（物理电子学专业论文）一种同步降压式dcdc开关电源管理ic的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着开关电源技术的迅速发展，d c d c 开关电源l c 已在通信、计算机以及消费类 电子产品等领域得到了广泛应用。近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对 d c d c 开关电源i c 的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。为适应便携 式电子产品的应用要求，本文基于0 6 1 x mb i c m o si 艺，利用e d ap s p i c e 集成电路设 计工具设计了一款同步降压型d c d c 开关电源管理的i c 。 本文设计的这款i c 具有使能控制功能，基本工作方式为p w m 调制方式，在实现 较高开关频率的同时，也保证了电路在重载或轻载下都有着较高的转换效率；为了消除 浪涌电流的影响和降低对输入电容的要求，电路也具有软启动控制功能；同时通过限流 保护电路，避免了过流情况的发生；另外，该集成电路也有过热保护功能和欠压锁定功 能，当电路发生过热或者欠压等意外故障情况时，整个电路自动关断，直到故障消除为 止。通过h s p i c e 仿真工具对各个模块电路以及整体电路都进行了仿真验证，结果表明该 集成电路工作稳定，各项指标都达到了设计要求。具有高达2 4 m h z 的p w m 开关频率， 2 7 v - 5 。5 v 电源电压输入范围，输出电压在0 6 v 2 5 v 之间可调，转换效率最高达到 8 1 5 。 由上可见，该d c d c 电源管理l c 采用同步整流技术提高了效率，并省去了常规降 压型d c a ) c 转换器中所需的外部肖特基二极管。可以优先用于考虑小尺寸和高效率的 应用，允许用户牺牲部分效率来换取更小的外部元件 本文最后对整体电路的版图进行了布局，并利用c a d e n c e 下版图设计工具v i r t u o s o 和验证工具d r a c u l a 对部分模块电路进行了版图设计和验证。通过对版图的布局以及对 电路功能等方面进行考虑，该集成电路可满足小封装要求，可应用在手机、p d a 以及 m p 3 播放器等便携式电子产品中。 关键词：开关电源；同步整流；降压型d c d c ；b i c m o s 大连理丁大学硕士学位论文 t h e d e s i g no fas y n c h r o n o u ss t e p d o w nd c d cs w i t c h i n gp o w e r s u p p l ym a n a g e m e n ti c a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ，t h ed c d c s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi ch a sa l r e a d yo b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nd o m a i n ss u c h a sc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r ，a n dc o n s u m p t i v ee l e c t r o n i c s i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n do f p o r t a b l ee q u i p m e n tw i t hb a t t e r yp o w e rs u p p l ye x p a n d sm o r ea n dm o r eq u i c k l y ，s od o e st h e t h ed c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y1 c w h a ti sm o r e ，i tr e q u i r e si t sp e r f o r m a n c et ob e c o m e b e t t e ra n db e t t e r i no r d e rt oa d a p tt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to fp o r t a b l ee l e c t r o n i c p r o d u c t s ，b a s e do nt h e0 6 1 x mb i c m o sp r o c e s s ，t h ep a p e rd e s i g n sas y n c h r o n o u ss t e p d o w n d c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti cb yu s i n gt h ee d at o o l sp s p i c e t h ei ct h i sp a p e rd e s i g n sh a se n a b l i n gc o n t r o lf u n c t i o n , w o r k i n gw i t hp w mm o d u l a t i o n w h i l ea c h i e v i n gah i g h e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y i tc a na l s oe n s u r eh j g h e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y e i t h e rt h ec i r c u i th a sh e a v yo rl i g h tl o a d i no r d e rt oe l i m i n a t et h ei m p a c to ft h ei n r u s hc u r r e n t a n dl o w e rt h ei n p u tc a p a c i t a n c ev a l u e ，t h ec i r c u i th a ss o f t s t a r tc o n t r o lf u n c t i o n o v e rc u r r e n t s i t u a t i o ni sa v o i d e db yc u r r e n t l i m i t i n gp r o t e c t i o nc i r c u i t s ，a l s o ，t h i si ch a so v e rt e m p e r a t u r e p r o t e c t i o na n du n d e r v o l t a g el o c k o u tf u n c t i o n t h a tm e a n sw h e nt h ec i r c u i ts u d d e n l yh a s f a u l t ss u c h 勰o v e rt e m p e r a t u r eo r u n d e r v o l t a g e t h e w h o l ec i r c u i tw i l ls h u t d o w n a u t o m a t i c a l l yu n t i lt h ef a u l t sa r ee l i m i n a t e d b yu s i n gt h et o o l so fh s p i c e ，e v e r ys u b c i r c u i t a n dt h ew h o l ec i r c u i ta r es i m u l a t e d , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i si cw o r k ss t a b l ya n de v e r y i n d i c a t o ra c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h ep w m s w i t c h i n gf r e q u e n c yr e a c h e s2 4 3 9 m h z t h ei n p u tv o l t a g er a n g ei s2 7 v 5 5 v a n dt h eo u t p u tv o l t a g ec a nb ec h a n g e df r o mo 6 vt o 2 5 v t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e a c h e s8 1 5 f r o ma b o v eo n , t h i sd c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti cu s e ss y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hi m p r o v e se f f i c i e n c ya n do m i t st h ee x t e r n a ls c h o t t k yd i o d e s u s e di nc o n v e n t i o n a ls t e p - d o w ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti c i tc a l lb eu s e di n a p p l i c a t i o n sp r i o r i t yt oc o n s i d e rb o t ho fs m a l ls i z ea n dh i g he f f i c i e n c y , b e c a u s ei ta l l o w su s e r s t os a c r i f i c ep a r to fe f f i c i e n c yi ne x c h a n g ef o rs m a l l e re x t e r n a lc o m p o n e n t s a tt h ee n d ，t h i sp a p e rp o s i t i o n st h ew h o l ec i r c u i tl a y o u t t h e ni td e s i g n st h el a y o u tf o r s o m em o d u l ec i r c u i ta n dc h e c k si tb yu s i n gc a d e n c ev i r t u o s oa n dc a d e n c ed r a c u l a c o n s i d e r i n gt h el a y o u ta n dt h ef u n c t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t , t h i si cm e e t st h er e q u i r e m e n to f s m a l lp a c k a g e ，a n di tc a nb ea p p l i c a t e di nm o b i l ep h o n e s ，p d a s ，m p 3p l a y e r sa n do t h e r p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s 一种同步降压式d c d c 开关电源管理l c 的设计 k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ；s t e p d o w nd c d c ； b i c m o s i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丝翌! 蓬 日期： 垒塑：! 曼：乡 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：毽丞盘 鄂躲阜旦卜 导师签名：翠! 塑幸 幽年旦月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 通常所说的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两大类。自然界中没 有可以直接利用的电源，人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转换出来 的，这种通过其他能源经过转换而得到的电源称为发出电能的电源。在很多情况下，发 出电能的电源并不符合使用要求，需要进行再一次变换，这种电能形态的变换可以是交 流电和直流电之间的转换，也可以是电压或电流幅值的变换等等。在某些场合下，这种 电能形态的变换可能仅仅是稳定精度的提高或对其他性能的改进，这种输入和输出都是 电能的电源称为变换电能的电源，本文设计的是直流之间幅值变换的电源。 1 1 电源管理简介 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术 指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源，本文提 到的开关电源的输入和输出都是电能，因此它属于变换电能的电源。 电源管理是一种智能化的电源控制系统，使系统的各个模块能够相互协作共同达到 减少系统功耗、提高系统寿命等性能指标的一种完善的方案。它主要有两种电压转换方 式：a c d c 转换方式和d c d c 转换方式。a c d c 转换：指将不稳定的交流信号转换成 稳定的直流信号；d c d c 转换：指将不稳定的直流信号转换成稳定的直流信号。d c d c 转换的作用主要就是实现供电电压和工作电压的转换，并且能够即时监视系统电压的波 动情况，根据对电压精度的判断，调节芯片的工作电压。使之维持相对稳定。 1 2 开关电源的历史及发展前景 开关电源电路是电力电子电路的一种，基本电力电子电路分为四类：a c d c 电路， d c a c 电路，a a a c 电路，d c d c 电路。对于a c d c 电路和d c a c 电路比较容易理 解，而对于a c a c 电路，可以变换的对象有频率、相数、电压和电流等。对于d c d c 可以变换的对象主要是电压和电流。电力电子电路中的核心元件是电力电子器件，它们 一般工作在开关状态，这样可以使损耗很小。开关电源就是电路中电力电子器件工作在 开关状态的电源。如果把上述四大类基本电力电子电路都看成电源电路，则所有的电力 电子电路也都可以看成是开关电源电路。但实际中，开关电源涵盖的范围要小得多。 开关电源至今已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用 于卫星电源等少数领域。新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件， 2 0 世纪6 0 年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管( 亦称巨型晶体管， 一种同步降压式d c d c 开关电源管理i c 的设计 b j t 、g ，i r ) 的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的 基本结构一直沿用至今。阎 开关频率的提高有助于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的开关电源的开关频 率仅为数千赫兹，随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率也逐步提高。 但当频率达到1 0 k h z 左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。2 0 世纪7 0 年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限的2 0 k h z 。后来，随着电力m o s f e t 的应用，开关电源的开关频率进一步提高，目前，开关频率已从2 0 k h z 左右提高到几百 千赫至几兆赫，使得电源体积更小，重量更轻。2 0 世纪7 0 年代后期以来，随着集成电 路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获 发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减 少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大 方便。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得了长足的发展，一大批新器件和新材 料正被广泛采用。 由于和线性稳压电源想比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大优势。因此， 目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性稳 压电源。作为电子装置的供电电源，线性稳压电源主要用于小功率范围。因此在2 0 世 纪8 0 年代以前，作为稳压电源的更新换代产品，开关电源也主要用于小功率场合。那 时，中大功率直流电源仍以晶闸管相控整流电源为主。但是从2 0 世纪8 0 年代起i g b t 出现，它是m o s f e t 和g t r 复合而成的。i g b t 和g t r 主要应用于中等功率场合，但 是i g b t 比g t r 工作频率更高，成为中等功率范围的主流器件，并不断向大功率方向 拓展其生存空间。i g b t 的出现，使得开关电源的容量不断增大，在许多中等容量范围 内，迅速取代了相控电源。f l 】 在此同时，开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变得突出起来，为了解决这 一问题，2 0 世纪8 0 年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路， 这种技术被称为软开关技术。经过2 0 多年的发展，对于软开关技术的研究至今仍十分 活跃，它也已经成为应用于各种电力电子电路的一项基础性技术，并且最成功的领域在 开关电源领域。 随着开关电源在实际中的应用，当公用电网接有大量的开关电源负载时，会对电网 产生严重的谐波污染。于是人们提出了“绿色电源”的名词，其标志是对电网不产生谐 波污染，对环境不产生电磁干扰，当然也包括不产生噪声。为了降低开关电源对电网的 谐波污染，提高开关电源的功率因数，在2 0 世纪9 0 年代出现了功率因数校正技术，并 在各种开关电源中大量应用。 大连理工大学硕士学位论文 我国对开关稳压电源的研制工作开始于2 0 世纪6 0 年代初期，2 0 世纪7 0 年代起， 我国在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5 v ，2 0 2 0 0 a ，2 0 k h z ，a a d c 开关电 源。2 0 世纪舳年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0 5 - 5 m h z 准谐振型 软开关电源。2 0 世纪8 0 年代中，我国通信电源在a c 仍c 及d c d c 开关电源应用领域 中所占比重还比较低。2 0 世纪8 0 年代末我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳 压一整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率a c d c 开关电源( 通信系统中常称为开 关型整流器s m r ) 所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。2 0 世纪9 0 年代我 国又研制开发了一批新型专用开关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用 的d c d c 开关电源等。多年来，虽然我国在开关稳压电源方面得到了很大发展，但与 其它技术相比，特别是与i c 、v l s i 技术相比，还存在集成度差、使用方法复杂等缺点。 未来的开关电源应该是更加小型化、高效率，其内部的各个功能模块相对独立，并可以 根据要求进行组合，在整机电路中形成一个黑匣子，被作为一个元器件来使用。今后， 采用对环境无害的电路方式、对电子元件进行最优化设计将继续是开关电源设计的主要 课题。用 目前开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天，军事以及家电等领域应用 非常广泛的一种电力电子装置。可以说开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置 的主流技术。据市场调研公司d a t a b c a n s 报道，2 0 0 6 年模拟i c 市场增长约1 5 ，销售 额从2 0 0 5 年3 1 9 亿美元增至3 7 0 亿美元。在模拟领域的诸多产品种类中，电源管理芯 片的市场空间最大，这主要源于电源管理芯片极为广泛的应用。电源管理约占整个模拟 i c 市场3 1 2 的份额，其中从销售收入来看，贡献最大的是开关稳压电源。【“j 开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源 的主流产品。近2 0 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是 对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1 9 9 7 年国外首先研制成脉宽调制 ( p w m ) 控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 、尤尼特德 公司( u n i t r o d e ) 等相继推出一批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 、u a 8 4 2 。 9 0 年代以来，国外又研制出开关频率达1 m h z 的高速p w m 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片， 典型产品如u c l 8 2 5 、u c l 8 6 4 。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。 目前，在我国通信、信息、家用电器等领域，普遍采用了开关电源。其中，通信d c d c 电源是增长速度最快的一部分。开关电源一经问世便显示出强大的生命力，展示了良好 的应用前景。开关电源的应用领域主要如下：( 1 ) 通用开关电源( 2 ) 专用开关电源( 3 ) 特种开关电源。 6 1 1 9 1 一种同步降压式d c d c 开关电源管理i c 的设计 基于开关电源广阔的发展前景，开关电源管理i c 的性能要求也在不断的增加和提 高，但究其根本有以下几项关键技术： 第一、智能化监控技术。开关电源大量应用控制技术和计算机技术，在管理i c 中 进行了各种异常保护、信号检测、电池自动管理等功能，实时监视通信电源设备运行状 态，记录和处理有关数据，及时发现故障，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式 来管理通信电源设备，从而提高供电系统的可靠性。 第二、软开关技术。软开关就是在硬开关p w m ( 或脉频调制p f m ) 技术上增加i x 2 谐振电路。在开关变换时，l c 谐振被迫将开关上的电流或电压迅速变为零，从而使开 关变成零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) ，这样能够极大地降低开关损耗，减小功 率器件的电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度。软开关的开 通、关断损耗理想值为零，不受频率升高的限制。现在应用的软开关技术有：谐振技术、 准谐振技术、p w m 与准谐振的结合技术。但是，软开关变换电路仍存在一些有待解决 的问题，如电路工作在高频下，开关管需要更高的耐压和更大的散耗功率。因此，软开 关变换电路仍是新一代变换电路的发展主流。软开关变换电路的最新发展是零开关一 p w m 变换和零转换删m 变换等。 2 1 1 3 1 本文所研究的的开关电源是d c d c 降压型开关电源，在第三章电路设计中将通过 第二章所介绍的方法，对关键问题进行分析和解决。 1 3 本论文内容简介 基于以上的讨论分析，结合d c y d c 降压式开关电源的实际应用，在本设计中首先 设定了如下的设计目标： ( 1 ) 最大开关频率为2 4 m h z 。 ( 2 ) 电源电压输入为2 7 、，一5 5 v 。 ( 3 ) 输出电压在0 6 v q 5 v 范围内可调。 ( 4 ) 输出电流为5 0 0 m a 。 ( 5 ) 静态工作电流为4 2 4 t a 。 ( 6 ) 电路在逻辑关断时的漏电流为0 m a 。 ( 7 ) 过热保护温度是1 2 0 。 ( 8 ) 开关管限流阈值为7 0 0 m a ，整流管过流阈值为6 0 0 m a ，整流管过零阈值电流为 6 0 m a 。 ( 9 ) 欠压锁定的阈值电压为2 5 v ( 1 0 ) 软启动时间为0 0 5 m s 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 较小的外围器件条件下，电路转换效率为8 0 以上。 最终将完成所有功能单元电路以及整体电路的设计与仿真，并生成网表，完成部分 电路的版图设计和验证。为完成以上设计目标，建立的设计环境如下： 在硬件方面：一台工作在w i n d o w s x p 和d e b i a n l i n u x 环境下的p c 机。 在软件方面：电路设计工具是p s p i c es c h e m a t i c s 设计工具；仿真工具是h s p u if o r w i n d o w sw 2 0 0 4 9 平台下h s p i c e ，在论文中出现的所有仿真图均为h s p i c e 仿真波 形：版图设计工具采用c a d e n c e 下v i r t u o s o ，版图验证工具采用c a d e n c ed r a c u l a 。 在工艺方面：采用了b i c m o s 工艺下0 6 0 m 的仿真模型和工艺规则。 本论文共分六部分，各部分内容如下： 第一部分是绪论，主要介绍了电源管理的概念、开关电源的发展以及应用前景，最 后对本文的内容进行了介绍。 第二部分对开关电源的工作原理进行了详细的介绍，为后续的设计的理论基础。 第三部分对降压式d c d c 开关电源管理集成电路中整体电路结构进行了设计，并 分别对功能单元模块进行了设计和仿真，并对仿真结果进行了分析和说明。 第四部分对整体电路进行仿真和分析。 第五部分是版图设计与布局，对b i a s 电路进行了版图设计和验证 第六部分是结论，主要是总结与展望，总结了本设计中所做的各项工作。 一种同步降压式d c d c 开关电源管理i c 的设计 2 开关电源的理论基础 2 1 稳压电源简介 在开关电源出现之前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是 作为线性稳压电源的一种替代品出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而 产生的。 线性稳压电源的基本原理框图如图2 1 所示。图中关键元器件是调整管v ，工作时 检测输出电压得到以，将其和【，0 进行比较，用其误差对调整管v 的基极电流进行反 馈控制。这样当输入电压研发生变化，或负载变化引起电源的输出电压巩变化时，就 可以通过改变调整管v 的管压降巩来使输出电压u d 稳定。为了使调整管v 可以发挥 足够的调节作用，它必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。线性稳压电源的 直流输入电路是由工作在工频下的整流变压器t 和二极管整流加电容滤波组成的。整流 变压器t 的作用有两个：一是通过对电压比的合理设计使m 比玩高一个合适的值，确 保调整管v 工作在放大状态；二是使输出电压和交流输入电压实现电气隔离。 线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性好，输出纹波电压很小，但它必 须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体 积和重量大、功率低。i 捌 图2 i 线性稳压电源 f i g 2 1 l d o p o w e rs u p p l y 2 2 隔离型开关电源简介 开关电源就是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的，而隔离型是其中一种类型的 电路，应用于a c d c 开关电源中。其典型结构如图2 2 所示，由于有高频变压器隔离， 因而叫做隔离型结构。图中整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容c 滤 叠 大连理工大学硕士学位论文 波后得到直流电压研，再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可听到的音 频的范围大体为2 0 h z 2 0 k h z ，因此逆变器的开关频率大多在2 0 k h z 以上，这样避免了 令人烦躁的噪声污染。逆变器输出经高频变压器t 隔离并变换成适当的交流电压，再经 过整流和滤波变成所需要的直流输出电压仉。 当交流输入电压、负载等变化时，直流输出电压玩也会变化。这时可以调节逆变 器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输出电压碥保持稳定。逆变器是隔离型开关电 源的核心部分，逆变器中的电力电子器件都工作在开关状态，开关电源由此得名，损耗 很小，使得电源的效率可达到9 0 以上。其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器 t 是高频变压器，其工作频率多在2 0 k h z 以上。高频变压器体积可以做的很小，从而使 整个电源体积大大减小，重量也减轻，工作频率高，使得滤波器的体积也大大减小。 工嚏髓蠕| 赡峨峨 图2 2a c d c 开关电源 f i g 2 2a c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 2 3 非隔离型开关电源理论基础 2 3 1 非隔离型电路的结构 非隔离型电路通常用于各种d c d c 转换器，这种电路的主要特点是功率管工作在 开关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断， 具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，暂时以磁场能形式存储在电感器 中，然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，得到经变换后的电压脉动较小的直流 电能，实现d c d c 变换。 2 q d c d c 转换器系统由主电路和控制电路组成，构成开关电源的主电路的元件，包 括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，它们共同完成电能的转 换和传递，合称为功率级；控制电路则通过控制功率开关管的通断实现调节输出电压恒 一种同步降压式d c _ a ) c 开关电源管理i c 的设计 定在设定值，从而控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到 负载的能量维持平衡。通常，当输入的电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时， 负载电压可以维持恒定。 d c d c 转换器的调节过程如图2 3 所示，它将电池电压变成所期望的较稳定的 直流输出电压k 。原理如下：图中的单箭头开关由调制器控制产生一个方波，这个方波 的平均电压等于所期望的直流输出电压，低通滤波器用来削弱方波中的交流量，使得输 出为所需的直流电压，输出电压k 与基准电压相比较，产生控制调制器的信号，从而 达到调节方波宽度或者频率的目的，这样整个系统形成一个负反馈回路，使得输出电压 稳定在设计值。 误差放大署 图2 3d c d c 转换器的调节过程 f i g 2 3r e c t i f y i n gp r o c e e s so fd c d cc o n v e r t e r 将功率开关元件和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以得到各种输出 电压与输入电压间的关系。d c d c 转换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输 出电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。正是由于有多种拓扑结构的存在，使得 d c d c 转换器具有灵活的正负极性和升、降压方式，这一特性使其明显优于线性稳压 器和电荷泵。 根据电路拓扑结构的不同，可以分为降压( b u c k ) 型电路、升压( b o o s t ) 型电路、升 降压( b u c k - - b o o s t ) 型电路、c u k 型丘克电路等等，本文所采用的降压( b u c k ) 型电路。 该电路存在电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e c c m ) 和电感电流断续模式 ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e d c m ) 两种。当电感电流处于连续工作模式时，电路在 一个开关周期内相继经历2 个开关状态，如图2 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 开关状态 f i g 2 4s w i t c h i n gs t a t e t 0 - t l 时段：电路处于开关状态1 ，开关s 于t 0 时刻导通，并保持通态直到t 1 时刻， 在这一阶段，由于u i u o ，故电感l 的电流不断增长，二极管v d 处于断开状态。 t 1 t 2 时段：电路处于开关状态2 ，开关s 于t 1 时刻关断，二极管v d 导通，电感通 过v d 续流，电感电流不断减小。直到t 2 时刻开关s 再次导通，下一个开关周期开始。 当电感电流处于断续工作模式时，电路在一个开关周期内经历三个开关状态：同样 和电感电流连续工作模式一样，先经过了开关状态1 和开关状态2 ，然后进入开关状态 3 。 t 0 - t l 时段：电路处于开关状态1 ，开关s 于t o 时刻导通，并保持通态直到t l 时刻， 在这一阶段，由于u i u o ，故电感l 的电流不断增长，二极管v d 处于断开状态。 t 1 t 2 时段：电路处于开关状态2 ，开关s 于t 1 时刻关断，二极管v d 导通，电感通 过v d 续流，电感电流不断减小。 t 2 t 3 时段：电路处于开关状态3 ，如图2 4 所示即t 2 时刻电感电流减小到零，二极 管v d 关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t 3 时刻，开关s 再次导通，下一个开关周期开始。阎【卅 2 3 2 非隔离型d c d c 开关电源的控制方式 d c d c 开关电源转换器的控制方式可分为p w m ( p u l s e w i d t h - m o d u l a t i o n ) 、 p f m ( p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 和p w m p f m 混合控制模式。下面将介绍这三种方式 的各自特点。 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制式。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度 来调节占空比。因开关周期固定，为设计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管 最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；同时在晶体管的开通时间内，有 很短的时间可调，使输出电压不稳定，故在输出端必须要有一定数量的假负载( 亦称 预负载) ，以防止空载时输出电压升高。 一种同步降压式i ) c a 3 c 开关电源管理l c 的设计 脉冲频率调制方式，简称脉频调制式。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来 调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生 器，并利用电压频率转换器( 例如压控振荡器v c o ) 改变频率。其稳压原理是：当输出 电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，输出电压降 低。 混合调制方式。是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于 p w m 和p f m 的混合方式。由于和t 均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适 合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。1 2 3 1 本设计中在采用同步整流方式的同时，采用了脉冲宽度调制的控制模式。 2 3 3 电压模式和电流模式的控制方式 按照控制电学参数的不同，d c d c 转换器的控制方法又可分为电压模式控制和电流 模式控制。无论是电压模式控制还是电流模式控制，都有输出电压反馈和电压调节器， 所不同的是电压模式控制系统中仅有一个电压反馈控制环；而电流模式控制系统中，除 电压反馈控制环外，还存在电流控制内环。 2 0 世纪7 0 年代末期开始出现了电流模式控制方式，其基本的思想是在输出电压闭 环的控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控制。电流模式控制方式有以下几个优 点：a 、系统的稳定性增强，稳定域扩大。b 、系统动态特性改善。这一点主要体现在对 输入电压扰动的抵抗能力的提高。电源的输入电压中，通常包含交流输入电压整流后的 纹波，采用单独的电压环控制时，由于电压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除干净， 致使输出电压中包含输入电压的低频纹波成分。而采用电流模式控制后，输出电压中由 输入电压引入的低频纹波被完全消除。c 、具有快速限制电流的能力。由于有了电流控 制环，通过对电流给定信号的限幅，可以很容易地限制电路中的电流，从而有效的降低 开关器件和变压器、电感等元件受到的电流冲击，这对很容易因过电流而损坏的高频电 力电子器件十分有益。 整个系统实际上有两个控制环路，一个是电压环路，另一个是电流环路，结构虽然 复杂但是性能更好，因此，电流模式d c d c 转换器逐渐开始成为主流产品。本文研究 的基于同步整流技术的降压d c d c 开关电源采用的是电流模式的控制方式。 2 3 4 同步整流技术简介 由于本文的研究采用了同步整流技术，这里对其进行简单的介绍。电源管理类芯片 的低功耗、高效率越来越成为电路系统设计的一个重要指标。在低电压电路中，二极管 大连理工大学硕士学位论文 损耗所占的比重增加，导致效率大幅下降。为了提高电源转换效率，同步整流技术的出 现，正好顺应了这个要求。一般的同步整流技术的结构如图2 5 所示。 图2 5 同步整流结构 f i g 2 5s y n c h r o n o u sr e c f i f 狮gc o n f i g u r a t i o n 其中，- 么为输入电压，上面的p m o s 管是开关管，下面的n m o s 管是同步整流管， 它们的开启和关断受整流驱动电路输出的脉冲信号控制。基本的工作原理如下：开关管 和整流管的栅由调制器控制，以一定的频率正和占空比d 交替导通，这样，将在开关管 和整流管的公共端k ，产生占空比为d ，周期为瓦= l f , 的方波。第二级组成低通滤波 器( l 和c 0 只通过期望的直流电压，使得交流量大大降低。理想情况下，输出电压的 值由输入电压和占空比给定。 ( 1 ) 在电感电流连续模式( c c m ) 下，负载电阻较小、开关周期疋较小时，电感电流 表现为不断的上升下降的锯齿波，工作波形如图2 6 所示。 t to m t o f f 、，pl 二 二 吒 w 1 亡二j e 。 k 仁j = ：羔= ：自二= = = = = = = ：= ：迄 i p 臼臼 嚏 z n l 亡叶 。t ot l t 2 图2 6c c m 下工作波形 f i g 2 6w o r k i n gw a v ea tc c m 一种同步降压式d c d c 开关电源管理i c 的设计 电路的输出电压亿与输入电压的比值推导利用稳态条件下电感两端电压在一个 开关周期内平均值为零的基本原理，推导如下： ”。( v - v o ) t - v o t 酊 ( 2 1 ) l 式中圪为电感两端电压在一个开关周期内的平均值；瓦为开关周期，瓦= + 锄， 为开关管处于导通的时间，哳为开关管处于断丌的时间。令圪= o 有 k 圪一t 。l d ( 2 2 ) 式中d 定义为占空比。 ( 2 ) 在电感电流断续模式( o f m ) 下，负载电阻较大、开关周期较大时，将会出现 电感电流已经下降到零，新的周期尚未开始的状态，此时电感电流维持为o ，直到下一 周期开始。此时一个周期根据电感电流状态，可分为电感电流上升、下降、维持为零三 个阶段，工作波形如图2 7 所示。 t o f f v pe 竺 。 v nl 口+ u e 主塾自二：二： = 二= v o z ，幽：么：q 图2 7d c m 下工作波形 f i g 2 7w o r k i n gw a v e a td c m 有关断续工作模式的数学关系推导中，先需要推导电感电流连续与断续的临界条 件，降压型电路电感电流处于连续与断续的临界状态时，在每个开关周期开始和结束时 刻，电感电流正好为零，如图2 8 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 8 临界状态波形 f i g 2 8w a v ea tc r i t i c a ls t a t e t t 在稳态条件下，由于电容c 工的开关周期平均电流为零， 关周期内的平均值等于负载电流如。负载电流为 i o - 圪r l 因此电感电流丘在一个开 ( 2 3 ) 而电感电流五开关周期的平均值可以用几何方法进行推导，电感电流在一个开关周期中 的波形是一个三角形，它的高是屯，底边长为疋，面积为 最昙虬瓦 ( 2 4 ) 在几何意义上，电感电流的开关周期平均值等于和该三角形同底的矩形的高，因此 电感电流开关周期平均值等于三角形面积除以瓦，即 l - 去虬 ( 2 5 ) a 屯的计算方法如下：电感电流在零时刻从零开始线性上升，在d 瓦时刻达到，工， 上升的斜率为 工鲁- 圪一匕 ( 2 6 ) 从。到d 瓦积分有： a l = t 矿。瓦 此时电感电流仍为连续，故有k ，吒。d ，将其代入式( 2 7 ) 有 虬- 半五 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 一种同步降压式d c d c 开关电源管理i c 的设计 则可得电感电流开关平均值的表达式为： 一等瓦 ( 2 9 ) 电感电流连续的临界条件为o 一 l ，将式( 2 3 ) 、( 2 9 ) 代入该式有 等z 昔s 朋8 l ：! 二旦 ( 2 1 0 ) 2 r t ， 这就是电路电感连续与否的电感工取值的临界条件。随后推导电流断续条件下输出 与输入电压间的比例，设开关s 关断后电感的续流时间为a t s ，其中o tas ( 1 一d ) 。根 据稳态条件下电感电压开关周期平均值为零的原理，有 ( 一) d l - 口瓦 ( 2 1 1 ) 开关周期电感电流平均值为 ，t - a i ( d + 口) ( 2 1 2 ) 而负载电流为i o - 匕兄，稳态条件下，电容c 在开关周期的平均电流为零，故电感电 流在开关周期的平均值等于负载电流即 v 。r 一l