（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式控制pwm单片开关电源的研究与设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 半导体集成电路是现代电子信息产业的基础与核心，单片开关电源被誉为高效 节能电源，以其体积小、重量轻、效率高、输出范围宽等优势成为稳压电源的发展 方向。 作者在大量分析p w m 调制、电流模式的开关电源管理集成电路的工作原理的 基础上，提出了一种用于d c d c 变换的降压型电源管理集成电路。该电源管理电 路是在c s m c ( 华润上华) 0 5 u r n 标准c m o s 工艺模型库下进行设计，在c a d e n c e s p e c t r e 下进行仿真验证。 该开关电源管理集成电路的的拓扑结构为b u c k 型( 降压型) ，工作状态为为电 感电流连续状态，控制模式为自适应斜坡补偿的峰值电流反馈模式，调制方式为 p w m ( 脉冲宽度调制) 方式。作者对组成系统的的子模块：带隙基准源、误差放 大器、锯齿波发生器、p w m 比较器、自适应补偿电路、电流采样电路、软启动电 路、欠压、过压、温度保护电路、逻辑控制电路进行了细致的设计。对构成系统的 器件的参数进行了仔细的调整。对每个子模块进行了仿真验证。对模块仿真结果和 模块工作过程进行了详细的分析。对系统的整体电路进行了仿真、优化。 特别是：在带隙基准中的启动电路利用版图冗余晶体管设计，减小了电路的规 模，静态电流只有1 - 2 u a ，有效的降低了功耗；在带隙基准中采用非线性二阶电流 i n l 对输出电压进行补偿，基准电压的温度系数达到了2 4 x 1 0 气，o c ；在运算放大器 的设计中，输出级采用了c a s c o d e ( 共源共栅) 结构，减小了系统的密勒效应，提 高了集成运放的电压增益，提高了系统的p s r r ( 电源抑制比) 和c m r r ( 共模抑 制比) ，输入管采用p m o s ，减小了系统噪声；在斜坡补偿电路中采用自适应斜坡 补偿电路，较好的解决了当前应用广泛的固定补偿电路的过补偿问题；在电流模式 选择中采用了峰值电流电流模式，提高系统的响应速度；并且设计了更加稳定可靠 的保护电路等。 经对系统电路的仿真验证，仿真结果表明：各个模块均达到了预定设计要求， 整体电路性能达到预定设计要求。该电源管理集成电路输出电压为l 。8 v 4 5 v ，输 入电压为3 3 v - 5 0 v ，内部工作频率为5 0 0 k h z - i m h z 。该电源管理集成电路达到基 本使用要求，为便携式电子设备的应用奠定了良好基础。 关键词：开关电源，d c d c ，电流模式，p w m 调制，误差放大器，斜坡补偿 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t s e m i - c o n d u c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i t sa r et h eb a s i ca n di x ) r eo fm o d e mi n f o r m a t i o n i n d u s t r y m o n o l i t h i cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw a sr e g a r d e d a sh i g he f f i c i e n ta n d e n e r g y - s a v i n gp o w e r s p sh a sb e c o m et h em a n o s t a t sd e v e l o p m e n td i r e c t i o nw i t hi t s s m a l lv o l u m e 、l i 班w e i g h t 、h i g he f f i c i e n c y 、o u p u ts w i n g 埘d ee t c t h ea u t h o rp r o p o s eab u c kc o n v e r t e rf o rd ct od co nt h eb a s i so fl a r g ea m o u n to f a n a l y s ea b o u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l y so p e r a t i n gp r i n c i p l ew i t hp w mm o d u l a t i o n g m o d ea n dc u r r e n tm o d em e t h o d t h es p si n t e g r a t e dc i r c u i tw a sd e s i g n e di nc s m c 0 5 u ms t a n d a r dc m o s p r o c e s s m o d d el i b r a r y i tw a ss i m u l a t e di nc a d e n c es p e c t r e t h es p s s t o p o l o g y s t r u c t u r ei sb u c k i t s w o r k i n g s t a t u si si n d u c t o rc u r r e n t c o n t i n u o u s ss t a t u s i t sc o n t r o lm o t h o di sa d a p t i v es l o pc o m p e n s a t i o np e a kc u r r e n tm o d e c o n t r 0 1 i t sm o d u l a t i o n g i sp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) m o t h o d t h ea n t h o rh a s c a r e f u l l yd e s i g n e df o rt h ec o n s t i t u t i n gs y s t e m ss u b m o d u l e ss u c ha sb a n d g a pr e f e r e n c e s o u r c e ，e r r o ra m p l i f i e r ，s a w t o o hg e n e r a t o r ，p w mc o m p a r a t o r ，s e l f - a d a p t i o ns l o p c o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，c u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t ，s o f ts t a r tc i r c u i t ，f j 聊c i r c u i t ，o v pc i r c u i t ， t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n dl o g i cc o n t r o lc i r c u i te t c t h ea u t h o r h a sc a r e f u l l y a d j u s t e df o rt h ec o m p r i s i n gs y s t e m sd e v i c ep a r a m e t e r s t h ea u t h o rh a ss i m u l a t e df o r e v e r ys u b m o d u l e s t h ea u t h o rh a sd e t a i l c d l ya n a l y s e df o rt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n d w o r k i n gp r o c e s so ft h es u b m o d u l e s t h ea u t h o rh a ss i m u l a t e da n do p f o rt h e s y s t e m st o t a li n t e g r a t e dc i r c u i t s e s p e c i a l ：t h er e d u n d a n c yt r a n s i s t o r so nl a y o u tw c i eu s e dt od e s i g nt h eb g r ss t a r t c i r c u i t s t h ed e s i g nn o to n l yd e c r e a s et h ec i r c u i ts c a l e , b u ta l s od e c r e a s et h cs y s t e m c o n s u p t i o n , i t ss t a t i cc u r r e n ti s1 2 u 九t h ea u t h o ru s et h en o n l i n e a rs e c o n d - o r d e rc u r r e n t i n lt oc o m p e n s a t et h eo u t p u tv o l t a g e t h ea c c u r a c yo ft h eb g rv o l t a g eh a sr e a c h e d 2 4 x10 烈产c 。i nt h ed e s i g no fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h ee a d c o d es t r u c t u r ew a su s e d i n c r e a s eo u t p u tv o l t a g e t h ed e s i g ne f f e c t i v er e d u c es y s t e mm i l l e re f f e c t , i p r o v et h e o t a sg a i no fa n ds y s t e r n sp s r r i n p u tb yp m o s ，r e d u c i n gt h et u b es y s t e mn o i s e s i n s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t s , t h ea u t h o rh a su s e da d a p t i v es l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t s t h e d e s i g nh a ss o l v e do v e rc o m p e n s a t i o np r o b l e mo ft h em o d e mf e dc o m p e n s a t i o nc i r c u i t b e t t e r t h ec u r r e n tc o n t r o lm o d ei sp e a l ( c u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 t h ed e s i g nh a si m p r o v e d s y s t e mr e s p o n s es p e e d t h ea u t h o rh a sa l s od e s i g n e dt h em o r es t a b l ea n dr e l i a b l ep r o 重庆邮电大学硕士论文a b s l m e t p r o t e c t i o nc 。c u i t s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fs y s t e mc i r c u i _ t s ，m er e s u l t ss h o wt h a te v e r ys u b m o d u l e s f i l ea c h i e v e dt h ed e s i g na i m t h et o t a lc i r c u i t sa r cr e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i s i n p u tv o l t a g eo ft h ep o w e rm a n a g e m e n ti c i s1 8 v _ 4 5 v t h eo u t p u tv o l t a g ei s 3 3 v - 5 0 v t h ei n t e r n a lw o r k i n gf r e q u e n c yi s5 0 0 k h z - i m h z t h i sp o w e rm a n a g e m e n t i ch a sr e a c h e dt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o n i tl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rp o r t a b l e e l e c t r o n i cd e v i c e s k e yw o r d s ：s w i t c hp o w e rs u p p l y , d c d c ，c u r r e n tm o d e , p w mm o d u l a t i o nm o d e ，e r r o r a m p l i f i e r , s l o pc o m p e n s a t i o n 1 1 i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 课题背景及研究的意义 集成电路产业是现代电子信息产业的基础和核心。随着全球信息化、网络 化和知识经济的迅速发展，集成电路产业在国民经济中的地位越来越重要，它 以其无穷的变革、创新和极强的渗透力，推动着信息产业的快速发展。 集成电路产业是具有战略性和市场性双重特性的产业。在国防建设和国家 安全领域，集成电路在信息战和武器装备中起着维护国家意志、捍卫国家主权 的作用，在经济建设和增强综合国力的过程中，集成电路又是核心竞争力的体 现。 据i s u p p l i 公司，全球半导体产业盈利情况处于过去1 0 年来的最佳水平， 2 0 0 9 年第四季度，半导体供应商的整体营业利润率升至2 1 4 ，为2 0 0 0 年第四 季度达到2 4 7 以来的最高水平。由于全球经济衰退，半导体产业利润率在2 0 0 9 年第一季度降到负5 3 ，但随后持续大幅反弹。附图所示为2 0 0 0 至2 0 0 9 年半 导体产业各季度利润率情况。 图1 1 1 i s u p p l i 公司图表：半导体供应商的全球季度营业利润率。 ：譬 二：= i = = 二二二二二二二二二二二二二二二= 二二二二j -一l一一一一 量：二二二二= = = 二二：i = = = 二二二二三二2 = ! 至z 兰= 乏l 二罩= l ；：麓= 二：二二：二三二= = 二= 二兰三三乏二毒1 ，：吾。喜写窭琴；笺薹零雾善写芝琴摹喜与莩葚霉与妻菩# 菇i _ _ _ ：。一_ _ 一_ _ 一_ = _ _ 1 j ”一 一 二：二二二二二_ ：二二：二二二二 二二! 。一二：二三，一；一三二 图1 1 1i s u p p l i 公司图表：半导体供应商的全球季度营业利润率 图1 1 2 所示为i s u p p l i 公司对2 0 0 9 2 0 1 4 年中国半导体销售额的预测，按 分销商销售和半导体供应商直销细分。 图i 1 2 中国半导体销售额预测( 美元) 中国集成电路产业的特点是市场需求大，产业规模小，绝大部分产品依赖 进口。本土设计、生产的集成电路产品只能满足国内约2 4 的需求，我国每年 1 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 进口的集成电路产品超过1 0 0 0 亿美元，约占全球市场的一半。 电源管理集成电路是功率m o s f e t 的一种，据i s u p p l i 公司，2 0 1 0 年中国 功率m o s f e t 市场预计增长到2 4 亿美元，比2 0 0 9 年的1 6 亿美元增长5 3 。 图1 1 3 所示为i s u p p l i 公司对2 0 0 9 2 0 1 4 年中国功率m o s f e t 市场的预测。 。”一 誉一 图1 1 3 中国功率m o s f e t 市场的预测 图1 1 4 所示为i s u p p l i 公司对于2 0 0 9 年第四季度到今年第四季度电源管理 半导体市场销售收入的预测。 f 口u f e ：g i o b o iq u a f t e r t yp o w e rm a n a 9 e m e ms e r n i c o n 寸u 堪o fr e v e n u ef o r e c 4 霉t ，0 4 2 0 0 9 0 42 0 0 ( i b i l t i o r l so fu s d o u , a r s i 图1 1 4 为i s u p p l i 公司对于2 0 0 9 年第四季度到今年第四季度电源管理半导体市场销售收 入的预测 据i s u p p l i 公司，预计2 0 1 0 年小型数码相机的工厂出货量增长1 0 4 ，达到 1 2 1 4 亿台，在未来几年市场将保持稳定，消费电子领域正是作者设计的切入点。 图1 1 5 所示为i s u p p l i 公司对2 0 0 9 2 0 1 4 年消费电子设备销售额的预测。 3 5 0 o o o 3 0 0 0 羔：0 墨：o ：5 0o o o 垂：一o o o 5 0o o o 图1 1 5 为i s u p p l i 公司对2 0 0 9 - 2 0 1 4 年消费电子设备销售额的预测 中国的电源管理芯片市场当前还是主要由t i 、n s 、f a i r c h i l d 、s t 等国外厂 商垄断。 无论从市场，还是从国家安全，我们都需要深入的研究开关电源管理集成 电路。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2开关电源的发展及研究现状 1 2 1 开关电源发展历程 在开关电源发展过程中，功率器件的创新是开关电源发展的主要推动力。 开关电源的发展经历了三个重要的阶段： 第一个阶段是从五十年代至七十年代初，这一阶段代表性的功率半导体器 件主要有：b j t ( 双极性晶体管) 、s c r ( 可控硅整流器) 、g t o ( 可关断晶闸管) 。 在七十年代末，新型m o s 型器件( 如：i g b t 绝缘栅双极性晶体管、i g c t 集成门极换流晶闸管、v d m o s 等) 产生，使电力电子系统有可能实现高频化， 并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段从2 0 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使 功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去2 0 年 国际电力电子界研究的热点之。 第三个阶段从2 0 世纪9 0 年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电 子模块( i f e m ) 技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 1 2 2 现代电源技术的发展方向 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微处理 器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的 电源中起关键作用。 现代高频开关电源的发展趋势： 1 高频化：在一定范围内，提高开关频率，不仅能有效地减小电容、电感的 尺寸，而且还能抑制电磁干扰，改善系统的动态性能。 2 模块化：模块化有两方面的含义，一是指功率器件的模块化，二是指电源 单元的模块化。 3 数字化：数字电路有着大量模拟集成电路不具备的优点：便于计算机处理 控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提高抗干扰能力) 、便 于实现高集成化。 4 绿色化：电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电；其次是这些电 源不能( 或少) 对电网产生污染。 5 功率半导体器件创新：“超级结”( s u p e r - j u n c t i o n ) 结构，应用碳化硅技术的 i g b t ，高频磁性元件等。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 6 设计技术创新： 软开关技术，即零电压开关( z v s ) 零电流开关( z c s ) 技术。 同步整流技术，对于低电压、大电流输出的软开关变换器， 其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。 功率因数校正( p r o 变换器，用功率因数校正( p f c ) 变换器， 数可提高到0 9 5 - - 0 9 9 ，输入电流t h d 1 0 。 进步提高 网侧功率因 电磁兼容性，高频开关电源的电磁兼容( e m c ) 问题有其特殊性，再加上 e m i 测量上的具体困难，许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。 设计和测试技术等 目前对开关电源的研究很活跃，相信未来开关电源的理论与技术发展将会 有更辉煌的成就。 1 3开关电源和开关变换器概述 电源犹如人体心脏，是所有电力设备的必不可少的组成部分，一般的电力 ( 市电) 需要经过转化才能符合使用的要求，有人把这一过程形象的称为：粗 电提炼为精电。 广义上讲，凡利用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转化成另一种 电源形态的主电路都叫作开关变换器电路。转换时利用自动控制闭环稳定输出 并有保护环节的开关变换器电路就叫作开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 。 开关电源的主要组成部分是d c d c 变换器，它是电源转化的核心，也是本 文研究的方向。 开关电源经历从线性电源( 线性集成稳压器，因其内部调整管与负载相串 联且调整管工作在线性工作区而得名，又称做串联调整式集成稳压器，其优点 是稳压性能好，输出纹波电压小，电路简单、成本低廉。主要缺点是调整管的 压降较大，功耗高，稳压电源的效率比较低，一般为4 5 左右。新型线性稳压 器一直在为减小压差而开展工作( 压差的大小与输出电流几乎成正比关系) 。 开关电源( s p s ) 被誉为高效节能电源凭借功率转化效率高( 到7 0 9 0 ) 、 稳压范围宽、重量轻等优点，取代线性电源和程控电源称为稳压电源的发展方 向。 开关电源由主电路和控制电路组成，主电路负责将电能传给负载，控制电 路则是按照输入输出的状态控制主电路的工作，将整个控制电路集成到一块芯 片即成为单片控制i c 。 开关电源可分d c d c 、a c d c 两大类【l 】【2 1 ，为按照输出之间是否有变压器 隔离，分为有隔离式、无隔离式；每一类又有六种拓扑结构：b u c k 、b o o s t 、 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 b u c k - b o o s t 、c u k 、s e p i c 、z e t a ；其中c u k 变换器、s e p i c 变换器、z e t a 变换器 结构相近；按照电流相位变化，分为；按调制方式，分为p w m 调制( 硬开关) 、 p f m p s m ( 软开关，谐振方式) 、或者两者结合如：z v s p w m ( 零电压开通) 变换器z c s p w m ( 零电流关断) 变换器；按控制方式，分为电流控制( 峰值 电流、上升电流、下降电流) 、电压控制；按激励方式，分为自激式( 包括单管 式变换器、推挽式变换器) 、它激式( 包括调幅、调频、调宽、谐振变换器) ； 这些分类中的每一个都有自己分类，如调宽型包括：自激式、反激式、全桥式、 半桥式等等。 1 4本文的主要工作 作者在前期调研和学习的基础上，设计一应用于便携式电子设备的d c d c 变换器。该d c d c 变换器，工作模式为峰值电流模式、调制方式为p w m ( 脉 冲宽度调制) 。 此d c d c 变换器的具体参数如下： 输入电压：3 3 v 5 0 v 输出电压：1 8 v - 4 5 v 负载电流：5 0 0 m a 最高效率：大于7 0 启动电压：1 v 制造工艺：标准c m o s 工艺 工作温度范围：2 0 0 c 1 2 0 0 c 内部频率：5 0 0 乜1 m h z 应用范围：便携式电子设备 论文主要研究的内容如下： 带隙基准源设计：1 2 5 v 带隙基准电源，带隙基准电流源是经过电压- 电流变换器( v - i 变换器) 得到，大小是几百毫安，电压源为放大器、比较器等 提供高精度的基准参考电压，而电流源为系统提供稳定的偏置电流。 误差放大器设计：在误差放大器的负相端输入v o t r r 采样电压，正向端 输入分压得来带隙基准电压，误差放大器将两者的差值放大后供p w m 比较器 使用。 迟滞比较器设计：设定上下门限电压及迟滞宽度。 锯齿波发生器( 振荡器) 设计：具有外部控制能力的锯齿波发生器，通 过设定相应的电阻，电容即可获得不同周期的锯齿波。 自适应斜坡补偿电路设计：由于峰值电流模式调制电路本身的固有缺 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 点，设计克服固定补偿电路过补偿缺陷的自适应斜坡补偿电路。 电流采样电路：通过简单的比例电流镜采样电感峰值电流供p w m 比较 器调制使用。 保护电路：高效可靠的电压、电流、温度保护电路。 软启动电路：上电瞬间的浪涌电压对系统伤害极大，软启动电路可以使 得系统在启动电压稳定后启动，提高系统可靠性。 设计基于c s m c0 5 u m 标准c m o si 艺库设计，在c a d e n c es p e c i e 下仿真 验证。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件( 如晶体管、场效应管、可控 硅闸流管等) ，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子 开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现d c a c 、d c d c 电压变换，以及 输出电压可调和自动稳压。 开关电源的拓扑形式种类非常繁多，由于作者设计电路基于集成电路工艺 实现，因此凡需要变压器的拓扑结构均不适用。主要拓扑结构1 3 】包括以下四种： b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k - b o o s t 变换器、c u k 变换器。 开关电源的工作模式有两种：电感电流连续工作模式，电感电路断续( 不 连续) 7 - 作模式。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压 方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。 作者所设计开关电源主要工作在电感电流连续工作模式，输出电压采取平 均值输出电压方式。 2 1b u c k 型变换器 2 1 1 拓扑结构分析： b u c k 型变换器又称串联式交换器、三端开关型降压变换器，其输出平均电 压v o 小于输入电压v 玳，输入输出电压极性相同。 b u c k 变换器的拓扑结构如图2 1 1 所示： t r l l v s 图2 1 1b u c k 型变换器原理图 部分器件及作用介绍如下：v s 为电源电压、r 】为负载电阻。t r 为占空比为 d 的三级管，其中t r 导通时间记为t o n ，截止时间记为t o n ：，n - d _ - t c i n f f 三极管t r 的基极受调制电路控制，接受反馈调节占空比以稳定电压输出。l l 为储能滤波电感线圈：作用是在控制晶体管t r 导通时，限制大电流通过，防止 输入电压v s 直接加到负载r l 上，对负载r l 产生电压冲击，同时把电感电流i l 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 转化成磁能存储起来，然在控制晶体管t r 截止时把磁能转化成电流i l 继续向负 载r 】提供能量。c l 为储能滤波电容：作用是在控制晶体管t r 导通时，把流过 储能滤波电感l l 的部分电流转化成电场能存储，然后在控制晶体管t r 截止时， 把电场能转化成电流继续向负载r 提供能量。d 1 为整流二极管：主要功能是续 流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制晶体管t r 截止时，给储能滤波 电感l l 提供电流通路。 为分析方便，假定如下：晶体管t r 、二极管d l 、电感l l 、电容c l 均工作 于理想状态，输出纹波电压与输出电压比值忽略不记( 这只是为了分析的方便， 输出纹波电压是衡量开关电源性能的一个重要标志) 。 电路的工作过程：在一个开关周期中，当控制晶体管t r 导通时，流过电感 l l 的电流在电感l l 未饱和之前线性增加，电容c l 开始充电，有大小为i o 的电 流流过负载r 1 ，在r 1 上产生上正下负输出电压v o ，这是续流二极管d l 承受反 向电压未导通，在控制晶体管t r 截止时，电感线圈l 1 中的自感电动势改变了 电感l l 的电压极性，以保证其中的电流i l 不变，负载两端的电压仍是上正下负， 在i l i o 时电容处于放电状态，以维持1 0 、v o 不变。这时续流二极管d l 承受正 向偏置电压导通为i l 提供通路，由于变换器的输出电压v ，v s ，所以称为降压 ( b u c k ) 变换器。 b u c k 型变换器又称斩波器，它的工作原理简单，工作效率较高，因此其在 输出功率控制方面应用很广。如果b u c k 型变换器只是单纯应用于功率输出控 制，电压输出可以不用接整流滤波电路，直接给负载提供功率输出；但如果用 于稳压输出，则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共 用一个地，因此，容易产生e m i 干扰和底板带电，当输入电压为市电整流输出 电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。 2 1 2电感电流的工作模式： 按电感电流i l 在周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续工作模式 和电感电流不连续工作模式。 电感电流连续工作模式：设开关周期为t s ，导通时间t s = d l x t s ，截止时间 t 2 t 2 = d 2 t s ；d 1 i ，称d 。为导通时间占比；d 2 l ，称d 2 为截止时间占空比；由 于晶体管t r 理想状态所以：d 1 + d 2 = 1 。 在晶体管t r 导通期间，电感电流线性增加，i l l 电流增量( a ) ；v s 输入电 源电压( v ) ；v o 输出电压( v ) ；l 电感( h ) ；t 。开关周期( s ) ；d ，占空比。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 比= 睁西= 半仁半o l , s 眩， 电感电流i l 如图2 1 2 所示， 图2 1 2 连续模式下电感电流i l 当控制晶体管t r 截止时，如图2 1 2 在t l - t 2 时间段，电感电流i l 增量为： 屹= 嚣一半”啪= 一譬见瓦 眨地， 稳态时i l l = i i l 2i 则： 华- v od 1 t s 一v l od ：t s 因：d i + d 2 = i 得： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式2 1 4 表明，输出电压v o 随占空比d l 而变化，由于d 1 1 ，故v o v s ，v o v s = m - d l 是电压增益。 电感电流不连续工作模式：电感电流i l 如图2 1 3 所示， n 笊。 k 瓜 k ： j 上s t o ；d l t 2阢 ； t 图2 1 3 电感电流不连续工作模式下电感电流i l 当控制晶体管t r 导通时： i l l 半d , r s 当控制晶体管t r 截止时： 瓴：一孚皿瓦 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 了账益三 引珞一 稳 重庆邮电大学硕士论文第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 整理得： = 格k ( 2 1 8 ) 注：此时d 1 + d 2 1 。 由图2 1 3 得：输出负载电流1 0 是电感电流i l 与时间轴所围成的等腰三角形 面积在t s 时间内的平均值，且等于v c c r 即： = i i 哼1 ( b + 。2 ) r sv s - l v o d , t s = 百v o ( 2 1 9 ) 解： 一1 1 ： 三! 圭 ： 兰三生 ( 2 1 1 0 ) m d 1 ( q + d 2 ) d 1 ( d 1 + d 2 ) 式中f 工2 亩 由式2 1 1 0 得： m ：堡： 珞 l + 2 ( 2 1 1 1 ) 流经电容的电流净( i l i o ) 在电容两端产生的电压a v o 称为纹波电压，输 出纹波电压z x v o 为： v o = 去”f ，) r s = 等巧 ( 2 1 1 2 ) 在开关信号占空比d 恒定的情况下，电压纹波与l x c 成反比，与开关的 周期t s 成正比，也就是与开关频率f h l 戋反比。所以要减小输出电压纹波可以提 高开关频率或增大l 、c 值。l 、c 构成低通输出滤波器，合理选择l 、c 可以 决定滤波器的截止频率，同时对于减小输出纹波和毛刺信号也有重要作用。 2 2b o o s t 型变换器 2 2 1 拓扑结构分析： 电路拓扑图结构如图2 2 1 所示， 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章i x ；i x ：开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 图2 2 1b o o s t 变换器拓扑图 所作假定与b u c k 变换器相同，各器件工作在理想状态。 电路工作过程：在一个开关周期中，当控制晶体管t r 导通时，流过电感l l 的电流在电感l l 未饱和之前线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈l 中， 续流二极管d ，承受反向电压未导通，电容c l 放电，负载r 1 上有电流i o 流过， 在r l 上产生上正下负输出电压v o 。在控制晶体管t r 截止时，电感线圈l l 中 的自感电动势改交了电感l l 的电压极性，以保证其中的电流i l 不变，这时电感 l 产生的电压v l 与电源电压v 。串联为电容充电、负载供电。由于v o = v l + v s 大于v s ，故称为升压变换器。， b o o s t 变换器输出电压平均值永远等于输入电压。b o o s t 变换器电路结构简 单，控制方便，且具有一定的升压能力。但升压较低，该变换器在导通和截止 瞬间会产生很高的电压，开关管承受电压较大，如果接市电，则可能触电伤人。 2 2 2电感电流工作模式 电感电流i l 连续工作模式和非连续工作模式如图2 2 2 所示， 图2 2 2 电感电流i l 连续和非连续工作模式 连续状态电压增益( 推导过程与b u c k 相似，这里直接给出结果) ： m ：堡：j 【- ：上( 2 2 1 ) 珞l qd 2 当电感较小，或者负载电阻较大，或者t s 较大时，b o o s t 变换器工作在电 感电流不连续模式，在电感电流不连续模式下d i + d 2 # i 。 不连续状态电压增益： m ：堡：9 1 + d 2 ( 2 2 2 ) 珞d 2 增加电感l 、电容c 或者增加开关频率f 都可以减小输出电压电流纹波。 电路正常工作模式为电感电流连续方式。 1 l 重庆邮电大学硕士论文 第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 2 3b u c k b o o s t 型变换器 2 3 1 拓扑结构分析 b u c k b o o s t 变换器输出平均电压v o 大于或小于输入电压v 烈，输出电压和 输入电压极性相反，电感传输电路。b u c k b o o s t 变换器就是在b c u k 变换器后 边串联一个b o o s t 变换器。 电路逐步简化得电路拓扑图2 3 1 所示： 。 z 图2 3 1b u c k - b o o s t 变换器的拓扑图 在一个开关周期中，当控制晶体管t r 导通时，流过电感l l 的电流在电感 l 1 未饱和之前线性增加，电能储存在电感线圈l l 中，续流二极管d l 承受反向 电压未导通，电容c l 为负载r l 供电，在r l 上产生上负下正输出电压v o 在控 制晶体管t r 截止时，i l 有减小的趋势，电感线圈l l 中的自感电动势改变了电 感l 。的电压极性，为上负下正，二极管正向偏置导通，这时电感l 为电容充电、 负载供电。因负载电压v o 与v s 电压极性相反故又称反号型变换器。 2 3 2 电感电流工作模式 电流连续模式的电压增益m ：设晶体管的占空比为d l ， d 2 ，按稳态时电感电流i l 相等的原则，d i + d 2 = i 。 m ：堡：垒：兰l kd 21 一q 在电感电流不连续模式下d i + d 。1 。 电感电流不连续状态电压增益： m ；堡：皇 珞 打上 注：f 的定义如前。 输出纹波电压a v o ： = 盏d 1 巧 二极管的占空比为 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 b u c k b o o s t 变换器的优缺点：优点是可以升压，可以降压；缺点是电流稍 显复杂。 2 4c u k 型变换器 c u k 变换器输出平均电压v o 大于或小于输入电压v i n ，输出电压与输入电 压极性相反，电容传输。c u k 变换器是升压变换器后串一个降压变换器电路。 图2 4 1c u k 变换器的拓扑结构电路图 当工作在连续状态下，c u k 变换器输入电流和输出电流不是脉动的，而且 增加电感l l 和l 2 的值，可使交流纹波电流的值为任意小( 这一点非常重要) ， 在实际应用可以去掉附加的输入输出低通滤波器，减少电路的规模。 能量的储存和传递是同时在两个开关期间( t o n 和t o r t ) 和两个环路中进行。 设晶体管开关周期为t s 导通期为t o n = d l t s ，截止期为t o f f = ( 1 d 1 ) t s ， d i = t o n t o r f ，经过若干周期进入稳态后： 1 t o n 期间，此时t r 导通，输入输出环路闭合。二极管反偏截止，电感l l 储能电容c l 放电，使l 2 储能，并为负载供电，t r 流过输入输出电流之和。 2 t o r t 期间，t r 截止，二极管正偏导通，输入输出环路闭合。此时电源输 入和l l 为电容c l 充电，l 2 维持负载，流经二极管电流也是输入输出电流之和。 关于c u k 电流在本设计并未应用故仅列出推导结果，不详细推导过程直接 给出结论： n v o = m v $ 其中m = 每，当d l = o 5 时，m = i 、v o - - v s ； 1 一l 当d 0 5 时，m i 、v o v s 为升压式。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章d c d c 开关电源控制芯片的拓扑结构及工作方式 2 5四种电路拓扑结构比较 前面四种开关变换器拓扑结构，前三种是依靠电感进行传输能量，最后一 种是依靠电容进行能量传输。它们的电压增益与占空比关系恒定。c u k 变换器 能够保持输入输出电流连续，通过将输入输出电感耦合，可以使得输出纹波电 压为零，但是c u k 变换器电路结构复杂，而且实用成本较高，可靠性较差。上 面四种拓扑电路都是非隔离式拓扑结构，都有市电下可能伤人的缺点。 作者在设计中采用b u c k 型拓扑结构，所设计电路正常工作状态为电感电流 连续模式。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章d c d c 开关变换器工作原理 第三章d c d c 开关变换器工作原理 在第二章介绍了d c d c 变换器的拓扑结构，拓扑结构电路构成了d c d c 开关变换器的主电路，在系统中负责能量的传输。在本章中将介绍d c d c 变换 器的控制电路，该控制电路通过控制开关晶体管的占空时间比，保证系统输出 电压稳定。在本章中首先介绍d c d c 开关变换器的调制方式，调制方式的选择 对系统的负载线性度影响很大。其次介绍系统的反馈方式，比较两种反馈方式 的优缺点，设计难点，给出解决的办法。在通过以上分析后，作者选定系统设 计的调制模式和反馈方式。最后给出当前比较流行的同步整流电路的设计原理， 但在本系统中未用到，故只给出简单理论性分析。 3 1d c d c 转换器的调制方法 调制电路【4 】是调制比较器根据电路反馈，调节输出脉冲信号的占空时间比， 调节控制晶体管导通截止时间比，它是d c d c 开关变换器的重要组成部分。 开关电源电路的调制方式主要有：脉冲宽度调制( p w m 、p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 、脉冲频率调制( p f m 、p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、脉冲跨周期 调制( p w m p f m 、p u l s e c y c l es k i pm o d u l a t i o n ) 三种调制方式。 作者将在分析比较中选择在设计中采用的调制方式，控制模式。 3 1 1p w m ( p u l s e 晰d mm o d u l a t i o n ) 方式 p w m 调制【5 】方式又称脉冲宽度调制方式，p w m 调制器调的开关频率恒定， 根据输入反馈信号，通过调节导通时间在周期中百分比，实现对系统的负反馈 调节，调节电能的输出，以稳定系统输出电压，因此这种调制方式又被称之为 “定频调宽 方式。由于