（电路与系统专业论文）动态可编程高效同步降压型dcdc集成电路设计.pdf

摘要 本论文的设计工作来源于西安电子科技大学的科研项日“电源管理类集成电 路关键技术理论研究与设计 ，作者承担了一款输出可动态编程高效电流模f i 司步降 压型d c d c 转换器的设计工作。 论文在深入系统地分析和研究了电流模降压型d c d c 转换器的工作原理和关 键技术的基础上，针对第三代w c d m a 手机射频功率放火器电源箭理的特点，成 功地设计了一款输 j 可动态编程的i 西效电流模同步降j kj 锂d c d c 转换器芯片 x d l 9 0 9 。该芯片引入外部基准引脚r e f ，在外部数模转换器( d a c ) 的驱动卜， 轻松地实现了输出电压在0 3 v 一- - 3 5 v 的范围内动态町调节；采用硎步整流技术， 提高芯片转换效率的同时节省了p c b 板的面积；x d l 9 0 9 的转换效率可高达9 6 ， 而突发工作模式的引入使得芯片在轻负载条件下仍然能够保持高效率；内置旁路 p m o s 管可减小总的导通电阻，降低电感上的功率损耗：分段线性补偿方案的引 入解决了在大占空比条件下电流环路不稳定的问题，同时避免了在小占空比条件 下过补偿现象的发生。 文中对x d l 9 0 9 的主要功能模块进行了详细的理论分析，并基于国外某公司 0 5 u mc m o s 工艺，利用w o r k v i e wo f f i c e 、h s p i c e 等e d a 软件完成了电路的设 计和前仿真验证，仿真结果表明性能指标满足设计要求。 关键词：动态可编程降压型转换器电流模c m o s a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c to f t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e yt e c h n i q u e sf o r p o w e rm a n a g e m e n ti c ”，ad y n a m i c a l l yp r o g r a m m a b l eh i g he f f i c i e n c yc u r r e n t m o d e s y n c h r o n o u sb u c kc o n v e n e ri ci sd e s i g n e di nt h ep a p e r i nc o n s i d e r a t i o no ft h ep o i n tt h a tr fp o w e ra m p l i f i e r si nn e w3 r dg e n e r a t i o n w c d m ac e l l u l a rt e l e p h o n e sr e q u i r ead cp o w e rs u p p l yw h i c hc a ns l e wq u i c k l yf r o m o n ev o l t a g et oa n o t h e r , ad y n a m i c a l l yp r o g r a m m a b l eh i g he f f i c i e n c yc u r r e n t - m o d e s y n c h r o n o u sb u c kc o n v e r t e ri cx d 19 0 9i sd e s i g n e dt op e r f o r mt h i sf u n c t i o na f t e ra n i n d e p t hs y s t e m i cs t u d yo nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n i q u e se m p l o y e di n c u r r e n t m o d eb u c kc o n v e r t e nx d 19 0 9p r o v i d e sd c d cc o n v e r s i o nf r o ms i n g l e l i t h i u m i o nc e l lv o l t a g e sd o w nt oad y n a m i c a l l ya d j u s t a b l e0 3 v - 3 5 v , w h i c hc a nb e e a s i l ym o d u l a t e db yd r i v i n gt h er e fp i nw i t ha ne x t e r n a ld i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e a e r ( d a c ) b ya d o p t i n gt h et e c h n o l o g i e so fs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，d u a lo p e r a t i o nm o d e a n db y p a s sp - c h a n n e lf e t t h ee f f i c i e n c yo ft h i sd e s i g nc a l lb ea sh i g ha s9 6 an o v e l s l o p ec o m p e n s a t i o n s c h e m ei si n t r o d u c e di n t ox d i9 0 9t o p r o v i d es t a b i l i t yb y p r e v e n t i n gt h es u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n sa th i g h d u t yc y c l e sa n da v o i d t h eo c c u r r e n c eo f o v e rc o m p e n s a t i o na tl o wd u t yc y c l e s d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s e so f m a i ns u b - b l o c k so fx d 19 0 9a r em a d ei nt h ep a p e r a n db a s e do naf o r e i g nc o m p a n y s0 5p mc m o sp r o c e s s ，t h ed e s i g n ，p r e l a y o u t s i m u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e du s i n gt h ee d at o o l so fw o r k v i e w o f f i c ea n dh s p i e e t h es i m u l a t i o nr e s u l t st u r no u tt ob et h a ta l lt h ef u n c t i o n sh a v eb e e n i m p l e m e n t e da n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n k e y w o r d ：d y n a m i c a l l yp r o g r a m m a b l e b u c kc o n v e r t e rc u r r e n t - m o d e c m o s 绪论 绪论 用户对于自己所购买的手机。般旮许多要求，长通话时f j 平l lk 待机时1 1 i j5 点然 是其中最重要的两项。现今的数字手机已经成熟，随处可见的第：代( 2 g ) y - 机 在电源管理方面能够适应语音工作模式并具有较高的效率。待机时删长达周、 通话时i 日j 可持续数小时的手机并不少见。 然而，第三代( 3 g ) 手机则完全是另一码事，这些手机具有语音、数据和多 媒体功能，例如具有无线连网、发送数字图像、s m s 、电二子商务以及视频会议等 功能。很多先进的处理器、d s p ( 数据信号处理器) 和v l s i 电路被用来实现这些 功能，这些器件的大量使用使得电源的供应非常紧张。因此，与2 g 手机相比，新 的多媒体3 g 手机平均功耗将大大增加，如何提高电源管理技术并延长电池使用寿 命，已经成为3 g 手机丌发设计中的主要挑战之一。 现有的锂离子电池已经越来越难以满足消费者对币常使用时间的要求。对此， 业界主要采取两种方法：第一，丌发具备更高能量密度的新型电池技术，如燃料 电池：第二，在电池的能量转换效率和节能方面下功夫。遗憾的是，为手机提供 电能的电池技术在最近几年虽有不少创新和发展，却并没有跟上电路技术的发展 步伐，不能很好地满足先进便携式产品的需要。因此，在当前新的高能电池技术 仍不成熟的情况下，要想尽可能地延长3 g 手机的工作时问，就只能在电源管理上 做文章。 3 g 手机的电源管理应该从提高电源利用率和降低功耗这两个方面着手。从原 则上来讲，我们可以通过尽可能多地利用功率转换效率较高的a c d c 或d c d c 丌关电源转换器尽可能地降低电源电压和采用动念电压调整等技术或方法来尽可 能地延长手机电池的工作寿命。 3 g 手机中必须进行电源管理的关键部分有射频功率放大器、收发器、模拟基 带器件和数字基带器件。在通常使用情况下，射频功率放大器消耗的电能儿乎要 占电池总能量的一半。射频功率放大器是手机电源管理主要难点之一，这种功率 放大器要求很高峰值电流，有时将近l a ，因此该部件消耗的手机电池能量比任何 其它部件都多。由此可见，对射频功率放大器实行电源管理对于延长手机电池的 工作寿命意义重大。 本论文结合科研项目，针对3 g 手机中射频功率放大器的工作特点，基于国外 某公司o 5 9 mc m o s 工艺，设计了一款单片输出动态可编程高效州步降爪型 d c d c 转换器芯片x d l 9 0 9 。x d l 9 0 9 主要针对单节钾离子、多盼碱 ，t 或镍氧金属 i 【i 池心用，如：3 g 于机、p d a 、数码相机、m p 3 播放机、尢线调制解调器等便携 式设符。心- i - i - 厅i i 功能齐全，应用灵活，满足了便携式设衍特别魁3 gt - 机l - 射频功率 2 动态可编稃高效同步降压础d c d c 集成i 乜路设计 放大器对输出功率动态调节的要求。 本沦文_ = i 七分为血章：第一章简要地介绍了电源管理技术的现状和发展趋势以 及丌关电源转换器的分类；第二章对b u c k 型转换器的工作原理和小信号模型进行 了洋细的分析和公式推导；第三章对当今广泛采用的几种p w m 反馈控制模式t 故- j 全l l ：【i 而详细的讨论，在此基础上进行了x d l 9 0 9 的系统设计：第世i j 章详细介绍了 x d l 9 0 9 中l - - 要子电路的功能及电路实现，并给出了仿真验证波形；第血章对整体 电路性能指标进行了仿真验证，给出了关键特性的仿真曲线和主要性能指标的仿 真结果。 第一章电源管理概述 第一章电源管理概述 本章首先对电源管理技术的现状及发展趋势进行了简要的介绍，然后对丌关 电源转换器的基本拓扑结构作了简明的阐述。 1 1 电源管理的现状和发展趋势 无线多媒体通信和计算市场的迅猛发展既对电源提出了越米越高的要求，州 时也为电源以及电源管理i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 市场的发展注入了一股强劲的增 长动力。近几年来电源管理i c 的市场规模和潜力一直处在急速膨胀之中。掘美国 风险发展公司( v d c ) 估计，2 0 0 4 年电源管理i c 的销售收入将超过7 5 亿美元， 平均年增长速率将超过1 6 。专门研究电源管理i c 市场的知名市场调研公司 d a m e l lg r o u p 也预测，单单通信设备电源管理i c 的全球销售额就将由2 0 0 3 年的 4 4 亿美元上升到2 0 0 8 年的5 8 亿美元，年复合增长率高达5 5 。电信和计算机是 其中增长最显著的两大应用领域。 电池供电时间已经变成影响当今无线通信市场和便携式消费类电子产品进一 步发展的最大阻碍因素。如何使电池的工作寿命满足用户同益增长的期望，已成 为无线通信产业面临的最大挑战。目f j i ，由于电池技术目前已相对成熟，锂离子 电池的功率密度在短期内难望有跳跃性的增长，而新的电池技术( 如燃料电池) 由于安全问题和缺乏标准而离商业化应用还有很长时间，因此目前业界只能在电 源管理和体系结构上下功夫。 总的来说，目前便携式电子产品中电源管理技术主要呈现以下五大发展趋势： 第一，集成度r 益提高，但并没有排斥小规模、独立封装的模拟电源电路。 不论是便携式设备，还是个人电脑与网络通信设备，通常都需要多个电源为不同 的功能器件或板卡模块供电，但这些应用的板级空间却十分有限。为解决这一矛 盾，电源i c 设计者开始把多路电压转换集成到单个芯片内，有些则在电源管理单 元( p m u ) 中集成了多个丌关转换器和线性稳压器。集成趋势的另一一推动力是成 本和设计简化。数码相机中的电源管理由于其具有多电压组的要求，是体现对高 集成度电路需求的一个典型例子；而对于充电器、通过u s b 电源供电等特定应用， 小规模电源电路仍然有它的用武之地。 第二，丌关电源将成为主流。在手机等便携式设备上，传统上采用线性低压 降( l d o ) 稳压器来将电池电压转换到预先确定的电压值，并提供负载所需的功 率。但近年来山于普遍采用深哑微米： 艺制造技术，数字器件的i ：作i 乜压已降剑 了1 2 v ，m 加，j ：对更轻更小电池的需求，l d o 稳爪器的使用已i i ； 减少，l n 为该 类器件的功率转换效率栩低，捌称i f i 均j l 彳j 3 6 。现n ：的趋辨足采川外火州稳 4 动态可编j f ! f ! 高效旧步降尿删d c d c 集成i u 踏改i i 爪器，它的功率转换效率可高达9 0 以上。现在业界普遍存在的一利- 趋势足采川 高频率丌关电路，由传统的1 0 0 k h z 至3 0 0 k h z 提高到数兆赫兹级别。驱动这种技 术趋势的动力来源于便携式电子产品对小尺寸器件的需求，因为高频率丌关器件 可以有效地降低对容性和感性器件的尺寸要求，并且能进一步提高电源的效率。 丌关器件的固有特性决定了能够有效抑制电源噪声的技术r 益重要，通过采用固 定频率操作、多相位合成技术和片内扩展频谱技术，解决丌关器件带来的噪声已 取得了实质性的进展。 第三，以系统为基础规划整体解决方案。这包括多个层次的内容。传统上， 电源管理i c 供应商一直将关注霞点放在管理功率的传递卜，即如何为不同的负载 器件分配小h 的功率，但现在他们发现这还不够。他们已经j 1 ：始从供 乜的源头f 乜 池寻求答案，其指导思想是严格和精确地对电池进行电量测最，深入了解电池的 容量特性，并根据电池特征有效地进行电源管理。另外，最大限度地提高负载器 件的功率利用效率也是一个充满挖掘潜力的课题。例如，负载器件在不同工作负 荷下工作，则不必一律让其处于全速运行状态：或负载器件在待机状念和工作状 态下不必供应同样的功率，只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一大 重要因素。美国国家半导体公司的自适应电压调整( a v s ) 技术和德州仪器公司的 动态电压与频率调整( d v f s ) 技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决 办法。 第四，软件硬件协同工作进行电源管理。最近，出现了数字电源管理( d p m ) 技术它的引入这是为了强化对多电压的管理，并动态控制功率的转移。电源操 作系统( p o s ) 是与数字电源管理结合在一起的，能够执行多任务，对多个电源转 换模块和外部元件进行控制，以提供更高的系统性能、更高的可靠性以及更低的 功耗。它可以嵌入在a r m 内核中对电能供应进行动态控制，包括性能监控、系统 配置、系统和元件的调试、通信总线协议的管理，以及系统、总线和功率管理元 件级的实时参数编程。由于智能电话和3 g 手机中更多地采用操作系统，类似的软 件和硬件协同电源管理架构在未来将越来越重要。但挑战也是艰巨的，最主要解 决的任务就是嵌入式通信总线或接口的标准化。 第五，工艺和封装技术将主导下一代的电源管理器件。包括能降低裸片尺寸、 提高电容器件集成度的多层会属聚合物工艺、能大幅度降低导线电阻的铜工艺、 高电压工艺等；而更小尺寸，同时具有良好散热性能的封装技术也正在不断涌现， s o t ( s m a l lo u t l i n et r a n s i s t o r ) 、q f n ( q u a df l a tn o n 1 e a d e d ) 等超小型封装技术 使得芯片更加适合于于持式产品。f if j 玎，对- j 二封装方式，小州的j 训f f j f 4 f 以下封 装供选择：人功率器件采用q f n 封装：对于i j 低功耗、，j i 脚少的器件，采j l jj i i 焊 料i i 起的裸”封装；对丁中低功耗、引脚多的器件，采j f jb g a ( b a l lg r i d a r r a y ) 封袈。 第一章电源管理概述 1 2 开关型电压转换器简介 集成电压调节器有多种，根槲i 乜路i ：作状念叮分为两类，如粜1 ：作4 ：线悱状 念，就称为线性稳压器( l d o ) ；如果工作在丌天状态就称为丌天f 乜源( s m p s ) 。 线性稳压器根据稳压器与负载的连接方式可分为并联稳压器和串联稳压器：j i ：关 电源根据储能元件的不同又可分为电感式丌关电源和电容式丌关电源。从理论i ： 看，按转换功能分，d c d c 转换器可以分为两种，一种是电压电压转换器，。一种 是电流电流转换器。在工程应用中，多数情况下是要求由一种电压转换为另+ 。种 电压，即电压电压转换器。而b u c k 型转换器、b o o s t 型转换器、b u c k b o o s t 型转 换器和c u k 型转换器是四种基本的d c d c 电压转换器。 在p w m 控制丌关电源中，伏秒平衡是一个很重要的概念。下面先介绍伏秒 平衡原理，在此基础上对d c d c 电压转换器的四种基本拓扑结构及工作原理进行 简单的讨论。 1 伏秒平衡原理 电感线圈是一种能够储存磁场能量的器件。理想的电感器只具有产生磁通( 存 储磁场能量) 的作用而没有其它任何作用。线性非时变电感元件在任一时刻的电 流i 和磁链甲之间的关系可表示如下1 1 l ： 杪( f ) = l i ( t )( 1 1 ) 其中，l 为正值常数，代表每单位电流产生磁场的能力，单位为亨利。 又根据电磁感应定理：感应电压等于磁链的变化率，即： u ( f ) = 丁d g ( t ) ( 1 - 2 ) 由式( 1 - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 可得： ) = l 警 ( 1 3 ) 即： u ( t ) d t = l d l ( t ) ( 1 - 4 ) 电感上施加的伏秒等于电感上的电压与时日j 的乘积。在系统稳定状态下，在 一个周期内电感电流的增加量为零，所以电感两端电压在一个周期内的平均值必 然为零。这就意味着施加的伏一秒等于释放的伏秒。这就是所谓的电感元件在稳念 i 1 的伏秒平衡原理。 6 动态可编程高效同步降压型d c d c 集成l l i 路设计 2 基本拓扑结构 一个d c d c 电压转换器一般要包括三个基本部分：即丌关元件，能量传递元 件和低通滤波元件。我们将采用最少元件数所构成的电压转换电路称为基本电压 转换电路；采用多于最少元件数的元件构成的电压转换电路则被命名为衍生电压 转换电路l 。d c d c 转换器主要有四种基本拓扑结构：b u c k 型转换器( b u c k c o n v e r t e r ) 、b o o s t 型转换器( b o o s tc o n v e r t e r ) 、b u c k b o o s t 型转换器( b u c k b o o s t c o n v e r t e r ) 和c u k 型转换器( c u kc o n v e r t e r ) 。 ( 1 ) b u c k 型转换器( b u c kc o n v e r t e r ) 肾i 羽 一步减小。显然，功率管q 1 导通的时间越长， 一 h v 传递到负载的能量越多，输出电压也就越高。 illj 如果在功率管q 1 关断期间，电感电流未下1 丫 il1 降到零，那么转换器就工作在连续导通模式l l j 一 ( c c m ) ，如图1 2 所示；反之，若是由于电感l 。：， 加1 截兰，簧等效电路。 较小或负载电阻r 较大或开关频率较低时，将出图1 1 b u c k 型转换器拓扑结构 现电感电流在一个周期结束之前就下降到零并一直保持到周期结束的情况。在这 种情况下，每个周期的开始电感电流总是从零开始变化的。电感能量在此期间耗 尽，且电感电流在一段时间内保持为零，转换器工作于非连续导通模式( d c m ) ， 如图1 3 所示。 1 0 il l 铡1 2c c mi u 流波形 埘j ：刖乜 的b u c kj ：换器， i 纠1 3 1i ：作j i 近续吁迎饮j - 、f 。 d c mi u 流波形 秆 l i ：伙秒r 衔i , j i p i ! 仃： 第一章电源管理概述 7 v o = d r ,( 1 - 5 ) 由于0 d i ，故其输出电压永远低于输入电源电压，所以b u c k 型转换器也称为降 压变换器。仅当功率管q 1 持续导通时，输出电压达到最大值： ( m a x ) = 屹一晒( 。) ( 1 - 6 ) 其中，v d ) 表示q 1 导通压降。 ( 2 ) b o o s t 转换器( b o o s tc o n v e r t e r ) v t b o o s t 型转换器拓扑结构如图1 4 ( a ) 所示。 此电路的工作原理如下：当功率管q 1 导通时， 续流二极管d 截止，其等效电路如图1 4 ( b ) 所示， 在此期间，输入电压向电感l 充磁，能量储存于 电感中，负载电压靠滤波电容c 维持；当q 1 截 止时，续流二极管d 导通，其等效电路如图1 4 ( c ) 所示。在此期间，电感l 把前一阶段储存的能量 全部释放给负载和电容。 在连续导通模式下，根据稳态条件下电感电v i 压伏秒平衡原理有： v oiv , o - d )( 1 - 7 ) 由于o i 2 v 时，使旁路场效应管导通。 输：“电压反馈引脚。输出电压经内部电阻分豚器分压得剑输i l j 电，k 的l 3 ，! v o u r 外部荩准电压相比较。 g n d 接地引脚。 3 典型应，羽 为了延长通话时间并节省电池能量，第三代w c d m a 手机必须楸据需要动态 调节转发功率。例如，当手机离蜂窝发射塔距离差不多最远的地方进行数据传输 时以最大功率进行发射，在靠近基站的地方进行语音传输时以最小功率进行发射。 因此，这种手机中的功率放大器需要一个能从一个电压迅速跳变到另一个电压的 直流电源供电。为了满足这一要求，x d l 9 0 9 可以从单节锂离子电池通过d c d c 转换得到0 3 v - 3 5 v 之间动态可调的电压，动态可调电压通过外部数模转换器 ( d a c ) 的调制很容易实现。x d l 9 0 9 的典型应用电路图如图3 1 所示。 幽3 1w c d m a 手机功率放人器电源电路 4 电特性指标 首先要设定芯片的绝对最大额定值。所谓绝对最犬额定值代表的是一种i ：限 值，如超过孩值，芯片可能受损。其次再设定芯片的其它主要电特性指标。 ( 1 ) x d l 9 0 9 的绝对最大额定值如表3 2 所示： 表3 2x d l 9 0 9 绝对最人额定值参数表 名称绝对最人额定值 输入i 乜源电压v i n o 3 v - - 6 v r u n 、r e f 、m o d e 、v ( ) u t 、g d rl 乜乐0 3 v v t n s w , t ! l t i - 0 3 v ( v i n + 0 3 v ) 第一：章x d l 9 0 9 系统设计 2 3 续表3 2 p 沟道开关管输i 乜流( d c ) 8 0 0 m a n 沟道开关管吸收电流( d c )8 0 0 m a s w 输：j j0 0 吸收峰值i u 流1 3 a 旁路p 沟道场效应管输出l 乜流 l a i ：作温度范闱 4 0 8 5 结温( 注释i ) 1 2 5 存放温度范阐 石5 1 5 0 注释l ：t j 根据环境温度t a 和功率耗散p d ，依式( 3 1 ) 计算而得： 乃= t a + ( 只，) ( 4 3 c w )( 3 一1 ) ( 2 ) x d l 9 0 9 主要电特性指标如表3 3 所示： 表3 3x d l 9 0 9 主要电特性指标 符号“”表示在整个i ：作温度范罔内均有效，否则t = 2 5 1 2 。如1 | 特刖说明，v i n = 3 6 v 设计要求 符号参 数条1 j ，i ： 单位 m i n t y p m a x v r e f = i i vm o d e = v m 3 2 3 3 33 3 7 v v o u t输出调整电压 v r e f = o 1v m o d e = v m 0 2 50 30 3 5v v o m 电压线性调整率v i n = 2 5 v - - 。5 v o 10 4v l p k峰值电感电流v i n = 3v ，v r e f = o 9 v o 7 0l1 2 5a v l o a d r e g 电压负载调整率 0 7 v i n输入电压范围 2 5 5 v 输入直流偏置电流 突发模式m o d e = o ”s w = o p e n 2 03 5 p a 1 5 脉冲跳跃模式 m o d e 2 v i n ，s w = o p e n 1 5 2 5m a 关断 v r u n ：印v v i n = 4 2 v o 1l a v r e f 0 2 5 v 1 21 51 8m h z f 雠 振荡频率 v r e f o i v 5 5 07 0 08 5 0k h z 旁路p 管关仞j i j 限v r e f = l 1 1 6 71 2v v r e f 旁路p 管开启fj 限 v r e f 2t 1 2 l1 2 6v i s w = 1 6 0 m a 。品圆级 o 30 4q r p f i 汀 p 管导通电阻 i s w = 16 0 m a ，d d 封装 0 4q i s w = 一1 6 0 m a ，品圆级 0 30 4q r n l ：l ! t n 管导通l 乜阻 i s w = 一1 6 0 m a d d j - f 狄 0 4q 2 4 动态叮编氍高效同步降压酗d c d c 集成电路设计 续表3 3 l o u t = 1 0 0 m a ，品圆级 o 1 5 o 1 8 q r b y p a s s 旁路p 管导通电阻 l o u t = 10 0 m a d d 封装 0 2 0q v r u n = o v ，v s w = 0 vo r i l 。s w s w 引脚渊火电流 0 o ll l l a 5 v , v i n = 5 v v o u t = 0v v m = 5v i l b y p 旁路p 管渊火l 乜流 0 o il m 4 v r e f = 0 v v r u n r u n 脚闽值 o 3 i1 5 v l r u n r u n 引脚漏电流 0 0 ll , u a v m o d e m o d e 脚阂值 o 31 52v i m o d em o d e 脚漏电流 0 0 li u a l r e fr e f 脚输入电流 0 0 il ”a 3 2x d l 9 0 9 系统设计构想 1 系统拓扑结构的选取 由于具备更高能量密度的新型电池技术还没有成熟，而锂离子电池的能量密 度比其它电池的能量密度还高一倍，因此它实际上已经成为手机、p d a 、p m p 等 便携式设备当仁不让的选择。锂离子电池的标称输出为3 6 v ，而大多数数字大规 模集成电路工作在1 5 v 或更低的电压上所以对于类似电池电压高于芯片工作电 压的应用，b u c k 型转换器是理想之选。 在传统的b u c k 型转换器中，通常使用肖特基二极管作为整流器件。在肖特基 二极管整流电路中，除去其它损耗因素外，肖特基二极管的0 4 v 正向导通压降就 意味着近1 0 的典型效率损失。但是，便携式设备r 益整合多功能，对带载能力 要求越来越高，对功耗的要求越来越苛刻。于是便携式设备要求的电压逐渐降低， 在这样的环境中仍然采用肖特基二极管会造成非常大的效率损失。为了提高电源 转换效率，必须采用同步整流技术。 采用了同步整流技术后的b u c k 型转换器的拓扑结构中，用一个功率管作为i 司 步丌关代错续流二极管，通过控制同步丌关的驱动电路来实现整流功能的技术。 丌关管驱动可以采用交叉耦合或外加驱动信号配合死区时间控制实现。采用同步 整流技术后，次级整流的电压压降为同步丌关的导通压降，由同步丌关的导通电 阻决定。m 步丌关的导通电压明显低于肖特基二二极管的导通压降，所以在低电j 正 输：j 时，步整流管的损耗减小，使得效率明盟提高。且控制技术的进步也降低 了步j i ：火的”关损耗。在过去三年中，j f jj ：i , i j 步帮流的m o s f e t 1 ：艺l 绛墩褂 第二章x d l 9 0 9 系统改i f 了突破性的进展，导通电阻下降到了原来的l 5 。现在，采用经过特殊工艺处理的 m o s f e t ，能达到非常低的导通电阻。 鉴于x d l 9 0 9 的典型应用及其高效率的定位，所以采f j | i 司步整流b u c k 掣打汁h 结构。 2 系统：工作模式的选取 x d l 9 0 9 采用两种工作模式：脉冲跳跃工作模式和突发工作模式。用，呵以根 据不同的应用场合，通过外部设定的方式选择相应的工作模式。 当芯片处于脉冲跳跃工作模式时，振荡器触发r s 锁仔器，使得内部的 i 丌天 在每个周期均导通，当峰值电流比较器i c o m p 输出信号将r s 触发器复位则火断卜 丌关。i c o m p 用来将r s 锁存器复位的峰值电感电流受误差放大器e a 输i 的控制。 当负载电流增加时，它将造成反馈电压f b 相对于外部参考电压的稍低压降，该压 降接着使e a 放大器的输出电压增加，直到平均电感器电流与新负载电流相匹配为 止。在主丌关管关断时，同步管导通直到丌始下一个时钟周期。当负载过低时， x d l 9 0 9 将自动跳过某些触发周期，即主丌关在某些周期并不导通以保持输出稳 压。该工作模式在轻负载情况下效率不高，但当负载高过一定值时则与突发模式 相当，其优势在于输出电压纹波小，且输出电压可通过吸入和输出电流来对外部 基准电压变化做出快速反应。 为改善负载电流较低时的效率，x d l 9 0 9 包含了一个突发工作模式，不论输出 负载的大小，电感器的峰值电流被设为大约2 0 0 m a 。每次突发事件在轻负载时可 以持续几个周期，在中度负载时除短暂休眠问隔外几乎连续运行。在突发事件之 问，功率m o s f e t 及所有不需要的电路都处于关断状态，将静态电流减少到2 0 t a 。 在这种休眠状态下，负载电流只由输出电容器提供。随着输出电压的下降，e a 放 大器的输出上升到休眠阈值以上，使得突发比较器翻转从而使顶端m o s f e t 导通。 在工作一段时间后，输出电压升高，电路又进入休眠状态，如此反复。这个过程 的重复速率将依赖负载的要求。在轻负载条件下工作时，突发工作模式可以通过 减少栅极电荷损失而提高转换器效率并延长电池寿命。 3 系统控制模式的选取 d c d c 转换器按照功率丌关器件中电流或电压波形来分，可分为方波形和正 弦型两大类。按照功率丌关器件的控制方式来分，方波形变换器可分为以下二三种： 1 ) 脉冲宽度调制型( p w m 型) ，这种方式指控制脉冲信号的周j t j j l , , l 定，i 州冰冲宽 度呵调；2 ) 脉冲频率调制型( p f m ，科) ，这种方式指控制脉；q q f i - i ，的t l , kt t 宽度f i 变i f w i j , ；, j 期丌j 调：3 ) 混合调制璎，这种办式足指杯哺0 脉冲信譬的川j t j l 嗣l l h t 宽均町调 1 了的t 占况。 2 6 动态i 叮编样廓效问步降j i i 删d c d c 集成i 也踏改i l p w m 控制技术能保持固定的丌关频率，并可通过改变f 乜感的充电、放q 三l t j - f , j 来保持稳定的负载电压。这种控制技术能够在较宽的负载范围内保持较高的转换 效率。此外由于丌关频率是固定的，因而使得噪声频谱的带宽很窄。这样只需简 单的低通滤波器就能大大降低输出电压的纹波，因此这种控制结构- f 1 丁被广泛应用 于电信设备等对噪声干扰较为敏感的应用系统。p f m 调制电路的丌关信号占空比 通常保持为5 0 ，通过控制丌关频率可提供稳定的输出电压。该电路结构比较简 单，与p w m 模式相比，在轻负载条件下具有更高的效率，但是由于系统工作频率 彳i 同定，i 大】此输出电压有较大的纹波，而且输出噪声、纹波的频谱在不同负载时 有较人的变化范l f , i 。x d1 9 0 9 的主要应用足扫：3 gt - 机i l 】，需要保证低噪声，低纹 波。凶此，采月jp w m 控制技术。 p w m 丌火电压转换器的基本工作原理就是住输入电压、内部参数、外接负载 变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节 主电路丌关器件的导通脉冲宽度，实现丌关电源输出电压或电流等的稳定。它采 用的反馈控制系统，目l i 主要有电压模式控制和电流模式控制两种模式。下面将 对这两种p w m 反馈控制模式的基本工作原理和各自的优缺点进行分析说明，以便 于系统控制方案的选择。 电压模式控制只有一个电压反馈坏，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放 大器采样放大的缓变误差信号与恒定频率的三角波相比较，得到控制丌关管导通 的脉冲宽度。采用电压模式控制的b u c k 型d c d c 转换器原理图如图3 2 所示。 图3 2电压模式控制b u c k 刖转换器原理图 在图3 2 巾，振荡器提供锯齿波电压v o s c ，v o s c 存变换器丌天周期t 期f u j 从 最小值( 般为0 v ) 到某最大值( 对应于最人一i 空比) 1 i - i i 线性斜坡。误差放人器 对精密f 乜爪坫准信号v r e f 和输l 叶l 电压反馈信号v i l 之i l j 的謦值进i j ：放人。叫1 输j f u 瓜很小，以至v f b 远远小于v r e f 时，占空比达到最人值。反之，输出电爪升高 会使i l - 伞比变小，从f i 通过负反馈使输出i 也爪稳定。 f 【l 爪 ：5 ：| 式控制j 有以f 优点：1 ) p w m 比较器输入端的斜坡l u 爪幅值比较人， 第j 章x d l 9 0 9 系统没i f 2 7 t 脉冲宽度调节时具有较好的噪声特件：2 ) f ! i 窄比调节叮以小受限制：3 ) 对j ：多 路输出型转换器，它们之问的交l ：调1 7 效心较盘r ；4 ) 咀反馈i 【i 瓜闭环i 殳汁调试 比较容易；5 ) 对输出负载的变化有较好的响应调竹作 j 。 电压模式控制的缺点有：1 ) 对输入电瓜的变化动念响应较慢：2 ) 补偿网络 设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压的变化使其更为复杂；3 ) 输出l c 滤 波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将：蔓极点降低，或 者增加一个零点进行补偿。 电流模式控制把变换器分成两条控制环路：内部电流控制环路和外部i 乜j i i 控 制坏路。其结果是在各个丌关脉冲上不仅仅可以响应负载电压的变化币jh 也1 1 响 应电流的变化。根据电感电流采样信号的不同方式，电流模式控制义可分为峰值 电流模式控制和均值电流模式控制。其中，峰值电流模式控制由于其电流采样电 路简单而得到了广泛的应用。下而的电流模式控制均指的是峰值电流模式控制。 电流模式控制b u c k 型d c d c 转换器原理图如图3 3 所示。 图3 3电流模式控制b u c k 艰转换器原理图 电流模控制p w m 与电压模控制p w m 的本质区别在于：误差放大器放大得到 的误差电压信号v e 送至p w m 比较器后，并不是像电压模式那样与振荡器产生的 恒定频率的三角波相比较，而是与一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的 三角状波形或梯形尖角状的合成波形信号v s 比较，然后得到p w m 脉冲关断闽值。 因此电流模式控制不是用电压误差信号直接控制p w m 脉冲宽度，而足通过控制电 感峰值电流问接地控制p w m 脉冲宽度。电流模式控制是一种固定时钟丌启、峰值 电流关断的控制方法。峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上1 7 - v - 均电感电流火 小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感r 乜流人小一埘应， l 火i 为存l i 审比4 i 问的情况f ，相jf i 】峰值 乜感电流叮以对盹不m 的i r 均i 也感i 【l 流 i n j 卜均i u 感i u 流值j 足决定输i u 爪人小f i j i q i ! i k i 索。住数。zi ：i - f 以h i ! l j 将斜 率为i 【l 感i i x 流卜降斜率、i - 以l ：的补偿i u 流j j | l n ：。丈际榆测i u 流之i ：升斜坡州，i i j 。 动态可编稃高效同步降压删d c d c 集成l 乜路设讨 以去除不同占空比对平均电感电流的扰动，使得所控制的峰值电感 l 土流最后收敛 于平均电感电流，因而合成波形信号v s 要山斜坡补偿信号与实际电感电流信号两 部分合成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加剑定样度，峰值i 乜流模式挖制就会 转化为电i r 模式控制。当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理卜趋向于变 为电压模式控制。当处于空载状念并且斜坡补偿信号幅值比较大的活，峰值电流 模式控制就实际上变为电压模式控制了。峰值电流模式控制p w m 是双闭环控制系 统，既有电压外环控制还有电流内环控制。电流内环是瞬时、快速的，是按照逐 个脉冲工作的。在该双环控制中，电流内环负责输出电感的动态变化，而电压外 环仪需控制输出电容，不必控制l c 储能电路。因此，峰值电流模式控制p w m 的 带宽比电k 模式控制大得多。 峰值电流模式控制具有以下优点：1 ) 暂态闭环响应较快，对输入电压和输出 负载变化的瞬态响应都较快；2 ) 因为电感处于内部控制环路中，电感电流不再是 一个单独的变量，消除了整个滤波电感所带来的极点和系统的二极特性，使整体 系统成为一个由输出电容和负载电阻构成的单极点系统，从而易于设计控制环路： 3 ) 瞬时峰值电流限流功能，固有的逐个脉冲限流功能：4 ) 自动均流并联功能。 峰值电流模式控制p w m 的缺点是：1 ) 占空比大于5 0 的丌环不稳定，存在 难以校币的峰值电流与平均电流的误差。容易发生亚谐波振荡，即使占空比小于 5 0 ，也有发生