第一节引言 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，是一种技术含量高、知识面宽， 更新换代快的产品。此产品现今已广泛应用到农业、能源、交通、运输、信息、 航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。目前，电源制造业已成为非常 重要的基础产业， 以电力电子学为核心技术，主要用途是为信息产业服务。而 信息技术的发展又促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展 的信息产业和电源产业。电源是各种用电设备的动力装置，经济建设和社会生 活各个方面都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国 家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的 作用。 2 0 世纪八十年代，国际上开关电源开始实用化。随着经济建设的逐步加快， 我国的电源产业也逐步进入初步壮大时期，2 0 世纪九十年代以来是我国电力电 子技术和电源产业大发展的时期，涌现出了大批电源开发和生产企业，据不完 全统计全国电子电源企业的生产销售和主要配件企业要有3 0 0 0 家以上几乎遍布 全国，而且出现了一些超亿元，甚至超1 0 亿元的电源企业。 电源产业规模的发展推动了电源技术的发展。在六十年代和七十年代，大 功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得到迅速发展，占据了电源市场的统治地 位。在七十年代到八十年代，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管( g t r ) 和 门极可关断晶闸管( g t 0 ) 成为当时电力电子器件的主角。进入八十年代，功率 m o s f e t 和绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 出现，高频电力电子技术得到发展，其开 关频率可达到1 0 0 k h z 以上，并可并联大电流输出。另外，一些脉宽调制电路， 各种各样的零电压、零电流变换的拓扑电路得到广泛应用，使电源产品更完善 可靠。 中国的电源业经过十几年的发展已经逐步发展壮大，但与国际发达国家相 比，仍然有一点的差距，由于价格上的优势，在东南亚、非洲以及发展中的国 第l 页 第一章绪论 家有相当的竞争能力。加入w t o 之后，不仅国内市场国际化，国内产品也要国 际化，国内生产企业不仅要重视国内市场的开发，也要重视国际市场的开发。 1 1 2 电源管理i c 的分类 目前，便携式电子产品的发展迅速，比如手机、数码相机、手提电脑等， 产品的功能日益丰富，系统也越来越复杂。在这些电子系统中，电源管理系统 起着非常重要的作用，它必须能够提供稳定，精准的输出电压，并且具有较高 的效率。电源管理芯片主要有3 种，线性稳压电源、开关电源和电荷泵电源。 线性稳压电源( l d o ) 线性稳压器主要由基准电压源、误差放大器、调整 管、输出采样反馈电路等组成。主要特点是稳定性好、噪声低、成本低、结构 简单、外围器件少，通常只需要一两个旁路电容。如果输入电压与输出电压的 压差很小，l d o 可以达到很高的效率，但是如果压差较大，其效率会严重下降， 并且l d o 只能用于降压的场合。目前市场上的l d o 线性稳压器主要有双极型和 m o s 型两种。双极型l d o 速度高、驱动能力强，但是功耗比较大，且集成度低。 m o s 型线性稳压器有较低的功耗，较高的集成度以及较宽的输出电压摆幅，应 用更加广泛。 开关电源是利用现代电子技术，控制功率管的导通与关断，从而维持稳定 的输出电压。由于开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效 率高，但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波，并且工作时会产生较大 的尖峰脉冲干扰。目前，开关电源已经广泛应用于各种电子产品，诸如手机、m p 3 、 p d a 、手提电脑等，成为市场的主流。理论上，开关电源的效率能达到1 0 0 ， 但在实际应用中，很多不理想因素会产生损耗，比如功率管和体二极管的导通 损耗、开关损耗和驱动损耗等等，影响电源的效率。在这样的前提下，设计更 高效率的开关电源，是很有价值的【l 2 1 。 电荷泵( 开关电容) 转换器通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容 供电或断电来进行d c d c 电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电 和断电这两个状态之间切换。可以输出高于或低于输入电压的稳压电压，也可 以产生负压。电荷泵转换器不需要外接电感，因此设计更简单，尺寸小，成本 更低。但是与d c d c 转换器相比，效率较低，驱动能力较差。 第2 页 第一章绪论 1 1 3 开关电源的发展 1 1 3 1 开关电源的概述 开关电源是高效节能型电源，目前，已成为稳压电源的主流产品。开关电源 的出现已有3 0 多年历史。7 0 年代初，开关电源开始逐步代替线性电源，此时脉 冲宽度调制技术有了发展，对开关电源中的控制电路实现了集成化。8 0 年代中 期，单片开关稳压器面世，开关电源走向全球通用。随着经济、技术的发展， 开关电源的性能也在不断提高。 开关电源按其拓扑结构可以分为两类：a c d c 和d c d c a c d c 是将交流变 换为直流，其功率流可以是双向的。d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可 变的直流电压，也称直流斩波。目前d c d c 变换器已经实现模块化，设计技术和 工艺生产在国内外已经成熟，得到广大用户的认可。d c d c 的工作方式有两种， 一是脉宽调制( p w m ) 方式；二是频率调制( p f m ) 方式。其早期拓扑结构大概有以 下几种：3 1 1 b u c k 型变换器 2 b o o s t 型变换器 3 i n v e i 汀型变换器 1 1 3 2d c d c 的发展趋势 随着电子产品轻薄小的发展趋势，要求电子元件体积更小、耗能更低。因 此开关电源的主要发展趋势为： l 小型、薄型、轻量化 开关电源的体积、重量主要是由储能元件( 磁性元件和电容) 决定的，因 此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。早期的开关 电源以分立元件为主，所以整个系统很庞大。为了提高电源的集成度，确保开 关电源的轻、小、薄和高功率密度。使p w m 变换器的开关频率提高，不仅能能 够有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰、减小纹波， 改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。目前，小功 率d c d c 变换器的开关频率已由现在的2 0 0 k h z - - - 5 0 0 k h z 提高到1 m h z 以上。 2 模块化 模块化是开关电源发展的总体趋势，将小功率电源系统集成在一个芯片上， 可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参 第3 页 第一章绪论 数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块 中。无论是a c d c 或是d c d c 变换器都是朝着模块化方向发展。并联运行是 电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计n + i 冗余电源系统，实现容量 扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，使企业产生更 大的效益。多台模块并用可实现大功率电源系统。此外，还可在电源系统建成 后，根据需要扩充容量。 3 高效率 提高开关电源的频率，会使传统的p w m 开关功耗加大、效率降低、噪声提 高，且达不到高频、高效的预期效益。可以通过应用各种软开关技术( 包括无 源无损软开关技术、有源软开关技术、恒频零开关技术、零电压、零电流转换 技术) 或者使用m o s f e t 同步整流管代替整流二极管来提高开关电源的效率。采 用软开关技术可使效率达到8 5 一8 8 。用同步整流器( 即用m o s f e r 代替肖 特基二极管) 可以使使整个电路效率提高到9 0 。而效率的提高使得敞开式无散 热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世界模块发展的潮流，必将 得到广泛应用。 4 低电压大电流化 随着半导体工艺的不断发展，微处理器和便携式电子设备所需的工作电压 越来越低，所以这就需要开关电源能够提供低输出电压以适应微处理器和便携 式电子设备的供电要求。但输出电流将朝着大电流方向发展。 5 低噪声抗电磁干扰( e m i ) 开关电源的另一缺点是噪声大，随着频率的增大，带来的负面影响是噪声 也随之增大。采用谐振电路，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。谐振 电路可以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗， 同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电 源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论 上把开关损耗降到零，而且噪声也小，但谐振转换技术也有其不足之处，例如很 难准确地控制开关频率，谐振时增大了器件负荷，场效应管的寄生电容易引起 短路损耗，元件热应力转向开关管等问题难以解决。 第4 页 第一章绪论 第二节论文的主要工作和结构 本课题的主要工作是峰值电流模式d c d c 开关电源的设计，采用0 3 5 i - t m c m o s 工艺实现。内容包括基准源电路、p w m 比较器、电流感应电路、u v l o 电路、输出驱动控制电路等各个模块的分析和设计。借助c a d e n c e 公司的电路设 计和仿真工具s p e c t r e 对整体电路做了仿真验证。本文的结构如下： 第一章简单介绍了当前电源管理产品的国内外动态和未来的发展趋势，说 明了开展本课题的背景和意义。 第二章介绍了开关电源电路的三种电路拓扑结构，阐述了d c d c 转换器的 两种工作模式。 第三章详细介绍了p w m 开关电源的系统设计，包括各工作模式的优缺点、 关键技术、设计中需要考虑的问题，并且对系统稳定性和斜坡补偿能作了深入 的分析。 第四章先对各子电路进行了详细的分析，然后借助电路设计和仿真工具对 电路进行了完整的设计和模拟仿真。给出了部分电路的仿真结果。 第五章是整体电路的模拟仿真。 第六章为结论。 第5 页 第二章开关电源电路原理 第二章开关电源电路原理 第一节d c - d c 变换器的电路拓扑 开关电源是一个比较复杂的自动控制系统，首先必须了解其拓扑结构。开 关电源的基本拓扑有许多种。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。本章只 介绍三种常见的基本拓扑b u c k ，b o o s t ，i n v e r t 变换器并讨论其工作原 理及应用场合，和b u c k ，b o o s t ，i n v e r t 各点的典型波形。然后介绍开关电 源的三种控制方式 4 1 。 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 型变换器又称降压开关电源，艮0 v o v i n 。拓扑结构如图2 2 所示， 电路由开关管、二极管d 、电感l 、电容c 组成。输入电压v i n ，输出电压v o 。开关 管一般选用n m o s 管，二极管是整流管，一般选用肖特基二极管。在一个周期中， 当功率管导通时，v x 点电位为低，有电流流过电感，整流二极管截止，电流线 性增加，电感储能。当功率管截止，v x 点的电位升高，使二极管导通，此时电 感两端的电压极性改变，流过电感的电流维持原来方向但线性减小，电流流向 电容和负载，保持v o 、i o 不变。 图2 4b o o s t 变换器的拓扑结构 第8 页 第二章开关电源电路原理 2 1 3i n v e r t 变换器 i n v e r t 型又称负电压开关电源。即v o 0 。拓扑结构如图2 3 所示，电路由开 关管、二极管d 、电感l 、电容c 组成。输入电压v i n ，输出电压v o 。开关管又一般 选用p m o s 管，二极管是整流管，一般选用肖特基二极管。在一个周期中，当功 率管导通时，v x 点电位为高电平，有电流流过电感，整流二极管截止，电流线 性增加，电感储能。当功率管截止，v x 点的电位降低，使二极管导通，流过电 感的电流维持原来方向但线性减小，电流由电容和负载流向电感，使输出电压 为负值。 图2 5b o o s t 变换器的拓扑结构 第二节d c d c 转换器的工作模式 降压型d c d c 转换器在稳态工作时存在两种模式电感电流连续模式 ( c c m ) 和电感电流不连续模式( d c m ) 。设主开关管m p 的开关频率为f s ，开关工 作周期为t s ，一个周期开关管的导通时间为t 。，关断时间为t 。，d 为占空比， 主开关管的导通占空比为d 。，整流管的导通占空比为d 。电感电流与电压的波 形如图2 6 、2 7 所示： 第9 页 第二章开关电源电路原理 v i d t s t st 图2 6c c m 工作模式下的波形 i l d t sd 1 t s d z t s 图2 7d c m 工作模式下的波形 t t t ( 1 ) c c m 工作模式 当电感比较大、负载r 比较小、负载电流较大、开关频率比较高时，电感 电流为连续不断的锯齿波，并且永远大于零。称为c c m 工作模式。输入输出电 压关系如上一节所述： 圪= d 吃 ( 2 1 0 ) 由公式可知，电流的峰峰值为 第1 0 页 第二章开关电源电路原理 而电流的最大最小值分别为： 电感电流值永远大于零， r a i n - - - - v k 。一了a l 。= 睾+ 型2 ， r a i n - - - - - v “。一了a ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 ) d c m 模式 当负载r 增大负载电流减小时，电感电流i 。可能会在一个周期结束前下降 到零，此时系统进入d c m 工作模式。如图2 7 所示。d c m 工作模式下共有三种状 态： s t ：n t t ( n + d ) t ( 开关管导通，电感电流上升) s z ：( n + d ) t t ( n + d + d 2 ) t ( 开关管关断，电感电流下降) s 。：( n + d + d 2 ) t t ( n + 1 ) t( 开关管与二极管关断，电感电流为零) 其中：d + d i + d 2 = i ，d m l _ d , m 2 ， 输出电流i 。为： i o 百v o = 丢惕。丁( d + 口) ( 2 1 4 ) 三2d 2 ( 1 + m 铂= 旦r t ( 2 1 5 ) 、 ， i r r 6 ：v , - v o ，一m 2 ：一7 0 ( 2 1 6 ) 厶 三 则 代入上式，可得： 堕：乓当：一1 - m ( 2 1 7 ) 圪 m i d z f l + 生氅堡当：v o z 、 m 。lr t d 2 占坐：一2 l ：k mmr r d = m 跞 第l i 页 ( 2 1 8 ) 第二章开关电源电路原理 膨：d i 互d 2 + 巫4 k - d 2 2 k ( 2 1 9 ) 由公式可以看出：在c c m 模式中m = d ，在d c m 模式中m 还与r ，l 的值有关。 第1 2 页 第三章p w m 开关电源系统设计 第三章p w m 开关电源系统设计 第一节p w m 型b u o k 开关电源 p w m 调试方式是开关功率变换器中比较常用的方式，是通过改变脉冲的宽 度来实现电压变换的转换器。工作原理如图3 1 所示： 图3 1 p w m 工作原理图 p w m 控制的优点是重载转换效率高，纹波小、噪声低、线性度好。目前主要 有两种控制模式：电压模式和电流模式。 图3 2 是由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。 电阻r l 、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“1 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“0 ”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。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 m w 比较器会输出一个占空比低的脉冲，占空比低的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y r e f 的值上，输出电压因 此会稳定在v r e f ( ( r i + r 2 ) r 2 ) 的值上晡1 。 第1 3 页 第三章p w m 开关电源系统设计 图3 2b u c k 型p l l q , t 开关电源原理图 第二节系统稳定性分析 b b b f p w m 开关电源是一个负反馈系统，反馈回路本质上具有振荡的可能性，图 3 3 是一个负反馈系统。 其闭环传输函数为 图3 3 具有负反馈的系统 r o u t ( s )g ( s ) ：盟 ( 3 1 ) v i n ( s )1 + g o ) h ( s )l + 丁( s ) 当1 + g ( s ) h ( s ) = 0 时，系统是不稳定的，因此g ( s ) h ( s ) 不为一1 是一个稳定性的 约束条件。g ( s ) h ( s ) = t ( s ) 称为开环传递函数，t ( s ) 的大小为开环增益，t 。( s ) 为开 环增益的相位，因此当l r ( s ) l = 1 ，t o ( s ) = - 18 0 。系统失去稳定。开环增益和相位 决定了系统的稳定性。另一个系统稳定的约束为矿( s ) l = 1 时，瓦( s ) - 1 8 0 。 p 1 j l m 开关电源反馈环路如图3 2 所示， 比较缓慢的扰动，通过反馈电阻的检测， 在较低频率下，如果输出电压有一个 误差放大器的直流输出会发生改变， 第1 4 页 第三章p w m 开关电源系统设计 通过比较器的比较，p w m 脉冲的宽度会发生变化，从而调制输出电压的值，直到 v o u t 返回预定值。假设在某一时刻，反馈回路在b 点断掉。如果有一个频率为f 1 的信号从b 点输入，在b b 点就会得到该信号的响应。该信号在经过反馈回路时， 它的相位和幅值就会受到回路中的各个模块的影响。如果响应信号和输入信号 相比，相位被改变了1 8 0 度，幅值至少被放大了一倍。当回路在b 点被重新闭合 后，回路就会在频率f 1 处振荡m 1 。 3 2 1 输出级的频率响应 从中，我们可以得到该l c 滤波器的频率响应：由于e s r i ：i 二较小，所以忽略分母中 含有e s r 的一次项： 豆：三掣生：二氅堕一 ( 3 2 ) 吐+ 去+ k l + s 2 上c + s g p ( s ) = 圪v o = 器 ( 3 3 ) 图3 4 输出l c 滤波器模型 o u t 由公式3 3 n - - 丁以得到输出l c 滤波器的频率响应，如图3 5 n 示。l c 滤波器具 有双极点： = 瓦丽1 ( 3 4 ) 电容的等效串联电阻为输出l c 滤波器带来了一个零点： 第1 5 页 第三章p w m 开关电源系统设计 巴= 夏聂菌1 丽 ( 3 5 ) f ：。取决于所选电容的e s r ，一般来说e s r 零点远远大- t - l c 滤波器的双极点。 e s r 会增大输出电压的纹波，较大的e s r 会得到较大的纹波和较小的相移。 v 粕 v 0 8 c m a g n i t u d e o p h a s e - 9 0 1 8 0 l o g l 一 ，2 0 d b | 脚 f z o ? 一 图3 5 输出l c 滤波器的频率响应 为了得到整个系统的传输函数，将图3 2 化简为以下的增益单元。包括误差 放大器的增益、p w m 控制级的增益和功率输出级的增益。 v r e 图3 6 整个环路的传输函数 如果考虑输出级的反馈电阻r 。、r 。，则输出功率级的传输函数变为： g ( s ) = 锦( s ) 而e 2 = 熹畿 ( 3 6 ) p w l v l 控制级包括p 1 】m 比较器和数字逻辑单元。数字逻辑单元对信号的相位没 第1 6 页 第三章p w m 开关电源系统设计 有影响，并且它们的输入、输出信号的变化幅值为输入电压v d d 的值，所以这些 模块的小信号增益为单位一。比较器的输入为误差放大器的输出，输出是幅值 固定、占空比可调的脉冲，所以误差放大器的输出( p w m 比较器的输入) 将会在 锯齿波的幅值内变化，而同时p 1 】l m 比较器的输出将会在地和电源间变化。锯齿波 的幅值为v o 刚p w m 控制级的增益为 1 7， r ( s ) = s c ( 3 7 ) p l 一一。 一 人 2 0 d b j z p o砌| - 2 0 d b f o一 。l | _ 刮匕一 p h a s em a r o i n f 图3 7 补偿后的环路频翠响应曲线 由以上推导，可得整个环路的传输函数为： h 0 ) = d ( s ) 丁0 ) g ( s ) 叫咖竖v o s c 忐器 。名 、7 冠+ r ， l + s 2 三c 由公式3 8 - i 以看出：如果误差放大器没有经过补偿的话，信号会先经过一 个双极点。如果e s r 零点远远大于该双极点，频率远远大于该双极点的信号的相 位会被改变1 8 0 度，并且如果该频率信号的幅值还是在被放大，振荡就产生了。 第1 7 页 第j 章p w m 开关电源系统设计 因此，误差放大器必须有频率补偿的功能，防止反馈回路振荡。补偿后的环路 频率响应曲线如图3 7 所示。f 。是零交越频率，即整个环路增益为一时的频率， 一般选取f 。为开关频率的五分之一到十分之一。f 。决定了系统的动态响应速度， f o 越大则系统响应速度越快。同时为了保证闭环系统的稳定性，单位增益时的相 位裕度应该至少大于4 5 度。 3 2 2 误差放大器的补偿网络 误差放大器的补偿方式由交越频率的大小和输出电容的e s r 值共同决定，一 般有两种补偿方式： ( 一) t y p e i i ( p i ) 型补偿 采用t y p ei i 型补偿网络如图3 8 所示，输出功率级、整体环路和误差放大器 补偿网络的波特图如3 9 所示。在此种补偿方式下， ( f o ( f j 2 。 v f b v r e f 图3 8t y p e i i ( p i ) 型补偿网络 补偿环节引入了一个零点： 一 1 ，7 - = 一 “2 x x 心1 c c l 电阻r 。决定了零交越频率的大小，经过计算： 砰：2 x x y ox l x v o s c “ e s r 其中，g 。为误差放大器的跨导，v 。为系统输入电压， 取零点为f 阳的四分之三，经计算可得： 第1 8 页 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 为三角波的峰峰值。 第三章p 哂v l v l 开关电源系统设计 c c i - - 而聂最 p 钎 s t a g e l o o p g a i n p l c 。m 洋非嬲 0 7 5 x 心1 ( 3 1 1 ) 图3 9 输出功率级、整体环路和误差放大器补偿网络的波特图 从图3 9 可以看出，在低频下，由于电容的阻抗为无穷大，误差放大器的增 益为误差放大器的本征增益；当频率逐渐增加时，电容的阻抗不再是无穷大， 当滤波器的阻抗小于误差放大器的输出阻抗时，误差放大器的增益随频率的增 加而减小；当电容c c l 的阻抗远远小于电阻时，误差放大器的增益不再随频率的 减小而减小，而是为常数g 。r c l ，这种误差放大器设计的特点是高频增益低、 低频增益高。而对l c 双极点的补偿主要是由零点f ：。署d e s r 零点共同起作用的。 ( 二) t y p e i i 型p i d 调节器补偿 t y p ei i 型补偿方式依靠了输出电容的e s r ，如果采用e s r l g 较小的输出电容， 贝j j e s r 产生的零点会大于系统的交越频率，此时采用更稳定的补偿结构：t y p e l h 型p i d 调节器补偿网络。如图3 1 0 所示： 第1 9 页 第三章p w m 开关电源系统设计 c v o u t c c 2 图3 1 0t y p e i l i 型p i d 调节器补偿网络 由原理图可以得到误差放大器的频率响应为： v c ，= 一1 睦罐 e t2 赢百1 石 f z 2 瓦孓叉1 两 c 。= 0 z2 丽1 耻一1 ( 3 1 2 ) 选择f z 。、f ，。、f p , 并i f ，。的合适的值，使环路带宽和相位裕度达到预期的目标： 选取第一个零点在输出级双极点f ，。的四分之三处，第二个零点正好为f 阳，这两 第2 0 页 ) ) ) ) ， 们 d j j r 3 3 3 王 l 第三章p w m 开关电源系统设计 个零点用来补偿输出的双极点。 f z 。= 兄：= p i d 的三极点使反馈增益迅速在高频减小。第一个极点在原点， 补偿e s r 产生的零点，第三个极点在开关频率的二分之一处。 耳：= f 矿j 五 补偿后的系统频率响应波特图如图3 1 l 所示： i ， 4 0 d b t i v = p oi 、 励 l - 2 0 d b 。 - 2 0 r i b 知、 。 4 0 d b ，x 过 、s 一2 、 f z l ；南f l2f：0 3 ；f s 趁 图3 11t y p e l i i 型p i d 调节器补偿的频率响应波特图 第2 l 页 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 第二个极点 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 第三章p w m 开关电源系统设计 第三节电流型p w m 控制模式 3 3 i 电流模式p w md c d c 的工作原理 目前常用的电流模式控制方式主要有峰值和平均电流模式两种。所谓峰值 电流模式指的是将p w md c - d c 转换器中电感的峰值电流作为一个控制量来参与整 个系统的闭环控制，而平均电流模式指的是将电感的平均电流作为一个控制量 来参与整个系统的闭环控制n 1 。 本文选取的研究对象为峰值电流模式p w md c - d c 转换器。峰值电流模式p w m d c - d c 转换器结构如图3 1 2 所示， v o u t 经过r i 和r 2 分压后送到误差放大器的反 相端，产生控制电压v c ，电流内环感应电感的瞬时值，并通过感应电阻与外加 斜坡叠加，再与v c l p , 较，每个振荡周期一开始，r s 触发器首先置位为高电平， 功率管导通，电感电流开始上升，外接窄脉冲在很短的时间内就恢复到低电平， 从而r s 触发器处于保持状态，当电感电流上升到一定值时，它与外接补偿斜坡 的和大于误差电压，p w m 比较器翻转，r 被置1 ，q 端被置零，p m o s 关断，n m o s 导 通，电感电流线性下降，其瞬时值与外接斜坡之和小于误差电压，从而r 恢复为 0 ，r s 触发器处于保持状态，直到下一个窄脉冲输入懵1 。 图3 1 2 峰值电流模式p w md c d c 转换器原理图 第2 2 页 第三章p w m 开关电源系统设计 3 3 2 系统传输函数 电流模式开关电源结构中有两个环：传统的电压环和电流环。虽然结构变 得复杂。但却能使带宽扩展到二分之一的转换频率。为了保证系统稳定性，通 常引入斜坡补偿，斜坡的大小很重要，它会影响系统的稳定性和带宽。传统的 电压环在上文中已经有叙述，下面主要对电流反馈环路进行研究。图3 1 3 为电 流反馈环路的传输函数流程图。 图3 1 3 电流反馈环路的传输函数 t c m 为控制电压v c 与占空比之间的传输函数： t 酗 s 上c m 2 酉2 m l z 矿+ m c ( 3 2 2 ) 其中，z c f 表示电流感应电路的电流到电压的阻抗，m e 是斜坡补偿电路的 斜率，f s 为时钟频率，d 为占空比，m l 是电感电流的斜率： 胍：匕二幺( 3 2 3 ) t p s 为占空比与电感电流的传输函数： 巾 i l p s = 百= 瓦i ( 3 2 4 ) h 。( s ) 是s a m p l e d - d a t a 传输函数，在电压模中控制环路的带宽远小于转换频 率。所以h 。( s ) 近似为1 。由于电流模环路带宽很大，h 。( s ) 需要被考虑，由文献 9 可知： h p ( s ) 兰l + c o n q z + n 2 - ss - p 第2 3 页 ( 3 2 5 ) 第三章p w m 开关电源系统设计 其中u 。= f s 。q z = 一2 ， 由以上分析，最终可得电流环路的闭环传输函数为： 卉t 朋t 芦 工c ，一一l + z c f h p ( s ) l m k ( 3 2 6 ) 为了化简，我们假设电感两端电压为常数，因此z l c r s l 。方程3 2 6 转换为下 n 武： 乃2 瓦1 蕊1 ( 3 2 7 ) 国n ： 其中阻尼因子为 f = 瓦z l ( m l z c f + m 。) 一若陪去 荨j 。 由公式3 2 7 可以看出，环路的稳定性和带宽与补偿斜坡的大小有很大关系。 3 3 3 斜坡补偿原理 电流模式d c d c 变换器一般是通过采样电感电流的峰值来实现电流内环路 控制，这种方法的实现电路比较简单。峰值电流模式虽然具备电流模式的诸多 优点，但仍有缺点，如不加以解决将可能影响到整个系统的性能。当开关占空 比大于5 0 时会造成系统的开环不稳定就是其中一个缺点n 训 首先考虑无斜坡补偿的情况。 从t = n t 至4t = ( n + 1 ) t 的一个周期内( t 为开关周期) ，电感电流线性上升到 i r e f ，然后开始下降。设t = n t 时的电感电流为l 。，t = ( n + 1 ) t 时电感电流为i 。m 输 出电压为v ，占空比为d ，可以有如下关系式： 垒玉：匕二幺 ( 3 2 8 ) 和尘二血：一g o u _ _ l( 3 2 9 ) f 1 一d ) 丁 第2 4 页 第三章p w m 开关电源系统设计 “小毕肝等( 1 一d ) t ( 3 3 0 ) 由彻= 筹 3 。 有：“七丧”兰一竿 3 2 ) 由降压公式v o d v i n ，在稳态下若电流i 。存在微小扰动，忽略后两项i n 的高阶项 则有： = 卺) 观 ( 3 3 3 ) 假设五= 一f d 历，则九必须满足- l 尔l ，即。 o ， 这时，对电感电流上升和下降的情形列方程得： 生! 竺竺二垒：盟 d tl l , e f + m , d t - i # + , ：堡 ( 1 - d ) t l i 州与i 。的关系可写为 万乞卅= 名艿屯= 一蒯6 屯 其中必= 南， 肛卜f 蒜面 从3 3 6 式可见，要想使得电感电流的扰动减少以保证系统稳定， 足一1 t 1 。显然，九小于1 。那么，对于临界状态持1 ，有 d ：丝旦：兰 必+ 1 ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) 则九必须满 ( 3 3 7 ) 如果。 0 5 时因为有斜坡补偿的作用而使得电感 电流i 。的扰动逐渐减小。 第2 6 页 第三章p w m 开关电源系统设计 i r e f i o 图3 1 5 带斜坡补偿的电感电流扰动图 从上面的分析可以看到，d 0 5 则要获得系统稳定，补偿的斜率大小应满足： 朋， f ，坐堕1 益 ( 3 3 9 ) 【t 万j 吉 u 。 在整体电路的实现过程中