（微电子学与固体电子学专业论文）大电流高效率降压dcdc芯片的设计.pdf

摘要 随着电子系统设计向集成化方向的发展，集成开关转换器已经在通信、电子计算机、 消费类电子产品等领域获得了广泛的应用。将开关转换器的主要部件集成在单个芯片 中，不但可以增强电子系统的稳定性，而且可以简化电子系统的设计。 本文设计了一款降压型d c d c 开关转换器芯片。首先，从d c d c 转换器的工作原 理入手，分析d c d c 转换器的不同工作模式、控制模式，以及各种模式下的特点。接 着，基于降压型( b u c k ) 拓扑结构设计转换器的功率级电路。然后，进一步设计转换器 的控制级电路，主要采用了同步整流和p w m p f m 模式自动转换两种新技术来提升转换 器的转换效率，并对控制级电路进行分模块仿真分析和系统级仿真分析。最后，基于 c s m co 5 p m 、双多晶、三铝混合信号c m o s 工艺，设计了芯片的版图。在提取版图寄 生参数之后，进行了版图的后仿真验证和优化修改。芯片在c s m c 进行m p w 流片。 电路的仿真结果表明：芯片输出电流最大可以达到5 0 0 m a ，转换效率最高为9 3 8 ， 在全负载电流范围内，平均转换效率高于9 0 ，在电源电压为2 v - 6 v 变化的情况下， 输出电压稳定为1 8 v 。在芯片流片完成后，对芯片进行了测试。测试结果表明：在输出 电流为3 0 m a 的轻载条件下，芯片工作完全正常，转换效率为7 1 9 ，输出电压稳定为 1 8 0 v ；在输出电流为4 0 0 m a 的重载条件下，转换效率为6 8 8 ，芯片的稳压性能比较 差，输出电压会随电源电压的变化而发生变化。经过分析，输出电压不稳定的原因是： 在版图设计过程中功率晶体管电路和控制电路的隔离不够理想。 关键字：d c d c ，降压型，同步整流，p w m p f m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cd e s i g ni n t e g r a t i o n ，i n t e g r a t e ds w i t c h i n gm o d ep o w e r c o n v e r t e ri sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o n ，m i c r o c o m p u t e ra n dc o n s u m e r e l e c t r o n i cp r o d u c t s i n t e g r a t i o no fs w i t c h i n gm o d ep o w e rc o n v e r t e rc a ne n h a n c es y s t e m s t a b i l i t ya n ds i m p l i f yt h ee l e c t r o n i cs y s t e md e s i g np r o c e s s a s t e p d o w nd c - d cc o n v e r t e rc h i pi sd e s i g n e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ep a p e rb e g i n s w i t ht h et h e o r yo fd c d cc o n v e r t e ro p e r a t i o n a n di n t r o d u c e st h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s a n dc o n t r o lm o d e so ft h ed c d cc o n v e r t e r , a sw e i la st h ec h a r a c t e r sa n da d v a n t a g e so fe a c h m o d e s e c o n d l y ，p o w e r - l e v e lc i r c u i ti sd e s i g n e dw h i c hi sb a s e do nt h eb u c kt o p o l o g y t h i r d l y t h ec o n t r 0 1 1 e v e lc i r c u i ti si m p l e m e n t e d t h ec o n t r o lc i r c u i tm a i n l yu s e st w ok i n d so fn e w t e c h n i q u e s s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o na n dp w m p f m m o d e sa u t o m a t i cs w i t c h i n g a n df i n a l l y , t h el a y o u ti sd e s i g n e dw i t hc s m c0 5 “md o u b l ep o l y , t r i p i em e t a lm i x e ds i g n a lc m o s p r o c e s s a f t e rt h el a y o u t ，ap o s tl a y o u ts i m u l a t i o na n dl a y o u to p t i m i z a t i o ni sp r o g r e s s e d t h e c h i pi st a p e do u ti nc s m c t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h em a x i m u mo u t p u tc u r r e n ti sa b o u t5 0 0 m a t h e m a x i m u mc o n v e r t e re 衔c i e n c yi s9 3 8 a n dt h ea v e r a g ec o n v e r t e re f f i c i e n c yi nw h o l e o u t p u tc u r r e n tr a n g ei sa b o v e9 0 、枷e l lt h ei n p u tv o l t a g ev a r i o u sf r o m2 vt o6 v , t h eo u t p u t v o l t a g ec a nb ef i x e dw i t has t a b l ev a l h eo f1 8 v t h ec h i pi st e s t e ds u c c e s s f u l l ya f t e rt a p i n g o u t t h et e s tr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：i nt h ec o n d i t i o no fl i g h tl o a d , t h ec h i pw o r k sv e r yw e l l t h ec o n v e r t e re f f i c i e n c yi s7 1 9 t h eo u t p u tv o l t a g ei s1 8 0 v i nt h ec o n d i t i o no fh e a v yl o a d , t h ec o n v e r t e re f f i c i e n c yi s6 8 8 t h es t a b i l i t yi sn o ts og o o di nh e a v yl o a dc o n d i t i o n t h e o u t p u tv o l t a g ec h a n g e sw i t hi n p u tv o l t a g e t h ec a u s eo ft h i sp h e n o m e n o ni st h ei s o l a t i o n b e t w e e np o w e rl e v e lc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ti sn o ti d e a l k e yw o r d s ：d c - d c ，s t e p d o w n ，s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，p w m p f m h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干l j 登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：迸导师签名：t 旦垦劬 期：兰翌圣兰：翌 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要介绍电源管理技术的发展，然后集中讲述降压型( b u c k ) 转换器的发展及特点， 最后介绍本论文的组织结构。 1 1电源管理技术的发展 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个电子系统是否能够稳 定的工作。电源有如人体的心脏，为所有电子设备提供动力。电源的设计在现代电子产品的设计中 起着举足轻重的作用。将电源集成在单个芯片中不但可以增加系统的稳定性，而且可以简化电子系 统设计，电源管理芯片在现在电路系统中占有非常重要的地位。如果电源设计不合理，会影响到整 个系统的工作。 电源管理电路的主要任务是进行功率的转换，从一个原始的、不符合系统要求的输入电源变换 成符合系统中其他各单元电路要求的各种输出电源。 近年来，电池供电的便携式电子设备的使用越来越广泛。手机、p d a 、m p 3 、g p s 已经渐渐融 入人们的日常生活。电池的供电时间已经成为便携式产品进一步发展的最大阻碍因素，其阻碍作用 主要表现在以下三个方面：第一：电池的放电曲线是随着时间变化的，输出的电压也会随着时间的 流逝而降低，影响整个系统的性能；第二：系统需要的供电电压越来越低，而电池的电压是相对固 定的；第三：电池的容量是有限的，所以需要尽可能的提高转换效率，延长系统的使用时间。电源 管理芯片被使用来解决上述三个问题的。便携式电子产品采用电池供电，如何使稳压电源部分性能满 足电路的要求、耗电省( 能延长电池的寿命) 、安全性好、占用空间小、重量轻是设计便携式电子产 品中一个重要任务。电源管理技术的应用，在电子设备的设计之中占据着重要的地位。对于同一个 电子系统，不同的电路模块根据其重要性及电路结构，可以分别工作于不同的电源电压来获取更长 的待机时间。这样就需要直流电压转换器进行电压转换以满足不同的电源要求。 最早出现的开关电源是串联型开关电源，其拓扑结构和线性电源相似，但是功率晶体管工作于 开关状态，后来又发展出来脉冲宽度调制( p w m ) 控制技术，用以控制开关管，得到p w m 型开关 电源，很大程度上提高了电源转换的效率。电源管理技术经历了从晶体管线性稳压电源，到开关稳 压电源，到脉宽调制( p w m ) 控制电源的发展过程。电源的转换效率从线性电源的3 0 - 4 0 ，提 升到了p w m 控制电源的7 0 嘣1 | 。高频开关电源以其体积小、转换效率高等特点，逐步成为现在电 源管理技术的主流。 从节能电源的设计角度来看，业界公认应该从两方面考虑：首先，拥有非常高的电源转换效率； 其次，在待机模式要具有低的静态电流。电源转换效率的提升，不仅改善了电源设备的散热问题， 也为我们社会的节能工作做出了贡献。全球的节能需求和电子设备必须遵守各国的强制性能效规范， 以及便携式设备的小型化、集成化是当前电源管理技术发展的推动力。降低待机功耗、提高功率密 度、提高可靠性、提高集成度和降低成本是电源管理技术的发展趋势。 半导体器件或电路发展的方向是模块化、集成化。现在已经有很多具有各种功能的专用集成电 路芯片。电源管理芯片在近几年的发展也是非常迅速的，如功率因数校正电路控制芯片、软开关控 制z v s ( 零电压开关) 、z c s ( 零电流开关) 芯片、并联均流控制芯片，电流反馈控制芯片等【2 j 。将 控制、驱动、保护、检测电路集成在一起，封装在一个芯片内的设计，提升了电源管理系统的可靠 性。同时由于集成度的提高，使得电源系统的体积越来越小，给电子产品设计的应用带来极大的方 便。 现在的电源管理技术还远远不能达到我们对节约能源的需求，电源转换的效率还需要进一步的 提高。电源管理技术将向以下几个方向进行发展： l 东南大学硕士学位论文 一、高频化、小型化【2 1 【3 】 开关电源频率提高了，动态响应速度才可以更快，充分的配合现在微处理器速度的迅速提 高。同时开关电源的高频化有利于开关电源系统的小型化，可以使开关电源广泛的进入各种电 子系统的应用之中，推动电子产品小型化，便携化的发展。 二、高效率 高频化必然会使得电源转换器的开关损耗急剧的上升，这就进一步对电源转换器的高效率 提出了挑战。随之而来发展出了零电压导通、零电流关断的软开关技术。低转换效率的转换器 消耗的能量都会以热的形式发散出去，所以需要很大的散热器来保证系统的正常工作。电源转 换器效率的提高不仅有利于节约能源的考虑，同时还可以简化电源系统散热器的设计，降低电 子系统设计和使用的成本。 三、噪声低 高频化也同时会带了高电源噪声的问题。开关型电源转换器的噪声主要有两种1 3 j ：差模噪 声和共模噪声。其中，差模噪声主要由输出部分的功率开关管造成；共模噪声主要存在于隔离 式开关电源中，有输入开关造成。如何在不降低开关频率的条件下，有效的降低噪声，是开关 型电源的又一个发展方向。 四、可靠性高 电子系统的正常工作，首先要保证有可靠的电源供应。由于现在的便携式电子产品越来越 注重随时随地“在线”、“在网”的需求，电源系统的可靠性也得到了越来越多的重视。从集成 度提高的角度来讲，更多的元器件被集成在一个芯片之中，减小了焊接的不可靠性。但是还有 许多的部分存在可靠性的问题，例如功率器件长时间工作在大电流状态，很可能会发生电迁移 现象1 4 j 。如何预见性的在设计中考虑到系统将会遇到的可靠性问题，对电源设计者提出了挑战。 五、智能化 应用微处理器或者微机集中控制和管理电源，可以及时的反映电源工作环境的各种变化， 实现电源管理的智能控制，自动故障诊断1 5 j 。甚至可以设计电源管理模块自动分析电子系统的 能源需求，进而提供相应的能源，这样可以真正的将“无功”能源减小到最小，充分发挥有限 能源的无穷威力。 1 2降压型d c - d c 结构的发展及特点 d c o d c 的意思是从直流到直流的转换，既可以是不同直流电压值之间的转换，也可以是不同直 流电流值的变换。d c d c 转换器的优点是转换效率高、可以输出大电流、静态电流小。随着集成度 的提高，d c - d c 转换器只需要外接电感和几个小的滤波电容便可以实现电压转换的功能。d c d c 转换器作为电子设备的关键部件，被广泛的使用在消费类电子产品、便携式电子设备之中，其高效 率、高精度、高集成度适应了便携式设备的应用要求。 从拓扑结构上来看，d c - d c 转换器包括四种基本拓扑结构：升压( b o o s t ) 型拓扑、降压( b u c k ) 型拓扑、极性反转( i n v e r t i n g ) 型拓扑和c u k ( b o o s t - b u c k ) 型拓扑。其中b o o s t 结构用于实现直流 电压值的提升，b u c k 结构实现直流电压值的降低，i n v e r t i n g 型结构实现与输入电压反相的电压，而 c u k 型拓扑既可以实现电压的提升，也可以实现电压的降低。 这里主要讲述降压型( b u c k ) 的发展及其特点。降压型结构的电源转换器主要使用于电源电压 高于电路系统需要工作电压的条件下，由于现在的便携式电池供电设备要求的电压越来越低，而电 池供电电压又相对比较固定( 干电池电压为1 5 v ，锂电池电压为3 6 v ) ，所以降压型结构的电源转 换器的应用越来越广泛，对降压型结构的转换效率的要求越来越高。 2 第一章绪论 最早的实现电压降低的结构是简单的电阻分压网络。电阻串联连接，然后由不同的电阻比例来 实现输入电源电压和输出电压的不同的比例的转换。电阻分压网络结构的优点是：电路结构简单， 转换电压比例的控制比较容易。所以电阻分压的结构广泛使用于早期的p c b 级别的电路设计。但是 随着对功耗的越来越重视，电阻分压网络的缺点成为了设计中的瓶颈：由于电阻支路始终处于导通 状态，所以支路的功耗很大。接着又出现了线性调整器，工作在线性区的晶体管与负载串连构成， 对输出电压进行采样，采样电压与参考基准电压进行比较，误差电压驱动串连的功率晶体管。线性 调整器也有其固有的缺点：串连功率晶体管的损耗比较大、输入与输出电压需要专门电路进行隔离。 但是线性调整器的出现，直接的引起了开关电源调整器的出现。开关电源调整器也是采样输出电压， 然后与锯齿波信号比较产生占空比可以调节的矩形波信号，进而控制m o s 开关晶体管，所以可以达 到转换效率的进一步提升。 现在的降压型d c - d c 结构的拓扑是在开关电源调整器的基础上，加入了许多新的技术构成的， 如同步整流技术、模式自动转换技术等。本文中设计的降压型d c - d c 转换器芯片便是采用开关型结 构加同步整流和模式自动转换的结构。 高效率在所有的功率应用场合都很重要，主要的原因并不是想要节省电费，或者节约能源，而 是因为低效率的转换器想要得到很稳定的输出功率是不现实的巾j 。转换器部件耗散的能量转换为热 能释放出来，需要巨大的、昂贵的冷却装置。热量使得转换器的内部器件工作在高温环境中，降低 了系统的稳定性。提高效率是获得更高的输出功率的关键因素。转换效率是一种电源转换器技术是 否成功的很好的度量手段。如果只有很小的功率损耗，那么转换器的元件就可以各高密度的放置在 一起，使得转换器具有较小的尺寸和重量，以及低的温升。那么便可以得到一个很好的电源转换器。 随着半导体技术的发展，越来越多的电子设备被集成在一个芯片之中。d c _ d c 转换器也经历了 从分立器件到控制电路集成、功率器件外接，到功率器件和控制电路全部集成在一个芯片中的过程。 而且，越来越多的附加保护功能也被集成到单个芯片之中，如过流保护、低电压保护、温度保护等。 从控制方式上来看，d c - d c 转换器一般分为频率调制( p f m ) 控制、脉宽调制( p w m ) 控制 和p w m _ p f m 切换控制这三种控制方式。三种控制方式各有优缺点。p f m 控制时，当输出电压达到 设定电压时，控制开关即断开，电感和电容对负载供电，同时输出电压下降，在下降到设定输出电 压之前，控制电路不进行任何操作，当输出电压下降到设定电压一下时，控制电路再次使开关管导 通，电源对负载供电，同时在电感和电容中存储能量，当电压再次高于设定电压时，重复以上的过 程，维持输出电压的恒定。 p w m 模式工作时，控制电路检测输出电压，并且改变输出管栅极的矩形波信号的占空比，当输 出电压比设定电压低的时候，提高占空比，这样输出管导通时间延长，提升输出电压；同理，当输 出电压高于设定电压时，降低占空比，输出管导通时间变短，降低输出电压。通过这样的反馈控制 来维持输出电压与设定的电压保持一致。 但是p f m 模式和p w m 模式都存在一定的问题，p f m 模式控制在输出电流比较小的情况下工作 的非常好，因为输出电压达到设定值，开关管就会关断，所以消耗的电流非常的少。但是p f m 模式 的输出纹波电压比较大。而p w m 模式的纹波电压非常的小，而且可以通过提高开关频率的方法进 一步减小需要滤波电容的尺寸。p w m 模式在输出电流比较大的场合电压转换效率非常高，可是输出 电流比较小的情况下，开关仍然高频的开关，造成开关损耗所占比重急剧上升，影响了电压转换效 率。所以选择p w m p f m 切换控制模式来控制d c d c 开关转换器。在输出电流比较小的时候，采 用p f m 模式控制，而当输出电流比较大的时候，控制电路自动切换为p w m 控制模式。这样可以充 分发挥p w m 和p f m 两种控制模式的优点。尤其是在具有待机模式的电路系统中，p w m p f m 模式 转换控制可以得到最佳的电压转换效率，延长电池的使用时间。 从反馈检测的电流参数的不同，又可以分为电压模式、峰值电流模式和平均电流模式。电压模 式是比较早，而且比较简单的模式。电压模式的转换器只有一个电压反馈环，电路检测输出电压的 变化，反馈给运算放大器，与基准电压信号进行比较，误差信号再与锯齿波信号产生占空比可以调 节的矩形波，进而控制功率开关管的导通与关断；峰值电流模式的转换器是由电压模式改进得来得， 它在电压模式转换器的基础上增加了电流反馈环，电压环和电流环共同作用，通过控制峰值电流的 3 东南大学硕士学位论文 大小，间接的控制p w m 脉冲的宽度。峰值电流模式构成一个双环的控制系统，电流内环和电压外 环，电流环按照脉冲快速工作，而电压环控制功率级电路。其工作的方式可以简单概括为固定始终 开启，峰值电流关断。但是，决定输出电压值的应该是输出电流的平均值而不是峰值，所以又进一 步演化为平均电流模式。 1 3 论文的内容和结构 便携式电子产品通常采用电池供电，随着放电的进行，电池电压逐渐降低，电池内阻逐渐增大： 一方面，在电池开始使用时，端电压较高而电池内阻较小，易造成输出电流大于负载实际需要电流 而造成电能的浪费，尤其不利于系统工作时间及待机时间的延长；另一方面，使用一段时间后，端 电压降低而电池内阻增大，致使负载变化引起较大的供电电压的变化，又不利于系统维持高性能的 工作。为延长电池使用时间以及得到稳定的直流输出电压，需要效率高、体积小、重量轻的低电压 d c - d c 转换器。 本论文主要研究并设计一款大电流高效率降压型d c - d c 转换器芯片，芯片使用于便携式电池供 电设备之中，将电池电压转换为c p u 或内部电路正常工作需要的1 8 v 直流稳定电压。芯片输入电 源电压为2 - 6 v ，输出为1 s v 的稳定直流电压，输出电压纹波小于l o m v ，输出电流可以达到5 0 0 m a 。 芯片内置振荡器电路工作频率为1 2 m h z 。芯片采用c s m c0 5 f a n 、双多晶、三铝混合信号c m o s 工艺设计，并且成功流片、测试。 本论各章节内容安排如下： 第二章介绍降压型d c - d c 转换器的原理分析。叙述b u c k 型d c - d c 转换器的拓扑结构的设计， 以及降压型d c - d c 转换器的功率级电路结构，并且介绍结构中的关键问题以及注意事项。分析 d c d c 转换器的功率损耗问题，并且采用同步整流和p w m p f m 模式自动转换技术来减小功率损耗， 提高转换效率。 第三章叙述d c d c 转换器芯片的主要电路模块设计以及仿真结果分析。芯片主电路包括1 1 个 电路功能模块，文章中主要分析了几个关键模块的性能指标，并且采用c a d e n c e 内置的s p e c t r a 工具 进行电路功能仿真，对仿真结果进行分析讨论。文章讲述了带隙基准电压源、偏置电路、p w m 脉宽 调制比较电路、低电压锁定电路、振荡器电路等模块的设计和仿真分析。 第四章叙述芯片版图的设计。首先讲述版图布局规划以及整体设计的考虑，主要是各模块的放 置位置相对关系，模块之间的互联，依据控制信号的流向和芯片的功能来确定模块布局。其次，对 应第三章的电路设计，主要介绍带隙基准源模块的版图设计，以及版图中考虑到的工艺问题。第三 介绍整个芯片中无源器件、e s d 保护、模块隔离、保护环和输入输出p ：a d 的设计考虑。最终得出芯 片的完整版图，并给出版图封装方案。 第五章是芯片的测试结果与分析讨论。芯片在c s m c 0 5 f t m 、双多晶、三铝工艺流片。通过测试， 芯片基本满足设计指标的要求。本章对比并且分析实际测试结果与原始设计指标的差别，分析了产 生差别的原因，提出改进意见，为今后的改进工作做出一些贡献。 第六章是对本文工作的总结，总结电路仿真的结果和实际测试结果，分析芯片设计中存在的问 题，并对今后本论文的研究方向和芯片改进提出自己的建议。 4 第二章降压型d c d c 转换器 第二章降压型d c d c 转换器 开关电源转换器在设计之中，可以分为功率级设计和控制电路级设计。本章主要讲述功率级的 设计，介绍d c - d c 转换器的基本拓扑结构，工作原理分析；讨论d c d c 转换器的功率损耗问题， 并且分析如何采用同步整流和p w m p f m 工作模式自动转换两种技术提高转换器的转换效率，降低 其功率损耗，将整体电源转换效率提升到9 0 以上。分析了同步整流和p w m p f m 自动转换的原理 和实现细节。 2 1d c d c 转换器原理 d c - d c 转换器是直流电压转换的主要单元。通常，转换器的结构可以看作一个三端口网络，包 含三个端口，功率输入端口、控制端口和功率输出端口【6 】。如图2 - 1 所示。外界输入的电压信号通过 由控制信号控制的转换器，变换成为稳定的输出电压信号。输入的电压可以被提高电压值、也可以 被降低电压值或者改变为相反的电压极性输出。 图2 1d c d c 转换器框图 d c - d c 转换器有多种分类的方法。按照工作方式的不同来分，可以分为升压( b o o s t ) 型、降 压( b u c k ) 型、极性反转( i n v e r t i n g ) 型和c u k ( b o o s t b u c k ) 型四种基本的拓扑结构【7 j ；按照环路 控制方式来分，又可以分为脉冲宽度调制( p w m ) 型、脉冲频率调制( p f m ) 型和p w m p f m 自动 转换型；按检测参数的不同，可以分为电压模式、峰值电流模式和平均电流模式。下边分别介绍不 同分类方法下各种拓扑结构的特点及其应用。 2 1 1 按工作模式分类 ( 1 ) 升压型拓扑( b o o s t ) 升压转换器的拓扑结构如图2 2 所示，电路由开关晶体管m 、整流二极管d 、电感l 和电容c 组成，电路的输入电压为v m ，输出电压为v o u t ，开关管m 的导通和截止由控制电路的控制信号v c o n 进行控制。b o o s t 型开关电源将输入电压变换为较高的稳定输出电压。电路的工作原理为：当开关管 m 导通时，外接电源通过左边回路进行放电，电感电流线性上升，能量储存在电感l 上，电容c 对 负载供电，电阻r 上流过的电流为i o u t ，r 两端的电压为v o u t 。由于二极管上为反向电压，所以二 极管支路不导通；当开关管m 截止时，由于电感中的电流不可以突变，所以电感电流维持原状，而 电感上的电压极性发生改变，相当于一个电压值等于外接电源电压加上电感电压的新的电源对负载 r 供电，电感电流逐渐减小，能量从电感流向负载，并且同时储存在电容c 上边，由于是电源电压 5 东南大学硕士学位论文 v i n 和电感l 上的电压同时对r 供电，所以v o u t v i n 。如此不断的周期性重复以上的两步，便可以 实现提升输出电压的目的。可以看到电路中的电感l 是电压提升的关键部件。 ld + v o u t 图2 - 2b o o s t 型拓扑结构 在开关管m 导通周期内，输入电源电压v m 对电感l 进行充电，电感电流呈线性上升，上升的 斜率为v i n l ，电流的变化关系为： a l ：v _ 丝n t o 刀 ( 2 1 ) l 在开关管m 关断的周期内，电感l 对负载进行放电，电感电流线性下降，下降的斜率为( v o u t 一n ) ，l ，电流的变化关系为； a l ：( v o u t - v i n ) 乃 ( 2 2 ) l 在电路连续工作模式下，充放电会达到平衡，达到平衡之后可以推出b o o s t 型开关电源的输出 电压与输入电压间的关系式： 助斫：l 胁( 2 3 ) l d 上式中，d = t o n ( t o n + t o f 0 ，为开关管工作占空比，t o n 为开关管导通时间，t o f f 为开关管关 断时间。由于占空比d i ，所以u t 始终大于v m ，实现了电压值提升的功能。 ( 2 ) 降压型拓扑( b u c k ) 降压型拓扑结构如图2 - 3 所示，图中m 为开关管，d 为续流二极管，l 为电感，c 为电容，r 为负载电阻。电路的工作原理为：开关管m 导通，由于二级管d 上是反相偏压，所以二极管d 不 导通，电源直接对负载供电，同时能量存储在电感l 中，电感电流线性上升；当开关管m 关断时， 由于电感l 上的电流不能突变，所以二极管d 支路导通，电感上的能量通过右边回路转移到负载上， 同时储存在电容c 上边。上述两个过程周期性重复执行，便可以产生一个稳定的输出电压。输出电 压u t 总是小于输入电压v m 。 6 第二章降压型d c d c 转换器 v l 土 vuu - v v c o n = - 】【dc = = r ： + v o u t 图2 3b u c k 型拓扑结构 经电感l 、电容c 滤波，在负载r 上可得到脉动很小的直流电压v o u t 。为推导b u c k 型开关电 源的输出电压与输入电压间的关系，考察开关节点x 处的波形：开关管m 导通时，二极管d 支路截 止，有v x = v i n ；当开关管m 关断时、整流二级管d 导通，有v x = 0 。忽略电感l 、电容c 上的寄 生电阻，负载r 上得到的输出电压值与v x 的平均值相等，所以有 踟u t = v i n d( 2 4 ) 其中d 为开关管m 导通的占空比，且有d i 。 可以用简化的方法得出降压型拓扑的输出输入电压关系，对b u c k 型拓扑的工作过程进行分析： 在开关管m 导通周期内，电源电压v i n 对电感l 充电( 同时向负载进行供电) ，电感电流线性 上升，上升的斜率为( v i n - - v o u t ) l ，此时电流变化关系为： 红：f i n - v o u txt o n ( 2 5 ) l 在开关管m 关断周期内，电源通路断开，电感对负载进行放电，同时能量储存在电容c 上，电 感电流线性下降，下降的斜率为v o u t l ，此时的电流变化关系为： a l ：v o u t 乃矿 ( 2 6 ) l 一 同样，在电路连续工作模式时，充放电过程达到平衡，平衡状态达到后，可以的到降压型拓扑 的输出电压和输入电压的关系： 场u t = d v i n ( 2 7 ) 其中d 为开关管导通占空比，t o n 为开关管导通时间，t 0 f f 为开关管关断时间。由于占空比d i ， 所以v o u t v - m ，实现了电源电压降低的功能。 ( 3 ) 极性翻转型拓扑( i n v e r t i n g ) 极性翻转型拓扑又称为b u c k - b o o s t 型拓扑，是通过一个b u c k 型的串接一个b o o s t 型的结构构 成的，通过一定的简化处理【7 】，可以得出简化的i n v e r t i n g 型的拓扑结构，如图2 - 4 所示，图中m 是 开关晶体管，d 是二极管，l 是电感，c 是电容，r 为负载电阻。i n v e r t i n g 型拓扑的特点是输出电压 的极性和输入电压的极性相反。电路的工作原理是：当开关管m 导通的时候，由于二极管d 上是反 向电压，所以二极管支路相当于开路，从电源流出的电流流过电感l ，能量存储在电感上；当开关 管m 断开后，由于电感l 上的电流不能突变，所以右边二极管回路导通，负载上存在一个与输入电 压反相的输出电压。周期性重复上述两个步骤便可以产生一个与输入电压反相的输出电压。得到的 脉动输出电压，通过电容c 的滤波作用，产生一个稳定的反相输出电压。 7 东南大学硕士学位论文 + v o u t 图2 4i n v e r t i n g 型拓扑结构 该电路的工作过程可简单分析如下：第一阶段，开关管m 导通，二极管d 截止时，有v x = v i n ， 此时，电感电流线性上升，能量储存在电感l 中，电容c 对负载r 进行供电；第二阶段，开关管m 截止，由于电感l 上的电流不可以突变，所以二极管d 导通，在电感的作用下，x 点电位跃变到l i t 附近，电感电流开始线性下降，能量由电感元件流向电容c 和负载r ，有v x = v o u t 。经电容c 滤波， 在负载r 上可得到脉动很小的直流电压v o u t ，计算输入电压v o u t 的平均值可以推导出i n v e r t i n g 型 开关电源的输出电压与输入电压间的关系式： ，) 砌讲= 一= _ 一x f i n ( 2 8 ) 1 一d 由式2 8 可以看出来，b u c k - b o o s t 型拓扑转换器的电压增益是随着开关管占空比d 的变化而变 化的，于是可以得到： 可见b u c k - b o o s t 型拓扑结构的优点是，随着占空比d 的变化既可以实现升压的功能，也可以实 现降压的功能，产生与输入电压极性相反的、或高或低的输出电压。 ( 4 ) c u k 型拓扑 c u k 型拓扑又称为b o o s t - b u c k 型拓扑，同i n v e r t i n g 型拓扑相类似，是将b o o s t 型结构和b u c k 型结构相串连构成。其电路原理图如图2 5 所示。图中m 为开关晶体管，d 为整流二极管，c 1 、c 2 为电容，l l 、l 2 为电感，r 为负载电阻。其中电容c l 是从输入到输出的主要换能元件。 l 1 c i l 2 图2 - 5c u k 型拓扑结构 8 + v o u t 9 5 5 5 0 o o d d d ， ， ， 吼侧咧 以 以 彬 砌 助 场 第二章降压型d c - d c 转换器 c u k 型拓扑的工作原理是：当开关管m 导通时，二极管d 截止。左边回路中，电流由外接电源 流向电感l l ，电感电流线性增加，能量储存在电感l l 之中，在右边回路中，电容c l 对电容c 2 、 负载r 及电感l 2 放电，因此d 受反向偏压而截止，电容c l 中储存的能量转移到电感l 2 1 当开关 管m 截止时，二极管d 导通，在左边回路中，电流由电源流到电感l l 、电容c l 和二极管d ，电流 对电容c l 进行充电，电感l l 中存储的能量转移到电容c l 上，在右边回路中，电感l 2 中的电流不 能发生突变，所以二极管d 导通，于是能量由电感l 2 传送到给电容c 2 ，同时对负载r 进行供电。 可以得出c u k 型开关电源的输出电压与输入电压间的关系式为： n 砌川= = 一x 砌l ( 2 1 0 ) 1 一d 公式2 1 0 与公式2 8 的绝对值是相同的，所以同样可以的出如下的关系： l v o u t i 0 5 i c u k 型拓扑结构和i n v e r t i n g 型拓扑结构一样，也可以实现升压、降压功能。通过占空比的变化 可以改变电压的增益。c u k 型拓扑电路比较复杂，但纹波性能得到改善。若将两电感绕在同一磁芯 上，选择合适的匝比、耦合系数等，可得到零纹波输出。这是c u k 型拓扑的最大的优点。 2 1 2 按控制方式分类 ( 1 ) 脉冲宽度调制( p w m ) p w m 转换器是开关管重复导通关断的工作方式，把直流电压值变换为矩形波电压信号，再经过 电感电容电路整流滤波后变为不同的直流电压值输出。p w m 转换器由功率开关管、整流二极管、滤 波电容和电感等元器件组成。p w m 转换器的工作原理如图2 - 6 所示，锯齿波信号的幅值为v a ，输 出电压采样信号为v b ，电压信号v a 和v b 通过电压比较器进行比较，输出信号为v c 。由于输出电 压的采样信号是变化的，所以输出电压信号v c 的占空比也是变化，即为通过v b 的变化可以控制 v c 的占空比，占空比的变化又可以反过来控制输出电压值。提高开关管的工作频率，滤波电感l 及 滤波电容c 都可以小型化，满足现在高集成、小型化的需要。 l v ( t ) 。 一 t t o 。t 硪。 l t 图2 - 6 p w m 工作原理 p w m 控制的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比较的差值进行闭环负反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲占空 比，使得输出电压保持稳定。p w m 控制技术保持固定的开关频率，通过改变电感的充电、放电时间 保持稳定的负载电压。这种控制技术能够在较宽的负载范围内保持较高的转换效率。控制取样信号 有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单 9 东南大学硕士学位论文 环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、 抗偏磁、均流等功能。此外，由于开关频率是固定的，噪声频谱的带宽很窄，只需简单的低通滤波 器就能够大大降低输出电压的纹波。 p w m 控制方式分为电压控制模式、峰值电流控制模式和平均电流控制模式三种：电压控制模式 只反馈输出电压的变化，这意味着d c - d c 转换器为了响应负载电流或者输入线电压的变化，必须要 等到这些变化被输出电压所体现出来，这样会影响转换器的稳压特性，负载随着输入电压的扰动会 产生相应的输出电压波动。为了弥补电压控制模式的这个缺点可以采用电流控制模式，这种模式把 转换器分成两条控制环路：电流环控制通过内部控制环路，电压环控制通过外部控制环路，结果在 逐个开关脉冲上不仅可以响应负载电压的变化而且也可以响应电流的变化。 三种控制方式的原理如下：如图2 7 是电压环单环控制模式电路图。图中采样输出电压v o u t ， 采样到的电压和基准电压钉通过运算放大器e a 进行比较，输出误差信号为v e r r o r 。输出误差信 号v e r r o r 与振荡器电路产生的锯齿波信号，通过电压比较器c o m p 进行比较，比较器输出的信号既 是占空比随误差信号变化的矩形波信号。然后由矩形波信号控制输出开关晶体管m ，产生占空比可 以控制的矩形波输出电压信号。输出矩形波信号通过电感l 和电容c 的滤波作用，生成需要的输出 直流电压信号u t 。输出直流信号u t 的电压值为输出矩形波信号的电压平均值。 图2 7 电压模式控制的p w m r 图中v e r r o r 的大小取决于v o u t 的大小，v e r r o r 再与锯齿波电压相比较，就产生了一定占空比的 方波信号，来控制开关管的导通和关断。由此可见，不同的u t 产生不同的v c r r o r ，从而产生不同 占空比的方波，可以实现占空比的连续可调，v o u t 越大使得占空比越小，v o u t 越小使得占空比越大， 如此构成闭环控制，使得输出电压v o u t 稳定。 图2 - 8 是电流模式控制的电路图，电流模式拓扑的特点是有两个反馈环，检测输出电压的电压 内环和检测开关管电流的电流内环。采样开关晶体管m 上的电流反馈给前端电路，并且进行合适的 斜坡补偿电路。电路中存在电压环和电流环双环控制，输出信号的占空比由输出电压和电感上的电 流同时确定。 1 0 第二章降压型i x ：d c 转换器 r 图2 8 电流模式控制的p w m 峰值电流模式控制的p w m 并不像电压模式那样与振荡器电路固定的矩形波电压信号进行比较， 而是与一个变化其峰值代表输出电感电流峰值的矩形波信号进行比较，然后得出p w m 控制的占空 比可以调节的控制信号。它是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方式。由于峰值电流比较容 易采样，所以峰值电流模式设计比较简单。但是，电感的峰值电流的大小并不与电感平均电流一一 对应，而我们用来控制的信号应该是采样电感电流的平均值，电感电流平均值才是输出电压大小的 唯一决定因素。可以用数学推导证明，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上的斜率加在实际检测 到电感电流的上斜坡上，可以消去不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得电感电流最终 收敛于平均电感电流【s j 。这就意味这需要在电路中增加一定的斜坡补偿电路。 ( 2 ) 脉冲频率调制( p f m ) 脉冲频率调制( p f m ) 是指开关工作频率是变化的，在占空比一定的情况下，调整脉冲频率，通过 调节控制开关管通断的脉冲频率随负载变化达到使输出电压恒定，即开关管的开关频率随负载和输 入电压的变化而变化。p w m 控制是固定开关周期，调节占空比来稳定输出：而p f m 是固定占空比， 调节开关周期来稳定输出。p f m 一个工作周期一般分为两个阶段：电感电流上升、电感电流下降。 p f m 控制模式的优点是静态电流小、在负载较小时效率较高，缺点是噪声和输出脉动比较大， 工作频率随时在变化，对其他设备干扰较大，而且不容易消除，所以一般使用不多p j 。p f m 可以采 取两种工作方式：一、固定每个周期的开启脉冲宽度，这种情况下，电感电流会随着输入电压的变 化而变化，不利于选择电感；二、峰值电流控制，检测开关器件的电流，在达到一定的值时将开关 器件关断，