（微电子学与固体电子学专业论文）带ldo的pfm升压dcdc转换器的研究.pdf

摘要 摘要 开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的 各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展 不可缺少的一种电源方式。因此，开展本项目的研究具有特别重要的意义。 本文设计了一种p f m ( p u l s e q u e n c ym o d u l 撕o n ) 升压d c d c 转换器，并带 有线性降压功能。该芯片利用c a d e n c ee d a 工具，基于c s m c o 6 微米c m o s 工 艺设计，拟采用8 脚t s s o p 封装。芯片正常工作温度范围为3 0 0 c 8 5 0 c ；输出电 压为1 8 v 3 o v 3 3 v ；低静态电流( 3 2 n a ) ；最高效率可达到9 0 。主要应用于单节 或双节碱性电池和u s b 中，如：m p 3 、p d a 、照相机、摄录像机等。 文中首先分析了线性电压变换器的基本原理，并给出了电路系统的性能参数。 然后简单介绍了d c d c 变换器的电路拓扑以及开关电源的控制方式。在此理论基 础上对该电源芯片内部的各个模块，如电压基准源、偏置电路、振荡器、误差放 大电路和驱动电路等模块进行了具体的电路设计和分析仿真，且达到了相应地设 计指标，最后，完成了整体电路仿真和版图设计。 关键词：d c 仍c ，脉冲频率调制，线性降压，升压降压 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，s w 如c h i n gp o w e rs u p p l ym 蝴g e m e n ti c s a r el a r g e l yu s e di i lm e c o m p u 把r st l l a td o m i 啪ti n 也ef i e l do f 觚i n a ld e v i c e s ，c o m m u i l i c a d o ne q u i p m e n t s 甜l da l m o s ta l le l e c 缸o n i ce q 伍p m e m sf o r 缸o u t s t a n d i n gs m a l l ，l i g h ta n dh i g h - e f f i c i e n c y f e a n l r e s ，w h i c hh a v eb e c o m et 1 1 ei d i s p e n s a b kp o w e rs u p p l ym o d ef o rt h ef h s tg r o w m g o f t o d a y se l e c t 士l i ci z l j 如m l a ：c i o ni n 也i s 奶f o rt 王1 e s ec a s e s ，也ep r o g r a md i s c u s s e di n 也e p a p c rm 丑k e sas i 目l i f 王c 趾t n s e t h ep 印e rp r c s e n 乜ad e s i 印o fap f m 口l l l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) s t e p - u p d c d cc o n v e n e r 、v i 也l d o b a s c do n0 6 岬c m o st e c h n o l o g yo fc s m c ，血c p r o 鲫mw e s l ec a d e n e d a t o o l s 锄d 弧l la d a p t8 - p i t lt s s o pp a c k a g e t h en o m a l o p e r 如gt e m p e r m 鹏o f 廿l i s 出pm g e s 疗d m 一3 0 t o8 5 ，m eo u t p mv o l t a g ea r e 1 8 v 3 0 v 3 3v ，血el o wq u i e s c e n tc u r r c i n ti s3 2 肛aa 1 1 dt 1 1 em a ) 【i m 啪e 位c i e n c yr e a c h e s 9 0 n ec h i pi si d c a lf o r1c e l io r2c e l la l k a l i n eb a 他r ya i l du s ba p p l i c a t i o 璐f o r e x 锄p l e ，m p 3 s ，p o w e rs 0 1 l r c ef o rp d a 5 ，c 锄c r a sa n dv c 黜a 1 1 ds oo n t h ep 印c r ，f l r s t ，a i l a l y s e sm eb 船i cp r i n c i p l e so fl 抽e 廿v o i 协g er e g u l a t o ra i l d p r e s e n t st l l ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 ec i r c u i ts y s t e m s e c o n d ，i tb r i e n yi m r o d u c e s t 1 1 ec i r c u i tt o p 0 1 0 9 i e so fd c 仍cc o n v e r t e ra i l dm ec o n 仃o lm o d e so fs 、i t c hp o w e r s u p p l y a n dn l e n ，b a s e do nm ea b o v et h e o r i e s ，n l ec i r c u i td e s i g na i l ds i m u l a t i o nm e a n s h a v eb e e nc o n c r e t e l y 印p l i e di nt h ei n t e m a lm o d u l e so fv 0 1 t a g er c f e r e n c e ，b i a sc i r c l 】i t ， o s c i l l a t o r ，e r r o r 锄p i i f i e ra i l dd r i v ec i r c u i to fm ec h i pa i l ds oo n t h er e l e v a l l td e s i g n i n d e x e sa r es u c c e s s f u l l ya c l l i e v e d a t1 a s t ，t 1 1 ew h 0 1 ec i r c u i ts i m m a t i o na i l dl a y o u t d e s i g n a r ec o 瑚【p l e t e d k q 唧o r d ：d c d c ，p f m ，l d 0 ，s t 印u p d o w n l i 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： 斡日期矗6 年 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：叁 肆惑锄签名：丑垫 日期：如召年岁月j ，曰 第一章绪论 第一章绪论 八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到 应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电压有显著 减少，而且对整机多项指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来随着 新的电子元器件、新的电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断地出 现并应用到开关电源中，开关电源达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因 数高、可靠性高的特性。许多领域越来越多应用开关电源，例如邮电通信、军事 设备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等，都取得了显著效益。 1 1 开关电源的发展 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源 技术在不断地创新，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器， 是实现高频转换控制电路的开端 1 】，1 9 5 7 年美国查赛( j e ns e n l 发明了自激式推挽双 变压器，1 9 6 4 年美国科学家们提出取消：亡频变压器的串联开关电源的设想，这对 电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1 9 6 9 年由于大功率硅晶体 管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5 千赫的 开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为 主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞 速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体 管制成的1 0 0 k h z 、用m o s f e t 制成的5 0 0 k i z 电源，虽已实用化，但其频率有待进 一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有 高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管 中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大 大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启闭所发生的电压浪涌，可采用 r c 或l c 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制 电子科技大学硕士学位论文 成的磁缓冲器。不过，对1 m h z 以上的高频，要采用谐振电路，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，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致 力于数兆h z 的变换器的实用化研究1 2 】。 1 2 开关电源现状 1 2 1 国际开关电源现状 根据美国半导体产业协会( s i a ) 的预测，从2 0 0 5 年到2 0 0 8 年，全球半导体销 售额的年复合增长率( c a g r l 约为9 7 ，到2 0 0 8 年将达3 ，0 9 0 亿美元。 从地理位置来看，s i a 预计亚太地区f 日本除外1 是增长最迅速的地区，从2 0 0 5 年到2 0 0 8 年将以1 4 1 的c a g r 增长市场规模从2 0 0 4 年的8 8 8 亿美元成长 到2 0 0 8 年的1 ，5 0 4 亿美元。亚洲的市场占有率预计将增加7 个百分点，达到4 8 6 ， 而其它所有地区的占有率则将下跌。 s 认主席g e o r g es c a l i s e 在2 0 0 5 年1 1 月中旬指出，虽然i t 产品继续是半导体 的最大应用市场，但消费电子将是带动市场成长的最主要力量。 与此相同，市场调查公司d a t a b e a n s 在最近的一份报告中表示，消费电子市场 已经从历来的线性成长趋势一跃而为指数级成长。d a t a b e a i l s 估计2 0 0 4 年消费半导 体营收4 2 7 亿美元，占2 ，1 4 0 亿美元的整个半导体市场的2 0 左右。平均每年成长 1 2 ，到2 0 1 2 年消费电子产品市场占有率应该达2 2 ，大约8 1 0 亿美元【3 j 。 1 2 2 中国开关电源现状 我国的电源技术研究，从理论到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在 一些方面还常有突破，但是在产品方面，结构和工艺的差距就明显了。现在看来， 我国电源企业据统计大小有几千家。有条件的企业能实现整机系统集成全自动化 的生产，产品体积、具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市 场。而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。 现在我国一些大公司生产的开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而 已有一定数量的出口。在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对0 8 v 5 0 a 第一章绪论 电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。 因为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求， 因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成 的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。这也说明作电路拓扑研究的人员， 要了解和研究系统集成的知识。某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机 构，近年来也投入技术力量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础 研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好 地导向作用【”。 1 - 3 论文安排 论文的章节和内容安排如下： 第一章主要是在查阅文献资料的基础上对论文所涉及到的主要相关学科和 技术进行概略性的介绍，从而对我们的研究工作有一个总体的概念。 第二章对l d o 线性电压变换器进行原理分析，给出理论依据。 第三章对d o j d c 转换器进行原理分析，阐述开关电源主电路的拓扑结构， 介绍丌关电源的三种控制方式。 第四章对实际电路进行结构设计，划分各个模块电路，定义主要设计指标。 设计各子模块实际线路图，进行原理分析，给出仿真结果。采用c a d e c e 电路仿 真软件进行整体电路的仿真分析，根据指标要求进行电路的优化和元器件参数的 调整，使各子模块电路与整体电路的电特性参数达到设计要求。最后根据工艺要 求绘制该芯片版图。 第五章根据工艺线提供的规则文件，进行了版图设计，并通过了版图验证。 第六章总结该电路的设计工作，展望开关电源的发展。 电子科技大学硕士学位论文 第二章线性电压变换器 线性电压变换器的主要特点是调整管工作在线性放大状态，具有稳定度高、 可靠性好、成本较低等优点，但有效率低、笨重、体积较大等缺点，适于中、小 功率和对电性能指标要求比较高的场合。例如在科研和教学实验室、计量室作为 可调电源或基准电源使用。为减小线性电压变换器的功耗，提高其工作效率，可 采用低压降( l d o ) 线性电压变换器。本章首先分析基本线性电压变换器的基本原 理，然后介绍与之相关的一些基本概念。 2 1 基本原理 电压变换器是一个输出电压恒定的电压源，它能够随着负载电阻的改变而改 变自身内阻，从而输出一个恒定的电压值。其原理图见图2 1 【5 】。 确h 图2 - 1 恒压源 恒压源的内阻必须远小于外电路负载( r 。“r 。) ，这样才能保证负载电阻 在一定范围内变化时，输出电压是一个恒定的值。电压源的输出电压如下： 1 w = 嗉- ( 2 - 1 ) r 当电压源空载( r 斗m ) 时，最大输出电压等于输入电压( 。一。= ) 。 随着负载电阻降低( 初始值为无穷大) ，输出电压也随之降低。为方便描述，此处引 入一个参数：输出电压误差率。e 哪被定义为：电压源空载( 月加仰斗。) 时的 输出电压( 。一) 与其有负载时的输出电压( 。一。) 的差值的百分率。 4 第二章线性电压变换器 和k 孛x l o 。 ( 2 - 2 ) 用代替。一。，式( 2 1 ) 替换。上。，则电压误差率可用电阻r ，、只。 的比值来表示： 5 志姆o o ( 2 3 ) 从图2 2 可以看出：输出电压误差率随着负载电阻的降低而升高。 聃 辱柏 言 j 鲫 耋如 鼍 占，。 a ； i i 、。 、 1 01 0 a j t l 且 d ，两n r 埔。 图2 2e 。与r l n 的关系 为使电压误差率最小化，需要一个能够感应负载变化的电路，并通过反馈调 整可变内阻，使其与负载的比值为一常量： 粤： ( 2 4 ) r l 、。 则尺。与r 。0 。成一线性关系：r 。= 斌。实现这种线性关系的电路图如图 2 3 所示。这便是一种基本线性电压变换器。 网n = k x r 嘲d 图2 3 实现月与尺d 线性关系电路图 电子科技大学硕士学位论文 2 2 线性电压变换器 线性电压变换器框图如图2 - 4 ， l 奎i p 嚼日硼耐圭r i 彳v p 上 汀 l 上i 图2 - 4 基本的线性电压变换器框图 图2 4 所示线性电压变换器，可分为以下四个基本的电路模块【5 】。 ( 1 ) 基准电压源( v 0 l t a g er e f e r c n c c ) 基准电压源是所有变换器开始工作的起点。常采用带隙结构，因为这种基准 源能够工作在低的电源电压下，并且有较高的精确度和热稳定性，能够满足电压 变换器的特性要求。典型的带隙基准源电源灵敏度为o 5 1 0 ，温度系数为2 5 5 0 p p i l l 。 ( 2 ) 误差放大器r r o ra m p l i f i e r ) 其功能主要是用来控制输出电压。其中昨= 。月。陋。+ r ：) ，让昨与基准电 压。进行比较，然后控制p m o s 功率管( p a s se l e m e n t ) 栅电压，从而可以控制 输出电压。到需要的值。由于此电路存在负反馈，因此误差放大器的输入差分 信号( = k 一巧。) 几乎为零。设= 则有： 。= 。f 1 + 鲁) ( 2 _ 5 ) 要使式2 5 成立，只有在足够高，可以维持误差放太器和p m o s 功率管( p a s s e l e m e n t l 工作在饱和区时。 ( 3 ) 反馈网络( f e e d b a c kn e t w o r k ) 它的作用是可阻设定一个稳定的输出。，并通过电阻分压后与进行比 墨三童垡堡皇垦銮垫墨 较。因为。为定值，所以只能通过调节r ：r ，来设定。的值。 ( 4 ) 功率管( p a s se l 锄e n t ) 它的主要作用是提高误差放大器的电流驱动能力，来满足负载对电流大小的 要求。即使误差放大器在低功耗情况下，也应具有输出大驱动电流的能力。比较 理想的功率管是增强型p m 0 s f e t 吼如图2 5 ( a ) 所示，p m o s f e t 是在n 型衬底 上制作两个p 阱( 分别是p m o s 肼的源端和漏端) 而形成的。其中，衬底和源端相 连接高电位，漏端接低电位。p m o s 管是通过p 沟道进行导电的，因此，其栅压 相对于源端为负，只有栅压足够低，p 沟道才能形成，p m o s 管才能导通，也才会 有漏电流k 。饱和区简化公式如下： l ；一学蚓一) ：( 1 + ) ( 2 6 ) 由于这种f e t 导电性能随着眩l 的增大而提高，因而也被叫做常关型器件。 见图2 5 ( b ) 。 - | 口和- i ( a ) 基本结构 2 - 3 电路工作过程 一v g s 彻 一v 瞻m ( b ) 辅 输出特性曲线 图2 5 增强型p m 0 s f e t v 由上述线性电压变换器的工作原理可以知道，线性电压变换器是通过工作在 线性状态的调整元件调整其电流或电压，从而使负载上直流电压保持基本不变， 这种调整是靠负反馈来实现的。调整元件与负载串联，则为串联型线性电压变换 器，若是并联，则为并联型线性电压变换器。 下面主要分析负载电阻r 。降低时，变换器的工作过程： 皇王翌垫奎堂堡主堂堡堡苎 由图2 - 6 可知，当负载电阻r 。降低，输出电压从。，降到时：，功率管 的源漏电压从一p k 。升高到一p 击：。睇( 。经过电阻分压而得) 显著低于p 。，则 功率管栅源电压从一p 名。跳到一p 岳：。由此，通过功率管的电流从，。，增加到，。， 咋开始恢复原值，输出电压。、差分电压( = 一p 孟e f ) 也开始恢复。栅电压 逐渐增加到一。，导致输出电流增加到，。，也即产生一个输出电压。 经过电阻墨、r ：分压得咋，其结果使差分电压为零( p r e 。= 一k 。一o ) 。至此， 电路恢复了平衡。 图2 8 中的输出特性曲线进一步说明了电路的工作过程：当r 。降低时， p m o s h 强的工作点从舅跳到最然后被调节到只。 v d u t v b u t l v b u t z a 帅0 帅髓 _ v b 暑1 o v e m 妇 斗 图2 7 变换器框图 咖 厂一 ， p i 獠 虼卜 孺j ! 理。 掣 j ； ， 岫 憎 恤 图2 - 6 吃降低时变换器工作过程 图2 _ 8p m o s 输入输出特性曲线 对给定的静态工作点b ，输出电压稳定( 即：。和是常数) ，此时，可以 用如下的公式定义p m o s 的内阻以及负载电阻： 尺。；粤凡。导 ( 2 7 ) j o z 1 0 【，口， 。蓑。一 一忙 o 盟 第二章线性电压变换器 灿 ，o 一= 惫= 悬 r 一= x 景 令k ；急，则式( 2 - 9 ) 描述了线性电压交换器的线性关系。 2 4 电路的性能参数 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 在设计l d o 线性电压变换器电路之前，不但要充分理解电路原理及电路工作 过程，还要理解各种电路指标与电路结构的关系，分析影响电路参数的各种因素， 以便在电路设计的初始阶段，就尽可能调整电路各因素，使电路的重要参数达标。 这样不仅有利于电路后期设计，而且最终电路的指标也很容易达到。下面对本电 路设计需要考虑的主要电路性能参数进行说明1 7 】： 2 - 4 1 压降( d r o p o u tv o l t a g e ) l d 0 在输入电压大于某个数值时，输出电压稳定，而当输入电压小于这个临 界点时，系统对输出电压不具有调整能力。压降定义为在此i 临界点处输入电压与 输出电压的差值。如图2 9 所示，在压降区内，p m o s 功率管等效为一个电阻，压 降可表示为： 圪。，= ，。月0 ( 2 1 0 ) 如d “t e 宝 口 叠 考 三 畏 鼍 自 j ，l p u t i t 叼b f 、l 】 图2 9l d o 输入输出特性曲线 9 电子科技大学硕士学位论文 在实际应用中，低的压降有助于增加l d o 的调整效率。 2 4 。2 静态电流( q u i e s c e n tc u r r e n t ) 静态电流，即地电流，定义为输入电流与输出电流的差值。静态电流包括了 偏置电流( 如带隙基准、采样电阻及误差放大器电流) 和调整管的栅驱动电流。静态 电流的大小主要由调整管、拓扑结构及环境温度等决定。如图2 1 0 所示，静态电 流可表示为： ，。= j 。一，。( 2 。1 1 ) v i o 图2 1 0u ) o 静态电流不惹图 在实际应用中，低的静态电流可降低内部电路功耗，提高电流效率。 2 4 3 效率卵 效率定义为输出功率与输入功率之比。在l d o 中，静态电流与输入输出电压 限制了l d o 的效率，可由式( 2 - 1 2 ) 表示： 叩= 老为舢 p 均 为了得到高效率的l d 0 ，应降低压降，减小静态电流，同时，减小输入输出 电压的差值。输入输出电压的差值是决定l d o 效率的重要因数。 2 4 4 瞬态响应屹。 瞬态响应是当负载电流阶跃变化时，输出电压允许的最大变化。它是输出电 容值c 0 、输出电容的等效串联电阻e s r 、旁路电容c 。( 用于改善负载瞬态响应) 及 1 0 墨三兰垡壁皇堡壅堡墨 最大负载电流，的函数，用式( 2 - 1 3 ) 表示： ， a k ，一。葶茜缸t + ( 2 1 3 ) 式中，f 。是i d o 的闭环带宽，a 是输出电容的等效串联电阻e s r 上的压降。 为得到良好的瞬态响应，要求l d o 具有高带宽、大输出和旁路电容、低e s r 。 2 4 5 线性调整能力尝等 y 线性调整能力是当输入电压变化时，系统保持恒定输出电压的能力。定义为： 筹( 警) 面】a k 是j i 怛m + 墨协。l ( 2 - 1 4 ) 式中，r 。为调整管漏源间的等效电阻，为负载电阻，卢为调整管的电流增益， 乳为误差放大器在工作点的跨导。由式( 2 1 4 ) 可知，增大卢与，可提高l d o 的 线性调整能力 2 4 6 负载调整能力筹 负载调整能力是当负载变化时，系统保持恒定输出电压的能力。定义为： 等= ( 警) 去 协均 虬ir ：j 磨。 、 式中，卢为调整管的电流增益，g 。为误差放大器在工作点的跨导。同理，可增大卢 与来提高l d o 的负载调整能力。 2 4 7 频率响应 频率响应是评价l d o 系统稳定性的个重要性能参数，可由l d o 系统的a c 小信号模型( 如图2 1 1 ) 确定【”。 由图2 1 1 可得系统的输出阻抗z 。 铪，卜+ 剖甚 ；矗糍凳生瓦蕊 p 峋 s 2 月1 2 p r 脚c 口c 6 + 5 陋l ：p + 尺脚f 。+ r 】2 p c 6 j + 1 、。一7 皇王型垫奎堂堡主堂笙垒苎 式中，r 。：，= r 。1 l 伍，+ 月：) 吠。 ( 2 - 1 7 ) 一般地，c 。c c c 。所以 ，r 女【1 + s r m c 。) 乞“矸可i 瓦j 玎面习可网 l ( 2 - 1 8 ) 图2 l l l d o 系统的a c 小1 5 号模型 由式( 2 1 8 ) 可得到l d o 的开环传输函数的一部分，同时也可得到系统的极点和 零点。 只一赤一南 c z 棚， 咒一蕊 p 2 。) 耻矗 。艺” “2 俄。，c 。， 7 z 一。去 ( 2 - z z ) 对于p m o s 器件，r 。一n ，。，一1 a ( 是沟道长度调制系数) 。极点只由调 整管漏源间的等效电阻r 。和输出电容c 。构成，极点只由输出电容的等效串联电 阻只。和旁路电容c 。构成，极点只由误差放大器的寄生参数r 。，、c 。，构成。零 1 2 第二章线性电压变换器 点z m 由r m 和c 。构成。 2 4 8 精度( a c c u m c y ) 系统精度主要是由以下因素在输出端引起的误差电压产生：线性调整陋p k l 、 负载调整l 小基准电压温漂、误差放大器输出电压温漂吃、采样电 阻容忍度吃和温度系数瑶。系统精度定义为： 爿c c “，n r ；i ! ! ：! l ：! ! ：! ! l ：， j ! i ； j ：j ! ；! ；：! ! ! j l ；! ；i ! 巫。( 2 z s ) 影响系统精度的主要是基准电压温漂吃可、误差放大器输出电压温漂吃、 采样电阻容忍度吆。 综合以上分析可知，设计l d o 线性电压交换器关键要求是具有小的压降、稳 定的基准电压、高带宽高增益的误差放大器及小的静态电流等1 9 1 。 电于科技大学硕士学位论文 第三章d c d c 变换器 开关电源主要由主电路与控制电路两大部分组成，主电路是将电能传递给负 载电路。即d d d c 变换器，它是转换的核心，涉及频率变换。控制电路是按照输 入输出条件控制主电路工作状态的电路，即控制调整管的开启和关断。 把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是寤联一个电阻分压，这样不 涉及频率的问题，电路结构简单但效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使 带有滤波器的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另个 直流电压。这就是d c ，d c 的基本原理i 。 开关电源常用的基本拓扑约有1 4 种。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。 选择时要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽 量少等( 1 t 】。 本章将介绍三种早期的基本拓扑b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 变换器 并讨论其工作原理及应用场合，b u c k 、b o o s t 各点的兑型波形。然后介绍开关 电源的三种控制方式。 3 1d c d c 变换器的电路拓扑 3 1 1b u c k 变换器 b u c k 电路又名降压变换器。如图3 1 所示，b u c k 电路由功率管( p a s s e l e m e n t ) 、二极管d 、电感l 、电容c 组成。电路将输入直流电压v s 转换为输出 直流电压v o ( v o v s ) 。 剧3 1b u c k 电路榧图 削3 一tb u c k 电路框图 第三章d c ，d c 变换器 为分析稳态特性，特作以下假设： ( 1 ) 功率管、二极管均为理想元件。即可以瞬间地导通和截止，且导通时压降 为零，截止时漏电流为零。 ( 2 ) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电 容的等效串联电阻为零。 ( 3 ) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比 + 。 v 3 ( a ) i 哼 一i 叶i l + i l c 末r 一l1 图3 2b u c k 变换器工作过程 b u c k 电路工作过程如下【1 2 】： 当功率管导通时，如图3 2 ( a ) 所示，有电流j s = i l 流过电感线圈l ，在电感线圈 未饱和前，电流线性增加，在负载r 上流过电流i o ，两端输出电压v o ，极性上正 下负。当i s ，i l ，电容在充电状态。二极管承受反向电压。当功率管截止时，如图 3 2 f b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持其电流i l 不变。负载r 两端电压仍是上正下负。当i s v s ) 。 v s 图3 4b 0 0 s t 电路框图 b o o s t 电路工作过程如下n 3 陌 锔 ll r 电路 + v o 图3 5b o o s t 变换器工作过程 1 6 第三章d c d c 变换器 当功率管导通时，如图3 5 ( a ) 所示，有电流i l 流过电感线圈l ，在电感线圈未 饱和前，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈l 中。此时，电容c 放 电，在负载r 上流过电流i o ，两端输出电压v o ，极性上正下负。由于功率管导通， 二极管d 阳极接v s 负极，二极管承受反压，所以电容不能通过。当功率管截止时， 如图3 5 ( b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持其 电流i l 不变。这样线圈l 磁能转化成的电压v l 与电源v s 串联，以高于v o 电压 向电容c 、负载r 供电。高于v 0 时，电容有充电电流；等于v o 时，充电电流为 零；当v o 有降低趋势时，电容向负载放电，维持v 0 不变。由于负载供电电压为 v s + v i 。，v o 大于v s ，则称它为升压变换器。工作中输入电流i s = i l 是连续的。但 流经二极管d 的电流却是脉动的。由于有电容c 的存在，负载r 上仍有稳定、连 续的负载电流i o 。 ! j 臼臼臼1 扫口口口 八1 卜。l 么么一 l h ： 0 1t f k - - * _ ( a 1 电感电流连续 ( b ) 电感电流不连续 图3 6b o o s t 变换器工作波形 b o o s t 变换器中各点波形图见图3 6 。图3 6 ( a ) 中i l 为电感纹波电流，t o n 为功率管导通时间；t o f f 为功率管截止时间；t s 为功率管导通截止工作的一个周 期时间。同理有： t s = t b n + t o f f( 3 - 3 ) 对于图3 6 ( b ) 中，t o n = d 1 t s ，但t o f f ( 1 - d 1 ) t s ，有： t s t o n t b f f = d 3 t s( 3 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 3 1 3b u c k b o o s t 变换器 b u c k - b o o s t 变换器又名降压升压变换器，电路组成是在b u c k 变换器后 串接一个b o o s t 变换器，此电路可逐步简化为如图3 7 所示电路。 v 8 v o + 图3 7b u c k - b o o s t 电路框图 b u c k - b 0 0 s t 电路工作过程如下： 为分析稳态特性，所需假设与b u c k 电路的假设相同。 当功率管导通时，有电流i l 流过电感线圈l ，l 储存电能。当功率管截止时， 电流i l 有减小趋势，电感线圈产生自感电势反向，为下正上负，二极管d 受正向 偏压而导通，负载r 上有输出电压v o ，电容c 充电储能，以备功率管导通时放电 维持v o 不变。由于负载上的v o 电压极性与输入电压v s 的极性相反，故称为反号 型变换器。电路中电流i s 、i 都是脉动的，但通过滤波电容c 的作用，输出电流i o 是连续的。 3 2 开关电源的控制方式 开关电源控制的方式主要有：脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 、 脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 、脉冲频率宽度调制( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p f m p w m ) 。 3 2 1 脉冲宽度调制( p w m ) p w m 控制方式的基本原理就是输入电压、内部参数及外接负载变化的情况 时，控制电路通过被控制信号( 主要是输出电压) 与基准电压信号的差值进行闭环反 馈，调节主电路开关管的导通时间( 脉冲的周期保持不变) ，即导通脉冲宽度，来达 到稳定输出电压的目的。p w m 反馈控制模式主要有两种：电压模式控制p w m ； 箜三童里! 里竺銮垫墨 电流控制模式p w m 。 p w m 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音 低，满负载时效率高且能工作在连续导电模式。缺点是当负载较小时控制电路的 工作电流在总的工作电流中比例上升，导致效率降低、静态功耗增加。现在市场 上有多款性能好、价格低的p w m 集成芯片，如u c l 8 4 2 2 8 4 2 3 8 4 2 ，t l 4 9 4 ， t l l 4 5 1 a ，s g l 5 2 5 2 5 2 5 等 3 2 2 脉冲频率调制( p f m l p f m 控制方式是保持调整管的导通时间一定，改变其截止时间来稳定输出电 压。当负载变化使输出电压下降，变化的输出电压通过误差比较器使得调整管的 截止时间减小，输出电压因此而上升，补偿下降部分；反之，由于负载变化而使 输出电压上升时，则调整管截止时间增长，使输出电压下降以补偿其上升部分。 主要优点是静态功耗很小，在轻负载时的输入电流比p w m 控制方式小1 0 到1 0 0 倍。缺点是不够稳定，电流波形中有阶梯状跳跃，且没有限流功能。集成芯片 m a x 6 4 1 、t l 4 9 7 等都具有p f m 功能。 3 。2 3 脉冲频率宽度调制( p f m p w m ) 这种控制方式可以对脉冲的频率、占空比进行调整，而且在负载较小时可以 通过跳脉冲( p u l s ec y c l es k i pm o d u l a f i o n ，p s m ) 的工作方式，使控制脉冲数减少， 在静态( 负载为零) 时几乎不输出脉冲。这样就继承了p w m 、p f m 的优点，同时有 效地克服了他们的缺点。使变换器在任意负载时的效率、电压跟随率、静态功耗 等方面获得优异的性能。 电子科技大学硕士学位论文 第四章电源芯片分析设计 本论文设计的开关电源芯片是种带l d o 的脉冲频率调制( p u l s ef r e n q u e n c v m o d u l a t i o n ，p f m ) d c 徊c 转换器。主要应用于单节或双节碱性电池和u s b 中， 如：m p 3 、p d a 、照相机、摄录像机等。要求性能指标如下： 1 、u s b 供电输出电压1 8 v 3 0 v 3 3 v 2 、能达到9 0 的转换效率 3 、单节电池能输出1 0 0 m a 的电流，双节电池能提供2 0 0 m a 的电流 4 、关断模式下1 u a 的静态电流，开关关断下3 2 u a 的静态电源电流 5 、正常供电显示 设计系统框图见图4 1 。 图4 1 电源芯片系统框图 根据电源芯片系统框图，各模块功能见表4 1 。 第四章电源芯片分析设计 表4 1 电源芯片模块功能表 序号模块名称模块功能描述其它 1带隙基准提供基准电压和偏置电压 2偏置电路提供偏置电流与电压 3i 血o 电路线性降压变换器 4 开关电路通过外接按钮控制芯片的开关 5模式选择控制芯片工作升压模式或i d o 模式 6p g 显示显示p o w e rg o o d 7振荡器基于p f m 工作方式的振荡器 将输出采样电压和基准电压比较，生成 8f b 比较器 的电压信号控制开关管工作 9l x 驱动为开关管提供大驱动电流 1 0电流限制保护开关管 1 1逻辑电路控制内部电路的开关 4 1 电压基准源 对于许多电子系统，电压基准源是其重要组成部分。基准电压源的精度和稳 定性直接决定整个电子系统的精度o “。该电源芯片因考虑工艺线的因数，所以电 压基准源采用e d n m o s 基准电压源，为p g 显示、l d o 电路、f b 比较器提供参 考电压，同时为偏置电路、振荡器提供偏置电压。该电源芯片设计要求带隙基准 源提供以下电压值： = 1 ，：。= 1 1 彤，2 6 = 1 1 缈， - 1 o 彤，“；0 缈 4 1 1 电路及原理 e 仍n m o s 基准电压源是利用增强型与耗尽型m o s f b t 的开启电压之差形成 温度稳定的基准电压源【1 5 】，电路如图4 2 所示。左边两个管子( 一个耗尽n m o s f e t 、 一个增强n m o s f e t ) 构成了温度补偿部分管子。耗尽n m o s h 玎与增强n m o s f e t 都可修条，这样可以获得具有温度稳定性较好的基准电压v m 电子科技大学硕士学位论文 忽略衬底偏置效应，对于耗尽d _ n m o s 管与增强e - n m o s 管分别有： k = 扣巳) 2 ( 4 - 1 ) k = 扣l 吼) 2 ( 4 _ 2 ) 由，。，= = 0 ，得 吼2 2 吼忆划2 ( 4 - 3 ) 又因为嵋= 墨唼；壶，将式( 4 _ 3 ) 代入可得： 邢警卜一j 蕊 件 则增强型与耗尽型n m o s 管的开启电压圪。、。之差为：圪。一。= 罟，而q 与温度无关，而且容易控制。所以型! j 与三型。o 。这样就可以得到温度稳定的基 n 准电压。调节r 大小就可改变输出电压的大小。 4 1 2 电路仿真分析 仿真软件：c a d e n c es p e c t r e 仿真模型：c s m c 0 6 t t ( 本文的所有仿真软件和仿真模型均采用此条件) ( 1 ) 对v d d 直流扫描。v d d = o v 一5 v ，得v r e f 输出电压如图4 3 。 在v d d = 1 6 2 7 v ，基准电压输出稳定，其值v r e f _ 1 1 9 5 7 5 v ；当v d d = 5 0 v ，v r e f = 1 2 0 3 9 v 。所以基准电压源电源抑制比为： 第四章电源芯片分析设计 2 0 l d g 塑兰朵墅“2 3 伽 ( 4 5 )。 5 一1 6 2 7 、 通过电阻分压可得到偏置电压：。= 1 1 彤，：。= 1 1 0 矿，：，= 1 0 5 y ， “= 0 5 矿。 l ：j v d d ( v ) l 图4 - 3 基准电压随v d d 变化的输出波形 ( 2 ) 对温度扫描。温度变化一3 0 - 1 5 0 。得v r e f 输出电压如图4 4 。 温度在3 0 一1 5 0 变化范围内，基准电压v r e f 由9 8 3 1 v 变化到1 2 0 1 2 2 v ， 温度系数( t c ) 可达到1 3 4 7 p p m 。 4 1 3 工艺偏差 12 西2 0 12 目1 d 。 b m p ( c ) 图4 。4 基准电压随温度变化的输出波 由表4 2 可以从得出其n 1 0 8 的栅电压的范围为：0 9 2 1 0 9 伏，工艺偏差满 足o 1 7 伏的范围。满足电路的设计要求。 表4 - 2 工艺偏差的影响 修条p a d 全联后修条p a d 全断 输出电压 n 1 0 8 栅电压n 1 0 8 栅电压 1 2 v0 8 5 v1 0 9 v 1 3 vo 9 2 v1 1 8 册 埘 鼢 撕 t 1 7 3 ， 一 一 电子科技大学硕士学位论文 4 2 偏置电路 该偏置电路主要分为两部分。左边部分是启动电路，中间部分为自偏置电路 右边部分是自偏置输出电路【1 6 】。如图4 5 所示。 4 2 1 电路及原理 图4 5 偏置电路