（电路与系统专业论文）一款高性能buck型dcdc和ldo双路输出控制器设计.pdf

摘要 本论文以西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目“电源管理类集成电路关 键技术理论研究与设计”为背景，设计了一款高性能降压型d c d c 和l d o 双路 输出控制器x d 8 9 1 2 。 论文首先对电源管理技术的现状以及发展趋势作了介绍；随后分析了线性稳 压器及开关稳压器的基本结构和工作原理，并对电压模降压型p w md c d c 的原 理及其环路稳定性做了深入的研究；最后详细介绍了x d 8 9 1 2 的设计过程，包括 芯片性能系统规划、特性分析、电路实现以及仿真验证。 x d 8 9 1 2 不仅集成了大电流、高效率的电压模降压型p w m 控制器，而且也集 成了小电流、低噪声的线性稳压控制器，可以为高性能显卡、主板等设备供电。 芯片采用同步整流技术，避免了肖特基二极管的使用，大大提高了芯片的工作效 率。芯片内部设计了微调电路提高了电压基准的精度。设计了内部频率补偿电路 取代芯片外部的补偿电容，有效提高了芯片的集成度。另外，芯片还集成了完备 的保护电路，包括过温保护、欠压保护、过流保护等。 文中对x d 8 9 1 2 的系统及主要功能模块进行了详细的分析，并基于0 6 9 mb c d 工艺，利用v i e w d r a w 、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，电路功能和性能指标均已达到设计要求。 关键词：电源管理降压型d c d cl d o 双路输出控制器频率补偿 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to ft h ei n s t i t u t eo fe l e c t r o n i cc a d ，“t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n i q u ea n dt h ed e s i g n f o rp o w e rm a n a g e m e n ti c s ”ah i g h p e r f o r m a n c eb u c kd c d ca n dl d od u a l - o u t p u tc o n t r o l l e rn a m e dx d 8 9 12i sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fd e v e l o p m e n to fp o w e rm a n a g e m e n t t e c h n i q u ea r eb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h el i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ra n dt h es w i t c hc o n v e r t e ra r ed i s c u s s e d m o r e o v e r , t h ep r i n c i p l ea n dl o o ps t a b i l i t yo fv o l t a g e m o d ep w md c - d cc o n t r o l l e ra re t h o r o u g h l ya n a l y z e d f i n a l l y , t h ed e s i g no fx d 8 912i sd e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n g d e f i n i t i o no ft h ei c s p e c i f i c a t i o n s ，a n a l y s i s o ft h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ， i m p l e m e n t a t i o no fs u b s y s t e mc i r c u i t sa n ds i m u l a t i o no ft h ew h o l ec h i p x d 8 912i n t e g r a t e sb o t ht h el a r g eo u t p u tc u r r e n t ，h i g he f f i c i e n c yb u c kp w m c o n t r o l l e ra n dt h el o wc u r r e n t ，l o wn o i s el i n e a rr e g u l a t i o nc o n t r o l l e r s oi ti sa l li d e a l s u p p l yf o rh i g hp e r f o r m a n c eg r a p h i c sc a r d s ，m o t h e r b o a r d sa n de t c b yu s i n gt h e s y n c h r o n o u ss w i t c ht os u b s t i t u t et h es c h o t t k yd i o d e ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ec h i ph a sb e e n i n c r e a s e dg r e a t l y i nt h ec h i p ，t r i m m i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h ev o l t a g er e f e r e n c e i n t e r n a l f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nc i r c u i ti su s e dt or e p l a c et h e e x t e r n a lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra n de n h a n c et h ei n t e g r a t i o no ft h ec h i p f u r t h e r m o r e ， p r o t e c t i o nc i r c u i t s a r ei n t e g r a t e di nt h ec h i p ，s u c ha so v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ， u n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o na n ds oo n d e t a i lt h e o r e t i c a la n a l y s i so fs y s t e ma n dm a i ns u b b l o c k so fx d 8 912i sm a d ei nt h e p a p e r b a s e d o n 0 6 1 t m b c dp r o c e s s ，t h ec i r c u i t d e s i g n ，p r e - s i m u l a t i o n s a n d v 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 db yu s i n gt h ee d at o o l so fv i e w d r a wa n dh s p i c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l lf u n c t i o n sc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：p o w e rm a n a g e m e n tb u c kd c - d cl d od u a l - o u t p u tc o n t r o l l e r f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德。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，论文中不包含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，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 硷矗一 日期趔呈：! ：生 西安电子科技大学 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。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。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署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 垒蔓：! r j 朝：三12 ：兰：鱼 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了国内外电源技术的现状及发展趋势，然后简要说明了直流稳 压器的分类及各自的优缺点，最后是论文的内容安排。 1 1 电源技术的现状和发展趋势 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变【l 】。电力电子技术 起始于五十年代术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。八十年代末期和九十年代初期，以金属氧化物半导体场 效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极型功率管( i g b t ) 为代表的功率半导体复合器 件逐渐发展起来，这些器件集高频、高压和大电流于一身，表明传统电力电子技 术已经进入现代电力电子时代。 电源技术属于电力电子技术的范畴，现代电源技术是应用半导体器件，综合 自动控制技术、计算机微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术1 2 1 。 近些年来微电子技术快速发展，各种微电子系统如雨后春笋般出现，尤其是 在无线多媒体通信和计算机领域。所有的电子设备都需要电源来维持j 下常工作， 为电源以及电源管理芯片市场的发展注入了一股强劲的增长动力。近几年来，电 源管理芯片的市场规模和潜力一直处在急速膨胀之中，尤其是中国电源管理芯片 市场，从2 0 0 3 2 0 0 7 年，其市场复合增长率超过2 5 。 从竞争格局来看，电源管理芯片无论在市场还是技术上，欧美厂商都占据了 绝对优势，并且这种格局在未来几年还将继续。s t 、n s 、t i 、l i n e a r 、i n t e r s i l 、 f a i r c h i l d 、o ns e m i c o n d u c t o r 、i r 和m a x i m 等众多知名厂商在技术和市场上都保 持着优势，它们的产品都已经非常成熟，能够提供高质量、全系列的电源管理芯 片。但这并不代表中国以及其它地区的新进入者没有机会，目前中低端电源管理 芯片的技术门槛对众多有能力的设计公司来讲已经不是问题。在中国就有昂宝电 子、圣邦微电子和南麟电子等一批从事电源管理芯片研发的企业，且已经在市场 上取得一定成功，未来如果发展良好，在某些领域和产品应用中可以和欧美领先 厂商一较高下。 从应用领域来看，电源管理芯片主要应用于计算机、网络通信、消费电子和 工业控制等领域。未来5 年，汽车电子类电源管理芯片市场将是发展最快的领域。 随着中国汽车产量的扩大、汽车电源管理类产品的不断升级以及应用比重不断增 加，2 0 0 7 2 0 1 1 年中国汽车电子类电源管理芯片市场复合增长率将超过2 8 。其 2 一款高性能b u c k 型d c d c 和l d o 双路输出控制器设计 次，网络通信领域的电源管理芯片市场在3 g 、i p t v 和各种网络应用的带动下， 未来5 年复合增长率也将超过2 5 i 引。 从发展趋势来看，目前电源管理芯片呈现以下五大特点【4 儿5 1 。 1 高效率。电源管理是以高效管理电源为其主要目的。近年来，各国积极倡 导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动实施高效节能电源、低待机能 耗产品应用的主要动力。未来中国产品出口到国外都需要满足欧美等国的电源标 准，这将促进中国高效电源及电源管理芯片的发展。对于便携式设备的电源管理， 效率尤为重要。因为便携式设备大多由电池驱动，高效率、低损耗的电源转换与 管理就显得相当重要。 2 低功耗。随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的只益 重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产 业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市 场的稳步发展。 3 智能化。运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目 前大多数笔记本，已普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各 主要耗电部件的用电状态进行控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。 4 高集成。高度的集成不仅有利于减少芯片的成本，而且可以大幅减少应用 空间，这对于板级空间十分有限的便携式设备尤为重要。新型的电源管理单元 ( p m u ) 集成了线性稳压器、开关稳压器和充电管理器，既具有单片多功能的特点， 又大大减少了芯片的应用面积，满足了诸如照相手机这类设备的电源管理需求。 近年来p m u 发展迅速，市场份额不断提高。 5 多功能。出于设备安全性的需求，越来越多的保护功能被集成到了电源管 理芯片中，例如程序保护、过热保护、过压保护、过流保护等。由于当前电源的 种类很多，所以对保护电路的要求各有侧重，按需求而定。另外，新型的电源管 理芯片出现了可编程的特性，l i n e a r 推出的无电感器型可编程超级电容器充电器 l t c 3 2 2 5 ，该芯片采用电荷泵架构，充电电流可利用电阻编程，最高可达1 5 0 m a 。 2 0 0 8 年i i c c h i n a 的电源技术展区中，各参展商均推出了各自最新的电源管 理芯片。昂宝电子推出的所有产品均采用了昂宝自主知识产权的、高效节能的“绿 色引擎 技术。s t 推出了功率m o s f e ts t v 3 0 0 n h 0 2 l ，其特性是导通电阻极低， 这在要求严格的电源系统中有助于降低损耗，提高能效。i r 的新产品i p l 2 0 6 适 用于高达3 0 a 的单路输出应用或1 5 a 的双路输出应用。n e c 推出了用于汽车电 子的“p d l 6 6 0 1 0 ”，耐压可达4 0 v ，并增加了电池逆接保护功能、低电压关闭功 能和电流检测功能。圣邦微电子的l d o 产品具有低功耗、低噪声、高电源抑制 l l ( p s r r ) 、环路稳定性好、工作时芯片消耗电流小、产品种类齐全的特点。 形形色色的移动通讯设备、便携式娱乐设备、白色家电、车载设备等电子设 第一章绪论 备的发展日新月异，它们越来越强调多功能、小体积以及绿色环保等特性，对电 源管理提出了更高的要求，也推动着电源管理技术蓬勃发展。 1 2 直流稳压器概述 电源稳压器主要分为两类：交流一直流稳压器和直流一直流稳压器。本文主 要介绍直流一直流稳压器。目前常用的直流稳压器分为线性稳压器和开关稳压器 两大类，主要性能参数包括：转换效率、噪声、控制精度、输入输出电压范围、 静态功耗、体积和成本等。 1 线性稳压器1 6 】1 7 1 1 8 i - - l d o ( l o wd r o p o u t ) l d o 线性稳压器，也称低压差线性稳压器或低漏失线性稳压器，简称l d o ， 是指具有电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压电源，是发 展最早、应用最广泛的一种直流稳压技术。l d o 技术比较成熟且具有以下优点： ( 1 ) 成本低，只有开关稳压电源的几分之一； ( 2 ) 外围器件需求少，通常仅需一到两个旁路电容； ( 3 ) 封装小，很适合在手持设备中使用； ( 4 ) 输入输出噪声小，非常适合在对噪声敏感的r f 和音频电路中使用。 l d o 的缺点是效率低，且只能用于降压的场合。l d o 的效率主要取决于输 出电压与输入电压之比。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，效率最高可达9 0 9 ，而在输出电压为2 v 时，效率最高仅为5 5 6 。 2 开关稳压器一又分为电感式开关稳压器和电容式开关稳压器 ( 1 ) 电感式开关稳压器- - d c d c t 9 l f l 0 1 d c d c 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，这种稳压器可以完成降压、升压和升降压的功能。高效是d c d c 的最大优势，在理想情况下，采用占空比控制的开关电路只进行能量变换而没有 损耗。但实际上，电路中的开关管在导通状态下存在压降，关断状态下存在漏电 流及开关损耗等非理想因素，所以电路存在一定的功率损耗。虽然如此，电路的 效率仍能达到8 5 0 旷9 8 。 d c d c 的缺点在于电路结构较为复杂、电源方案的整体面积较大( 需外接电 感和电容) 、成本较高，并且由于其功率管工作在受高频信号控制的开关状态以及 电感的存在，因此输出电压纹波和开关噪声干扰均较大。 ( 2 ) 电容式开关稳压器一电荷泵【l i 】【1 2 】【1 3 】 电荷泵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。 电荷泵同样可以完成降压和升压的功能。作为一项新的电源管理技术，需求量也 在逐渐上升。电荷泵最大的特点是可提供大输出电流，因而常被选用来做系统的 4 一款高性能b u c k 型d c d c 和l d o 双路输出控制器设计 主电源。它的另一特点是无需电感，只需要几个外接电容器，因此体积较小，成 本较低且不存在电磁干扰( e m i ) 。 电荷泵的缺点在于受其内部结构关系限制，输入输出电压必须成一定的倍数 关系，比如1 5 倍或2 倍。而且其效率会随着两者之间的比例关系而变化，倍数 越低效率越高，在倍数较低时效率可达9 0 以上，但随着倍数的上升效率会低至 7 0 以下，另外它的开关噪声和静态电流都比较大。 电源管理在电子系统设备中的作用日趋重要，各种电源管理方案都具备不同 的特点，一个高效的电子系统需要将电源管理的观念贯穿于设计的每一个环节， 并且平衡系统多方面因素来设计完成。随着半导体技术和电子技术的发展，越来 越先进的电源管理技术及电源管理芯片也将不断出现。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本论文以西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目“电源管理类集成电路 的关键技术理论研究与设计”为背景，设计了一款高性能双路输出控制器 x d 8 9 1 2 。该芯片兼具电压模降压( b u c k ) 型d c d c 和l d o ，采用o 6 9 m1 6 vb c d 工艺，主要应用于显卡、主板及i a 设备，并可给基于p c 机的系统提供逻辑电平。 芯片的设计以b u c k 型d c d c 和l d o 理论为基础，利用v i e w d r a w 、h s p i c e 等 e d a 软件进行电路的设计和仿真，仿真结果表明，各项指标均已达到设计要求。 论文的工作可大致分为理论研究和设计实践两大过程，理论研究为芯片的成 功设计打下了孥实基础，而设计实践对理论进行了实现和验证，进一步提升了设 计水平。具体工作如下： ( 1 ) 深入了解b u c k 型d c d c 和l d o 的工作原理、主要性能指标以及各种 设计难点的解决方案，并查找国内外同类芯片的发展动向，确立芯片的电特性与 性能指标。 ( 2 ) 采用全定制的a s i c 设计流程完成芯片设计。其中包括芯片的结构设计、 电路设计、电路优化、功能验证、特性及性能验证等。设计工作的重点在于电路 特性及性能的实现及调试，通过在各种温度、各种输入电压等多种条件下对电路 进行调试与改进，使芯片在各种苛刻要求下均能正常工作，满足设计要求。 论文共分为五章。第一章简单介绍了国内外电源管理技术的现状、发展趋势 以及三种直流稳压器的优缺点；第二章详细分析了线性稳压器及开关稳压器的基 本结构和工作原理；第三章根据应用环境及设计规格对x d 8 9 1 2 的系统进行设计， 并对其拓扑结构、系统补偿、所用工艺等关键技术进行了详细的分析；第四章对 主要模块电路进行具体设计和仿真验证：第五章给出x d 8 9 1 2 整体电路主要性能 指标和仿真结果；最后是结束语。 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 本章首先介绍了b u c k 型d c d c 的拓扑结构和主要的参数。然后详细分析了 b u c k 型d c d c 的两种控制模式电压模控制和峰值电流模控制。最后给出了 l d o 的基本结构及一些重要的指标。 2 1b u c k 型d c d c 的基本结构、工作原理和主要指标 d c d c 采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性的通断开关，控制开 关元件的占空比来稳定输出电压，其控制 环路有三个主要部分：功率级变换器 v 州 ( p o w e rc o n v e n e r ) 、脉冲宽度调制器( p u l s e w i d t hm o d u l a t o r ) 和误差放大器f e r r o r a m p l i f i e r ) ，如图2 1 所示1 1 4 1 。其中功率级 变换器进行功率变换，它是开关稳压器的 核心部分。 图2 i 开关电源基本架构 d c d c 的种类很多，最基本的结构有降压( b u c k ) 型、升压( b o o s t ) 型和降压一 升压( b u c k b o o s t ) 型1 1 5 】。本文所设计的电路采用的是b u c k 型结构，以下对其基本 结构和工作原理进行详细分析。 2 ，】b u c k 型d c d c 的基本结构和工作原理 b u c k 型d c d c 的基本电路如图2 2 所示，由功率开关管m 1 、续流二极管 d o 、储能电感l 和滤波电容c 组成i j 。其中，开关管m 1 受占空比为d 的周期 信号控制，即开关管的占空比为d 。 图2 2b u c k 型d c d c 的基本拓扑结构 根据j 下常工作时电感中电流是否连续，b u c k 型d c d c 的工作模式可以分为 连续导通模式( c c m ) 和非连续导通模式( d c m ) 1 1 0 】。在丌关管导通期间，电感电流 持续上升；在开关管截止期间，电感电流持续下降。如果在开关管截止期间，电 6 一款高性能b u c k 型d c d c 和l d o 双路输出控制器设计 感电流降到零，并在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量也为零，称d c d c 工作在非连续导通模式：否则称d c d c 工作在连续导通模式1 1 5 】【1 7 】。 为了简化推导过程，下文的分析基于以下三点假设： ( 1 ) 功率开关管、二极管均是理想元件，即可以瞬间地“导通 或“截止 ， 而且“导通 时压降为零，“截止 时电流为零； ( 2 ) 电感、电容是理想元件，即电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零， 电容的等效串联电阻为零； ( 3 ) 输出电压纹波与输出电压的比值小到允许忽略。 1 连续导通模式 设工作于连续导通模式时，开关管m 1 的导通时间为t o n ，截止时间为t o f f ， 开关周期为t s 。当开关管m 1 导通后，续流二极管d o 因反向偏置而截止，如图 2 3 ( a ) 所示。此时电感l 中的电流线性增加，存储的磁场能量也逐渐增加，同时电 容c 开始充电使得输出电压v o u t 逐渐升高。经过导通时间t o n 后，控制信号使 开关管m 1 截止，电感l 中的电流线性减小，电感l 两端产生的感应电势使二极 管d o 导通，l 中存储的磁场能量通过d o 传递给负载，如图2 3 ( b ) 所示。当电感电 流减小到一定程度时，电容c 向负载放电以维持输出电压。经过截止时间t o f f 后，控制脉冲信号又使开关管导通，电感l 中的电流又增加，重复上述过程。 ( a ) - ( b ) 一 图2 3b u c k 型d c - d c 的两种开关状态：( a ) 导通状态；( b ) 关断状态 当控制信号使开关管导通时，电感电流从最小值逐渐增大到最大值；当控制 信号使开关管截止时，电感电流又从最大值逐渐减小到最小值。c c m 模式下各主 要信号波形如图2 4 所示，其中i m l 为流过开关管m 1 的电流，i d o 为流过二极管 d o 的电流，i l 为电感l 上的电流，l o u t 为输出电流，v s w 为m 1 的源端电压，v o u t 为输出电压。 在开关管导通期间，电感左端电压为v m ，右端为v o u t ，因此有： 圪= z , n 叱厅“等( 2 - 1 ) 由此可得电感电流增量为： 笛。( + ) = z 1j ( 一e ”妇= 鱼 鳖不臃( 2 - 2 ) 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 在t o n 期i 司，歹f 关管一直导通，电 i m 。 感l 中的电流从最小值i l m i 。逐渐增大 到最大值i l m 觚，得： i 珈 t 。：毕+ k ( 2 - 3 ) 在开关管截止期间，电感左端电压董 为地电位，右端为v 铡t ，因此有： w 一等( 2 - 4 ) 畿 因此电感电流增量为： 蚺) - _ 圭以小一警k ( 2 - 5 ) 酏4 臌武陷摆错姗 在t o f f 期间，电感l 中的电流从最大值i l m 瓠下降到最小值i t m i 。，得： t 。i 。= 一半+ i l 。 ( 2 - 6 ) 根据伏秒平衡原理，稳态时 a i l ( + ) i = i a i l ( 一) l = a i l ，联系式( 2 2 ) 及式( 2 5 ) ，得： _ 1 n 洲1 + o n 磊2 等却( 2 - 7 ) 式中，d = t o n t 。为开关管的占空比。 由式( 2 7 ) 可知，输出电压v o u t 与开关管的占空比d 成正比。由于占空比d 总小于】，所以v o 狮总是小于v j n ，故称这种拓扑结构为b u c k 型d c d c 。 2 非连续导通模式 设工作于非连续导通模式时，用t o n 表示开关管m 1 导通的时间，t o f f l 表示 开关管m 1 关断、电感电流持续下降直到为零的时间，t o f f 2 表示电感电流保持为 零的时间，t s 为开关周期。当开关管m 1 导通之后，与连续导通模式相同，电感l 中的电流线性增加，存储的磁场能量也逐 渐增加，同时电容c 开始充电使得输出 电压v o u t 逐渐升高。经过导通时间t o n 后，控制信号使开关管m 1 截止，电感l 中的电流线性减小，电感l 两端产生的 感应电势使续流二极管d o 导通，l 中存 储的磁场能量便通过d o 传递给负载。当 负载电压低于电容c 两端的电压时，电 容c 便向负载放电。经过关断时间t o f f l 蔷“之：芝盔匹卜 谶二吐：吕二臼： 8 一款高性能b u c k 型1 9 ( 2 1 3 ( 2 和l d o 双路输出控制器设计 以后，电感l 中的电流减小到零，电感中没有能量的存储，完全靠电容c 对负载 放电维持输出电压。此时，续流二极管d o 因反向偏置而截止，故电感l 中不会 出现反向电流。又经过t o f f 2 后，控制脉冲信号又重新使丌关导通，上述过程重 复发生。d c m 模式下各主要信号波形如图2 5 所示。 类似于连续导通模式下的分析，非连续导通工作模式下，开关管导通阶段电 感l 中的电流增量为： 蛳+ ) - 7 1 肌一v o t t ) d l = 气鳖 ( 2 - 8 ) 经过时间t o n 以后，开关管截止，电感电流从最大值逐渐下降。又经过时间 t o f f l 后，电感电流变为零。并且在随后的t o f f 2 时间内，电感电流保持为零。因 而开关管截止阶段电感电流增量为： 。( 一) = 一圭，匕川，西= 一v o l i l tt ( 胛。( 2 - 9 ) 同样根据伏秒平衡原理，稳态时t a i l ( + ) i = ) a i l ( ) i = a i l ，得到： y ) l 旷v i ni ) l n l + o n 磊( 2 - 1 0 ) 稳念时，输出电流等于电感电流在整个周期的平均值，即： 厶w 吐( 嘴) ：蜘掣f 1 ( 2 - 1 1 ) 将式( 2 9 ) 取绝对值并代入式( 2 11 ) 得： i o u t = 竽竽掣去 仁t 2 ， 由式( 2 1 2 ) 可得： r ：鳖： ! 墨l lo t | t t n q t t n + t t 卿 联系式( 2 1 0 ) 和式( 2 - 1 3 ) ，消去t o e f i 得： l + 2 ( 2 - 1 3 ) = 丽2 ( 2 - 1 4 ) 式中，d = t o n t 。为开关管占空比。 比较式( 2 7 ) $ 1 1 式( 2 1 4 ) e on - - i 得到连续导通模式与非连续导通模式电压转换的 区别。连续导通模式下，输出电压只依赖于输入电压和开关管占空比。而在非连 续导通模式下，输出电压不仅与输入电压和开关管占空比有关，还与电感值、开 关频率( 即开关周期的倒数) 和输出负载有关。 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 9 2 1 2b u c k 型d c d c 的主要指标 稳压器的技术指标一般可分为两种：一种是特性指标包括允许的输入电压范 围、输出电压范围、输出电流即带载能力等；另一种是质量指标即性能参数用来 衡量输出电压的稳定程度，包括输出电压负载调整率、输出电压线性调整率、基 准电压调整率、静态电流以及效率等。一般用这些指标来评价稳压器的性能。对 于d c d c 来说，主要的性能指标如下【9 】【1 8 】： 1 输出电压负载调整率 输出电压负载调整率s l 是指输出电流即流经负载的电流发生变化时输出电 压变化的百分率。s l 越小负载变化时输出电压的稳定性越好。一般s l 可以表示 为： s l ：簪1 0 0 ( 2 - 1 5 ) l y o i f t 酗o t t 2 输出电压线性调整率 输出电压线性调整率s v 指负载一定时，稳压电路输入电压变化时，输出电压 变化的百分率。这也是表征输出电压稳定性的技术指标。s v 越小电源电压的波动 对输出电压的影响越小。一般s v 可以表示为： s v = 菇m v 瓦o l i t 1 。 ( 2 1 6 ) 3 电感电流纹波和输出电压纹波 电感电流纹波a l l 在前面介绍c c m 和d c m 时已作分析，现对电压纹波v o u t 的表达式进行推导。c c m 下，由于电容的充放电，输出电压会有纹波分量。当电 感电流大于输出电流时，电容被充电；当电感电流小于输出电流时，电容对负载 放电。 由图2 4 可知，在整个开关周期中流过电感的电流均流入电容和负载电阻， 输出电容的平均电流为零，所以电感的平均电流等于输出平均电流，即： ，l ( 嘴) = ，厅 ( 2 1 7 ) 每个周期电容的存储的电荷变化量a q 为： 班互1 坐孚= ! 。瓦( 2 - 1 2 8 8 ) 。 22 。 一， 式中，t s 为开关周期。因而输出电压纹波为： 盯= a _ c q q = 警= 争 ( 2 - 1 9 ) 式中，f s 为开关频率。在最大电感电流纹波、最大输出电压纹波、输入输出电压已 确定的情况下，需要综合考虑开关频率、电感以及电容的取值。同时由式( 2 1 9 ) 可 1 0 款高性能b u c k 型d c d c 和l d o 双路输出控制器设计 以看出输出电压纹波的大小同开关频率的平方成反比，频率越高，系统输出的电 压纹波就越小。但频率越高，开关损耗也越大，所以需要折衷考虑。 4 静态电流 静态电流是指稳压器空载时地引脚的电流。静态电流越小，表明稳压器的静 态功耗越低。 5 效率 d c d c 的效率是用户最关心的指标之一。因为对于便携式设备，其电池容量 是有限的。因而d c d c 的转换效率直接影响到系统的运行时间。d c d c 的效率 等于输出功率与输入功率之比： p 刁2 詈1 0 0 ( 2 - 2 0 ) 1 胁 式中，p 删为输出功率，p i n 为输入功率。 d c d c 的能量损耗主要包括两部分：( 1 ) 芯片本身的静态损耗和开关管及其 驱动电路的动态损耗；( 2 ) 开关管导通时消耗的能量，续流二极管消耗的能量， 电感线圈由于寄生电阻和磁漏消耗的能量。这些损耗严重影响了d c d c 的转换 效率。 2 2b u c k 型d c d c 的系统控制模式及同步整流技术 2 2 1d c d c 的系统控制模式 常见的d c d c 控制占空比的技术有脉冲频率调f l ；j ( p f m ) 、脉冲宽度调制 ( p w m ) 以及混合调制( p w m p f m ) 等f 9 】【9 1 。芯片采用何种控制模式要由芯片的具体 应用来确定，下面逐一对这三种控制模式进行介绍。 1 p f m 控制模式 p f m 模式为脉冲频率控制。p f m 的开关管导通时间或关断时间是固定的，其 周期、频率随着输入信号的不同而不同，通过改变其周期可提供稳定的输出电压。 该模式下的电路结构比较简单，与p w m 模式相比，在小负载条件下，p f m 模式 具有更高的效率。p f m 控制模式的缺点是电感的选择很复杂，输出电压纹波非常 大，噪声依赖于负载电流。 2 p w m 控制模式 p w m 模式为脉宽调制控制，是目前应用在开关稳压器中最为广泛的一种控 制方式，它的特点是噪声低、大负载时效率高且能工作在连续导通模式。p w m 控制d c d c 稳压器的基本工作原理就是在输入电压、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形成闭环反馈，调节主电 路开关器件的导通脉冲宽度，使丌关稳压器的输出电压或电流等具有良好的稳定 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 11 性。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。此外由于开关 频率是固定的，因而噪声频谱的带宽很窄，因此只需简单的低通滤波器就能大大 降低输出电压的纹波，故p w m 控制结构已被广泛应用于音频设备等对噪声影响 较为敏感的电路系统中。 3 p w m p f m 调制模式 p w m p f m 调制模式是一种将脉冲宽度调制和脉冲频率调制相结合的调制方 式，其脉冲宽度和开关频率均不固定。该模式在大负载工作时采用p w m 调制模 式，在小负载工作时自动切换至p f m 调制模式，因此p w m p f m 调制模式保证 了系统在全负载工作的情况下都具有较高的效率。由于该调制模式结合了p w m 和p f m 两种控制模式，因而增大电路的规模和实现的成本。并且该调制模式需要 引入模式转换控制电路，从而增加了系统的复杂性，提高了设计的难度。 2 2 2p w m 控制模式 本文所设计的芯片x d 8 9 1 2 工作在大负载条件下，综合考虑设计的难度和芯 片的成本等因素，芯片采用了p w m 控制模式。p w m 控制模式根据反馈结构不 同，可分为电压模式控制方式和电流模式控制方式，以下对这两种控制方式作详 细分析。 1 电压模控制方式【1 0 】【2 0 1 1 2 1 】 电压模控制是2 0 世纪6 0 年代后期开关电源刚刚丌始发展就采用的一种控制方 法，该方法与一些必要的保护电路相结合，至今仍在工业界广泛应用。 电压模控制方式只有一个电压反馈环，采用脉冲宽度调制原理，如图2 6 所示。 输出电压v o u t 的分压信号v f b 与基准信号v r e f 的差值经过误差放大器放大，得到的 误差放大信号v e a 送至p w m 比较器与振荡器产生的恒定频率锯茵波信号v o s c 相比 较，比较得到的p w m 脉冲信号经逻辑电路及驱动电路控制开关管m 1 的占空比，实 现了脉宽调制。当输出电压v o u t 变低时，误差放大信号v e a 变大，使得开关管的导 通时间增大，输出电压升高：当输出 电压v o u t 变高时，v e a 变小，使得开关 管导通时间减小，输出电压降低。 电压模控制方式是一个单环系 统，利用误差放大信号直接控制 p w m 脉冲宽度，它比较容易受到两 种外部干扰。一是输出电压，当负载 或其它干扰使得输出电压改变时，通 过环路将补偿这种变化，保持输出电 压恒定；二是输入电压，当输入电压 图2 6b u c k 型d c d c 电压模控制系统原理 1 2 一款高性能b u c k 型d c d c 和l d o 双路输出控制器设计 发生改变时，通过环路重新调整占空比以保持恒定的输出电压。由于主电路中输 出电容c 和电感l 有较大的相移延时作用，输出电压的变化会延时滞后，输出电 压变化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。因此当输入信号发生变化时，系统响应较慢。 电压模控制方式的优点主要有： ( 1 ) 系统结构相对简单，控制机理简单直接，利于进行建模分析和仿真； ( 2 ) 占空比调节可以不受限制； ( 3 ) p w m - - 角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的噪声裕量； ( 4 ) 对于多路输出型稳压器，它们之间的交互调节效应较好。 电压模式控制方式的缺点主要有： ( 1 ) 系统的瞬态响应较慢； ( 2 ) 输出l c 滤波器给控制环路增加了一个二阶极点，在对误差放大器进行频 率补偿时，需要将其主极点降低，或者增加一个零点； ( 3 ) 闭环增益随输入电压变化使得补偿网络设计较为复杂。 2 电流模控制方式【2 0 1 【2 2 】【2 3 l 电流模控制的概念源于2 0 世纪6 0 年代后期，主要分为峰值电流模控制、平均 电流模控制和滞环电流模控制。其中峰值电流模控制方式应用最为广泛，以下对 其作重点介绍。 峰值电流模控制系统原理如图2 7 所示，它有两个反馈坏路：电压环和电流环。 输出电压的分压信号v f b 与基准信号v r e f 的差值经过误差放大器放大，得n v 队送 至p w m 比较器的一端，比较器的另一端并不是像电压模控制方式那样与振荡电路 产生的恒定频率锯齿波信号进行比较，而是与一个变化的、其峰值代表输出电感 电流峰值的合成波信号v z 进行比较。比较得到的p w m 脉冲信号经逻辑电路及驱动 电路控制开关管m 1 的占空比，实现了脉宽调制。因此，峰值电流模控制不是用误 差放大信号直接控制p w m 脉冲宽度， 而是通过控制峰值输出端的电感电流 大小，间接控制p w m 脉冲宽度。 峰值电流模控制是一种固定时钟 开启、峰值电流关断的控制方法。因 为峰值电感电流容易检测和传输，而 且在逻辑上与平均电感电流大小变化 相一致。但是，在占空比不同的情况 下，相同的峰值电感电流可以对应不 同的平均电感电流，故峰值电感电流 并不能与平均电感电流一一对应，而 图2 7b u c k 型d c d c 峰值电流模控制系统原理 第二章b u c k 型d c d c 及l d o 的基本结构和工作原理 1 3 平均电感电流才是唯一决定输出电压的因素。在数学上可以证明，将电感电流下 降斜坡斜率的一半以上斜率加在实际检测电流的上升斜坡上，可以去除不同占空 比对平均电感电流的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感 电流。因此，合成波信号v z 由斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分构成，其 形状一般为三角状波形或梯形尖角状波形。 峰值电流模控制方式的优点主要有： ( 1 ) 瞬时峰值电流限流功能及内在固有的逐个脉冲限流功能有效的保护了主 开关管； ( 2 ) 控制环易于设计。因为电感处于内部控制环路中，其电感电流不再是一 个单独的变量，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； ( 3 ) 暂念闭环响应速度较快，对输入电压和输出负载的变化的瞬态响应快。 峰值电流模式控制的缺点主要有： ( 1 ) 容易发生亚谐波振荡。当占空比大于5 0 时容易发生亚谐波振荡，因而 需要斜坡补偿1 2 4 】，这增加了电路结构的复杂程度和设计的难度； ( 2 ) 对噪声敏感，抗噪声性差。因为开关器件电流信号的上升斜坡通常较小， 电流信号上较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，导致亚谐波振荡； ( 3 ) 对于多路输出型稳压器，它们之间的交互调节效应不好。 本文所设计芯片x d 8 9 1 2 根据大负载应用的实际情况以及上述两种控制模式 的原理与特点，选用电压模p w m 控制方式。 2 2 3 同步整流技术 在b u c k 型d c d c 的典型拓扑结构中，采用肖特基二极管作为功率续流管。 然而由于其正向导通压降与输出电源串联，所以