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浙江大学硕士论文 高效电感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设计 摘要 近些年内，随着以手机为代表的便携式电f 产品市场急剧扩张与其相对应的电源管理 芯片需求也日益增加。同时，便携式电子产品功能的增多和电池能量的相对固定，成为了电 源管理中的最大挑战。因此，高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素，其中电池的 能量转换效率和节能方面是关键部分。这也是本次设计高效同步整流降压d c - - d c 转换器 的主要目的。 本次设计内容是一块高效同步整流型电感式降压d c d c 转换芯片。设计中参照市场上 类似成熟产品的设计经验，同时查阅文献资料进行正向设计，在c a d e n c e 中以无锡上华 6 s 0 6 d p d m c t 0 2 的s p e c t r e 模型仿真，成功得到预期的性能指标，并在c a d e n c e 上的v i r t u o s o 平台上进行了版图绘制和验证。最终，本设计在无锡上华的m p w 计划中流片，并在本所完 成了测试。 设计的d c d c 转换芯片有三大特点：电流模式、p w m 调制及同步整流。三大特点都 给芯片带来性能上的提升。本文分别对三个特点对应的工作原理进行了分析，同对在仿真中 进行了比较分析。 电源管理芯片既属于数模混合电路，义属f 功率集成电路。文章中也对数模混合电路设 计中的一些技巧和功率集成电路中功率器什的设计进行了一些阐述。 本次课题使我在模拟集成电路设计方面增长了经验，同时也让我对电源管理领域有了一 个粗略的认识。本文记录了设计中大量有参考价值的数据和结果，同时也包含电源管理芯片 工作原理的分析，有着良好的科研意义。 关键词：电源管理，高效，电流模式，同步整流，功率集成电路，数模混合电路 浙江人学硕上论文 高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的没计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t ss u c ha sm o b i l ep h o n e si sb e c o m i n gm o r e p o p u l a ri nt h em a r k e t ，e s p e c i a l l yi na s i a p o r t a b l ed e v i c e s ，w h i c hb e l o n gt ot h ee n e r g yl i m i t e d b a t t e r yp o w e r e ds y s t e m ，m q u i mt h eu t m o s ti ne f f i c i e n c yi no r d e rt op r o v i d ef u l ls y s t e mc a p a b i l i t y a n dm a x i m u mb a k e r yl i f e s oe f f i c i e n tp o w e rm a n a g e m e n tb e c o m e sak e yf a c t o ri ne l e c t r o n i c d e s i g n ，a n dh i 。g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds t a b i l i z e do u t p u tv o l t a g ea r et w om a i np e r f o r m a n c e o b j e c t i v e s m yw o r ki st h ed e s i g na n dt a p e o u to fah i g he f f i c i e n c yc u r r e n t - m o d es t e p - d o w nd c - d c c o n v e a e la f t e rt h er e v e r s ep i c k u po f s o m es i m i l a rc o m m e r c i a lc h i p s , 1a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n o ft h ew h o l es y s t e ma n di n t e r n a lc i r c u i tm o d u l e s 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 hc e l la n d t h ew h o l es y s t e mi nc a d e n c ea n dp r o s p e c l i v ev a l u ea r ea c h i e v e d f i n a l l yt h ec h i pi sf a b r i c a t e d w i t ho 6 u mc m o s ( e s m c ) p r o c e s s t h i sd c - - d cc o n v e r t e rh a st h r e ef e a t u r e s ：c u r r e n tm o d ec o n t r o l ，p w m ，s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y t h ep a p e rm a k e st h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so ft h ef e a t u r e sw h i c hi sv e r i f i e db y s i m u l a t i o n si nc a n d e n c e p o w e r m a n a g e m e n t i c s a r en o t o n l ya p a r t o f m i x e ds i g n a l i c ，b u t a l s o a r eap a r t o f p o w e r i c t h ep a p e rc o n t a i n ss o m ee x p e r i e n c ea b o u td e s i g no fp o w e rm o s f e ts t r u c t u r e sa n dm i x e ds i g n a l p r o c e s s i n g b yt h ep r o j e c t ，1a c h i e v e dg l o b a lv i e wo fc o m p l i c a t e dc i r c u i tm o d u l e sd e s i g n ，s y s t e mf u n c t i o n r e a l i z a t i o na n dt a p o u tp r o c e d u r e t h ep a p e rr e c o r d sm a n yu s e f u ld a t aa n dd e s i g ne x p e r i e n c e ，a n d a l s og i v e ss o m es u g g e s t i o n sf o rf u t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ，h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，c u r r e n tm o d e ，s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ，p o w e ri c ，m i x e ds i g n a li c 浙江大学硕士沦文 高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 第一章电源管理集成电路 1 1 电源管理半导体 什么是电源管理( p o w e rm a n a g e m e n t ) ，至今没有过一个确切的定义。当前在国内有两种 译名，一是电源管理，一是功率管理( 或功率处理) 。把p o w e r 译为电力，功率还是电源， 直是国内讨论的问题。从本人的理解，p o w e r 即意味着能源，而当今世界最严峻问题之就 是能源问题。而电源管理技术的最终日的就是节能，使每一份能源都不会无故消耗。 电源管理技术与半导体技术结合就形成了电源管理半导体这一类产品。从集成程度上 分，电源管理半导体可以分为电源管理i c ( p o w e rm a n a g e m e n tl c ) 和功率分立器件( p o w e r s e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) ，如果把两者制作在一个硅片上，就被称为功率集成电路( p o w e ri c ) 。 关丁p i c 的内容会在第三章中展开。 当今世界各种类型的杂志以及各个相关公司的产品介绍，电源管理、r 导体已经是普遍 使用的用语。它突现了一个特点，即大量电源管理i c 卷入电源麻用，而单纯地把电源管理 、r 导体等同于功率分立器件的时代已经过去。i s u p p l i 在2 0 0 3 年介绍电源管理半导体时归纳 出个概念：电源管理半导体主要是指用于电源及功率控制中应用的功率半导体，它包括了 功率l c ( p o w e ri f ) 及部分分立器件( 具体构成见图1 1 1 ) 。但这样一种提法也有一些缺陷， 因为实际上这些年，些专用数字i c 也已加入了屯源管理半导体的队伍。近来数字控制功 率也已提到日程，它可以使控制更为精确和敏感。这些都说明电源管理半导体的范围还在进 一步扩大中。 图1 1 1 电源符理半导体构成情况( 2 0 0 2 年) 最近篇短文有趣地把电源符弹半导体描述为半导体界的灰姑娘，这说明电源管理 浙江大学硕士论文高效电感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设计 半导体长期来被认为是半导体界的一个不起眼的配角。但近来忽然发现当整个半导体界的发 展出现停滞时，电源管理半导体往往能继续保持两位数的增k ，成了颇为受人青睐的角色。 多年前，曾提到过电力电子是节能的于牌，这些年来证明：节能确实始终是电力电子或电源 管理这个行业蓬勃发展的原因。世界当前有两个耗能的主要领域，即电机及照明。两者消耗 的能量几乎占全球电能消耗的7 0 ，如果在这两个领域提高能源管理技术，在节能方面是 非常可观的。 但作为电源管理而肓，我们所看到的，不仅是着眼于节电大户，而更必须注意到一些小 功率的消费电器对市电的迫切要求。当前消费电器要求做得越来越小，所以对屯源管理半导 体的要求就更高了，因为电池的容量及改进是有限度的，因此有人认为消费电器这种要求， 是支持电源管理、r 导体持续上升的主要原冈之一，它既是节电的要求，也是手提式产品的特 殊要求，而这些止是电源管理半导体的主要服务方向。 我们理解，电源管理半导体是和极大数母的客户联系着的，它已浩浩荡荡地进入了几乎 每一种电子产品。这里面存在着极大的商机，促使制造商竭尽全力，不断地去创造更新技术 以满足各种新产品发展的需要。 据i s u p p l i 公司预测( 图1 1 2 ) ，2 0 0 5 年电源管理市场整体销售额增长速度将会放缓， 而2 0 0 6 年则将停r 增长，随后开始进入新的增氏周期。i s u p p l i 乐观估汁，2 0 0 8 年全球电源 管理芯片销售额将上井至2 9 5 亿美元，2 0 0 3 2 0 0 8 年的年复食增长率为1 2 7 。2 0 0 5 年全 球半导体i 悟场进入调整期之时，樽益丁- 移动通信、消费电子产品的恢速增长，我露电源管理 芯片市场将仍然保持较高的增k 率。 图1 1 2 电源管理半导体发展情况( i s u p p l i ) 1 d c 的研究数据也指：b ，全球模拟j c 市场于2 0 0 4 年达到近3 0 0 亿艾无的水甲其中电 2 浙江大学硕士论文高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 源管理芯片一了近6 0 亿美元。仙计2 0 0 5 年全球模拟l c 市场将会达到3 4 5 亿美元，其中f u 源管理i c 将，j6 5 亿炎元。山此可知，模拟与电源管理l c 相对丁整个半导体产业而吉，表 现十分亮眼。医向便携j 应片j 的电源器件巾场在2 0 9 4 年达到4 3 亿美元，并将在2 0 0 8 年继 续攀升覃7 2 亿美元。 随着便携式产品功能越来越多，用户对其电池能量的需求也越来越高，这些需求也为系 统厂商带来r 挑战。通讯系统设计工程师就指出，为满足消费者对手机不断升级的“苛刻” 需求，他们在选择电源芯片时会综合考虑电源芯片的体积、待机时间、能量转换效率等众多 囚素，冈此便希望电源设计者能够提供功能强大、省电和电路简单及使用便捷且高效率的电 源管理芯片。 同时，便携式消费类电子产品小型化的趋势愈演愈烈，随之而来的便是电池及其相应体 积及重量不断下降。然而商业上可行的、更高能量密度电池化学技术( 如燃料电池) 的开发 则远远不能满足厂家的需求，从而对电源工程师提山了许多设计挑战，要求他们开发的解决 方案既能实现更多的功能，又能保证更长的操作与待机时间。短期内我们不能指望电池技术 取得多大突破，为今之计就是继续在转换效率上挖潜。 因此，高效电源管理就成为电子设计中至关重要的冈素，其中电池的能量转换效率和节 能方面是关键部分，这也是本次设计高效同步整流降压d c - - d c 转换器的主要目的。 许多便携式应用中都采用锂离子电池这种电池在目前所有成熟的化学充电电池技术中 提供了更高的能量密度。移动电话中单节电池的电压从满到空通常在4 2 v 2 ，7 v 之间，大 部分放电周期中的电压约为3 7 v 。便携式d v d 播放器中串联电池双配置的电压范围为 8 4 v 5 4 v 。许多应用要求几个电压轨来支持多种功能。常见的电压轨为：针对处理器内核 的低于】v 的电压轨，针对存储器的2 5 v 与3 3 v 电压轨，针对扩展接r 1 ( 如u s b ) 的5 v 电压轨，针对扩展接口( 如c o m p a c tf l a s h 或u s b ) 的5 v 电压轨，以及针对l c d 偏置电压或白 色背光电路系统的超过2 0 v 的电压轨。图1 1 3 展示了3 g 于机需要的各种电压轨。 浙江大学硕士论文 高效电感武降压型d c d c 电源管理芯片的设计 惶点亨鹰池妻r i i 蘸若 一 v l 曼曼! 曼； l j ! 曼j 血_ l i d s p 、 骞艨俸d s p 韶 吨攫封l 鞴浩蕊 鸹瓣e ；d c 荛q h 葑 耪鹾n 辩压量 d e 舫c 嗣巍聋赣磊 聃能誉的卜鬯竺銎堡坚 基要裂的曩；焉裂墨裟 匝巫 一c c d e i d p j e ej 一 ! 型兰! l 匦圈 匝圃匝强巫圈 再售群蕞 图1 1 - 3 手机功能方框图 以手机中的电源管理为例。一个功能完善的手机正常工作时的时间分配比例大致如图 1 2 1 。除此以外还有很多其它的功能所造成的功耗，这么多的用电量对于区区9 0 0 m a h 的 电池来说，无疑是巨大的。冈此，在当前新的电池技术还不够成熟的情况下，要想尽可能地 延长手机t 作时间，就只能在电源管理上做文章。同时，从图1 2 1 中可以发现，手机工作 状态多种多样，因此对于供电系 统来说，它的负载情况变化很大。 总的来讲，可以从提高屯能的转 换效率和提高电能的使用效率两 方面着手进行手机的整体电源管 理。 i z 电源转换技术简介 对丁可满足手机内部电源转 换需求的不同电压稳压器，我们 必须认真考虑它们的优缺点r 见 表1 2 1 ) 。目前有三种选择：线性l d o 稳压器、无电感式开关稳压器( 亦称为充电泵) 以及传 统的开关稳压器( 基于电感器1 。 浙江大学硕士论文高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 1 2 1 线性稳压电源l d o ( 低压降稳压器) 将电压降至下一级的最简单方法是使用l d o 稳压器。l d o 具有成本低、封装小、外围 器件少和噪音小的特点。超低的输山电压噪声是l d o 最大的优势，从而非常适用作对噪声 敏感的r f 和音频电路的供电电路。同时由丁l d o 采用线性调节方案，因此没有开关时大 电流所引起的电磁干扰( e m i ) ，所以便于对供给音频放大器、r f 电路系统或摄像机c c d 感光器的“噪声”开关模式稳压输出进行后置滤波。 但是l d o 的缺点是低效率，且只能用于降压的场合。l d o 的效率取决= f 输f u 电压与输 入电压之比：1 = v 。，v 。在输入电压为3 6 v ( 单节锂电池) 的情况下，输出电压为3 v 时，效 率为9 0 9 ，而在输出电压为1 5 v 时，效率则下降为4 1 7 。这样低的效率在输出电流较 大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热影响系统稳定性。 缝汁美袅懂薤 孛 孛彗毒 建枣氍 七 臻声矗匿赶 乏嚣幸 然攀瞧瓤国莓中魏高赢 耍量镱霪差嚣孛好最好 埔搦雹童 涵 程亢 鬻蕊磋毪薏捧不薰噩石需噩瓣聚 表1 2 i 三种方案优缺点比较 1 2 2 电容式开关稳压电源( c h a r g ep u m p ) 充电泵也被称作开关电容电压转换器，是采用“快速”或“泵式”电容器而不是电感器或变 压器米存储能量的d c - d c 转换器。内部f e t 开关阵列控制着“快速”电容器的充放电，因此输 入电压会乘以或除以0 5 、2 、3 或4 等系数，然后再进行线性调节，从而生成所需的输出电压。 这种独特的调制方案可实现高达9 0 的效率。 电荷泵是利用电容作为储能元件，其内部的开关管阵列控制着电容的充放电。为了减少 由_ 丁开关造成的e m i 和电压纹波，很多i c 中采用烈电荷泵的结构。电荷泵同样可以完成升 压、降压和反转电压的功能。由十电荷泵内部机构的关系，当输出电压与出入电压成一定倍 数关系时，比如2 倍或1 5 倍，最高的效率可达9 0 以卜- 。 日是效率会随着两者之间的比例 关系而变化，有时效率也可低至7 0 以下。所以设计者应尽量利用电荷泵的最佳转换t 作 条件。由于储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的3 倍，而输出电流不超过 浙江大学硕士论文高效电感式降压犁d c d c 电源管理芯片的设计 3 0 0 m a 。电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围 电路设计，e m i 和纹波的特性居中，但是缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电 流能力。 1 2 3 电感式开关稳压电源 电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件为负载提供持续不断的电流。通过不 同的拓扑结构，这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能。电感式开关电源具有非常 高的转换效率。电感式开关电源转换效率为1 0 0 但在产品实际工作时存在不理想因素，主 要电能损耗包括：1 ) 内置或外置m o s f e t 的导通损耗，主要与占空比和m o s f e t 的导通 电阻有关；2 ) 动态损耗，包括高侧和低侧m o s f e t 同时导通时的开关损耗和驱动m o s f e t 开关电容的i 乜能损耗，主要与输入电压和开关频率有关：3 ) 静态损耗，主要与i c 内部的漏 电流有关。在外部负载较大时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源可以达到9 5 的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起米，影响效率。 电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大( 主要是电感和电容) ，输f l 电压的 纹波较大。在p c b 布板时必须格外小心以避免电磁干扰r e m i ) 。为了减小对大电感和大电容 的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办法。 1 3 电感式拓扑基本结构 在详细讲解各种转换拓扑结构时，先来回顾一下两个基本概念。 电感基本原理：如果在电感两端加上一个电压，有一个电流将会流过电感( 该电流将 会随时间变化) 。注意即使电感两端电压是固定时，电感上的电流仍然是时变( t i m e v a r y i n g ) 的。同样，当一个时变的电流流过电感上时，电感两端产生一个电压。 电感电压和电感电流之间的关系由r 式表示： v = 三( ! 铭) 由电感基本原理衍生出两个电感特征： i ) 只有当电感上流过一个时变电流( a c ) 时，电感两端才能产生个电压。如果一个 时不变电流流过电感时，电感两端没有电压产生。 2 ) 电感上电流f i 能突变。电感上电流变化越快时，电感两端电压越大。 注：不同于电感电流，电感两端电压可以突变。 6 浙江火学砸士论文商效电感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设汁 3 0 0 m a 。电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围 电路设计，e m i 和纹波的特性居巾但是缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电 流能力。 1 2 3 电感式开关稳压电源 电感式开关电源是利用屯感作为主耍的储能元件，为负载提供持续不断的电流。通过不 同的拓扑结构这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能。电嘻式开关电源具有非常 高的转换效率。电感式开关电源转换效率为1 0 0 ，但在产品实际工作时存在不理想因素，主 要电能损耗包括：1 ) 内置或外置m o s f e t 的导通损耗，主要与占卒比和m o s f e t 的导通 电阻有关；2 ) 动态损耗，包括高侧和低侧m o s f e t 同时导通时的开关损耗和驱动m o s f e t 开关电容的电能损耗，主要与输入电压和开关频率有关；3 ) 静态损耗，主要与i c 内部的漏 电流有关。在外部负载较大时，这蝤损耗都相对较小，所以电感式升关电源叫以达创9 5 的敏率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得犬起来，影响效率。 电感式开关l b 源的缺点在丁电源方案的整体面积较大( 主要是电感和电容) ，输出电压的 纹波较大。在p c b 布板时必须格外小心以避免电磁十扰正m 1 ) 。为r 减小对大电感和人电容 的需要h 及减小纹波，提高开天频率是非常有效的办法。 1 3 电感式拓扑基本结构 在详细讲解各种转换拓扑结构时，先米同顾下两个基本概念。 电感基本原理：如果在电感两端加l 一个电胝，有一个电流将会流过电感( 该电流将 会随日, j i h j 变化) 。注意即使电感两端电压是固定时，电感上的电流仍然是时变( t i m e - v a r y i n g ) 的。同样，当个时变的电流流过电感上时，电感两端产生个电压。 电感电压和电感电流之间的关系h | 下式表示： 旷= 三( 嗲幺) 由电感基本原理衍生出两个电感特征： ”只有当i b 感j 流过一个时变电流( a c ) 时，r b 感两端才能产生一个电压。如果一个 时不变电流流过电感时，电感两端没有电压产生。 2 ) 电感上电流不能突变。电感上电流变化越快时，电感两端电压越大。 滓：不同于电感电 ) i i _ ， b 感两端i b 压可以突变， 注：不同丁电感电流，电感两端l b 压可以突变。 6 浙江大学硕士论文高效电感式降压犁d c d c 电源管理芯片的设计 3 0 0 m a 。电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围 电路设计，e m i 和纹波的特性居中，但是缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电 流能力。 1 2 3 电感式开关稳压电源 电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件为负载提供持续不断的电流。通过不 同的拓扑结构，这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能。电感式开关电源具有非常 高的转换效率。电感式开关电源转换效率为1 0 0 但在产品实际工作时存在不理想因素，主 要电能损耗包括：1 ) 内置或外置m o s f e t 的导通损耗，主要与占空比和m o s f e t 的导通 电阻有关；2 ) 动态损耗，包括高侧和低侧m o s f e t 同时导通时的开关损耗和驱动m o s f e t 开关电容的i 乜能损耗，主要与输入电压和开关频率有关：3 ) 静态损耗，主要与i c 内部的漏 电流有关。在外部负载较大时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源可以达到9 5 的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起米，影响效率。 电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大( 主要是电感和电容) ，输f l 电压的 纹波较大。在p c b 布板时必须格外小心以避免电磁干扰r e m i ) 。为了减小对大电感和大电容 的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办法。 1 3 电感式拓扑基本结构 在详细讲解各种转换拓扑结构时，先来回顾一下两个基本概念。 电感基本原理：如果在电感两端加上一个电压，有一个电流将会流过电感( 该电流将 会随时间变化) 。注意即使电感两端电压是固定时，电感上的电流仍然是时变( t i m e v a r y i n g ) 的。同样，当一个时变的电流流过电感上时，电感两端产生一个电压。 电感电压和电感电流之间的关系由r 式表示： v = 三( ! 铭) 由电感基本原理衍生出两个电感特征： i ) 只有当电感上流过一个时变电流( a c ) 时，电感两端才能产生个电压。如果一个 时不变电流流过电感时，电感两端没有电压产生。 2 ) 电感上电流f i 能突变。电感上电流变化越快时，电感两端电压越大。 注：不同于电感电流，电感两端电压可以突变。 6 浙江大学硕+ 论文 高效电感式降压型d c - d c 电源管理葚片的设计 + v r r m ( t ) 卜 d i d t = 0 v = o t d i ，d t o v o t d 渊t 0 v 0 图1 3 1 电感特性曲线 脉宽调制( p w m ) 原理： 所有开关转换器( 基于电感) 都采用了脉宽凋制方式。简单的说，反馈环调节转换器 中开关管的导通时间，最终达到稳压结果。 v 一t p 叫 l t ：掣xv p k i p 图1 3 2l c 滤波器工作原理图 如图所示，在l c 滤波器输入端加以一个方波脉冲电压v 口1 1 1 ；。脉冲电压通过l c 滤波器 后得到一个直流输出电压，其值等于脉冲电压峰值乘以占空比d 。 啥( - d 1 3 i 电感式降压( b u c k ) 转换电路拓扑 b u c k 型电路拓扑由开关q ( 通常是m o s f e t ) 、续流二极管d 、储能电感l 、滤波电 容c 组成。电感式降压( b u c k ) 转换器 实现了从高压输入v i n ( d c ) 得到低 压输出v o u t ( d c ) 的功能。 电路工作原理； 开关受一组占空比为d 的方波信 浙江大学硕士论文高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 号控制：当开关闭台时，输入电压通过电感l 对电容c 充电，电感电流i l 渐渐变大，直至 开关断开；当开关断开后，由于电感的存在，二极管d 导通，流过电感的电流i 。逐渐变小。 从电感电流图中可以发现，开关关闭时，负载电流和电容电流都由电感电流提供，而开关断 开时，负载电流是电感电流和电容电流之和。从能量转换角度上相同。 i n d u c t o r c u r r e n t 开关削合开关断开 e o u l v a l e n td c l o a dc u r r e n t 电感上电流是在时变的，变化的电流峰峰值称为电感电流纹波l p p = 2 1 r i p p l 。，应选择适当 人小的电感使纹波满足最小额定值。电感电流纹波流经负载则在输出电压上产生电压纹波 v n p p l 。，输出纹波过大意味着输出电压不理想。根据电感电压电流公式k = ( 刊了t o n = ( 心，t d t s _ ( - ) 半 i l ( j i t , 上( ) 根据转换器瞬态响应，当一定时刻后，转换器工作在平衡状态，此时( ( ) 7 ，) = t ( m ) 。 根据电感【乜压电流公式k = 三( d 乡磊) ，在一个周期内对电感两端电压积分得到 ，= 1 l n ( f 渺。 所以一个刷期内，只要当转换器t 作稳定时，电感平均电压为零。 一妒 一 量， 一 浙江大学硕士论文高效电感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设汁 0 = 1 l ( t ) d t = ( v l ) 转换器工作在平衡状态时，在开关管导通时，电感两端电压为v i n - - v o u t ；在开关管断 开时，电感两端电压为v o u t 。因此电感平均电压为 f f v l ( t ) d t = v ，) 乃= ( 一圪。) d 乃+ ( 一圪。) ( 1 一d ) t s 最后得出2 等- d 同时，电容电流满足f c ( ，) = c ! 学。对电容电流在个周期内积分得： v c ( t s ) 一唯( o ) = 土c r ，c ( ，) 廊，在一个周期内，电容电压。乃) = k “”+ 1 ) 乃) ， 所以瓦1 上s t ( n 出= ) = o ，电容单周期内平均电流为零。 根据电感电流1 。( 输出电流) 的波形情况，可以把b u c k 型电路= 作状态分为连续导通 植式f c c m 、和问断导诵馗肯f d c m 、f r 钋析均墓千审略t 作干c c m _ 条件下) + e f t 1l _ 1 芦 i i 、之 l i ! 1 f 1 。 、岛 hl r io 土j 对于d c m 模式，同样满足( ( ) 蹦= f ，( 。a )v c ( n t s ) = v c ( ( n + 1 ) t s ) 由此根据电感平均电压1 lf f v 。( t ) d t = ( 屹) = o ，推导得到 ( 叱，) d 州叱肺观从而等= 熹c 五= d _ f 哌) 可以发现输入输出电压比大丁d ( 当( x + d ) = 亡( 。= t o r 订s ) 输出电压与输入电压之比可以根据不同d 取不同值。以上部是基于c c m 条件分析的， 对丁d c m 下，反馈环路同样可以控制输出电压得i j 期值。值得注意的是，输出电压和输 入电压极性相反，因此该拓扑也被称为反极性开关调整器。 浙江大学硕士论文 高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 参考文献( 第一章) 1 a b r a h a m l p r e s s m a n 开关电源设计( s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y d e s i g n ) ，第二版，电 子工业出版社，2 0 0 5 2 吴英秦，“电源产业：面对危机与商机”中国电子报，2 0 0 5 3 张为佐，“从电力电子到电源管理”电气时代，2 0 0 4n o 11p 5 4 5 7 4 电源管理技术专栏，w w w e d n t o m ( 电子设计技术) 5 “d c - d cc o n v e r t e rb a s i c s m a x i ma p p l i c a t i o nn o t e s w w w m a ) 商m - i c c o m 2 0 0 0 6 d c - d cc o n v e r t e rt u t o r i a f m a x i ma p p l i c a t i o nn o t e s ，w w w m a x i m - i c c o m ，2 0 0 0 7 王兆安、黄俊【主编】，电力电子技术，第四版，机械工业出版社，2 0 0 0 8 “s w i t c h i n gr e g u l a t o r s ”，美国国家j 导体，w w w n a f i o n a l t o m ，f 5 p d f 9 w a l tk e s t e r ，b r i a ne r i s m a n ，s e c t i o r t 3s w i t c h i n gr e g u l a t o r s ，w w w a n a l o g c o m 浙i d 学硕十论文高效电感式降压型d c - d c 电源管理芯爿的设诤 第二章b u c kd c d c 转换器系统分析 2 1 线性稳压电源一开关电源( 电感式) 原型 线性稳压器的输入输入输出电压差p o u tv o l t a g e ) d 唾t 某一程度时，便称为低压筹线性 稳压器( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 。l d o 的基本电路如图2 1 1 所示，它由一个t 作在线性区 的功率晶体管m l ( m o s f e t 结构) 与负载串联构成。首先，r 1 和r 2 组成的分压网络对输 出电压采样：然后，采样电压v f b 输入到误差放大器( e a ) 刊基准电压( v 。f ) 进行比较； 最后，误差放大器输电压经过电流放大器驱动功率晶体管m i 。 _ l _ _ 辅八电压 一 f 口r 哪* h 1 图2 1 1l d o 基本电路结构 稳压原理如下：误差放大器e a 、串联功率晶体管m l 和采样刚络( r 1 、r 2 ) 构成一个 电压负反馈网络，将采样电压v f b 稳定在v t e r ，从而使输出稳压。输出电压由于输入电压升 高或输出负载电流减小而升高时，采样电眶高于基准电压，误差放大器输出使串联功率晶体 管m 1 ( 设为p m o s ) 栅极电压卜降，其输出电流减小，从而输山电压降低，最终保持采样 电压v z a 等于基准电压以达到稳压输出。当输出电压由于输入电压f 降或负载电流增加而下 降时，采样电压低于基准电压，误差放大器输出使串联功率晶体管栅极电压上升，输山电流 浙江大学碘士论文高效电感武降压型d c d c 电源管理芯片的设计 增大输出电压脯最终输嵫巩，= = r i 矿+ r 2 反馈回路完全是直流耦合，整个信号回路没有开关器件以回路各点直流电压都可以预测 或计算。电路中没有变压器并且不存在开芙过程，所以避免了e m l 喋声、瞬态尖峰电压或 电流，适用于各种噪声敏感场合起后置滤波作用。 2 2 开关电源( 电感式) 控制方式 取代线性稳压电源的开关电源早在2 0 世纪6 0 年代就开始应用。它将开关管置于输入 输出之间。通过凋节通断比例( 占空比d ) 来控制输出直流电压的平均值。该输出电压由可 调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。使用合适的l c 低通滤波器 可将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输山负反 馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入网压和负载变化的 影响。以下开关电源分析均基于b u c k 拓扑。 根据反馈环路种类可以分为电流模式控制和电压模式控制。 2 2 1 电压模式 电压模式只有一个电压反馈环，如图2 2 1 所示。在电压模式中，输出电压都是被单独 检测 “直接控制的。对负载电流变换的调整过程是：电流变化引起输出电压的微小变化，而 误筹放大器会探测到这个变化并且调节开关管的导通时间以保持输出电压恒定。电压模式并 不直接探测输出电流。 传统的电压型p w m 控制原理如下： 输出电压v o u t 经过分压后送入误著放大器的反相输入端，误差放大器的同向输入端为 精密温度补偿基准( v 。e f ) 电压。两者之差放大值( v e a ) 与控制器内部振荡器产生的锯齿 波电压通过p w m l e 较器进行比较，产生控制开关晶体管的方波信号。 功率开关管m 1 、采样网络、误差放大器、p w m y 较器构成一个电压负反馈。直流输出 电乐由丁输入电压或负载情况变化产生波动时，e a 输出电压v e a 将调整，与锯齿波的交点发 生变化，使输出电压v 。= 。( l r ) 保持不变。m 1 导通时间的改变使采样电压总是等于 基准电砜r ，日峨，= ( 里茅甄= ( 里茅断 电压模式控制只响席输出( 负载) 电压的变化，这就意味着变换器为了峋应负载电流或 1 4 浙江大学硕士论文高效电感式降血型d c d c 电源管理芯片的设计 输入电压的变化，它必须“等待”负载电压的相应变换。这种等待延迟会影响转换器的稳压 特性。 开关电源的电流流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生9 0 度的延迟。 因此仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在人信号变动时产生振荡，从 而损坏功率器件，以致在电路中产生变压器磁心饱和而产生电流尖峰最终导致线路= 作失 常。当开关晶体管截止时，如果在这段截止时问恰好输入电压或负载电流有变化，必须等到 下一个周期开关管再导通时，输入电压变化才影响到输出电压，反馈电路才能反映出输入电 压的扰动，因此控制和调节作用延迟，这就使系统很难得到满意的动态特性。 假如有一聃方法可以使p w m 控制在单个变换周期内响应负载电流的变化，则“等待”问题 和与电压模式p w m 控制有关的相应负载调整补偿可以消除。 2 2 2 电流模式 图2 2 1 电压模式控制开关电源 电流模式有两个反馈环，如图2 2 2 所示。一个是检测输出电压的电压外环，一个是检 测开笑管电流且具有逐周期限流功能的电流内环。l 乜流模式双环控制技术在d c - d c 转换器 中获得史优良的动态和静态性能。其基本思想是以外环电压调节器的输出作为内环电流给 定，电流内环检测电感电流与之比较，冉由p w m 比较器的输山控制功攀开关m o s 管，使 5 渐江大学硕上论文 高效屯感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设计 电感( 或开关) 电流的峰值电流直接跟随电压调节器的输出而变化。这样构成的电流、电压 双环转换器瞬态性能好、稳定精度高此外还具有内在对功率开关电路的限流作用。因此薇 本文没计的d c d cc o n v e r t e r 采用。 最差敲太嚣 轴八电压 图2 2 2 电流模式控制开关电源 电流模式与电压模式相比具有以下优点： 1 、对输入电压变化瞬态响应快( 线性调整率高，电压前馈特性) 输入电压变化会立即引起晶体管导通时间调整是电流模式咧有特性。与电压模式不同， 这种响应无需等到输出变化反馈到误著放大器时才发生，因此没有延时。电压模式控制只有 一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信 号与恒定频率的三角波上斜坡相比较通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。逐个 脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，冈为主电 路有较人的输出电容c 及电感l 相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变 小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至p w m 比较器将脉宽展 宽。这两个延时滞后作用是电压模式暂态响应慢的主要原因。 而在电流模式中，输入电压变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出米，因此该方法对 输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。若直流输入电压，则、0 斜坡上升率增加， 它达到原v z 一的时间提前，导通时间缩短。这就实现了对输入电压跃升的快速调整。同时， 由于，由于斜坡峰值v d 卅高，导通时间缩短的现象持续以得到正确的输出电压v o 。对输 1 6 浙江人学硕士论文 高效电感式降压型d c d c 电源管理芯片的设计 入电压的前馈控制是开环控制，而对输出电压的控制是闭环控制，两者目的是增加对输入电 压变化的动态响应速度。从另一种角度看，这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统。 2 、反馈环路设计的简化 在电压模式中，输出l c 滤波器给控制环路增加了双极点，在略大于谐振频率 f o = 1 2 r c f f l c 时，l c 滤波器可造成最大1 8 0 度的相移，且随频率提高输出输入的电压 增益会快速下降( - 4 0 d b 什倍频) 。在补偿设计误著放大器时，需要将主极点低频衰减，或 者增加一个零点进行补偿。这么大的相移和增益变化令反馈环路设计变得复杂。更重要是为 了稳定环路，误差放大器的外用元件会变得很复杂，并且会引起对输入电压和输出电流的响 应问题。 在电流模式中，尽管输出电感和屯容串联，但在小信号分析中，计算增益和相移时， 忽略电感的存在。此时电路被认为是一个带并联的输出电容和负载电阻的恒流源。这样，电 流模式中相移是9 0 度而非1 8 0 度，其输出输入电压增益下降速度也会减半( 为- 2 0 d b 十倍 频) 。两者不同的幅频相频曲线在图2 ，2 3 中给出。 国 6 喜 墨* 骜 童一 i 、 i 删l 舻耐科时水 ￥”h # 、一f 一 l ， | e i 弹 i 。jl 。i 舻舻 h m t 1 图2 2 3 两者幅频相频曲线对比 电流模式结构的补偿电路可以采用非常简单的设计，因为控制至输出的传送函数只有 一个低频的极点；但相较之下，电压模式结构则有似极点。出现这个不同现象的原因非常简 单，因为电流环路负责监察及控制电感电流。以降压转换器为例来说，输出级可以执行近似 电流源的功能，可为并行连接的输f l ；电容器及负载提供供电，因此只产生一个低频极点。但 电压模式控制系统的电感电流并不受控制，而且由于l c 滤波器的缘故，输出级会产生双极 点。对丁- r 巨流模式来潍，由于输出级在低频操作时只有个极点，因此有关补偿只需直流增 益、单个主极点及相位抬升的一个零点( 1 类或滞后补偿) ，而且只需利用误差信号放大器、 1 7 举 。 雨 瑚 憾 艄 蕊 i9p。了=g 浙江大学硬士论文 高效电感式降压型d c - d c 电源管理芯片的设计 单个电容器及电阻器便可轻易作出补偿。以简单的补偿电路来说，我们可以将补偿零点放在 恰当的位置，让补偿零点抵销输出级的极点，以便电压开环反应可以达到一2 0 d b 什倍频的 r 降。这