（微电子学与固体电子学专业论文）降压型dcdc转换器的研究与设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：近年来，越来越多的电子类设备涌入市场，特别是便携式产品，如手机、 p d a 、数码相机等等。电源是电子设备的供电系统，电源质量的好坏直接决定着 电子设备的性能。d c d c 转换器被广泛地应用于便携式设备的电源管理，改善便 携式设备的供电系统，延长供电电池的工作时间。 本文首先介绍了降压型d c d c 转换器的主电路结构及工作原理，并对d c d c 转换器的建模方法进行了简要介绍，然后介绍分析了d c d c 转换器的脉冲宽度调 $ 1 j ( 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$ 1 ( 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 ) 以及p w m p f m 混合调制模式。p w m 模式在重载情况下效率较高，p f m 在轻载 情况下效率较高，p 、m f m 混合调制模式是两种模式的结合，可根据负载情况实 现p w m 和p f m 两种调制方式的自动切换，使得整个系统无论是重载还是轻载， 都保持较高的转换效率，满足了便携式电子产品对电源管理芯片高效率、低功耗、 体积小、重量轻的要求，所以本文采用p w m p f m 混合调制模式。 本文采用s m i c0 18 z m c m o sm i x - s i g n a l 工艺，设计了比较器、共源共栅跨 导运算放大器、缓冲器、时钟与斜坡信号产生电路、电流感应电路、电压到电流 转换电路、脉冲宽度调制器、p 咖f m 选择电路等关键模块，并在c a d e n c e v i r t u o s o a d e 环境下对这些模块进行了仿真，最后对降压型d c d c 转换器系统性 能进行了仿真，仿真结果表明，系统能够正常工作，性能满足设计要求。 关键词：脉冲宽度调制( p w m ) ：脉冲频率调, 市i j c p f m ) ；p w m p f m 自动切换：d c d c 转换器 分类号：t n 4 3 2 v a b s l r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cd e v i c e sf l o wi n t ot h em a r k e t ， e s p e c i a l l yp o r t a b l ep r o d u c t s ，s u c ha sm o b i l ep h o n e ，p d a ，d i g i t a lc a m e r a sa n ds oo n p o w e rs u p p l yi st h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s t h eq u a l i t yo f p o w e rs u p p l yd i r e c t l yd e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，d c - d c c o n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e di nt h ep o w e rm a n a g e m e n to fp o r t a b l ed e v i c e s ，t h e yi m p r o v e t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fp o r t a b l ee q u i p m e n t sa n de x t e n dt h ew o r k i n gh o u r so f b a t t e r yp o w e r t h ep r i m a r yc i r c u i ts t r u c t u r ea n db a s i cp r i n c i p l eo fb u c kd c - d cc o n v e r t e ra r e i n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sp a p e r , a n dt h em o d e l i n gm e t h o d so fd c d cc o n v e n e ra r e b r i e f l yd i s c u s s e d ，t h e nt h em o d u l a t i o nm o d e so fd c - d c c o n v e r t e rs u c ha sp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) ，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 ) a n d p w m p f m h y b r i d m o d u l a t i o na r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d p w mm o d eh a sh i 曲e f f i c i e n c yu n d e rh i g h l o a d p f mm o d eh a sh i g he f f i c i e n c yu n d e rl i g h tl o a d p w m p f mh y b r i dm o d u l a t i o n m o d ei st h ec o m b i n a t i o no fp w ma n dp f m a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no ft h e1 0 a d ， p w m p f mc a na u t o m a t i c a l l ys w i t c hs ot h a tn om a t t e rh i g hl o a do rli g h tl o a d ，i tc a n m a i n t a i nah i g l ac o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h i ss a t i s f i e st h en e e d so fp o w e rm a n a g e m e n t c h i pf o rp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , l o wp o w e r , s m a l ls i z e ， l i g h tr e q u i r e m e n t s p w m p f mh y b r i dm o d u l a t i o nm o d ei su s e di nt h i sp a p e r t h ek e yb l o c k so fd c d cc o n v e r t e ri n c l u d i n gc o m p a r a t o r , c a s c o d eo t a ，b u f f e r , c l o c ka n dr a m ps i g n a lc 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 ，v o l t a g et oc u r r e n tc o n v e r t e rc i r c u i t ， p u l s ew i d t hm o d u l a t o r , p w m p f ms e l e c t i o nc i r c u i te t e a r ed e s i g n e db a s e do ns m i c 0 18 p mc m o sm i x - s i g n a lp r o c e s sa n ds i m u l a t e du n d e rc a d e n c ev i r t u o s oa d e e n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo fb u c kd c - d c c o n v e r t e rs y s t e mi ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w nt h a tt h es y s t e mc a nw o r kp r o p e r l y i t sp e r f o r m a n c em e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ；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 ) ； p w m p f mh y b r i dm o d u l a t i o n ；d c - d cc o n v e r t e r c l a s s n o ：t n 4 3 2 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位敝储繇詹智签字嗍w 年6 月岫 6 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名廊 签字魄川年6 月、7 日 导师魏匆璋泛 导师签名：傻k 签字日期：沙哆年艿月了日 i 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的，刘章发教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。刘老师不仅在学术上 给予了严谨、科学细致而富有远见的指导，而且在生活等各方面给予了极大的关 心、照顾和支持，使我的论文工作得以顺利进行为以后的工作奠定了坚实的基础。 在此衷心感谢二年来刘章发老师对我的关心和指导。 感谢北京交通大学多年的培养；感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷心 感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审阅本 文所付出的辛勤劳动。 在实验室工作及撰写论文期间，曹淑新、郭晓峰、赵博、刘冬蓓、洪姬岭等 同学对我论文中的研究工作和论文写作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 近年来，越来越多的电子类设备涌入市场，特别是便携式产品，如手机、p d a 、 数码相机等等。电源是电子设备的供电系统，电源质量的好坏直接决定着电子设 备的性能。但是消费者逐渐发现，若采用传统的干电池供电，会受到电池容量的 限制，因此便携式产品使用时间和待机时间过短，电池频繁更换，已不能满足用 户的需要，电源供电及管理方案成为困扰设计工程师的一个重要问题。 目前在实际电源管理电路中通常会使用两类降压器件：低压差稳压器( l d o ： l o w d r o p - o u tr e g u l a t o r ) 和d c d c 转换器。l d o 的稳定性好，电压噪声低，结构 简单，但由于l d o 为线性降压器件，故供电效率完全取决于其输出电压大小。若 以锂电供电，其工作电压范围为3 v o 2 v ，电压密度集中在3 6 v ，输出目标电压 为3 0 v 时，其最大供电效率为8 3 3 ，i 作效率正比于输出电压和输入电压的比 值。当输出电压比输入电压低很多时，则电源供电效就会很低。l d o 供电效率低 且输出电压范围小的缺点，使得其仅仅适用于压差比较小的应用中。d c d c 转换 器工作于开关模式，通常用自动控制闭环稳定输出并有保护环节，因此又被称为 d c d c 开关电源( s n i p s ：s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) ，其关键元件工作在开关状态， 不以输出电压的大小而决定其输出效率，具有供电效率高的特点，一般转换效率 在7 0 * o - - 9 0 ，被誉为高效节能电源，同时开关电源稳压输入电压范围宽，体积重 量轻，所以开关电源具有广泛的应用前景。 中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国，电源供应和电源管理i c 作为信息产品、设备的供电系统，与电子产品数量上有着l ：l 的关系。开关电源在 供电系统中有着如此广泛的应用，但是由于国内技术的欠缺，目前国内电源整机 厂家所用的开关电源芯片均由国外公司提供。电源供应和电源管理i c 是一个永恒 的课题，如果不实现技术上的突破，还要受制于别人，我们只能是别人的代工厂， 大部分利润也被国外厂商剥夺走了，所以开发具有自主知识产权的电源管理芯片 已是形势所迫。 1 2d c d c 转换器的发展概况 从广义上说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转化为另外一 北京交通大学硕士学位论文 种形态的主电路都叫做转换器电路；转换若用自动控制闭环稳定输出并有保护环 节则称为开关电源。开关电路的主要电路组成部分是转换器，因为它是转换的核 心，涉及频率转换【1 1 。转换器可分为a c d c ( a c 表示交流电，d c 表示直流电) 和d c d c 两大类。a c d c 称为整流，d c i ) c 称为直流直流变换。直流稳压电源 发展历程大体可分为以下几个阶段：2 0 世纪5 0 年代末的饱和电抗器控制的稳压稳 流硒整流器，6 0 年代用硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器，6 0 年代末7 0 年代初开始用晶闸管( 可控硅整流器即s c r ) 整流和控制的稳压稳流可控硅整流 器，8 0 年代末到9 0 年代的高频开关整流器。其中，可控硅整流器从7 0 年代到8 0 年代，在我国通信用整流器领域中维持了长达2 0 年的统治地位。8 0 年代末期高频 开关电源开始进入实用，到9 0 年代初逐渐成熟，高频开关电源开始逐步替代传统 的可控硅相控电源【2 1 。目前d c d c 开关电源已实现模块化，国外有很多公司开发 d c d c 开关电源芯片的技术都已经很成熟，并且能够提供满足各种需求的d c d c 开关电源芯片。 随着电子产品日新月异的涌现和市场对电源性能不断提高的要求，d c d c 开 关电源也必须向着轻、小、薄以及低功耗、低噪声、宽输入范围的方向发展，提 高集成度、提高转换效率、提高控制精度成为当今d c d c 开关电源技术发展的趋 势3 】【4 】。 1 提高集成度。9 0 年代中后期，出现了专门设计的控制芯片，由控制芯片、 功率开关管和电阻电容等外围器件组成开关电源，取代了以前用分立元件来搭建 开关电源的技术。更多的集成芯片，特别是应用在便携式产品的开关电源芯片， 它们把功率开关管也集成在芯片里面，作为一个控制芯片，只需搭建外围的电感 电容等无源器件，即可以组成开关电源，提高了集成度。随着开关频率的提高， 系统所需要的电感、电容元件值降低，电感、电容元件占用的体积减小。此外， 还出现了由同一个输入电源实现多路电源输出的拓扑结构，这也大大提高了集成 度。 2 提高转换效率。开关电源的功耗损失主要来自于开关功耗和短路功耗。短 路功耗是由电平转换过程中的瞬时导通造成的。所以只要能够合理地控制p m o s 与n m o s 开关管的的开关脉冲，使得p m o s 与n m o s 开关管不会同时导通，从 而消除了短路功耗【5 卜i 引。开关功耗是由于功率开关管导通和截止器件，开关管栅源 电容充放电所引起的功率损耗，这个可以通过z v s ( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ) 技术进 行消除【9 卜1 1 1 l ，这个大多用在电气设备应用中，在便携式设备中比较少用。 3 提高控制精度。早期的开关电源控制系统采用电压反馈，现在的开关电源 多采用电压电流双环反馈，从系统中取输出电压和电感电流两种反馈信号，这样 就不会出现单环系统中因为波动而造成系统出现不稳定的现象，从而提高了控制 2 绪论 精度【1 2 l 。 1 3 论文结构 本文从系统的角度对d c d c 降压型转换器进行了研究，并在此基础上提出了 d c d c 降压型转换器的设计任务与指标。本文的重点是d c d c 降压型转换器的 电路设计与仿真。论文安排如下： 第一章为引言，分析本文的研究背景与意义，介绍d c d c 转换器的发展现状， 并提出本文的研究内容以及主要任务。 第二章对d c 也i c 降压型转换器进行系统分析，提取了在系统设计所需的参数， 有助于d c d c 转换器系统的建立，并对d c d c 降压型转换器数学建模的建立方 案进行了讨论。 第三章对d c d c 降压型转换器芯片的系统方案进行了分析，确定芯片的系统 结构以及系统所需的子模块电路。 第四章设计了d c d c 降压型转换器中的关键模块，对关键模块进行分析并给 出电路设计和仿真。 第五章是d c d c 降压型转换器系统的仿真，给出了系统仿真结果，并进行了 版图设计，进行了后仿真。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并指出存在的不足。 3 d c i ) 1 2 转换器的分析以及建模方法简介 2d c d c 转换器的分析以及建模方法简介 2 1 d c d c 转换器的电路拓扑结构 基本的i x ：d c 转换器划分为四种基本拓扑结构：b u c k 型( 降压型) 、b o o s t 型( 升压型) 、b u c k b o o s t 型( 降压升压型，又叫反向型) 和b o o s t - b u c k 型( 升压 一降压型) ，如图2 1 1 所示。这四种结构是按照其完成转换电压的升降形式定义的， 其它的结构都可以由这四种结构变化得到。在这四种基本型d c d c 转换器中，前 三种是用电感作为传送能量的元件，最后一种( b o o s t b u c k 型) 是用电容作为传 送能量的元件。 r羽 ( a ) b u c k 型 ( a ) b u c kt y p e ( c ) b u c k b o o s t 型 ( c ) b u c k - b o o s tt y p e ， rv o - ， r 、。 d ( b ) b o o s t 型 ( b ) b o o s tt y p e 。 r v t - ( d ) b o o s t - b u c k 型 ( d ) b o o s t - b u c kt y p e 图2 一l d c i x ：转换器的基本拓扑结构 f i g 2 一l b a s i cs t r u c t u r eo fd c d cs w i t c h - m o d ec o n v e r t e r s s ， r 了 - 北京交通大学硕士学位论文 2 2b u c k 转换器的稳态直流特性 本文的工作是设计b u c k 转换器，在这里只介绍b u c k 转换器的稳态直流特性， 其它三种可以参阅参考文献【l 】。为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如 下几点假定1 1j ： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均为理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截 止 ，而且“导通 时压降为零，“截止一时漏电流为零； ( 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相比，可以忽略。 2 2 1工作原理 图2 1 所示的b u c k 型d c d c 转换器有两个工作状态，一是当开关闭合状态，二 是开关断开状态。图2 2 ( a ) 和( b ) 显示了开关闭合和断开时电路工作过程。假定输入 电压为恒定值。当开关闭合时，二极管d 反偏截止，电流f ，线性增加，在负载r 上 流过电流l ，两端输出电压为圪，极性为上正下负。当开关断开时，二极管d 承 受正向偏压而导通，电流f ，线性下降，负载r 两端电压极性仍为上正下负。当电流 f，i时，电容处于充电状态，当f，l时，电容处于放电状态，电容的充放电有。 利于维持圪，不变。二极管d 称为续流二极管，当开关断开时，二极管承受正 向偏压为电流构成通路。工作过程中，开关闭合时，输入电流大于o ，开关断开 时，输入电流小于0 ，所以输入电流是脉动的，然而输出电流l 在三、d 、c 的作 用下却是连续的、平稳的。 ( a ) 开关闭合b u c k 电路 ( a ) s w i t c ho f f b u c kc i r c u i t ( b ) 开关断j ：b u c k 电路 ( b ) s w i t c ho r lb u c kc i r c u i t 图2 2b u c k 转换器电路工作过程 f i g 2 - 2 c i r c u i tp r o c e s so fb u c kc o n v e r t e r 6 + 、 、 、)。 i ，口 ， + r d c d c 转换器的分析以及建模方法简介 2 2 2主要概念与关系式 1 电感电流连续与不连续 按照电感电流f ，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 ( c c m ) 和电感电流不连续工作模式( d c m ) 两种。如图2 3 所示，对于c c m 模式而言， 电感电流始终大于零，即始终存在电感电流的通路，因此开关s w 和二极管日必 须交替导通( 即一个截止时另一个必须导通) ，否则无法维持电感电流通路的存在。 当电感较小，负载电阻r 较大，或疋较大时，会出现电感电流已下降到零，而 新的周期却尚未开始的情况，当新的周期到来时，电感电流将从零开始上升，此 时转换器t 作于d c m 模式。对于d c m 模式，在一个开关周期内，电感电流从零开 始上升，然后又降为零。当电感电流为零时，开关s w 和二极管d l 同时截止，此 时负载电流由电容c 放电提供。 ( a ) d c m 模式 ( a ) d c m m o d e 咯 1 i t 一一一二 i i ： i t m 一t ， _ l 吒_ d 2 b d l 毛。参i _ 一一屯一 t 三捧! ii 三 _ _ ： i o lil ( b ) c c m 模式 ( b ) c c mm o d e 图2 3b u c k 转换器两种工作模式 f i g 2 3 t w ow o r kc o n d i t i o n so fb u c kc o n v e n e r 7 北京交通大学硕士学位论文 - 一一一 五一开关周期( s ) d l 一开关导通占空比，即开关导通时间在整个周期上所占比例 d 2 一二极管导通占空比，即二极管导通时间在整个周期上所占比例 圪一输出电压( v ) 珞一输入电压( v ) 屯一电感电流增量( a ) t ：一电感电流增量( a ) 输入输出电压不变的前提下，开关闭合时，电感电流线性增量为 蚧r 毕=