（微电子学与固体电子学专业论文）面向tftlcd的集成多运放dcdc芯片的设计.pdf

摘要 电力电子及丌关电源技术随着应用需求不断向前发展，新技术层出不穷。现 代的丌天电源更是以高效率、小体积、高集成度等特点受到了人们的重视并被广 泛应用。 本论文的设计工作米源于西安电子科技大学科研项同“高性能高集成度数模 混合集成电路关键技术理论研究”。针对t f t - l c d ( 有源矩阵薄膜晶体管液晶显示 器) 已成显示器件的主流，具有巨大市场的特点，设计了面向t f t - l c d 的集成多 运放的d c d c 转换器x d j 0 6 1 8 。这是一款b o o s t 型d c d c 转换器，它集成了 两个线性稳压器，结合外部的电荷泵器件，与内部主控d c d c 和多个运放一起给 t f t - l c d 面板提供完整的电源管理解决方案。该芯片采用电流模控制方式，因此 对电源电压的响应和对负载变化的瞬态响应迅速。文中详细地论述了芯片采用的 控制方式、指标的制定、系统方案的设计、系统功能的电路实现及仿真验证。本 芯片的设计正是基于t f t - l c d 的迅速发展而提出，符合市场的需求，因此该芯片 的设计具有广泛的意义。 本芯片的设计采用国外某公司的b c d 工艺，现在已完成电路设计并通过了前 仿真验证，h s p i c e 仿真结果表明，该芯片的各项重要指标满足设计要求，输入电 源电压可以低达2 6 v ，i 作频率固定在1 2 m h z 左右，效率在8 5 以上，具有较 好的负载瞬态响应。 关键词：d c d c 转换器t f t - l c d电流模b c d 工艺 a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n d so fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l y c o n s t a n t l yd e v e l o p i n ga h e a d ，n e wt e c h n o l o g i e sa r ee m e r g i n gi na ne n d l e s s s w i t c h i n g p o w e rs u p p l yw a sw i d e l yu s e db yt h ep e o p l eb e c a u s eo fi t sf e a t u r e ss u c ha sh i g h e f f i c i e n c y , s m a l ls i z e ，a n dh i g hl e v e lo f i n t e g r a t i o n i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no fr e s e a r c hp r o j e c t sc o m e sf r o mx i d i a nu n i v e r s i t yo ft h e ”k e yt e c h n o l o g yt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fh i 曲一p e r f o r m a n c ea n dh i g hi n t e g r a t i o nm i x e d s i g n a li c s ”a st h et f t - l c d ( a c t i v e m a t r i xt h i n f i l mt r a n s i s t o rl i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) d i s p l a yh a sb e c o m et h em a i n s t r e a ma n dh a dt h eg r e a tm a r k e t ，ad c d cc o n v e r t e r x d j 0 618i n t e g r a t e do p a s ( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ) h a sb e e nd e s i g n e d i ti sab o o s t d c d cc o n v e r t e rw h i c hi n t e g r a t e dt h et w ol i n e a rr e g u l a t o r s t h ec o m b i n a t i o no f e x t e m a lc h a r g ep u m pd e v i c e s ，d c d cc o n v e r t e ro fi n t e r n a lc o n t r o la n dan u m b e ro f o p e r a t i o n a la m p l i f i e r st o g e t h e rp r o v i d e sac o m p l e t ep o w e rm a n a g e m e n ts o l u t i o nf o r t f t - l c dp a n e l t h ec h i pi sa d o p t e dc u r r e n t - m o d ec o n t r o l ，s ot h a te i t h e ri t sr e s p o n s et o t h es u p p t yv o l t a g eo ri t st r a n s i e n tr e s p o n s et ol o a dc h a n g e si sf a s t t i f f sp a p e rd e s c r i b e s t h ec o n t r o lm e t h o do ft h ec h i p ，t h ed e f i n i t i o no fi n d i c a t o r s ，t h ed e s i g no fs y s t e m p r o g r a m ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm a ds i m u l a t i o no f t h ef u n c t i o ni nd e t a i l b a s e do nt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft f t - l c da n dt h ed e m a n d so ft h em a r k e t ，t h ed e s i g no ft h ec h i pi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e t h ec h i pw a sd e s i g n e dw i t haf o r e i g nc o m p a n yb c dp r o c e s s n o wt h ec i r c u i t d e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e da n ds i m u l a t e d h s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm a n y i m p o r t a n ts p e c i f i c a t i o n so ft h ec h i pm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ei n p u ts u p p l y v o l t a g ec a nb ea sl o wa s2 6v o l t s ，i t sf i x e df r e q u e n c yi sa b o u t1 2m h z ，t h ee f f i c i e n c y c a nr e a c ha b o v e8 5 a n di t st r a n s i e n tr e s p o n s ei sb e t t e r k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r t f t - l c dc u r r e n t - m o d eb c d p r o c e s s 声明 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：翌：2 ：f ：坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或者使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名；垒! 兰殖 导师签名：日期：啦! ! 扩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源的发展趋势 电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历 了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域 的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为 代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电 子技术已经进入现代电力电子时代。 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。 对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技 术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率，节省材料， 降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源 改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术， 更是各种大功率开关电源( 逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、 电力操作电源等) 的核心技术。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源 进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的 小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源，节约资源及保护环境 方面都具有重要的意义。 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作生活的关系日益 密切，而电子设备都离不开可靠的电源。传统的线性电源的调整管工作在放大状 态，因而发热量大，效率低( 3 5 左右) ，需要加体积庞大的散热片，而且还需 要大体积的工频变压器，当要产生多组电压输出时变压器会更庞大，而开关电源 恰恰弥补了传统线性稳压电源的上述缺点。开关型稳压电源就是采用功率半导体 器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管( g t r ) 为 例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时， 其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达7 0 以上。当功耗小，散热器也 随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关 调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电 容器、电感器数值较小，因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于 功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性，并且其对电网的适应 能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为2 2 0 v 1 0 ，而开 关型稳压电源在电网电压从l l o v - 2 6 0 v 范围内变化时，都可获得稳定的输出电 压。 2 面向t f t - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 七十年代中期以来，无工频变压器开关电源技术风靡于欧、美、日等世界各 国。进入8 0 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代， 进入9 0 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电 子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电 源技术的迅速发展。 。 可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向： ( 1 ) 高开关电源频率。在开关电源系统中，频率的提高意味着可以采用更小的 电感、电容，从而节省了p c b 板的面积，节约了成本。高的工作频率还可以提高 动态响应速度，这是配合高速微处理器工作必须的；同时提高工作频率也是减小 体积的重要途径。最初开关电源中转换器的开关频率工作在2 0 k h z ，因为2 0 k h z 频率略高于人的听力最高频率，不会给人们带来讨厌的噪声。现在，单片开关电 源的工作频率一般都在5 0 0 k h z 以上，l i n e a r 公司的l t c 3 4 2 5 工作频率甚至做到 了8 m h z 。、 ( 2 ) 模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指 电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七 单元，包括开关器件和与之反接的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块 ( s p m ) 。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构 成了“智能化”功率模块( i p m ) ，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计 制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加 严重，对器件造成更大的电应力( 表现为过电压、过电流毛刺) 。为了提高系统 的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的 几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引 线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美 的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路( a s i c ) 。只要把控制软件写入 该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新 型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积， 更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至 最低，提高系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增 加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均 流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均 分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情况下满足了 大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块， 极大的提高系统可靠性，即使出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而 且为修复提供充分的时问。 ( 3 ) 小体积，高集成度。变压器电感、电容都要减小体积，这主要依赖于工作 第一章绪论 频率的提高。根据所使用的半导体工艺，一些模拟技术公司努力在器件中增加一 些新特性，以满足某一目标市场的需要。现在，他们正把高压能力、基于e p r o m 的调整或编程以及铜互连等技术与先进的器件结构结合起来。 ( 4 ) 高效率，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。绝大多 数新产品具有较低的工作电流。如l i n e a r 和m a x i m 公司的新产品，静态电流一般 不超过l m a 。 ( 5 ) 较宽的输入电源范围。为了适应不同的需要，开关电源的电源电压范围逐 渐向低压、高压两个方向扩展。如国家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 的l m 5 0 0 0 ， 其输入电压为3 1 v 4 0 v 。l i n e a r 的l t l 2 7 0 a ，输入电源范围为3 5 v 3 0 v 。低 压方面，如l i n e a r 的l t c 3 4 0 1 ，最小启动电压仅为0 8 5 v 。 ( 6 ) 内部集成高压、大电流开关。现在许多应用中都需要高压或大电流，如通 讯电路、e e p r o m 电路等。这样的芯片如l i n e a r 的l t l 2 7 0 a ，最大输出电流可 达i o a ，耐压6 0 v 。 ( 7 ) 高可靠性。在现在的开关电源转换芯片中，一般都集成了各种保护功能， 如过温保护、过压保护等。从而大大提高了系统的可靠性。 ( 8 ) 内部多器件集成，优势互补。为了在单一芯片能提供不同的输出电压，在 内部集成了不同的器件。如在a c d c 转换器中集成了功率因数校正( p f c ) 或脉 宽调制( p w m ) ，能有效减少电网污染并提高转换效率。此外，很多功率器件如 m o s f e t 、二极管等也和p w m 控制器一起集成到一个芯片内。多个线性稳压器 与d c d c 集成，可为设备输出多路电压以满足产品中不同部件的不同电压需要。 新一代的电源控制电路要提供时序、占空比控制、故障保护、回路调节和电 源开关控制等功能。体积更小、效率更高、负载范围更宽的电源系统将使便携电 子产品受益良多。许多功率转换器支持基于电感的开关、电荷泵和低压降线性调 节器等应用。为减少切换损失、提高工作频率和减小外形或封装尺寸，电池系统 中的开关电源控制算法将继续沿袭轻负载下的特殊工作模式。在大批量消费电子 应用市场上，控制器的集成度将变得更高。 总而言之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出 现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。这几年，随着 通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，仅国内就有2 0 多亿 人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源 代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操 作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源 技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发【l 】。 4 面向t f t - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 1 2 论文的研究背景和意义 进入新千年，作为信息产业的重要构成部分一显示器件正在加速推进其平板 化的进程。目前，世界已进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件在信息技 术的发展过程中占据了十分重要的地位，电视、电脑、移动电话、数码相机、掌 上电脑等便携式设备以及各类仪器仪表上的显示屏已经成为人们日常生活中的常 用品。 科学技术的发展日新月异，显示技术也在发生一场革命，特别是自9 0 年代以 来，随着技术的突破及市场需求的急剧增长，使得以液晶显示( l c d ) 为代表的 平板显示( f p d ) 技术迅速崛起。液晶平板显示器，特别是薄膜晶体管液晶平板 显示器( t f t - l c d ) ，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等 综合性能上全面赶上和超过c r t 显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好， 自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品， 是2 1 世纪全球经济增长的一个亮点。 随着九十年代初t f t 技术的成熟，彩色液晶平板显示器发展迅速，不到1 0 年的时间，t f t - l c d 迅速成长为主流显示器，这与它具有的优点是分不开的。其 主要特点是：1 ) 使用特性好：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠 性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间：低功耗，它的功耗约 为c r t 显示器的十分之一，反射式t f t l c d 甚至只有c r t 的百分之一左右，节 省了大量的能源；t f t l c d 产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样。2 ) 环 保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是n 叮l c d 电子书 刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记载 文明方式的革命。3 ) 适用范围宽，从2 0 到+ 5 0 1 2 的温度范围内都可以正常使用， 经过温度加固处理的t f l t l c d 低温工作温度可达到零下8 0 。c 。既可作为移动终 端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显 示终端。4 ) 制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好。t f t l c d 产 业技术成熟，大规模生产的成品率达到9 0 以上。5 ) t f t l c d 易于集成化和更 新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很 大。目前有非晶、多晶和单晶硅t f t l c d ，将来会有其它材料的t f t ，既有玻璃 基板的又有塑料基板。 t f t - l c d 正以它的使用特性优越、环保特性好、适用温度范围宽、制造技术 的自动化程度高和大规模工业化生产特性好( 成品率高) 的特点异军突起，成为 新一代显示器件的主流1 2 l 。 正是基于t f t l c d 的巨大应用市场的启发和西安电子科技大学的科研项目 的需要，作者根据现有的技术和相关理论，以市场为导向，将理论和工程实践结 第一章绪论 合，设计了一款面向t f t l c d 的d c d c 开关电源转换器，型号为x d j 0 6 1 8 。 1 3 论文的主要工作安排 本论文设计工作来源于西安电子科技大学的科研项目“高性能、高集成度数 模混合集成电路关键技术理论研究”，针对t f t l c d 显示器市场的火热发展， 设计了d c d c 转换芯片x d j 0 6 1 8 。 本论文设计了一款固定频率的电流模b o o s t 型d c d c 转换芯片x d j 0 6 1 8 。 它内含一个高性能的升压转换器，两个线性稳压器和为有源矩阵薄膜晶体管的液 晶显示器( t f t l c d ) 提供大电流的多运放。d c d c 产生+ 1 3 v 的源极驱动电源 电压，两个线性稳压器分别产生+ 2 4 v 和一8 v 的栅极驱动电源，多运放是专为驱 动l c d 背板( v c o m ) 的色偏修正分压器而设计的。这样，x d j 0 6 1 8 就为驱动 t f t - l c d 提供了完整的电源电压解决方案。论文中详细论述了b o o s t 型拓扑结 构的工作原理、传输特性及采用的脉宽调制p w m 控制技术和线性稳压器的原理。 该芯片基于国外某公司的b c d 工艺，采用s t a r - h s p i c e 对设计的电路进行了仿真 验证。仿真结果表明该芯片具有较好的性能，符合我们的设计要求，可以满足市 场应用。 论文共分为六章。第一章主要介绍了开关电源的优点及发展趋势，论文的来 源和工作安排；第二章列举了几种常见的电感型非隔离d c d c 转换器的拓扑结 构并详细描述它们的传输特性；第三章对d c d c 的p w m 控制技术和线性稳压器 技术作一简明的阐述，为设计提供选择方案：第四章主要是x d j 0 6 1 8 的系统设计， 包括电路的指标定义、拓扑结构选择及系统工作方式的选取等；第五章是x d j 0 6 1 8 中关键电路的功能定义及电路实现；第六章是电路整体仿真验证；最后是结束语。 6 面向t f r - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 第二章d c d c 变换电路及线- i 生稳压器介绍 为了选择合适的电路结构和控制方式，下面先介绍有关d c 巾c 开关电源的 知识。本章介绍了开关电源的几种非隔离d c d c 转换器的电路拓扑结构并讨论 它们在连续导通( c c m ) 和非连续导通( d c m ) 模式的电压、电流波形以及它们的输 出电压纹波。最后，将它们进行一个整体的比较并给出了基本d c d c 变换变换 电路的开关利用率与占空比的曲线图。 2 1d c d c 变换电路及其控制 d c d c 变换电路f 3 l ( 4 1 广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机的驱动。图 2 1 表示一个常见的d c d c 转换器系统。d c d c 转换器的输入是由电网电压经过 整流而得到的不可控直流电压或电池经滤波而得。转换器的功能是将其变为可控 的直流输出。 ，； 图2 1d c d c 转换器系统结构图 在开关式直流电源中，一般都需要用变压器进行隔离。下面将讨论最常用的 四种d c d c 变换电路： ( 1 ) b u c k 型变换电路； ( 2 ) b o o s t 型变换电路； ( 3 ) b u c k b o o s t 型变换电路； ( 4 ) c u k 型变换电路； 上述四种变换电路中，b u c k 型和b 0 0 s t 型是最基本的形式，b u c k b o o s t 型和c u k 型是它们的组合。另外，还有一种全桥型，但在本文中不作讨论。 为了简化分析，先作如下假定：开关是理想的，忽略感抗和容抗上的损耗， 直流输入电压内阻为零且有强大的滤波能力，转换器的输出级有一个滤波器，其 负载可用一个电阻代替。在此基础上对d c d c 变换电路的控制方法的分析如下： 在d c d c 变换电路中，可以控制直流输出电压平均值的大小，使其适应输入电 压和输出负载的要求。在开关式d c d c 变换电路中，输入电压是固定不变的， 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 7 可以利用控制开关的导通和关断时间7 d 和兀”来控制输出电压的平均值。 为了说明开关式变换电路的工作原理，给出如图2 2 ( a ) 所示的基本d c d c 变 换电路。控制输出电压的方法有多种，其中最常用的是在开关频率不变的情况下， 改变开关的导通时间即可控制平均输出电压的大小，波形图如图2 2 ( b ) 所示。这 种方法称为脉冲宽度调制( p w m ) 法或称为定频调宽法。开关的导通时间与开关 周期之比定义为开关的占空比d ，占空比d 可根据需要进行调整。 在频率恒定的p w m 开关中，由开关控制信号控制开关的通、断工作状态。 p w m 开关的原理框图与波形图如图2 3 所示。控制电压信号是由输出电压与给定 电压间的误差电压经放大得到的。开关频率决定于幅值固定的锯齿波电压的频率， g n d ( a ) 基本原理图 波形图 图2 ，2 开关式d c d c 变换电路 一般在几千赫兹到几百千赫兹的范围内选择。当被放大的误差信号大于锯齿波时 开关导通；否则开关关断。开关占空比d 可用放大的误差信号匕和锯齿波电压峰 值来表示： r矿 d = 盟= 丢l ( 2 1 ) t 。 0 开关控 制信号 ii 开ii 开ii 开iv 0 v s t 图2 3 脉冲宽度调制器( p w m ) 的原理、波形 面向t f r - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 2 2 常见的d c d c 变换电路 2 2 1b o o s t 变换电路 b o o s t 型d c d c 变换电路如图2 4 所示。这种电路的输出电压永远高于输 入电压。当开关管接通时，二极管d 被反向偏置，它将输入电源与输出级隔离， 这时电感中的能量由输入端提供。在下面的稳态分析中，假定滤波电容很大，并 使输出电压保持不变，即1 ，o ( f ) = 矿o 。 + v o r t 图2 4b o o s td c d c 变换电路 1 连续导通模式( c c m ) 在连续导通模式情况下，电感中电压和电流的稳态波形如图2 5 ( a ) 所示， 电感电流是连续的：i l ( t ) 0 。在7 h 和t o r t 期间的等效电路分别示于图2 5 ( b ) 和图2 5 ( c ) 中。 ( a ) c c m 下电感的波形 + v o r l v i 一 一 ( b ) 开关管接通( c ) 开关管断开 图2 5c c m 模式下电感中的电压、电流波形及等效电路 v o r l 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 9 即： 在稳态工作时，电感电压在一个周期内的积分为零，可以用下面的式子表示： k + ( 玢一v o ) t o r v = o ( 2 - 2 ) 所t s = v o t o y l ,( 2 3 ) 两边同除以b ，并移项得到 堡v i = 旦t o f f = 由 ( 2 - 4 ) 一2 f 万 z 4 假定电路没有损耗，输入功率等于输出功率，即只= p o ，所以k = g o l o ， 将式( 2 - 4 ) 代入得到： i o ：l d j f ( 2 5 ) 连续导通模式边界状态处电感中的电压和电流波形如图2 6 ( a ) 所示。在这 种工作模式下，屯在关断结束时刚好变为零。此时的电感电流平均值如为： 厶= 2 i m = j 1t v i l - d = 了t s i v o 。( 1 一。) ( 2 6 ) v , t 0 ：坠。么 姜7 产一h 电 一，乞一一 t ，t o n 、，t o r t o 0 2 5l o 帖0 5 1 0 d ( a ) 边界处电压、电流波形( ”l o s ，胁与占空比d 的函数关系 图2 , 6b o o s t 变换电路波形 在b o o s t 变换电路中，电路结构决定了电感电流和输入电流是一样的，即 打= i l 。在连续导通模式的终点处，由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可求得输出电流的平 均值为： l o b = 譬譬胛删2 协， 在b o o s t 变换电路的大多数应用中都需要保持不变。只要占空比d 可以 调整，就允许输入电压变动。l o s ，厶与占空比d 的函数关系如图2 6 ( b ) 所示。 该图表明，如在d = 0 5 时出现最大值i l s m a x ： l o 面向t f l ：l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 伽 ：ts。vomax ( 2 8 ) l 占 = _ - _ z 。6 ， 甚l 而是在i ) = - - 1 3 时出现其最大值l o b m a x ： i o b 脚x ：0 0 7 4 t s 。v o ( 2 9 ) 厶 j 矗和j 函可用它们的最大值来表示： 胁= 4 d ，l 一p 几日m 瓠 ( 2 1 0 ) i o s = 三l 吖l - z ) ) l o bm a x ( 2 1 1 ) 4 如果平均负载电流降到低于玉，那么电流将由连续导通模式变为非连续导通 模式。 2 非连续导通模式( d c m ) 上述b o o s t 变换电路从连续导通模式向非连续导通模式的变化过程，可以 在所和d 保持不变的条件下用逐步减少输出负载功率的方法观察并得到如图2 7 所示的波形图。图2 7 ( a ) 为连续导通模式时电感的电压电流波形图，图2 7 ( b ) 为非 连续导通模式时电感的电压电流波形。这两种情况的电流峰值i l u 是一样的，但 是非连续导通模式的输出功率将减少。 v , i 0滁 一 l t v p 、，o ，t o nj ，t o f f 、 、爪 v ，i 0黥陟 ll i il v l - v o i 一 ，d t sj ，d i t s ji ， ： 1 1 j 、d 2 6 (a)ccm波形0a)dcm波形 图2 7b o o s t 变换电路的电压、电流波形 无论哪种导通模式，电感电压在一个周期内的积分永远等于零。这一关系可 用下式表示： 嗍+ ( 所一v o ) l ) l t s = o ( 2 1 2 ) 所以有 v od 1 + d 耽d l ( 2 1 3 ) 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 l l 。= 寺( 铡( 鲁一) i m o 戤 协 被控制，则至孝有下式 l 0k 老= o 2 5 鍪i2zu=一(2-12 薹乏05一i-p-go南 2 l 菲连接区 ：j f o 一 的能量从输入向输出电容和负载 o 2 5l ) 5 0 8 传送。如果负载不能吸收这些能臣 l ，r 7li 量，电容电i n , 将要升高，i g 到新 。 “。1 0 2 b 。 1 2 面向t f t - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 对于非连续导通模式输出电压的纹 波亦可进行类似的分析。 2 2 2b u c k 变换电路 b u c k 变换电路的输出电压平均值 低于输入直流电压。这种电路主要用于 直流可调电源和直流电动机驱动中。 b u c k 变换电路的基本形式如图 2 9 ( a ) 所示。假设开关是理想的，负载为 纯电阻负载。从图2 9 ( b ) 的波形图可以 看出，输出电压与开关状态有关， 可由开关的占空比d 计算出输 出电压的平均值： v o = 去p 哪) a t = 去( p 职出+ 赫。庙) ：堡v 乃 = d v i ( 2 - 2 1 ) 结合式( 2 1 ) 可得出： v o ：上l y 。 矿j 拥 = k v c ( 2 2 2 ) l ： i v u 。乓矗磊产1 图2 8 ( b ) b o o s t 变换电路的输出电压纹波 m l v o 。 型 lj 到 d ：东c 低通滤波器i 1 l 其中k = v 形 为常数。 ，j 加 2 0 由此可见，利用占空比d 可以控 制f o 。在实际应用中，这种原理 电路的缺点是： 一 1 ) 实际负载多为电感性，即 一 使是电阻负载也会有寄生电感， 这意味着开关将要吸收或放出电 感能量，它可能因此而遭到损坏； 2 1 输出电压在0 到所之间 波动，这在很多应用中是不允许 ( a ) b u c kd c j d c 的基本形式 + r l o m )输入电压通过滤波后的输出 f s 雄3 矗f l r 心 一 一 f cl o r e1 0 0 f cf s f ( d ) 低通滤波器的频率特性 图2 9b u c kd c d c 转换器及其特性 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 1 3 的，为此需要采用中间储能环节。这会增加电路的复杂度。 处理电感储能的问题可以用图2 9 ( a ) 中的二极管续流的方法来解决。由电感 和电容组成的低通滤波器后，输出电压的波动是很小的。图2 9 ( b ) 表示了输入电 压，珀q 波形和通过低通滤波器后的直流分量。图2 9 ( c ) 表示在开关频率为声、 2 压和3 届时的谐波大小。图2 9 ( d ) 中画出了阻尼低通滤波器的频率特性。低通滤 波器的转折频率要选得低于开关频率，以便抑制输出电压中由开关频率造成的纹 波。 在开关导通期间，图2 9 ( a ) 中的二极管反向偏置，由输入提供的能量加到负 载和电感电容上。在开关断开期间，电感与二极管构成电流通路，并将电感中的 储存能量传送给负载。 稳态分析表明，假设输出端的滤波电容很大，则输出电压可近似为常数 v o ( t ) av o 。由于稳态时电容的平均电流为零，因而电感中的平均电流等于平均输 出电流。 1 连续导通模式( c c m ) 图2 1 0 表示电感电流工作于导通模式下的电压、电流波形与等效电路。由 图可知，电感电流是连续的即i l ( t ) 0 。在z h 期间，开关接通，电感中有电流 通过二极管并使其反向偏置，结果在电感上呈现正电压仇= m 一圪，如图2 1 0 ( b ) 所示。电感上的电压对应于图2 1 0 ( a ) 上的a 区。当开关转为关断时即进入t o r t 阶 段，由于电感的储能使得i l 经过二极管而继续流通，电感上呈现负电压仇= 一v o ， 此时如图2 1 0 ( c ) 所示。该电压对应于图2 1 0 ( a ) 所示波形的b 区。 v i v o 勿刁厂 幽一、 e t s i 、 i i ， 立n f ii上也翟 、 个1 j + 野 ( c ) 开关接通 ( a ) 电压、电流波形 图2 1 0b u c k 变换电路的工作状态 j 氍 1 4 面向t f t - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 在稳压条件下，电压电流波形周期性地重复，这里，周期乃= t o n + t o e e 。 电感电压在一个周期中的积分为零，可用下式表示： f t s v l d t = p v l d t 十寇v m t ；0 ( 2 2 3 ) 即。 ( v i v o ) r o = 1 1 0 一t o n ) ( 2 2 4 ) 这一关系对应于图2 1 0 ( a ) 中面积a 等于面积b ，上式还可改写成： 等：孕：d ( 2 - 2 5 ) 订。了2 在这种工作模式下，给定输入电压不变而输出电压随占空比d 线性变化，与 其它电路参数无关。忽略所有电路元件的功耗，则输入功率只可用下式表示： e = e l , = 阮，口= p o ( 2 2 6 ) 于是 一t o ：丛：上( 2 - 2 7 ) i 。v od 在连续导通工作模式状态下，b u c k 变换电路等效于一个直流变压器，其等 效变换比可以通过控制开关的占空比d 在0 到1 的范围内连续控制。 由上述分析可知，每当开关变为关断时，输入电流波形总是瞬间地从峰值跳 变为零，形成输入电流的高频谐波分量。为了抑制电流谐波的影响，需要在输入 端加一个适当的滤波器。 电流参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电流由连续变为非 连续。两种情况边界处的仇和矗波形如图2 1 l ( a ) 所示。边界处的参数值用下标b 来表示，则平均电感电流胁为： 肠=!山=塑一踟)=堕一勋)=los22 l2 l ( 2 2 8 ) ，、， ( b ) 电感电流与占空比的关系 图2 1 1b u c k 变换电路波形 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 1 5 在给定兀，乃，和d 等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电 流小于由式( 2 2 8 ) 给出的胁值，那么t 将不再连续。 2 非连续导通模式( d c m ) 非连续导通模式分为输入电压所不变和输出电压不变两种情况，下面分 别介绍。 ( 1 ) v i 不变的非连续导通模式 所不变的非连续导通模式常用于直流电机的速度控制。输入电压所保持不 变，输出电压可通过调整转换器的占空比d 进行控制。 由于v o = d v i ，在图2 1 l ( a ) 连续导通模式的结尾处，即i l = 0 的特定情况下， 电感电流的表达式可改写为 血：v l t s d ( 1 - d ) ( 2 - 2 9 ) 2 三 根据这一关系式，电感电流胁与占空比d 的函数关系曲线如图2 1 l ( b ) 所示。由 图可以看出，假定所和所有参数不变，对于连续导通模式来说，在d = 0 5 时输 出的电流最大，其值为 口。：t s g i( 2 3 0 ) 8 三 根据式( 2 2 9 ) 和式( 2 3 0 ) 可以写出： h a = 4 h n 。d ( 1 一d ) ( 2 3 1 ) 讨论非连续导通模式的情 况要从连续导通模式的结尾处 开始。在给定了乃，工，所和 d 以后并假设这些参数均不 变化，这时若负载电流减小， 即负载电阻值增加，那么平均 电感电流将随之而减小。当 i l l o b 时，电感电流的波形 如图2 1 2 所示，图中表明电感 储能较小，不足以维持在全部 图2 1 2 所不变d c m 模式下的电压、电流波形 关断时间 o f f 内导通，因此出现电感电流不连续的现象。从图中可以看出，在 d 1 t s 期间，电感电流为零，已无法向负载提供能量，此时负载电阻上的功率是通 过滤波电容提供的。在d i t s 期间，电感上的电压也为零。电感上的电压在一周期 内的积分为零，其数学关系式可由下式表示： f 所一v o ) d t s + ( - v o ) d 1 t s = 0 ( 2 3 2 ) 6 面向t f t - l c d 的集成多运放d c d c 芯片的设计 所以 丝：旦 ( 2 3 3 ) 其中d + d 1 1 ： 由图2 1 2 可得： f ：堡d 1 t s ( 2 3 4 ) 因此 o ：如业 = 警( d + d 1 ) d 1 2 工 = i , t s d d l = 4 - h t m x d d l( 2 3 5 ) 故有 d l ： 丝 ( 2 3 6 ) 由式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 6 ) 得出： 鲁2 蕊0 2 , 泣s ， 所d 2 + ! ( 生) b u c k 变化电路在电感电流连续导通和非连续导通两种模式下的伏安特性示 于图2 1 3 中。图中所示曲线为所不变时，以占空比d 作为参变量作出的( v o l v i ) 与 ( 1 0 五眦) 之间的函数关系曲线。连续导通和非连续导通之间的边界可以用式 ( 2 2 5 ) 和式( 2 3 1 ) 确定。 图2 1 3 聍不变时b u c k 变换电路的伏安特性 第二章d c d c 变换电路及线性稳压器介绍 1 7 ( 2 ) v o 不变的非连续导通模式 在直流可调电源中，所可能变动，但是却要求通过调整占空比d 使其维 持不变。 因为v i = ( v o d ) ，在连续导通模式的终点处可由式( 2 - 2 8 ) 求得平均电感电 流如为： i l b ：t s v o ( 1 一d ) ( 2 3 8 ) = 一 jz 一 2 三 上式说明，如果保持不变，在d = 0 时胁的最大值可由下式求出： k 一t s v o ( 2 3 9 ) 2 l 根据式( 2 3 8 ) 和式( 2 3 9 ) 。可以得出： h a = ( 1 一d ) h b 。( 2 4 0 ) 对于要求肠保持不变的变换电路，则将占空比d 作为( f o i ln m ) 的函数，其表达 式可由式( 2 3 3 ) 、( 2 3 5 ) 代入式( 2 3 9 ) 求出： d ：v o 所 i o | i l b 1