（电路与系统专业论文）大电流微功耗同步开关电源的研究与实现.pdf

摘要 本论文的设计工作来源于西安电子科技大学科研项目“电源管理类低功耗集 成电路的研究与设计”，主要对大电流、微功耗同步升降压型开关电源的工作原理 进行理论研究并设计实现。 论文详细分析了开关电源的三种基本拓扑结构的工作原理，阐述了开关电源 系统中的功耗源及降低功耗的途径，提出了一种新颖的低功耗控制电路设计方案， 并在此基础上设计了一款大电流、微功耗同步升降压型开关电源x d 6 9 1 5 。 该芯片采用一种新颖的高效反馈控制电路，通过检测输入输出电压的大小关 系来控制工作区间及开关管的导通次序，有效降低了由于开关动作频繁造成的功 耗损失。轻负载条件下引入突发模式可实现系统的高效工作。在芯片设计中采用 片外补偿技术，不仅减小了内部补偿电容的面积，而且使得电压模控制环路同样 可以获得较好的系统稳定性和瞬态响应。同时，改进的电流限制电路使得芯片可 以提供1 2 a 的输出电流，提高了芯片的带载能力。另外，采用同步整流技术，在 提高效率的同时节省了p c b 板的面积。 ，整个电路基于某公司o 5 9 mc m o s 工艺设计，使用w o r k v i e w 、h s p i c e 等e d a 软件完成整体电路前仿真验证。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：开关电源升降压型微功耗设计电压模同步整流 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 t 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 fl o w p o w e rf o rp o w e rm a n a g e m e n ti c ”a n dm a i n l yd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo ft h eh i g h c u r r e n ta n dm i c r o p o w e rs y n c h r o n o u sb u c k b o o s ts w i t c h i n gr e g u l a t o r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h r e eb a s i ct o p o l o g yo fs w i t c h i n g r e g u l a t o ri nd e t a i l ，e x p o u n d st h ep o w e rd i s s i p a t i o ns o u r c e sa n dp u t sf o r w a r dan e w d e s i g ns c h e m eo fl o wp o w e rc o n t r o lc i r c u i t a n dt h e n ，ah i g hc u r r e n ta n dm i c r o p o w e r s y n c h r o n o u sb u c k - b o o s ts w i t c h i n gr e g u l a t o ri sd e s i g n e d t h ed e s i g n e di ca d o p t san o v e lh i 曲e f f i c i e n c yf e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i tt od e c r e a s e t h ep o w e rd i s s i p a t i o nw h i c hc o n t r o lt h ew o r k i n gr e g i o na n dt h es w i t c h i n gs e q u e n c eb y d e t e c t i n gt h er e l a t i o n s h i po f t h em p u ta n do u t p u tv o l t a g e t h eb u r s tm o d ei se n t e r e dt o a c h i e v eh i g he f f i c i e n c yw h e nw o r k i n gi nt h el i g h tl o a dc o n d i t i o n t h es y s t e mi n t r o d u c e s a ne x t e r n a lc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h es y s t e ms t a b d i t ya n dt r a n s i e n t r e s p o n s ei nt h ev o l t a g e m o d ec o n t r o ll o o p m e a n w h i l e ，a ni m p r o v e dc u r r e n tl i m i tc i r c u i t c a np r o v i d e1 2 ao u t p u tc u r r e n ta n da m e l i o r a t et h el o a d i n gc a p a c i t ye f f e c t i v e l y b e s i d e s ， t h ei ci n t r o d u c e ss y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y a n ds a v et h ea r e ao ft h ep c bb o a r d t h ew h o l ec i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nt h eo 鼬mc m o sp r o c e s s t h es i m u l a t i o n a n dv e r i f i c a t i o ni s c o m p l e t e db yt h ee d at o o l ss u c ha sw o r k v i e w , h s p i c e ，e t c a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec i r c u i t h a v em e ta l lt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：s w i t c h i n gr e g u l a t o r v o l t a g e m o d e b u c k - b o o s t m i c r o p o w e rd e s i g n s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 创新性声明 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 包括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。 本人签名：i 丝堡 日期：2 口哆j 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 生在校孜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。本人保证 毕业离校后，发表论文或者使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 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。 本人签名：主鉴j 盔 导师签名： 日期：2 d 矽， 日期 第一章绪论 第一章绪论 随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也 越来越多，对电源的要求更加灵活多样。所谓电源是利用电能转换技术将市电或 电池等一次电能转换成适合各种电对象的二次电能的系统或装置。由于近年来新 的电子元器件、新的电磁材料、新的变换技术、新的控制理论及新的软件不断出 现、发展，使得电源特别是开关电源在许多领域如：邮电通信、军事装备、交通 设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等有着广泛的应用。 开关电源由主电路与控制电路两大部分组成，主电路的能量传递给负载电路， 控制电路则按照输入输出条件控制主电路工作状态，将控制电路集成化即成为开 关电源集成控制i c 。 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。采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、 可靠性高，并可实现远程控制等功能，是世界开关电源的发展趋势。随着微电子 和半导体行业的发展，整个电源产业产生了日新月异的变化和发展，显示出了强 大的生命力。 1 1 开关电源的发展现状及前景 开关电源已有几十年的发展历史，自2 0 世纪9 0 年代中期问世以来便显示出 强大的生命力，因其体积小、重量轻和效率高而在各种电子信息设备中得到了广 泛的应用。近2 0 多年来，单片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。2 0 世纪7 0 年代，国外首先研 制成脉宽调制( p w m ) 控制器集成电路，美国m o t o r o l a 公司、s i l i c o ng e n e r a l 公 司、u n i t r o d e 公司等相继推出一批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 和 u c 3 8 4 2 。9 0 年代以来，国外又研制出开关频率达i 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。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最 简外围电路、最佳性能指标等优点，并已成为国际上开发中小功率开关电源、精 密开关电源、特种开关电源及电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源已 形成了几十个系列、数百种产品。 近来，伴随着人们对开关电源要求的进一步升级，低电压、低功耗开关电源 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 的高效化以及响应的高速化成为了有关厂商和研究机构的热门课题。另外，电子 信息设备用量的激增还使得电磁干扰( e m i ) 问题同益突出，而开关操作时产生的 浪涌和噪声则是开关电源的固有缺陷，为此人们将开关电源的低功耗化、小型化 和低噪声化作为今后的三大重点研究目标。举个例子，如果功耗增加，就会加快 元件温度的上升，这不仅会降低电源的可靠性，还需要增设散热器而不利于实现 小型化。由此可见，低功耗化与小型化是密切相关的，所以在研究时不能将它们 割裂。而且，来自业界的低生产成本要求也是必须尽力满足的。 由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造 商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗， 并在功率铁氧体( m n z n ) 材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度 ( b s ) 下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。s m t ( 表面贴 装) 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以 确保开关电源的轻、小、薄。另外，开关电源的高频化必然对传统的p w m 开关技 术进行创新，实现z v s 、z c s 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提 高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运 行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。 1 2 开关电源概述 现在常用的稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两种。其中，线性稳 压电源的调整管工作在线性放大区，输出电流是连续的，纹波较小，但调整管上 损耗的功率较大，效率较低。而开关电源内部的关键元器件工作在高频开关状态， 由于开关频率高( 几十至几百千赫兹) ，去掉了工频变压器和低频滤波电感，从而达 到减小整机体积和重量、提高工作效率的目的。因为内部电路工作在高频开关状 态下，所以自身消耗的能量很低，电源效率高。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳 流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采 用品闸管的相控电源相比有两个明显的优点： ( 1 ) 效率高。采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换 而没有损耗。但实际上，电路中的开关器件存在通态压降，断态漏电流及开关损 耗等非理想因素，所以存在功耗。但电路的总效率仍能达到8 5 9 8 ，远远高于 靠通态电阻调节的线性电源，通常比相控电源的效率要高些。 ( 2 ) 体积小、重量轻。开关电源采用较高的开关频率，一般高于2 0 k h z 这一人 第一章绪论 耳的听觉极限，因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减小。而线 性电源和相控电源通常都需采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以 在同等功率条件下，开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源的十分之一。 当然，开关电源也有它的缺点。由于在开关稳压电源中，功率调整管工作在 开关状态，因此存在较大的输出纹波电压和开关噪声干扰。另外，电路结构复杂、 成本高、可靠性低等缺点也限制了开关电源的普及与发展。 常见的开关电源分类方法如表1 1 所示。 表1 1 常见开关电源的分类方法 分类方式分类特点描述 脉宽调制型 振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度调节输出电压 按调制方式分频率调制璎 占空比保持不变，通过改变振荡器频率稳定输出电压 混合型同时调节导通时间和振荡频率完成输出稳定 降压型输出电压比输入电压低 按输入输出 升压型输出电压比输入电压高 电压的大小分 升降压型输出电压绝对值可以高于、低于或者等于输入电压 可见，开关电源形式灵活多样，设计者可以发挥各种类型电路的优点和特长， 设计出满足不同应用场合的开关电源。 1 3 论文的主要工作和章节安排 本论文设计工作来源于科研项目“电源管理类低功耗集成电路的研究与设 计”，主要研究大电流、微功耗同步开关电源的设计与实现。 一、论文的主要工作 本论文结合科研项目和当今电源管理的发展趋势，设计了一款大电流、微功 耗同步升降压型开关电源。根据开关电源系统的低功耗要求，设计了一种新型高 效控制电路，可根据输入输出电压的大小关系，合理选择系统的工作模式及开关 顺序，实现稳压输出。该芯片设定为1 m h z 的固定工作频率，并可同步一个外部 时钟。在轻负载条件下可选择在突发模式工作，且静态电流仅为2 5 u a ，最大程度 地延长了便携式应用中电池的使用寿命。 控制、过温关断和电流限制等辅助功能。 该芯片还包括1 , u a 的停机功能、软启动 设计电路采用同步整流技术，可以实现 真正的输出断接，提高效率的同时减小p c b 板的面积。该芯片主要应用于手持电 脑、m p 3 播放器、手持仪表、数码相机等。 二、章节安排 本芯片基于0 5 9 mc m o s 工艺设计，利用w o r k v i e w 和h s p i e e 等e d a 软件完 4 人电流微功耗同步开夫电源的研究与实现 成各个功能块及整体电路的设计和仿真。 论文全文共分五章。 第一章是绪论，概述电源管理类芯片及其未来发展趋势，简要介绍开关电源 特点和分类。 第二章论述了基本开关电源拓扑结构的工作原理和系统两种工作模式的优缺 点，并针对开关电源系统的低功耗问题进行分析和计算。 第三章讨论芯片x d 6 9 1 5 的系统设计方案，在第二章所述理论的基础上提出 一种高效四开关控制电路，使电路根据输入输出电压的关系合理选择工作模式， 减小开关损耗，稳压输出的同时实现高效工作。 第四章详细论述了关键电路的设计、分析和计算，其中包括电压和电流基准 电路、振荡器电路、误差放大器电路、电流限制电路及各种保护电路等，并给出 了相应的仿真结果。 第五章对电路的整体功能和指标进行仿真验证，并给出了最终的仿真波形和 各项性能指标的仿真测试结果。 最后是结束语，致谢，参考文献及研究生在读期间的研究成果。 第一二章开关电源的基本原理及系统分析 第二章开关电源的基本原理及系统分析 开关电源的基本工作原理是在输入电压变化、内部参数变化和外接负载变化 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 路开关管的导通( 或截止) 时间，使得开关电源的输出电压或电流相对稳定。合 理的控制方案，对于优化开关电源的特性有很重要的作用。本章首先介绍开关电 源的基本构成和工作原理，然后论述b u c k 型、b o o s t 型和同相四开关b u c k - b o o s t 型三种基本开关电源的工作过程，接着介绍开关电源系统的两种工作模式电 压模和电流模的特点，最后针对开关电源的功耗问题进行研究和分析。 在本章中，为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假设： ( 1 ) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间地“导通”或“截止”， 而且“导通”时压降为零，“截止”时漏电流为零； ( 2 ) 电感、电容是理想元件。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 ) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 2 1 开关电源的基本拓扑结构分析 开关电源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【3 1 。其基本架构如图2 1 所示。 开关电源控制环路有三个主要部 分：功率级变换器、脉冲宽度调制器和 v m 误差放大器。其中功率级变换器进行功 率变换，它是开关电源的核心部分，此 外还有启动电路、过流与过压保护电路、 v “ 噪声滤波器等组成部分。 图2 1 开关电源基本架构 开关稳压电源的种类很多，有三种 最基本的拓扑结构，分别是b u c k 型、b o o s t 型和b u c k b o o s t 型，此外还有s e p i c 型等等“。本节首先介绍b u c k 型和b o o s t 型的基本原理。 6 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 2 1 1b u c k 型开关电源的基本原理 b u c k 型开关电源的电路拓扑结构如图2 2 所示。 由图2 2 可以看出，b u c k 型开关稳压电源的基本电路由功率开关管q 1 、续流 二极管c r l 、储能电感l 、二次滤波电容c 、p w m 控制和驱动电路以及采样反馈 电路等组成。因为m o s f e t 晶体管开关速度较快，控制逻辑相对简单，所以开关 管q l 一般都采用m o s f e t 晶体管。 根据电感中电流的情 况，开关电源的工作模式 可以分为连续导通模式 ( c c m ) 和非连续导通模v ； 式( d c m ) 。在稳压电源 的开关管导通期间，电感 中的电流上升；在开关管 截止期间，电感电流下降。 如果在稳压电源的开关管 图2 2b u c k 型开关电源的基本拓扑结构 + v o 截止期间，电感中的电流降到零，并在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量 也为零，这种我们称开关电源工作于非连续导通模式；否则工作于连续导通模式。 下面我们对b u c k 型开关电源的两种工作模式分别进行说明和分析，以便于我们进 行系统设计。 一、连续导通模式( c c m ) 我们用表示开关管导通的时间，用新表示开关管截止的时间。t s 表示一个 开关周期。在工作过程中，当栅极控制脉冲使开关管q 1 导通后，电容c 开始充电， 加在r o 两端的输出电压v o 开始上升，在 c 充电过程中，电感l 内的电流逐渐增加， 存储的磁场能量也逐渐增加，电路结构如 图2 3 ( a ) 所示。此时，续流二极管c r l 因反向偏置而截止。经过导通时间后， 控制信号使开关管q l 截止，l 中的电流减 小，l 两端产生的感应电势使c r l 导通， l 中存储的磁场能量便通过续流二极管 c r l 传递给负载，电路结构如图2 3 ( b ) 所示。当输出电压v o 低于电容c 两端的 电压时，c 便向负载放电以维持输出电压 图2 3b u c k 型d c d c 的两种开关状态 粤皿 第一二章开艾电源的基本原理及系统分析 不变。经过关断时间f 0 盯后，脉冲控制信号又使开关导通，上述过程重复发生。 对于n m 0 s f e t 来说，当栅极加入正向信号时，管子导通且处于线性电阻区， m o s f e t 在这个区域的导通压降v d s 很小，基本可以忽略不计。当n m o s f e t 的 栅极加入反向信号时，管予截止，m 0 s f e t 的电阻又近似无穷大。当控制信号使 主开关管导通时，电感l 中的电流从最小值i 【。增大到最大值i l 。，当控制信号 使主开关管截止时，l 中的电流又从最大值减小到最小值。各节点的波形如图2 4 所示。 假设主开关具有理想的开关特 性，其导通压降可以忽略不计。那 么，在开关管导通期间， 吒= 以一圪= 三鲁( 2 - 1 ) 由此可得 ，。( + ) = 圭j 以一v o ) d , ：毕t o ( 2 - 2 ) 工 、 主开关导通状态终止，即 t = t 。时，l 中的电流到达最大值即 i l j n “，得 t 酗l t 图2 4 连续导通模式降压型各节点输出波形 t 一：兰；生乙+ i l 一( 2 - 3 ) 当主开关管截止时，l 中的电流经续流二极管c r l 向负载释放能量，忽略c r l 的正向压降，可得 vo=_ld讲&(2-4) 由此可得 虬( - ) _ 一三以出= 一知( 2 - 5 ) 主开关截止状态终止，f l p t = t d 时，l 中的电流下降到最小值即i l m m ，得 k n 一詈o “c 一( 2 - 6 ) 根据伏秒平衡原理【6 】，由式( 2 ，2 ) 和( 2 5 ) 可以得到 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 v o = 南砂等枷 ( 2 - 7 ) 式中t s 为主开关工作周期，d = - t o , 肛。为占空比。式( 2 7 ) 即为b u c k 型开关电源工作 于连续导通模式时输入电压和输出电压之间的直流关系。 由式( 2 7 ) 可知，输出电压v 。与主开关管的占空比d 成正比。由于占空比d 总 是小于l ，所以v o 总是小于v ，故常称为降压型开关稳压器。 改变占空比有几种方法：第一、保持开关周期不变，调整导通时间，称为 脉冲宽度调制；第二、保持导通时间不变，改变开关频率，称为频率调制；第 三、宽度和频率同时改变，使占空比得到改变，称为混合调制。 二、非连续导通模式( d c m ) 假设用d t s 表示开关管导通的时间，用d l t s 表示开关管关断、电感电流持续 下降直到零的时间，用d 2 t s 表示电感电流保持为零的时间，我们有d = 1 一d 1 一d ：。 非连续导通模式的工作原理分析如下：在工作过程中，当控制脉冲使开关导 通之后，电容c 开始充电，加到负载r o 两端的输出电压v o 开始上升，电感l 内 的电流从零开始逐渐增加，存储的磁场能量也从零开始逐渐增加。此时，续流二 极管c r l 因反向偏置而截止。经过导通时间d t s 以后开关截止，l 中的电流减小， l 两端产生的感应电势使c r l 导通，l 中存储的磁场能量便通过续流二极管 c r l 传递给负载。当负载电压低于电容 c 两端的电压时，c 便向负载放电。经 过关断时间d l t s 以后，电感中的电流 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c r l 因反向偏置而 截止，故电感中不会出现反向电流。在 经过d 2 t s 后，控制脉冲信号又重新使 开关导通，上述过程重复发生。各节点 波形如图2 5 所示。 根据伏秒平衡原理可得 由式( 2 9 ) 可得 t 卅一i 趼 ： f卜弋旷一阿 f ： t i - ：a 一鬟筝 f 厂7 - 1厂 iii l ；f i t s 叽屯 o 图2 5 非连续导通模式各节点电压波形 以一v o ) d t s = r o d 。五 v , d = r o + d 1 ) 堡：旦 kd + d l ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 第矗二章开关电源的基本原理及系统分析 q = 。睁) 我们知道 ，= 化一v o ) d r , 1 将式( 2 8 ) 代入式( 2 一1 2 ) 可得 = v o d 五| l 那么，输出电流可表示为 l = ( d + d l 肛三华 则 耻= 淼j 明脑+ q 2 明观三 j d l 2 + d d l 一盖= 。 从而可以解得 肚：竺：8 l ； 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 0 1 可得 ( 2 一1 1 ) 但- 1 2 ) ( 2 1 3 ) r 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) f 2 1 7 ) f 2 - i s ) 式( 2 - 1 8 ) f l p 为b u c k 型开关电源工作于非连续导通模式时输e g 压和输出电压 之间的直流关系。 连续导通模式和非连续导通模式之间临界状态的负载电流为 易= 可v o ( v , - v o ) ( 2 1 9 ) 2 i 2b o o s t 型丌关电源的基本原理 b o o s t 型开关电源也是一种非隔离式的功率级拓扑结构，它的应用非常广泛， 通常也称为升压型转换器【7 1 。当我们选择该结构时，可以获得高于输入电压的输出 电压。 舞 = 圪一k 1 0 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 图2 6 是b o o s t 型开关 电源的基本拓扑结构图，它 主要由电感l 、电容c 、开 关管q 1 和续流二极管c r l 构成。与b u c k 型开关电源 相同，b o o s t 型开关电源也 分为连续和非连续两种导通 模式，下面对其工作原理进 行简单地描述踟。 一、连续导通模式( c c m ) 图2 6b o o s t 型开关电源的基本拓扑结构图 f r ov o 同b u c k 型相同，我们用表示开关管导通的时问，用锄表示开关管截止的 时间。当开关管q 1 导通时，此时b o o s t 型拓扑结构等效电路如图2 7 ( a ) 所示。 这时电源给电感进行储能，电感上的电流增大，加在电感l 两端的电压可以表示 成： 圪：睾( 2 - 2 0 ) d t j 虬= 睾血( 2 - 2 1 ) 在导通期间，电感电流的增加量 为： 。( + ) ：车。o ( 2 2 2 ) 在这段期间，输出负载电流由输 出电容c 提供。 开关管q l 关断的拓扑结构图如 图2 7 ( b ) 所示，此时电感两端的电 压突变，二极管c r l 导通，电源经l 蟮 + 个一 v l 一厂r 、 ( b ) 图2 7b o o s t 型d c d c 的两种开关状态 和c r i 给输出电容c 充电并给负载提供电流。在此期间电感上电流下降： a a - ) = 半( 2 - 2 3 ) 其中l ( 一) 为电感的纹波电流减少量，各节点电压波形如图2 8 所示。 第二章开天电源的基本原理及系统分析 l l 并且 根据伏秒平衡原理有 都( 1 + a 任z 4 ， t 。+ 嘧= z ( 2 - 2 5 ) 肚丧专 f m + o 】： 其中t 。为开关管的工作周期。将 式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 4 ) 可得： ：k 。1 _ ” 1 一d h i 臼臼臼 t 地 t t f 2 2 7 ) 图2 8b o o s t 型连续导通模式各节点电压波形 因为d i ，由式( 2 2 7 ) 可知，输出 电压总是大于输入电压，并可以通过改变占空比d 可得到不同的输出电压。 在理想情况下电感和电容均不消耗能量，输出功率等于输入功率，可得： i o = ( 1 一d ) ( 2 2 8 ) 注意到电感仅在开关管关断期间给负载进行电流传输，又因为输出电容上的 平均电流为零，所以电感电流在开关管关断期间的平均电流等于整个周期中的输 出电流，我们可以得到电感上的平均电流与输出电流的关系式： ， l ( 删2 尚( 2 - 2 9 ) 二、非连续导通模式( d c m ) 与b u c k 型开关电源相似，下面我们对非连续导通模式进行分析，与连续导通 模式不同的是，电感电流会下降到零且保持一定的时间。同样，假设用d t s 表示 开关管导通的时间，用d l t s 表示开关管关断、电感电流持续下降直到零的时间， 用d 2 t s 表示电感电流保持为零的时间，我们有d = l d l d 2 。 开关管导通时电感电流的增量为： v ( + ) = d = ，。 ( 2 3 0 ) 从式( 2 3 0 ) 我们可以看到，电感电流的增量等于电感峰值电流。这是因为每个 周期电感电流都是从零丌始。 在开关管关断期问，电感电流将减少至零。 1 2 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 叫，( - ) ：譬当d 1 正( 2 - 3 1 ) 与连续导通模式相同，根据伏 秒平衡原理。我们可以得到： v o ：一。生鱼 f o h 蝴等( 2 - 3 2 ) 电路中各节点波形如图2 9 所 示。 b 么幽： 囱：5 i l 随磕 图2 9b o o s t 型非连续导通模式下的各节点输出波形 2 2 典型四开关稳压电源的工作原理 便携式设备在使用过程中，电池电压是有一个变化的范围。例如对于2 5 v 5 5 v 输入电压的单节锂离子电池，我们可能要求3 3 v 的稳定输出电压。因此在输 入电压高于低于或等于输出电压的情况下，电源管理产品要能够高效率的工 作，就要求使用一个输出电压与输入电压同相的，具备升降压功能的电压转换器。 可实现上述功能的转换器有多种电路拓扑结构可选：( 1 ) b o o s t 型开关稳压电源后 级联b u c k 型开关稳压电源；( 2 ) 四开关b u c k b o o s t 型开关稳压电源；( 3 ) b o o s t 型开关稳压电源后级联线性稳压器( l d o ) ；( 4 ) s e p i c 型转换器一j 。 对于b o o s t 型稳压电源级联b u c k 型稳压电源和b o o s t 型稳压电源级联线性稳 压器的结构，尽管它们都可以提供高于或低于输入电压的稳定输出，但二者都包 含了两个开关稳压电源，都会消耗两倍于单开关电源的功耗，效率比较低，可以 提供的负载电流也较小，特别是后一种级联线性稳压器的结构效率更低。另外， 这两种结构都含有较多的外部元件，和两套补偿网络，这进一步增加了系统的成 本。s e p i c 转换器也是一种常用的方法，但它并不能提供较高的效率，而且使用 了两个电感和两个电容，电路结构复杂，使用的外部器件较多。显然，它的功耗 也比较大。 本文所设计的升降压芯片x d 6 9 1 5 采用了同相四开关b u c k b o o s t 型开关稳压 电源的结构，使用的外部器件只包含一个电感l ，一个输出电容c ，结构简单，有 效地减少了系统成本。 第一二章开关电源的基本原理及系统分析 1 3 一、同相四丌关型b u c k b o o s t 型开关电源的线路组成】 如图2 1 0 ( a ) 所示为在b u c k 型转换器后串接一个b o o s t 型转换器的线路。此 电路可以逐步简化成同相四开关b u c k b o o s t 型转换器，如图2 1 0 ( b ) 、( c ) 所示。 v 盛s1瑚l1 l 2 c r 2 + 、 k r二盥鑫翔 ( b )( c ) 图2 1 0 同相b u c k b o o s t 型开关稳压电源电路 假设在图2 1 0 ( a ) 中，s 1 及s 2 是同步的，并有相同的占空比。则s l 、s 2 、 c r l 、c r 2 的功能可以用等效的双刀双掷开关来表示，如图2 1 0 ( b ) 所示。注意， 在该图中已将l 1 和l 2 合并，并删去了电容c 1 。因为b u c k 型的滤波输出电容， 严格地说，不是一定要的。由于b u c k 型的电感器，可以做成任意大，以满足在没 有附加电容滤波器的情况下，减少负载电流纹波幅值。只是在实际中，加一个输 出滤波电容来使电感器减少一些。但是后面接的b o o s t 型开关稳压电源不管它的电 感做得如何的大，输出电流总是脉动的，所以输出电容c 2 不能去除。由于l 2 、 c 2 构成了一个第二级的低通滤波器，所以第一级滤波电感l l 中的纹波不会很大， 可以去除c l 。用开关管a 、b 、c 、d 代替双掷开关s l 和s 2 ，得到图2 1 0 ( c ) 所示的实际中使用的同相四开关b u c k b o o s t 型开关稳压电源电路。 二、同相四开关b u c k b o o s t 型开关电源的系统工作原理 如图2 1 1 所示的为b u c k b o o s t 型开关稳压电源的工作过程示意图。 ( a ) + 、 ? + 、 rv t j 图2 1 1 同相b u c k b o o s t 型开关稳压电源1 = 作过程示意图 当开关a 、c 导通，b 、d 截止时，等效电路如图2 1 l ( a ) 所示，电流i 矾流 过电感线圈l ，l 存储能量。当开关a ，c 截止，b 、d 导通时，等效电路如图2 1 1 1 4 人电流微功耗同步开关电源的研究与实现 ( b ) 所示，i l 开始下降，电感线圈产生反向的自感电势，为左负右正，输出电压 v o 。t 开始上升，电容c 充电储能，以备和电感断开连接时放电维持v o u t 不变。 由于负载上的v o u t 电压极性和输入电压v i n 的极性相同，故称为同相开关稳 压电源。线路中电流i - w 是脉动的，但通 过滤波电容c 的作用，i o 应该是连续的。 l 与b u c k 型和b o o s t 型相似，按i l 的电流在周期开始时是否从0 开始， b u c k - b o o s t 型开关稳压电源同样可以分 h 为连续导通( c c m ) 模式和非连续导通 ( d c m ) 模式，相应的电感电流波形如 图2 1 2 ( a ) 、( b ) 所示。下面分别就c c m 和d c m 两种模式分别进行讨论【12 1 。 1 c c m 工作模式 图2 1 2 四开关模式电感电流波形 当开关a 、c 导通，b 、d 断开时，如图2 1 1 ( a ) 所示，此期间电感上压降 为v 聃且电感电流线性增加。把这段时间设为，占空比d 1 = ( “功 1 ，t 。为开 关周期，根据前述得： = g x d 4 ，l ：，a u r l = 睾础j 虬“) 寺。( 2 - 3 3 ) 当开关a 、c 断开，b 、d 导通时，如图2 1 1 ( b ) 所示，电感l 中的电流减 少，产生的感应电动势为左负右正。由于电感上的电流不能突变，则l 中的电流 通路是从电感l 流出，流过输出电容c 和负载电阻，最后到地，此期间电感l 上 的压降为v o t r r 且电感电流逐渐减小。把这段时间设为锄，d 2 = l - - d 1 = ( 协t s ) 1 2 时) ，低于( 当0 d 1 1 2 时) 或等于( 当d l = 1 ，2 时) 输入电压。 由于只有在哳时刻，电感才向负载传输电流，因此整个开关周期的电感电流 平均值并不等于输出电流。输出电流仅和此时l 上电流平均值相等，由此可得 l ( 恤) 誓= 1 l ( ) ( 1 一d 1 ) = l ( 2 3 6 ) 第二章开关电源的基本原理及系统分析 1 5 从式( 2 3 6 ) 可以看出电感电流平均值和输出电流成比例，该比例同样可通过改 变占空比柬调节。同时还可看出电感电流变化量，的最大值和最小值由于和电感 电流平均值变化趋势一致，因此也会随1 0 变化而变化。 2 d c m 工作模式 如果负载电流i o 减少，根据式( 2 3 6 ) 可得出电感平均电流i l 。a v g ，也会减少，同 样，。的最大值和最小值也会减少。着负载电流i 。减少到一个临界值i o 。，以下， 则电感电流有可能在开关周期的某个时间减少到零，并在该时间点直到下一个开 关周期开始前的这段时间内继续保持为零，使得电感电流变得不连续。 由图2 1 2 ( b ) 重新定义占空比关系：t o 。= d t s ，其中d 为开关导通期问的占 空比；t o f f = d t t s ；那么i l 值为零的时间为t s t o n - t o f f - 一d 2 t s 。和前面推导连续模式 下的v i n 和v o u t 的关系过程一样，开关a 、c 导通，b 、d 断开时的电感电流变化 量为： 虬( + ) ：争x t o n = 阜。d b ：k ( 2 - 3 7 ) 从式( 2 3 7 ) 中我们可以看到，电感电流的增量等于电感峰值电流。这是因为每 个周期电感电流都从零开始。开关a 、c 断开、b 、d 导通的电感电流变化量为： 虬( _ ) ：竿o ：鼍 d 1 瓦( 2 - 3 s ) 根据伏秒平衡原理，t “) = a 。( - ) ，联立式( 2 3 7 ) 和( 2 3 8 ) 可得： 。= ( 2 - 3 9 ) 输出负载电流为 等小纠等嘲 c z 删 把式( 2 3 7 ) 代入到式( 2 4 0 ) 中可得： 等= 厶= i i 巴( 争峨) 蝴 _ 学 可得输入电压v 删和输出电压v o 的关系为： ：。了d x d j ( 2 - 4 2 ) 其中足= 云豢，由式( 2 - 4 2 ) 可以看出，在d c m 模式下，输出电压的确定和 输入电压v 肼、占空比d 、电感l 、输出负载r 和开关周期t s 都有关系。 1 6 大电流微功耗同步开关电源的研究与实现 2 3 系统控制模式的选择 p w m 模式的闭环反馈控制方式有电压模控制、峰值电流模控制和平均电流模 控制等多种模式【”】。各种闭环反馈控制方式各有优缺点，广泛应用在不同场合要 求的开关电源中。本节将以b u c k 型开关电源为例，对电压模和峰值电流模控制方 式进行简单描述，以便对设计系统进行合理的选择。 一、电压模控制方式 电压模控制是2 0 世纪6 0 年代后期开关电源刚刚开始发展就采用的一种控制方 法，该方法与一些必要的过流保护电路相结合，至今仍在工业界广泛应用。图2 1 3 为b u c k 型电压模控制原理框图。 电压模控制只有一个电压反馈环，采用脉冲宽度调制法，将误差放大器采样 放大的慢变化直流信号与恒定频率的三角波上斜坡信号相比较，通过脉冲宽度调 制原理，得到所需的脉冲宽度。如图2 1 4 所示，每个周期由振荡器触发逻辑控制电 路，打开开关管q l ，让电感储能；o s c 提供的斜坡信号随时间上升，当斜坡信号 大于误差放大器的输出端时，输出关断信号， 关断开关管，这样实现了脉宽调制。 在电压模控制中，输出电压被采样然后 反馈到调制器来控制功率级的占空比，它是 一个单环系统，比较容易受到两种外部干扰。 一是输出电压，当负载或其他干扰使得输出 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。因为主电路有较大的 输出电容c 及电感l 的相移延时作用，输出电 压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息 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 l l 较器将脉宽展宽。因此 当输入信号发生变化时，系统响应非常的慢 【1 4 】。 。v s c c , ii ，i 沁1 r 刚1hi i r 电压模控制方式的优点有以下几点： ( 1 ) 单一反馈电压闭环设计、调试比较容易； ( 2 ) 占空比调节可以不受限制： ( 3 ) p w m 三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的噪声裕量； 第二章开关电源的基本原理及系统分析 1 7 ( 4 ) 对于多路输出型转换器，它们之间的交互调节效应较好； ( 5 ) 对输出负载的变化有较好的响应调节。 电压模式控制方式的缺点有： ( 1 ) 对输入电压的变化动态响应较慢； ( 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 将主极点降低，或者增加一个零点进行补偿。 加快电压模式瞬态响应速度的方法有两种，一是增加电压误差放大器的带宽， 保证具有一定的高频增益；另一种方法是采用电压前馈模式控制p w m 技术。 二、电流模控制方式叫1 电流模式控制的概念源于2 0 世纪6 0 年代后期具有原边电流保护功能的单端自 激式反激开关电源。直n 8 0 年代初期，第一批电流模式控制p w m 集成电路的出现， 才使得电流模式控制迅速推广，并主要用于单端及推挽电路。电流模控制主要分 为峰值电流模控制、平均电流模控制和滞环电流模控制。本文重点介绍峰值电流 模控制方式。 如图2 1 5 所示为峰值电流模控制系统原 理图，这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传 v 感，且在逻辑上与平均电感电流大小变化相 一致。输出电压的分压信号v f 。与基准信号 v r e v 的差值经过误差放大器( 队)