（电路与系统专业论文）全负载高效升降压dcdc控制器设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 便携式技术集通信、消费、计算机技术之大成，并在处理器、存储、电源管 理、显示、嵌入式软件领域多路并举、齐头并进，成为当今最热门的话题。随着 便携式设备功能、性能要求的不断提升，对电源管理系统的性能要求也越来越高。 例如更长久的电池运行时间、更高的功率密度、更小的外形尺寸、更高的可靠性 等。 锂电池由于其能量密度高、自放电小和价格低等优点而被广泛地用于便携式 设备的电源。在锂电池供电的便携式设备中采用升降压d c d c 变换器能够扩大 电池的供电电压范围，从而延长电池的使用寿命。 本文采用的四开关控制的升降压拓扑结构，与传统升降压拓扑相比，能够 实现电压的同向转换，且不需要很大的电感、电容。考虑到四开关同时工作会大 大增加开关损耗，采用的拓扑可根据不同的输入条件选择不同的工作模式，减少 了同时工作的开关管数目，降低了开关损耗。 便携式设备经常会工作在轻载状态，甚至是待机状态，而传统的p w m 调制 在轻载条件下效率会大幅度降低，因此提高轻载条件下转换器效率是便携式设备 电源管理的一个重点。本文采用p w m b u r s t 多模式调制，在重中载时使用p w m 调制，轻载时使用b u r s t 模式调制，提高轻载条件下的效率。 但是如何实现各个模式间的平滑切换，如何实现轻、重负载不同调制模式的 自动切换和不同状态下电路模块的复用成为多模式工作的新问题。在此，论文通 过判断占空比来实现模式的平滑切换；通过判断误差放大器输出实现轻、重载模 式的自动切换；在电路设计中实现了大部分模块的复用问题。 为了进一步提高功率密度，减小外围电路体积和提高效率，论文还采用同步 整流开关代替续流二极管，并实现了功率开关的集成。 论文采用b c d1 5 9 m 工艺完成了对各个功能模块和系统的设计，采用 c a n d e n c es p e c t r es 进行电路和系统的仿真。仿真结果表明各个电路模块和系统 工作正常，已达到了预期的设计目标。 关键词：i ) c - i ) c 转换器，四开关升降压，多模式，p b i b u r s t 多模式调制，功率 集成 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o r t a b l ed e v i c en o wb e c o m e st h em o s tf a m o u st o p i ca l lo v e rt h ew o r l d w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o r t a b l ed e v i c e s ，i tc h a l l e n g e st h ed e s i g n e ro fp o w e r m a n a g e m e n tc i r c u i t s a n dt h ed e m a n do ft h ep o w e rs y s t e mi np o r t a b l es v s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r ec r i t i c a l f o re x a m p l e ：l o n g e rb a t t e r yl i 诧，h i g h e rp o w e r d e n s i t y , s m a l l e rv o l u m e ，m o r er e l i a b i l i t ya n de t c t h el i b a t t e r yi sw i d e l yu s e di np o r t a b l ed e v i c e sf o ri t sh i 曲e n e r g yd e n s i t y , l o w s e l f - d i s c h a r g ec u r r e n ta n dl o w c o s t s oab u c k - b o o s tt o p o l o g yi sw o r t h i n e s st oe n l a r g e t h eo u t p u tv o l t a g er a n g eo ft h eb a t t e r y i tw i i lm a i n t a i nt i eb a t t e r yl i f c b a s e do nw i d e l yl i t e r a t u r er e a d i n ga n dag r e a td e a lo fs t u d y i n g ，af o u rs w i t c h e s b u c k - b o o s tt o p o l o g yi su s e di nt h i st h e s i s i tc a na c h i e v en o n - i n v e r tv o l m g et r a n s f e r c o n v e r t e rw i t hs m a i l v a l u eo fl cc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ib u c k b o o s tt o p o l o g y a n dt h ec o n v e r t e rw o r k si nd i f f e r e n tm o d e sa td i f f e r e n ts u p p l yv o l t a g e st or e d u c et h e h u m b e ro fw o r k i n gs w i t c h e sa tt h es a m et i m e i tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e c o n v e r t e l p o r t a b l ed e v i c eu s u a l l yw o r k si nl i g h tl o a dc o n d i t i o n e v e ns t a n d b y b u tt h e e 币c i e n c yo ft r a d i t i o n a lp w mm o d u l a t i o nw i l if a d r a m a t i c a l l yw i t ht h ed e c r e a s i n g o ft h el o a dc u r r e n t i nt h i sp a p c r d i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n t l o a dc o n d i t i o n sa r eu s e dt oi m p r o v et h ee 币c i e n c yi nl i g h tl o a dc o n d i t i o n _ 一p w mi n h e a v y m e d i u ml o a dc o n d i t i o na n db u r s tm o d u l a t i o nm o d ei ni i g h ti o a dc o n d i t i o n s e v e r a lp r o b l e m sa 佗r e s u l t e df r o mu s i n gd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t e s ：t h es e a m l e s s 仃a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e s t h ea u t o m a t i ct r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o n sa n dt h ec i r c u i t sr e u s i n gi nd i f f e r e n ts t a t e s i nt h i sp a p c r - t h es e a m l e s s t r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e si sa c h i e v e db yj u d g i n gt h ed u t yc y c l e ；t h ea u t o m a t i c t r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n si sa c h i e v e db yj u d g i n gt h eo u t p u to fe r r o r a m p l i f i e r ；m o s to ft h eb l o c k sc a nb er e u s ei nd i f f e r e n ts t a t e si nt h ed e s i g no ft h e c i r c u i t s s y n c h r o n o u sm o s f e ts w i t c h e sa r eu s e da n da l lt h ep o w e rs w i t c h e sa r e i n t e r g r a d e do nt h ec h i pf o rh i g h e re f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h e p e r i p h e r yc i r c u i t a ti a s t , a l lt h ec i r c u i ta n dt h e s y s t e ma r ea c c o m p l i s h e d i nb c d1 5 p m t e c h n o l o g ya n ds i m u l a t e di nc a n d e n e es p e c t e rs t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wa l lt h e c i r c u i t sa n dt h es y s t e mw o r k sw e l l a n da l m o s ta l le x p e c t e ds p e c i f i c a t i o n sw e r e r e a l i z e d k e y w o r d s ：d c - d cc o n v e r t e r , f o u rs w i t c h e s b u c k - b o o s t ，d u a l m o d e s ， p w m b u r s td u e l - m o d u l a t i o n s ，p o w e ri n t e r g r a d e d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂一可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：矽力杰半导体技术有限公司电话：1 3 4 2 9 15 5 2 3 9 通讯地址：杭州市华星路9 9 号东部软件园创业大厦a 4 1 2 邮编：3 1 0 0 9 9 浙江大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着半导体产业的发展，消费类便携式产品正以爆炸式的速度增长，可以毫 不夸张的说，便携之风已经横扫全球，它就像一个技术黑洞，吸收了无数领先的 功能从便携式多媒体播放器、便携式存储设备、便携式游戏到个人掌上电脑 p d a 等等，越来越多的设备开始便携化，并且在便携式设备中，越来越多的功 能被集成，例如：随着3 g 的到来，手机不仅要浏览网页、发送电子邮件、拍摄 数码照片，甚至还能播放视频流、支持手机电视等等。大部分便携设备已经集成 处理器、无线接收、流媒体、甚至g p s 等功能【l 】。 由此可见，便携式设备的发展趋势是拥有更高集成度、更小的体积和更大的 存储容量。集成度的提高对处理器提出更高的要求，甚至需要采用多核技术才能 同时完成多项任务的需求；更小的体积则要求降低整个设备的功耗，以便缩小电 池的体积；而为了适应便携式设备媒体播放的要求，需要更大的存储容量，但存 储容量的提高意味着耗电量的提高【2 】。因此，便携式设备的发展对电源管理提 出了新的要求，如何减小便携式设备中电源管理的体积、提高电源管理的效率和 延长电池的使用寿命成了便携式设备中开关电源所要研究的问题。 便携式设备可以有多种电池方案可以选择，不同的充电电池有不同的优缺点 及使用场合。目前的电池种类主要包括镍氢电池m i m h ) 、锂离子电池、聚合锂 电池( p l b ) 和高级锂电池( a l b ) 等。随着消费类便携式设备对体积越来越高的要 求，超薄型聚合锂电池和聚合体电池越来越受欢迎。同时，锂电池还有能量密度 高、自放电低等优点，这使得目前许多便携式设备中采用锂电池供电【3 】。 单节锂电池的电压输出范围为2 5 - 5 5 v 。对于单电池供电的便携式设备， 通常会需要3 3 v 的标准电压供给嵌入式系统和处理器。因此，采用单一的降压 或升压系统都不能充分使用电池中所储存的电能。为了提高电池输入范围，开关 电源需要使用升降压的拓扑结构以便充分使用锂电池在2 5 3 3 v 的储能，延长 电池的使用寿命。 浙江大学硕士学位论文 1 2 开关电源的分类 开关电源是用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器( l 或和c ) 的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电 压。这是d c d c 的基本手段，类似于“斩波”作用【4 】。开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类，在电池供电的便携式设备中，使用d c d c 的开关电源转换 器。 直流变换器大体可分为p w m 式、谐振式和它们的结合式。p w m 式变换器 中的开关在某一固定频率下工作，但改变接通时间长短( 即脉冲宽度) ，使负载 变化时，负载上电压变化不大的一种方法。谐振式是指利用l c 的谐振现象，电 子开关器件两端电压按照正弦j 3 l ! 律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通；当通 过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关断开，达到零电压开通和零电流关断。 它们的结合式有零开关p w m 变换器和零转换p w m 变换器。 由于p w m 式变换器在开关断开和开通时，开关上同时存在电压、电流，会 有一定的开关损耗，因此被称为“硬”开关。而采用谐振式的“软开关”技术实 现了零电压开通和零电流关断，减小了开关损耗，但是软开关的实现电路要比 p w m 调制要复杂的多【4 】。因此，在便携式设备这样的低压设备中，开关电源应 当选用p w m 调制技术。 开关电源变换器最重要就是要实现对脉宽的调制，即开关控制芯片的设计。 主要分为电压控制型开关调节、电流控制型开关调节和迟滞控制调节【5 】。 电压控制型开关调节系统中只包含一个电压反馈环，是一个单环自动调节系 统。电压控制型方式简单、稳定、易于设计，也可以保证很好的稳压精度。缺点 是动态响应速度较慢。当系统受到某种扰动作用时，例如，输入电压波动、元件 参数变化和负载突然变化，系统中的各电气变量均会发生变化，而这种变化只有 等到输出电压变化以后，电压控制环路才起到调节作用。因此，在瞬态过程中， 输出电压可能会产生较大幅度的波动，甚至造成系统出现不稳定现象。 电流控制型调节系统采用双环控制。在电压反馈外环的基础上，加入了电流 反馈内环，电流环实现电流自动调节；电压反馈环路实现电压自动调节。电流控 制的优点有： ( 1 ) 改善了开关调节系统的瞬态特性。在含有电流控制的开关调节系统中，无论 2 浙江大学硕士学位论文 是输入电压波动还是负载的突变，都会立即引起电感电流或功率开关电流的变 化，通过电流传感器使得电流反馈信号发生变化而迫使控制系统立即做出反应并 开始调节。不会像电压控制型单环调压系统那样要等到输出电压发生变化才起控 制、调节作用。所以，双环控制系统的动态响应速度快、调节性能好，过冲电压 幅值小。 ( 2 ) 限制功率开关的最大电流值。在双环系统中，由电压控制器的输出信号提供 最大电流的限制信号，限制功率开关管的最大电流或平均电流，实现了过流保护。 ( 3 ) 多个变换器并联运行时，改善了均流效果。 ( 4 ) 改善了整个系统的音频衰减率。电流反馈有利于提高整个系统的音频衰减 率，扩展了系统输入电压的范围。同时，允许输入电流中有较大的交流成分，减 少了输入滤波电容的容量，提高了系统的可靠性。 ( 5 ) 改善了开关调节系统的稳定性。在双环控制系统中，电流控制环的控制对象 为一阶积分或近似一阶积分环节，所以电流环具有很好的稳定性；由电流控制环 等效的新功率级是电压控制环的控制对象，这是一个单极点型控制对象。因此， 电压控制环的相位裕度大，改善了系统的稳定性。电流型控制系统根据采样信号 的不同分为电流平均值和电流峰值两类。 迟滞控制系统采用开环控制，通过设定输出电压的迟滞范围来控制脉宽。迟 滞控制的优点是简单，不需补偿。缺点是，开关频率不固定，e m i 滤波器很难设 计。 1 3 国内外研究背景、现状和趋势 目前的升一降压型变换器拓扑主要有b u c k b o o s t 、e u k 、s e p i c 和z e a t 。 b u c k b o o s t 和e u k 电路的输出电压与输入电压的极性相反。这在便携式设备应 用中是极其麻烦的，因此一般不考虑。而s e p i c 和z e a t 电路虽然实现了同相的升 降压变换，但由于s e p i c 中需要多个电感和电容器【6 】，因此体积庞大并且设计 复杂，也不适用于便携式设备。 现今一种更加有效的方法是采用一种基于单个电感的控制器，通过控制四个 开关来执行降压、升压和1 0 0 占空比模式操作阴【8 1 。这种四开升一降压转换器的 优点是易于设计和高的功率密度，并且可以使用同步整流管代替二极管进一步提 3 浙江大学硕士学位论文 高效率。 国内外主流开关电源控制芯片厂商已经推出电压控制型四开关升一降压控制 芯片。如：l i n e a r t e c h n o l o g y 的产品l t c 3 4 4 0 ，输入输出范围2 5 v 5 5 v ，最大 输出电流为6 0 0 m a ，片上集成功率管和同步管【9 】；n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rc o r p 的产品l m 3 6 6 8 ，输入范围为2 5 , - 一5 5 v ，输出范围为2 8 3 3 v ，最大工作电流为 8 0 0 m a 1 0 ：而电流控制型调节的产品目前还很少，如l i n e a r t e c h n o l o g y 的 l t c 3 7 8 0 ，其输入为4 - - 3 6 v ，输出为0 8 - 3 0 v ，工作频率为2 0 0 k - - 4 0 0 k h z il 】。 便携式设备由于其有限的p c b 面积，对开关电源的体积、功率密度、转换 效率、可靠性、安全性等方面提出了更高的要求。目前，便携式设备中开关电源 的发展趋势有以下几点【1 2 】： 1 ) 小型化、薄型化、轻量化、高频化。 开关电源的体积、重量主要是由储能元件( 磁性元件和电容) 决定的，因此 开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内， 开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑 制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2 ) 高可靠性。 开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿 命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所 以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了 电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无 故障时间。 3 ) 低噪声。 开关电源的缺点之一是噪声人。单纯地追求高频化，噪声也会随之增火。采 用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽 可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向【1 3 】。 1 4 立题意义和研究内容、目标 虽然目前已经有相对成熟的便携式设备中的电压控制型升降压开关电源控 制器。但电流控制型的控制器还比较少，并且现有的多产品大多不适用于便携式 4 浙江大学硕士学位论文 设备。因此，研究便携式设备中的电流控制型调节的升降压变换器控制芯片是很 有意义的。 课题的主要目标是设计一个高效、高功率密度的电流控制型升降压型开关电 源控制器。研究的内容主要包括以下几个方面： 1 ) 提高转换效率。转换效率的提高能够延长电池的使用时间，为便携式产 品带来明显的，用户可以感受到的竞争优势。传统的p w i i i 模式控制在轻负载条件 下转换效率会明显降低，而许多便携式设备在大部分时间会处于待机状态。并且， 新的节能标准中规定了轻载条件下的转换器最低效率。因此，如何提高轻负载条 件下转换器的效率是本设计的一个重点。 2 ) 提高功率密度。便携式设备中对电源管理的体积要求很高，因此对芯片 面积和外围电路的面积都有很高的要求。如何减小芯片面积，减小外围电路的复 杂度和体积是便携式设备中开关电源的一大挑战。 3 ) 电路保护功能。开关电源是以安全、可靠性为第一原则。过压、过流等 情况可能会造成电池和内部芯片的损坏，因此，在电气指标满足正常使用要求的 条件下，为使开关电源在恶劣环境和突发故障情况下安全可靠的工作，必须设计 多种保护电路，比如软启动电路、过压、过流等保护模块。 4 1 低压电路设计。由于开关电源控制芯片直接采用电池供电，因此芯片的 供电电压可能从5 5 伏变化到2 5 伏，如何让芯片中模块在高低电压下都能正常 工作也是本设计的一大难点。 5 1 环路的稳定性设计。对于一个闭环系统来说，环路的稳定性是十分重要 的，它影响到环路是否能正常工作，是否能对输入电压、输出负载等输入变化做 出快速响应。而峰值电流控制有电压、电流两个环路，这两个环路都需要正确设 计。 1 5 设计目标 本设计的主要目标是实现高效率、高功率密度的电流控制型四开关升降压变 换器。主要的设计目标为： 1 ) 输入、输出电压范围：2 5 v 5 5 v 。 2 ) 负载范围：0 5 0 0 m a 。 5 浙江大学硕士学位论文 3 ) 重载下输出纹波不大于1 0 m v ，轻载下输出纹波不大于5 0 m y 4 ) 开关频率：4 0 0 kh z 。 5 ) 三种工作模式：当输入大于输出时采用降压调制；当输入小于输出时采用升 压调制；当输入约等于输出时采用过度阶段控制。以及在轻、重载条件下三种阶 段的自动切换。 6 ) 多种调制模式：重载下采用p w m 模式；轻载下采用b u r s t 模式。 7 ) 保护电路：软启动、过压保护、过流保护、过温保护等。 8 ) 功率开关和同步整流管内部集成。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章升降压d c d c 变换器 2 1 升降压拓扑的比较和分析 目前已有的实现升降压转换的拓扑主要有：b u c k b o o s t ，e u k 、s e p i c 以及 在本设计中使用的四开关升降压拓扑结构。下面对这几种升降压拓扑进行分析 和比较。 2 1 1b u c k b o o s t 在降压型变换器后串接一个升压型变换器就可以实现升降压的转换，通过简 化，可以得到b u c k b o o s t 电路拓扑如图2 1 d 1 图2 1b u c k b o o s t 电路图 + 在每个开关周期开始时，开关t r 导通，电源给三储存能量，输出由滤波电 容c 续流。当开关管t r 断开时，豇有减小的趋势，电感线圈产生自感电势反向， 为下正上负，二极管d l 受正向偏压而导通，电感储能给负载供能，电容c 充电 储能以备t r 转至导通时放电维持输出不变。假设脉宽调制占空比为d ，则变换 器的增益为 r o = 啬 ( 2 1 ) l d 、7 可见，此升降压变换器的电压增益随占空比d 变化，可以降压也可以升压， 开关管t r 所承受最大电压为一。其缺点是输出电压反向，这使得这种拓扑 不能应用于便携式设备中。 2 1 2e u k c u k 变换器的思想是把升压和降压变换器串联起来，并进行电路变换和简化 后，得到如图2 2 的电路图 7 浙江大学硕士学位论文 l lc l l 2 f 了：三i l 2 铒l z q 丰r 图2 2e u l ( 变换器电路图 + 能量的储存和传递是同时在两个开关期间( 即t o 。和t o f f ) 和两个回路中进 行的。设开关周期为t s ，导通时间为t o n = d t s ，截至时间为t o f f = ( 1 - d ) t s ，d 为占 空比。 ( 1 ) 在t 。期间，此时t r 导通，把输入输出环路闭合，二极管d i 反偏截止， 输入电流使三l 储能；c i 放电电流使三2 储能，并给负载供电。 ( 2 ) 在t o 仃期间，t r 截止，d l 正偏导通，将输入输出环路闭合。这时电源输 入和i 的释能电流向c i 充电，同时三2 的释能电流维持负载。 由此可见，e u k 电路无论在t o 。及t o f r 期间，都从输入向输出传递功率。只 要输入输出电感l 、2 及耦合电容c i 足够大，则上l 、三2 中的电容基本上是恒定 的，而且此电路r f l 能量传递元件为耦合电容c l 。 c u k 变换器的显著特点是，它虽然不用变压器，但其特性非常接近一个匝比 可调的d c d c 变换器，能量的储存和传递同时在两个开关周期间和两个环路巾 进行。这种对称性使得这种变换器效率提高。 但其缺点也很明显，需要另增一个电容和电感器件，并且耦合电容c 1 为能 量传递元件，其值不能取得很小，因而此电路的外围器件体积大大增加，并且其 电压转换和b u c k b o o s t 相同，仍是反向的转换。因此，e u k 也不能被用于便携 式设备中。 2 1 3s e p i c 前面两种都只能实现电压的方向变换，而s e p i c 电路实现了电压的同向变换， s e p i c 变换器的基本电路如图2 3 8 浙江大学硕士学位论文 图2 3s e p i c 变换器电路图 + 一 同样假设开关导通时间为t 伽，关断时间为k ，则s e p i c 电路的工作原理为： ( 1 ) 在t 蛐期间，二极管反偏截止，输入电流给电感三l 储能，c l 通过开关给 三2 放电，2 储能，输出由滤波电容c 2 供电。 ( 2 ) 在t o 仃期间，二极管导通，电源和电感三l 同时向c l 充电，上2 经二极管 d l 释能，为负载供电，并给q 充电以维持输出不变。 s p c i e 电路虽然实现了电压的同向变换，但其电路结构与e u k 类似，通过耦 合电容c i 传递能量，并且需要双电感、双电容。这在追求小体积的便携式设备 中也是不能接受的。 2 1 4 四开关升降压 鉴于上述变换器所存在的缺点，四开关升降压拓扑( 义称h 型拓扑) 实现 电压的同向变换，且不用额外引入大的电感或电容器件，其结构如图2 4 ai d 图2 4 四开关升降压变换器电路图 四开关升降压拓扑的传统控制方法为，开关a 、c 同时动作，开关b 、d 同 时动作，通过四开关的同时工作实现同向的升降压变换。假设a 、c 导通时间为 t 1 ，b 、d 导通时间为t 2 ，时钟周期为t s ，t i + 1 r 2 t s 。 ( i ) t i 期间，a 、c 导通，b 、d 截止。输入电流给电感上储能，电感电流上 升，输出滤波电容c i 给负载续流。 9 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) t 2 期间，b 、d 导通，a 、c 截止。电感三给负载供电，并给c 1 充电以 维持输出电压不变。 可见，此拓扑原理与b u c k - b o o s t 拓扑类似，通过增加两个开关实现了电压 的同向转换。其优点是避免了额外引入大的无源器件，实现了电压同向变换。但 其缺点也很明显，四开关的同时动作增加了开关的驱动损耗。 2 1 5 改进型四开关升降压变换器 针对四开关升降压变换器的传统控制方法的缺点，本文中对传统的四开关 升降压控制进行了改进，即通过输入电压的不同采用不同的工作模式以减少同 时工作的开关管数量，如图2 5 示意 工作模式 2 5 2 5 v5 5 v 图2 5 工作模式示意图 ( 1 ) 当v m v o t r r 时，开关a 恒导通，开关b 恒断开。对c 、d 进行脉宽调制， 电路为降压型拓扑。 由此可见，若根据输入的不同选择工作在不同的工作模式，从后面的分析可 以得到，在 v o 旧和v m v o l i t ( 1 + d o ) r 、 彳尺7d 2 彳r d 过渡 口 b ( 1i 吐) c r b 2 d ( 1b s l ) ( 1 + d o ) r v j u 沂 ( 1 + d o ) r 、 c r 7口2 c r 、 c d r 7 b 其中：d = i - d ，a = ( 1 + d o ) ( d + d o ) ，b = d + b ，c = ( 1 + d o ) ( 1 - d ) 1 7 浙江大学硕士学位论文 2 4 效率分析 转换器的效率是输出功率与输入功率的比值，输入功率包括给负载的功率和 系统的损耗【1 6 】。即： 刁= 等川。= 瓦p o u t 圳。 ( 2 - 4 ) 按照损耗产生的原因，开关变换器的损耗可以分为与负载相关的传导损耗， 与频率相关的开关损耗和固定损耗。负载相关传导损耗主要由晶体管导通电阻、 电感等效串联电阻、电容等效串联电阻等引起。p c o d u c r = i l 2 r ，r 为主功率通路 上的导通电阻的总和；频率相关的损耗主要来自两个方面： 1 ) 栅驱动损耗，即由功率开关栅电容充放电引起的损耗。即开关的驱动损 耗， p =fcdriver矿i n 2 ( 2 一1 5 ) 1 一 7 、1 0 ， 2 ) 电压电流重叠损耗，即由开关晶体管时电压电流重叠引起的损耗风胛剃； 固定损耗是由控制芯片的空闲电流，晶体管和二极管漏电流引起的损耗 p q u i e s c e n t 组成， p l o s s = p c o n n v c r o r + p n e a v s r + p s w i t c h + p q u i e s c e n t ( 2 - 16 ) 对于目前的便携式设备应用来说，为了减小外围l c 器件尺寸和减小输出电 压纹波值，工作频率会比较高，一般会在1 - 2 m l - l z ，因此相对的驱动损耗和交 叠损耗就增加了。对p w m 模式来说，当变换器工作在重载时，导通损耗丘2 r 是 主要的损耗。其中r 是开关电阻、导线电阻、电感阻抗和检测电阻等主功率通 路上的电阻总和，但相对于负载电阻来说还是很小的值。因此，重载时效率较高。 但是在轻载时，负载电流屯减小，p c o n d u c t o r 减小，开关损耗和静态损耗开 始占主要部分，而此时尸d w 也减小。因此，轻载时p w m 模式的效率会急剧下 降。 为提高轻载时变换器的效率，必须降低开关损耗和静态损耗。开关损耗的降 低可以通过降低频率的方法来实现。但是，处于稳定性等因素的考虑，直接减小 芯片的时钟频率是不可行的。并且，芯片的静态损耗并不能通过降低时钟频率来 降低。目前采用的比较多的方法有p w m p f m 多模式调$ 1 j 1 7 1 8 、谐振驱动【1 9 】、 浙江大学硕士学位论文 p w m b u r s t 多模式调帛l j 1 5 等。前两种方法最大的缺点是工作频率不固定，因而 有可能产生开关频率下的次谐波噪声，因此其前后级的e m i 滤波器设计也将变 得很复杂【2 0 】。p w m b u r s t 模式的开关工作周期内频率不变，但b u r s t 迟滞比较 器控制使输出有一个大的纹波，其频率会随着负载的降低而降低，因此，在设计 b u r s t 工作时要避免输出大纹波频率降低到音频范围内。 本设计在轻载下采用b u r s t 模式控制。在b u r s t 模式控制时，输出电压的纹波直 接由b u r s t 迟滞比较器的迟滞窗口决定。从2 4 节的分析中可以看出，b u r s t 模式 中的s l e e p 时间，降低了平均开关周期，减小了开关损耗。并且通过关断一部分 模块的方式降低芯片的静态损耗，进一步提高了效率。然而，s l e e p 时间长短与 b u r s t 比较器的迟滞窗口大小有关。迟滞窗1 2 1 越大，s l e e p 时间越长，开关损耗和 静态损耗就越低，效率就越高。但是，迟滞窗口的增大会使输出电压纹波的增大。 因此，在设计中，需要权衡输出纹波大小和轻载效率。 2 5 功率集成和同步整流技术的应用 现今的d c d c 变换器越来越多的将功率开关集成到芯片上，集成最大的优 势是引线变短而使得导通电阻的减小，这将直接使得导通损耗的减小，从而提高 了效率，并且功率集成使得开关的驱动直接在片内连接，路径的变短减小了其它 寄生效应。集成以后，控制芯片外围设备将越来越简单，整个电源管理模块的体 积也会做得更小。这些优点使得功率集成被广泛的用于小功率的便携式设备电源 管理芯片中。 另外，传统的整流极管也越来越多的被同步整流开关代替。一般来说，肖 特基二极管的正向压降为o 仙6 v ，这使得在一定的负载电流下，肖特基二极管 上消耗了较多的能量，特别是在输出电压一般仅3 3 v 的便携式设备中，这部分 损耗所占比重将更为明显【2 l 】。将肖特基二极管替换为同步整流开关，首先功率 开关的导通电阻将小于肖特基二极管；其次，同步整流开关也可以集成到片上， 解决了二极管很难被集成的难题。 但是，同步整流技术有以下的缺点： 1 ) 开关动作时大的穿透电流问题。由于驱动延时的存在，功率开关和同步 整流管可能会出现同时导通的情况，在这种情况下，电源将被直接短接到地，在 1 9 浙江大学硕士学位论文 功率开关和同步整流管上会出现大的穿透电流，穿透电流将可能烧毁功率开关。 2 ) 电感电流反向问题。由于二极管的单向导通特性，当电感电流降为零后， 二极管自动关断。但是同步整流管不会自动关断