（电路与系统专业论文）一种DCDC升压转换器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 开关稳压电源具有集成度高，外围电路简单、电源转换效率高等优点，在各 种电子产品中得到广泛的应用。d c - d c 转换器是开关稳压电源的重要分支。本论 文基于使用电池供电的便携式电子产品的应用背景，研究设计了一种p s m 方式电 压控制模式的d c - d c 升压转换器。该转换器具有实现电路简单、输出电压精度 高、转换效率高等优点。 本文在讨论d c - d c 升压转换器的工作原理的基础上，对其进行了系统构架 设计，将它划分为开关主回路模块、振荡器模块和稳压控制模块。开关主回路属 于外围电路，本文重点研究片内的振荡电路和稳压控制电路。振荡器采用由迟滞 比较器和恒流源充放电电路组成的张弛振荡器( 设计频率为1 m h z ，占空比为 9 4 ) 。其中迟滞比较器具有较好的抗干扰能力，且转换速度快；恒流源充放电 电路可获得较高的电源电压抑制比和温度稳定性。稳压控制电路的作用是将输出 端电压稳定在2 4 v 。本文采用电压型脉冲跨周期调制( p s m ) 方式，该调制方式 在负载较轻情况下效率很高。其具体实现电路由迟滞比较器、d 触发器和与门组 成，具有结构简单，实现方便的特点。 利用h s p i c e 软件对振荡器和升压转换器整体电路的性能进行了仿真验证。在 典型工艺情况下，在规定工作温度( - 4 0 。c 8 5 。c ) 范围和电源电压( 2 6 v 5 5 v ) 范围内，振荡器的频率精度为3 。蒙特卡罗分析结果显示，振荡器的频率精度 为- - 1 4 。整体电路的仿真结果表明输出电压可以较好的稳定在2 4 v ，在滤波电容 为1 0 u f 的情况下，输出电压纹波范围在1 以内。 关键词：便携式电子产品；开关电源；d c - d c 升压转换器；张弛振荡器；脉冲跨 周期调制 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s w i t c h i n gv o l t a g er e g u l a t o r , w i t h i t sd i s t i n c t i v ef e a t u r e so fh i g hl e v e lo f i n t e g r a t i o n , s i m p l ep e r i p h e r a lc i r c u i ta n dh i g he f f i c i e n c y , h a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n ye l e c t r o n i cp r o d u c t s d c - d cc o n v e r t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fs w i t c h i n g v o l t a g er e g u l a t o r b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fa p p l y i n gp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s w i t hb a t t e r yp o w e r s u p p l i e s ，t h ep a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gak i n do f d c - d cb o o s tc o n v e r t e rb yv o l t a g em o d eo fp u l s e - s k i p p i n gm o d u l a t i o n 口s m ) t h e c o n v e r t e rh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c h 勰e a s yr e a l i z a t i n no fc i r c u i t , p r e c i s ev o l t a g e o u t p u t , h i g he f f i c i e n c yc o n v e r s i o n , a n de t c t h ed c - d cb o o s tc o u v e r t e ri sd e s i g n e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h ep a p e r t h ec i r c u i ti s d i v i d e di n t ot h ep o w e rs t a g e , o s c i l l a t o ra n dv o l t a g er e g u l a t o r t h ep a p e rm a i n l y f o c u s e so nt h eo s c i l l a t o ra n dv o l t a g er e g u l a t o r w ed e s i g n e dar e l a x a t i o no s c i l l a t o rw i t h 1 m h zf r e q u e n c ya n d9 4 d u t yc y c l e , w h i c hi sc o m p o s e do fh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r a n dc h a r g ea n dd i s c h a r g ec i r c u i tw i t hc o n s t a n tc u r r e n t t h eh y s t e r e s i sc o m p a r a t o rh a s b e t t e ra n t i - j a m m i n ga n dt h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ew i t hc o n s t a n tc u r r e n t ng e th i g h l e v e lo fp o w e rs u p p l yi 蜘e c t i o nr a t i o ( p s r r ) a n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h ef u n c t i o no f v o l t a g er e g u l a t o ri st om a k e2 4 vs t e a d yv o l t a g eo u t p u t p s mc i r c u i ti sc o m p r i s e do f h y s t e r e s i sc o m p a r a t o ra n ddt r i g g e r i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，e a s y r e a l i z a t i o n , a n dh i # e f f i c i e n c yu n d e rl i g h tl o a d t h eo s c i l l a t u ra n dt h ew h o l ec i r c u i to fd c - d cb o o s tc o n v e r t e ra r es i m u l a t e d u s i n gh s p i c e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i m u mf r e q u e n c ye r r o ro ft h eo c a l l l a t o ri s 3 w i t h i nt h et e m p e r a t u r er a n g ( - , t o 。c t o8 5 。c ) a n dv o l t a g er a n g e ( 2 6 v 5 5 v ) m o n t e - c a r l oa n a l y s i sr e p o r t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c yp r e c i s i o no fo s c i l l a t o ri sw i t i a i l l 1 4 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s or e v e a lt h a tt h ed c - d cb o o s tc o n v e r t o rh a sas t e a d y o u t p u tv o l t a g eo f2 4 v w h e nt h ev a l u eo ff i l t e rc a p a c i t a n c ei sl o u f , t h er i p p l eo fo u t p u t v o l t a g ei sw i t h i n l k e yw o r d ：p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ；s w i t c h i n gv o l t a g er e g u l a t o r ；d c - d c b o o s tc o n v e r t e r ；r e l a x a t i o no s c i l l a t o r ；p u l s e - s k i p p i n gm o d u l a t i o n n 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：叠趋4 b 沙叼年苫月1 5 日 指导教师签 - 2 伊9 7 西北工业大学 学位论文原刨性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已 申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 鱼翅。舀日 沙7 年；月衍日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 目前，各种便携式电子产品，如随身听、c d m p 3 、照相机、摄像机、录像 机、个人数字助理、手机等，已普遍采用电池供电( 1 5 v 3 v 3 6 v ) 。电池供电逐 渐成为主要的趋势而几乎在所有的便携式电子产品中，系统中各类器件对电源 电压有着不同的要求。处理器核常用的电源是1 1 v ，存储器要用2 5 v 和3 3 v 的 电源，c o m p a c tf l a s h 或u s b 等扩展接口所用的电源为5 v ，而l c d 偏压或白光 l e d 显示背光电路要求2 0 v 3 0 v 的电源1 1 1 。要维持系统各器件正常工作，必须 依靠d c - d c 转换电路来实现( 如图1 - 1 所示) 。针对便携式产品的特点，如何设 计可靠性好、体积小、重量轻、转化效率高( 能延长电池的寿命) 的电源转换电 路成为便携式产品设计的重要任务1 2 l 。 厂 i 电源 f i 转换 i i一 回 _ 粤 回 图1 - 1 便携式系统电源转换示意图 1 2 便携式产品电源方案 随着市场上各种便携式产品的快速增长，对低功耗、高转换效率、小体积的 d c - d c 转换电源的需求迅速增加。近年来，国内外许多半导体厂商已经开发出了 多种集成d c - d c 电源芯片。这些芯片采用的电源方案大体分为三种类型：低压 差( l d o ) 线性稳压器、基于电容储能的电荷泵和基于电感储能的d c - d c 转换 器f 1 心。它们各自都有一定的特点及适用范围，下面分别做简要介绍【4 l 。 l d o 稳压器可适用于降压变换，具体效果与i o 电压比有关。从基本原理来 说，u ) o 根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的 电压不变。转换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。尽管在从3 7 v 电池电 压到3 3 v 存储器电压变换过程中，l d o 的效率高达8 9 ，但是在将同样的电池 1 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 输出变换成1 1 v 处理器核电源时，效率只有2 9 。如今l d o 以芯片级封装等各 种形式出现，所占面积仅为几个平方毫米，而且在小型应用时只要求一个陶瓷输 入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，l d o 本质上没有输出纹波，一 个理想的应用是对“强噪声”的开关型稳压器输出进行滤波，为声频放大器或r f 电路供电。l d o 的加电压之间的差别扩大以及输出电流增加时，l d o 的发热也 按比例增大。功率损失可以近似由阳电压差乘以流过线性通路元件的电流得到。 电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”( f l y i n g ) 或 “泵送”电容( 而非电感或变压器) 来储能的d c - d c 变换器。它们能使输入电压升高 或降低，也可以用于产生负电压。其内部的f e w 开关阵列以一定方式控制快速电 容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数( o 5 ，2 或3 ) 倍增或降低，从而得 到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达踯的效率，而且只需 外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和 e m i ( 电磁干扰) 。一些电荷泵架构采用了双电荷泵形式，并增加一级输出电压调节， 以减小e m i 和纹波。电荷泵最大输出电流只限于约3 0 0 m a ，主要受到集成的开 关晶体管和外接“快速”电容的尺寸限制。 电感型开关式d c - d c 变换器利用了磁场储能，不论是升压、降压还是两者 同时进行，都可以实现最高的电源转换效率。尽管它与线性或电荷泵式器件相比 要求更大的电路板面积，但对于要求更大电流的应用来说却十分理想。由于转换 效率很高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与l d o 器件 相比时，它常常不需要附加一个占大量空间的、成本较高的散热器。其高达9 7 的效率也提高了电池寿命。d c - d c 变换器也以d c - d c 控制器形式出现，它能够 保证设计有很大的灵活性，设计者可以选用有特定导通电阻的外接f e t 晶体管， 并根据应用的需要调整电流限。这在需要数十安培电流的非便携式设备中非常有 用。先进封装技术也使得开关晶体管能集成到器件中，使得开关式d c - d c 变换 所能提供的电流范围从s o t - 2 3 形式封装的1 0 0 m a 电流到芯片级t s s o p 2 8 形式 封装的9 a 。考虑到集成有f e t 的电感型开关模式d c - d c 变换器的电流输出能力 和效率，它使用时只需外接一个电感和必不可少的输出电容，故可以使整个解决 方案的空间利用率大大提高。 以上三种方案都可以作为便携式电子产品的电源方案。但在选择具体电源方 案时，经常要在成本、体积和效率之间进行折衷。l d o 稳压器和电荷泵为电流输 出要求较低的应用提供了体积小且价廉的解决方案，而d c - d c 转换器能够保证高 得多的电源转换效率。如果延长电池寿命是头等要求，d c - d c 转换器将是合理的 选择。随着半导体技术的发展，集成度以及开关频率的不断提高，d c - d c 转换器 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 及外围元件电感、电容的尺寸不断减小，成本也逐渐降低。目前，d c d c 转换器 已逐渐成为非常有吸引力的电源方案。 随着电子技术的不断发展，新产品的不断开发，提高d c - d c 转换电源芯片 集成度、能量转换效率和降低输出噪声将仍是人们不断追求的目标i s 。 1 3 本文主要工作和内容安排 本论文研究设计了一款基于脉冲跨周期调制( p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ， p s m ) 模式的d c - d c 升压转换器。该转换器在输入电压变化较大的情况下能够保 持输出电压的稳定，实现了较高的输入输出变压比。稳压控制电压采用p s m 调制 方式，保证7 转换器在负载变化较大的情况下始终能够保持较高的转换效率。因 此，本论文设计的d c d c 升压转换器适用于负载变化大、输出电压较高的应用场 合。 本人完成的工作包括转换器系统方案设计；系统框图中各子电路的方案设计 和指标确定；对子电路进行详细设计及分析；并重点研究设计了一种片内张弛振 荡器；利用软件h s p i c e 对转换器子电路和整体电路进行方针验证。在这些过程中需 要不断反复修正每个子电路的指标，直到整个电路满足指标要求。 该升压转换器指标要求和功能特点如下： 输入电压范围；2 6 v 5 5 v ； 温度范围：( - 4 0 。c 8 5 ) ； 功率转换效率：高达踟； 振荡器工作频率1 m h z ，误差范围为2 5 ； 振荡器占空比典型值9 4 ；最小占空比9 0 ； p s m 调制最大占空比9 4 ，最小占空比为o ； 升压转换输出值2 4 v ，纹波范围5 。 本文的结构按照升压转换器的基本功能模块进行组织。首先是升压主回路的 工作原理分析，然后设计了一种张弛振荡器和一种电压型p s m 方式的稳压控制电 路，最后通过h s p i c e 软件对振荡器模块和整体电路进行仿真验证。论文的具体章 节安排如下： 第一章绪论。针对便携式电子产品对转换电源的需求，介绍了目前便携 式产品常用的电源方案，然后阐述了本文的主要工作。 第二章| 升压转换器的工作原理及整体构架。首先分析了d c - d c 升压转 换器的基本工作原理以及两种基本工作模式：c c m 和d c m 。然后将论文设计的 3 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 升压转换器根据功能特点分为：升压主回路( 外围电路) 、振荡器模块、稳压控制 模块。 第三章振荡器的设计和分析。通过分析常用片内环形振荡器和多谐振荡 器的特点，结合实际应用要求，设计了一种性能相对稳定的片内张弛振荡器，并 对组成振荡器的单元电路进行了详细设计。 第四章稳压控制电路的研究与设计。通过分析比较两种常用的调制方式 p w m 和p f m 的优缺点，决定采用p s m 控制方式，重点分析了c c m 模式和d c m 模式下系统的“变压比”、“调制度”与负载的关系以及系统的转换效率等。最后对 稳压控制电路的关键模块电路比较器和d 触发器进行了设计和仿真。 第五章仿真结果及分析。通过用h s p i c e 软件对振荡器和d c - d c 升压 转换电路在各种条件下的工作情况进行了仿真和分析。 第六章结论。总结全文中所完成的工作并且分析了。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章升压转换器的原理分析及构架设计 第二章升压转换器的原理分析及构架设计 d d d c 转换器是一种将直流输入电压转换成高直流输出电压的电源器件。升 压转换器只是d d d c 转换器的一种类型。本章首先简要介绍三种不同的d c d c 转换器的功能和特点，重点分析d c - d c 升压转换器的基本工作原理，并对转换 器的两种工作模式：电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc m r e n tm o d e , c c m ) 和电流断 续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，d o 岫进行了详细分析i q 川。并对论文研究的 d c - d c 升压转换器的整体构架进行了设计。 2 1d 0 - d c 转换器的分类 d c - d c 转换器种类繁多，但它们的工作原理基本一致，即利用控制电路产生 受误差信号调制的开关信号去控制功率开关管的导通与截止，再利用电感、电容 和二极管的储能和释能作用实现能量转换。d c - d c 转换器按照主回路拓扑可以分 为三种基本类型：降压( b u c k ) 转换器、升压( b o o s t ) 转换器、升降压( b u c k - b o o s t ) 转换器 s l 9 1 ，如表1 - 1 中给出。 表1 - 1 转换器三种基本类型 类型拓扑结构 v o v i 曲线 降压 。丽 网 ( b u c k ) n u 升压 m 舯眨l ( b o o s t ) 控制括号士 一 升降压 滑手葛 腻l ( 蛐- b o t ) 5 西北工业大学硕士学位论文 第二章升压转换器的原理分析及构架设计 ( 1 ) 降压( b u c k ) 转换器：降压式转换器是将快速通断的m o s 管或者晶 体管置于输入和输出之间，通过调节通断比( 即占空比) 来控制输出直流电压的 平均值。b u c k 转换器之所以被称为降压式转换器，是因为它的输出电压总是低 于输入电压。 ( 2 ) 升压( b o o s t ) 转换器：升压式转换器与降压转换器有相似的结构，只 是开关和电感的位置不同。它的输出电压、b 比输入电压w m 高。升压转换器 中峰值电流较高，所用的元器件较少，在中小功率的应用场合非常适用。 ( 3 ) 升降压( b u c k - b o o s t ) 转换器：升降压式转换器是由b u c k 和b o o s t 转 换器串联经简化得到的，所以它具有这两种转换器的特点，既可以升压，也可以 用于降压，这种d c d c 转换器适用于输入电压变化比较大的场合。开关管仍是 连接输入和输出的枢纽，开关管通过功率输入电压连接电感到输出，改交了电压 的极性，同时使电压增加或降低。 值得注意的是对于上述的电路，即使电路形式相同，如果产生控制信号的调 制方式不同，d c - d c 转换器的转换效率也会存在差异。三种基本调制方式是脉冲 宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，脉冲频率调制f f m ( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 和脉冲跨周期( p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ) p s m 。脉冲宽度调制方 式适合于重负载工作，它在轻负载情况下效率下降很快。脉冲频率调制方式适合 于轻负载工作，而脉冲跨周期调制的电源效率受负载变化的影响较小【1 0 l 。 2 2 升压转换器基本工作原理 本文以d c - d c 升压转换器作为研究对象。图2 - 1 是升压转换器转换器主回路 的拓扑结构图，主要由功率开关管m 、电感l 、续流二极管d 1 、负载电容c 、负 载r 。组成。其0 e 电m r 。是电感的直流电阻，r 。是负载电容的等效电阻。 v o r o 图2 - 1 升压转换器的拓扑结构 它的工作过程分成两个阶段。当开关管导通时，主电流环路包括电感、开关 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章升压转换器的原理分析及构架设计 管和输入电压源。开关导通时间为1 o n ，如图2 2 ( a ) 所示。开关管导通时，开 关管m 的导通电阻r 很小，电感右端相当于接地，左端接电源电压，流过电 感的电流以固定斜率线性上升，电能以磁能的形式储存在电感中；续流二极管d 1 反偏，处于截止状态；电容c 通过负载r 。放电，给负载提供能量。当开关管截 止时，主电流环路包括电感、二极管、电容、负载和输入电压源。开关管截止时 间为1 ，如图2 - 2 ( b ) 所示。在1 a 。阶段，电感中的电流不能突变，于是二极 管立刻正向导通。这时，电感与开关相连端的电压被输出电压钳位，这个电压被 称为反激电压，其幅值是输出电压减去二极管的正向导通压降。电感通过续流二 极管d 1 ，向负载释放磁能，并为负载电容充电。 ( a ) 升压转换器1 l o n 状态等效电路( b ) 升压转换器t 孵状态等效电路 图2 - 2 升压转换器工作状态分析 2 3 升压转换器的工作模式分析 根据一个开关周期内电感电流是否连续，可以将升压转换器划分为两种工作 模式，分别是电感电流连续模式( c a 田和电感电流断续模式( d c m ) 。在c c m 模 式情况下，转换器在整个开关周期中电感的电流是连续的变化；在d c m 模式下， 开关管截止后，电感电流在开关管下次导通之前会下降到零。 下面在稳态条件下来讨论转换器的两种工作模式。所谓稳态也就是指电路的 输入电压、输出电压、负载电流和占空比都是不变的。在分析主回路稳态过程之 前，首先介绍一下要用到的两个基本原理。( 1 ) 稳态条件下电感两端的电压在一 个开关周期内的平均值为零，也称为电感电压秒平衡原理。( 2 ) 稳态条件下电容 电流在一个开关周期内的平均值为零。 还有，在稳定状态下，电压输出端必须满足关系式 v a t ) - v o + 舭( f ) ( 2 1 ) v o 是输出电压的直流部分，础o ) 是纹波电压。通常设计的升压转换器都要求输 7 西北工业大学硕士学位论文第二章升压转换器的原理分析及构架设计 出纹波电压社( f ) 要小于直流输出电压v o 的1 ，即l 帅( f ) l k ，所以为了分 析简单，可以认为心o ) - 屹。分析过程中，电感两端电压、流过电感电流i 。( i ) 、 流过电容电流i 。( t ) 的正方向如图2 - 2 所示。 2 3 1 连续电流模式c c m 首先分析连续模式下升压转换器开关主回路的稳态特性，也就是通过计算流 过电感电流的变化与电感两端电压的关系可以得出连续模式下输入电压和占空比 与输出电压的关系，进而可以理解输入电压和占空比是如何控制输出电压的。连 续工作模式可以分为两个阶段：第一个阶段是功率开关管m 导通阶段( 脏t 1 o n ) ； 第二个阶段是功率开关管m 关断阶段( t o t 量瓦) 。 当0 t 1 o n 时，功率开关管m 处于导通阶段，等效电路如图2 - 2 ( a ) 所示。 开关管m 导通电阻r 。( 舶) 的压降v 矗很小，续流二极管d 1 截止，这时电感两端 的电压降为 圪l d i l ，( 。t ) 。k 一吃屯( f ) 一( 2 - 2 ) 由于、，璐和r 。上的电压都很小，分析的时候可以被忽略，可以认为电感电流是线 性增加，在功率开关管m 导通的时间t o n 内增加的量为 a 屯( + ) 一手( 2 - 3 ) 在这个阶段内，所有的负载电流i 。= v o r 。都是由负载电容c 提供，所以 矿 io 一一l c 一乇 ( 2 - 4 ) 当1 o n ( t s b 时，功率开关管m 处于截止，等效电路如图2 - 2 ( b ) 所示。功 率开关管m 的电阻很大，因为电感电流减小，电感两端的电压反相，续流二极管 d 1 导通，电流从电感流向续流二极管d 1 ，此时电感的左端的电位还是( v c i 。r 。) ， 电感右端的电位为( k + v ；。) ，v d ，为续流二极管d 1 正向导通电压。所以电感电流 从电源流经续流二极管d 1 ，为负载提供电流i 。，还为负载电容c 充电，补偿负 载电容c 在功率开关管m 导通阶段为负载提供输出电流损失的能量。所以有 屹一l r i l l 。( t ) - k 一乇见一k p 刍。k k ( 2 - 0 k y 一矿 a ，工( ) 一一二： z ； 一：2 f l z ( 2 - 6 ) 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章升压转换器的原理分析及构架设计 屯- ，c + 老( 2 - 7 ) 兵中唱- t o n 在稳态条件下，由于电感电流在一个开关周期里面的净增量为零，即满足 a ，工( + ) - 屯( 一) 。可以得到输出与输入及占空比的关系为： v k 4b t s 一而1 ( 2 8 ) kb 一1 一d 、7 又因为在稳态条件下，在一个开关周期里流过电容的电流平均值为零，即有 ( 一咎+ 瓴一簪- o ( 2 9 ) 由上式得电感电流的平均值 l - 尚一1 一i o d ( 2 - 1 0 ) 可见，电感电流的平均值受负载电流的影响，比例系数为1 - l d 。图2 - 3 是连续模 式下电感电流波形，在一个开关周期瓦内，电感电流始终大于0 。 l b 艇h i _ t l 矸一 il ，一t s 叫 图2 - 3 连续模式下电感电流波形 在开关管导通阶段里，负载电容为负载提供电流，忽略负载电容的等效电阻 对输出电压的纹波的影响，负载电容纹波电压为 - 扩i f c 陋丢l - 嚣( 2 - 1 1 ) 可见在稳态条件下，由于输出纹波电压等于负载电容纹波电压，所以可以通 过增大负载电容或者提高开关频率来减小输出纹波电压。 总之，通过对连续模式下的升压转换器开关主回路的工作状态分析，可以得 出三条结论：( 1 ) 输出电压与输入电压和占空比满足一定的比例关系；( 2 ) 输出 电压纹波受开关频率、占空比、负载电容、负载电流的制约；( 3 ) 电感电流的平 均值受负载电流的影像。通过对这三个结论的深刻理解，可以为设计升压转换器 西北工业大学硕士学位论文第二章升压转换器的原理分析及构架设计 的控制电路奠定一定的理论基础。 2 3 2 断续电流模式d c m 由连续模式下电感电流的平均值公式( 2 - 1 0 ) 可见，在开关管关断期间内，电感 电流的减小量a ，工( 一) 不受负载电流影响。所以当负载电流减小到一定值之后，在 电感电流就会减小到零。由于续流二极管的单向导电性，电感电流不会继续减小， 会维持在零的状态，直到下一个开关周期到来。图2 - 4 是断续模式下电感电流的 波形。 一r 趣 一j l 一 一t s 叫 图2 - 4 断续模式下电感电流的波形 可见，工作在d c m 模式的转换器一个开关周期内有三个工作状态，前两个 状态主回路的等效电路与c c m 稳态下的等效电路一样，而第三个状态的等效电 路就相当于电感的右端与二极管和开关管的漏极断开连接。 为了分析电路的方便，首先规定1 k = c 嘎，1 赫= d ：瓦，瓦- t o n - 1 1 卿= d ，t s 。 在功率开关管m 导通阶段0 o ) ，所以比较器输出高电平呜， 控制开关k 3 导通，同时识控制k 2 截止，使比较器同向输入端电压为高位阈值电压 v 1 。当反向输入端电压不断增加超过高位阈值电压v 1 时，比较器输出翻转为低 电平，低电平的缟，控制开关昭截止，同时呜控制慰导通，使比较器同向输入端 电压为低位阈值电压v 2 。这样的情况下，当反向输入端电压在控制电路作用下， 不断减小，只有低于地位阈值电压v 2 时，比较器才发生翻转。这就是迟滞比较 器的两个状态转换过程，两个由基准分压所得的阈值电压增强了比较器抗干扰能 力。当然，影响迟滞比较器性能好坏的关键因素还有运算放大器，下面将有专门 的小节分析跨到运算放大器( o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n sa m p l i f i e ro t a ) 。 3 3 4 3 ( y i a 比较器是工作与开环状态的运算放大器【2 1 1 。在论文的张弛振荡电路的设计中， 组成迟滞比较器的运放结构如图3 - 1 9 所示，是工作与开环状态的o t a l 丝 ，第一级差 分输入对结构，将电容上的电压转换成电流；当然，运放中光有差分输入级还不 够，还要设计合理的输出级来得到电压摆幅和输出电阻。所以后面接第二级镜像 电流缓冲级，这样设计的好处是可以尽量减少o t a 的偏置电流，不仅完成了差分 输入单端输出，还为下一级提供了合适的驱动能力。l 是o t a 的偏置电流，由基 2 9 西北工业大学硕士学位论文第三章振荡器的设计与分析 准电流源镜像产生。 图3 1 9o t a 比较器 3 4 张弛振荡器的频率和占空比 振荡频率和占空比是衡量振荡器性能的重要指标。同时也是d c - d c 升压转 换器能够运行的关键信号，振荡频率和占空比的好坏直接影响到能否升压，以及 升压模式的类型。因此在这一小节主要讨论振荡器的频率和占空比的公式，其实 也就是要看有哪些因素决定振荡器的频率和占空比。 3 4 1 张弛振荡器的频率 由于振荡电路采用恒流源充放电，所以储能元件电容c o 上的电压是线性变化 的，假设充电开始时刻为f l ，充电完毕时间为乞，由前面的分析可知，1 一k j ， 为充电恒流源，1 2 - k 恐玛，2 一释放电恒流源，由此可推 ，l _ c o d 甜v c - ( 3 2 8 ) r d - 广土c o 耻 ( 3 - 2 9 ) 则电容器的充电时问为 。k k 一苦( f 2 训 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 芈如 i h 一 2 f _ 五 西北工业大学硕士学位论文 第三章振荡器的设计与分析 同理可得，电容器的放电时间为： 州- l ：- 警半 3 2 ， 由此可得振荡周期： h 母c o 等瓦鑫篙协3 3 ， 振荡频率： f 。三且坠坠亟坠坠监墨! 墨! ( 3 斟) 一 r c 0也( 2 毛+ 玛) 由( 3 3 4 ) 式可见，理想的振荡频率与基准电流源成正比，与存储电容也成反 比，与基准电压源成反比。所以，当电流比例系数和分压电阻阻值一定时，调节 其他任何一个参数都可以线性改变振荡频率大小。 3 4 2 张弛振荡器的占空比 张弛振荡器的占空比定义为在一个振荡周期内，振荡器输出的方波信号的导 通时间比，满足关系式： d 一二盟 ( 3 _ 3 5 ) 2 式中，乙即振荡器的方波高电平时间，即电容充电时间互，满足关系式( 3 - 3 1 ) 丁为振荡器的振荡周期，满足关系式( 3 3 3 ) ，然后将( 3 3 1 ) 、( 3 - 3 3 ) 代入( 3 - 3 5 ) 得 d 墨生量( 3 - 3 6 ) 2 j 2 可见，只要适当调节电流源和l 的大小，就可以得到需要的占空比。振荡器 设计指标的占空比典型值为9 4 ，所以和，2 的大小设置为j l 一6 u a ，厶- 1 0 0 u a ， 或者相应的比例电流。 由于输入电压范围是2 6 v 5 5 v ，且输出电压很高，起码要超过2 4 v ，根据 b o o s t 电路在连续电流模式( c c m ) 下的电压转换关系v o v m = l ( 1 - d ) ，在最 小输入电压值2 6 v 情况下，输出电压也要超过2 4 v ，假设至少输出2 6 v ，那么振 荡器的最小占空比为9 0 。 西北工业大学硕士学位论文第四章稳压控制电路的研究与设计 第四章稳压控制电路的研究与设计 d c - d c 转换器设计中，为了使输出电压能够保持稳定，并达到一定的稳定精 度，必须采用反馈控制电路。d c d c 转换器的功率级开关主回路与反馈控制电路 就构成一个自动控制系统。调制电路的设计就是围绕着这个自动控制系统展开的 1 2 3 l 。 本章首先研究本论文的电压控制模式的原理，然后简要介绍两种常用的调制 方式：脉冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 和脉冲频率调制p f m ( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ，重点分析了p s m 调制机理，及c c m 模式和d c m 模式 下系统的“变压比”、“调制度”与负载的关系以及系统的转换效率。最后对稳压控 制电路的关键模块电压比较器和d 触发器进行了设计。 4 1 电压控制模式 电压控制模式是直流开关电源最基本的一种控制，属于单环负反馈控制。其 实质是：在输出电压v o u t 端分压采样v f b ，与给定( 基准) 值v r e f 比较，然后用 比较信号控制振荡器的频率或者占空比，再由振荡器输出调整后的开关信号驱动 功率开关管，从而使输出端电压稳定在某一个预定值。因此电压控制模式直流转 换器是单闭环负反馈控制系统。 图4 _ 1电压反馈控制模式原理图 图4 - 1 是论文设计的电压反馈控制模式原理图，转换器输出电压v o u t 的采 样信号v f b 与基准电压v r e f 比较，比较输出信号经反相器反向，d 触发器整 西北工业大学硕士学位论文 第四章稳压控制电路的研究与设计 形，然后和振荡器与输出控制开关管。当输出电压超出预定值，则反馈控制信号 为低电平，低电平d 触发输出将振荡器的脉冲信号与为o ，控制开关管持续关断， 从而降低出出端电压。同理，当输出端电压低于预定值时，翻开控制信号使开关 管持续不断导通，从而增加输出端电压。这就是电压反馈控制机理，只需要一个 反馈信号v f b ，就可以实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。 电压控制模式是人们最早采用的控制方法，由于是单环控制，设计、分析相 对比较简单，电路成实现方便，体积较小；电压型控制方法另外一个比较突出的 优点就是输出阻抗低，在多路输出供电的电源中可以较好的实现交叉调节。在要 求输入电压范围较宽而且输出负载有变化，或者在干扰较大等情况下，电压控制 模式是首选。所以本论文从芯片设计的总体思想出发，采用电压型控制模式，结 构简单可以减小芯片设计面积，同时为了适应芯片电源电压变换范围较宽且输出 可选负载范围也较大的要求，电压型控制模式是本设计的最佳选择。 4 1 常用的p w m 和p f m 调制方式 d c - d c 转换电路的常用的调制方式主要有：f w m 、p f m 两种调制方式。脉 冲宽度调制p w m 方式刚，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空 比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”；脉冲频率调制p f m 方式1 2 5 1 ， 其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之 为“定宽调频”。当然，两种不同的调制方式也具有共同之处： ( 1 ) 均采用时间比率控制( t r c ) 的稳压原理。无论是改变开关导通时间( t o n ) 还是开关周期( t s ) ，最终调节的都是脉冲占空比。因此，尽管它们采用的方式 不同，但控制目标一致。 ( 2 ) 当负载由轻变重，或者输入电压从高交低时，分别通过增加脉宽、提高 频率的方法，使输出电压保持稳定。 4 2 1p w m p w m 调制方式是开电源中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信号与内 部产生的锯齿波进行比较，然后产生一个恒频变宽的方波信号去控制功率开关管。 根据负载情况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其调制原理如图 4 2 所示，工作波形如图4 3 所示。 西北工业大学硕士学位论文第四章稳压控制电路的研究与设计 c o m p e n s a t i o n 图4 2p w m 调制原理图 e a m 印m 图4 - 3p w m t 作波形示意图 总的说来，p w m 控制方式在开关电源中使用最为普遍，它具有以下优点： 在负载较重情况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电 流或者电压控制模式。同时，p w m 控制方式存在以下缺点：输入电压调制能力 弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。 4 2 2p f m p f m 也是开关电源中经常使用的调制方式，p f m 调制方式是将脉冲宽度固 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( 比如，压控振荡器 v c 0 ) 改变频率。即通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对 工作频率进行调节，然后输出恒宽变频的方波信号去控制功率开关管。依据负载 状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其调制原理如图4 4 所示， 工作波形如图4 5 所示。 总的说来，p f m 控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点： 在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于 电流或者电压控制模式。同时，也存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。 斟 西北工业大学硕士学位论文 第四章稳压控制电路的研究与设计 图4 - 4p f m 调制原理图 图4 5p f m 工作波形示意图 4 3 论文采用的p s m 调制机理 由于论文设计的升压转换器是一种单环电压控制模式的电源转换电路。主要 用于驱动轻负载或者小功率器件，特别是便携式电子产品的l c d 背光或者l e d 闪光，为了使设计的升压转换器在不同负载模式下仍能够稳定工作，并且保持很 高的效率，在反馈控制回路中必须设计合适的调制方式。 常用的p w m 调制原理简单，电路易于实现，但p w m 调制模式线性调整率较差、 轻负载时效率低。p f m 调常 j 模式虽提高了轻负载下的效率，但连续变化的工作频 率给滤波实现带来困难。文献提出一种全新的用于功酾w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( s p i c ) 率变换系统的调制模式跨周期调制模式p s m l 2 6 。它基于恒频恒宽脉冲控制信 号，在每个开关频率时钟上升沿检测输出电压值，当检测值低于设定输出值时， 脉冲序列以固定相位和固定占空比通过；否则，这此脉冲序列被跨过，功率m o s 关断，直到p s m 检测值高于设定输出值。这样，p s m 转换器系统通过控制脉