（电路与系统专业论文）模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究.pdf

摘要 i i l l lie iilli i ii i t i ii ii l li i i i i f y 19 9 6 3 4 0 随着集成电路制造工艺的迅速发展，集成稳压器的发展也随之加快。由于集 成稳压器可简化电源电路，提高产品性能，因此获得了广泛的应用。特别是伴随 着半导体终端产品朝着轻便小巧、数字化和多功能的趋势发展，集成稳压器的地 位越来越重要。 本论文的设计工作来源于x 单位委托的科研项目“电源管理类集成电路 关键技术理论研究与设计”，文中详细介绍了双极( b i p o l a r ) 工艺降压型丌关稳压 器芯片x d c l 5 1 3 的设计过程，包括心- 0 4 = 片指标的制定、特性的分析计算、系统功能 的电路实现及仿真验证。该芯片具备降压型丌关稳压器的各项动态功能，可以提 供3 a 的输出驱动电流：采用内置频率补偿电路和固定频率振荡器，只需要数量很 少的外围器件就可以工作；工作频率为1 5 0 k h z ，与其它低频丌关稳压器相比，该 芯片所需滤波器件的尺寸较小；具有外部关断功能，典型待机静念电流为8 0 1 x a ： 具有自我保护功能，对于输出丌关有两级降频限流功能，对于芯片有过温关断功 能。 芯片的设计采用e p i s i l5 1 x m4 0 vb j t 工艺，利用w o r k v i e w 、h s p i c e 等e d a 软件，对芯片在不同电压、温度条件下进行了f i 仿真验证，结果表明：实现了预 期的功能，在指定输入电压和输出负载条件下可确保输出电胍摆幅为士4 ，振荡 器频率摆幅为士1 5 。 关键词：模拟集成电路开关稳压器线性稳压器内部频率补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t sf a b r i c a t i n gt e c h n o l o g i e s ， i n t e g r a t e dv o l t a g er e g u l a t o r se x p a n dv e r ys p e e d i l ya st h e yc a ns i m p l i f yt h ep o w e r s u p p l yc i r c u i t sa n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t s ，i n t e g r a t e dv o l t a g e r e g u l a t o r sa r ew i d e l yu s e d e s p e c i a l l ya l o n gw i t ht h et r e n do fd e v e l o p i n gs m a l l e r , d i g i t i z e da n dm u l t i f u n c t i o n a ls e m i c o n d u c t o rp r o d u c t s ，t h es t a t u so fi n t e g r a t e dv o l t a g e r e g u l a t o r si sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ep r o je 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 fk e yt e c h n i q u e f o rp o w e rm a n a g e m e n ti c ”ab i p o l a rb u c ks w i t c h i n gv o l t a g er e g u l a t o ri c ，n a m e d x d c1513 ，i sd e s c r i b e dd e t a i l e d l y ，i n c l u d i n gd e f i n i t i o no ft h ei cs p e c i f i c a t i o n ，f u r t h e r a n a l y s i so f t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i m p l e m e n to 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 n o ft h ew h o l ec h i p p o s s e s s i n ga l ld y n a m i cf u n c t i o n so fab u c ks w i t c h i n gv o l t a g e r e g u l a t o r , t h i sc h i ph a st h ea b i l i t yt op r o v i d e3 ao u t p u td r i v i n gc u r r e n t a d o p t i n ga n i n t e r n a lf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nc i r c u i ta n daf i x e d f r e q u e n c yo s c i l l a t o r , i tn e e d sf e w e x t e r n a lc o m p o n e n t st ow o r kp r o p e r l y o p e r a t i n ga tas w i t c h i n gf r e q u e n c yo f15 0k h z ， i ta l l o w ss m a l l e rs i z e df i l t e rc o m p o n e n t st h a nw h a tw o u l db en e e d e dw i t hl o w e r f r e q u e n c ys w i t c h i n gv o l t a g er e g u l a t o r s i th a st h ef u n c t i o no fe x t e r n a ls h u t d o w na n d f e a t u r e st y p i c a l l y8 0 1 x as t a n d b yc u r r e n t i th a ss e l f - p r o t e c t i o nf e a t u r e s ，i n c l u d i n gat w o s t a g ef r e q u e n c y r e d u c i n gc u r r e n tl i m i t f o ro u t p u ts w i t c ha n da no v e rt e m p e r a t u r e s h u t d o w nf o rc o m p l e t ep r o t e c t i o nu n d e rf a u l tc o n d i t i o n s x d c1513i san o v e la n a l o gi cb a s e do nt h ee p i s i l5 p m4 0 vb j tp r o c e s s a l l s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e du n d e rv a r i o u s s u p p l y v o l t a g e s a n d o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e sb yu s i n gt h ee d as o f t w a r e ，s u c ha sw o r k v i e wa n dh s p i c e t h er e s u l t so f s i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ef u n c t i o no fx d c 1513i se x c e l l e n ta n dag u a r a n t e e d 士4 t o l e r a n c eo no u t p u tv o l t a g eu n d e rs p e c i f i e di n p u tv o l t a g ea n do u t p u tl o a dc o n d i t i o n s ， a n d 士l5 o nt h eo s c i l l a t o rf r e q u e n c y k e y w o r d ：a n a l o gi cs w i t c h i n gv o l t a g er e g u l a t o r l i n e a rv o l t a g er e g u l a t o r f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n 绪论 绪论 随着电子技术的高速发展，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，电子设备与人们的工作、生活的关系同益密切。集成稳压器是各 种电子设备中不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指 标。近十多年，随着集成电路制造工艺的迅速发展，集成稳压器的发展也随之加 快。由于集成稳压器可简化电源电路，提高产品性能，因此获得了广泛的使用。 特别是随着半导体终端产品朝着轻便小巧、数字化和多功能化的趋势发展，集成 稳压器的地位越来越重要。 传统的串联调整式稳压器是连续控制的线性稳压器( l i n e a rv o l t a g e r e g u l a t o r ) 。这种传统的稳压技术比较成熟，具有稳定性能好，输出纹波电压小， 线性调整率和负载调整率极好，使用可靠等优点，多用在对电源稳定度要求较高 的精密测量仪器中。但由于其调整管工作在线性放大状态，为保证输出电压稳定， 调整管两端必须承受一定的压差，因此导致线性稳压器功耗较大，效率较低，一 般只有4 0 - - 5 0 。另外，由于调整管上会消耗较大的功率，所以需要采用大功率 的晶体管并需要在芯片外装有体积很大的散热器，不利于集成，限制了它的应用 范围。线性稳压器中使用最广泛的是l d o ( l o wd r o p o u t ，低压差) 稳压器，其 输入一输出电压差可低于o 5 v ，具有成本低，噪音小，静念电流小等优点。 随着集成稳压技术的发展，丌关稳压器因具有体积小，重量轻、效率高、发 热量低、性能稳定等优点而得到快速发展。丌关稳压器( s w i t c h i n gv o l t a g e r e g u l a t o r ) 的调整管工作在高频丌关状念，通过控制其丌关状态的占空比来调整 输出电压。以功率晶体管为例，当丌关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压 降很低，接近于零；当丌关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率 可高达7 0 9 0 0 ，比传统的线性稳压器提高了近一倍。由于丌关管功耗小，所需 散热器的尺寸也随之减小；另一方面，由于丌关稳压器的工作频率一般都高于几 十千赫兹，故所需的滤波电容器、电感器的数值和尺寸都较小。目前，丌关稳压 器多用在要求电源供电电压低、电流大的电子产品中，且因其高效、高功率密度 等特性，其市场需求量逐渐增加。 目前已有几百种集成稳压器。按电路工作方式分，有线性稳压器和开关稳压 器：按电路结构形式分，有单片集成稳压器和组合集成稳压器；按管脚连接方式 分，有三端式集成稳压器和多端式集成稳压器：按制造工艺分，有半导体集成稳 压器、薄膜混合集成稳压器和厚膜混合集成稳压器；按输出电压类型分，有固定 式集成稳压器和可调式集成稳压器。 在未来几年，集成稳压技术的发展重点依然是丌关稳压技术的发展，可以概 括为以下四个方面： 2 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 第一，小型化、轻便化、高频化发展。开关稳压器的体积、重量主要是由储 能元件决定的，因此丌关稳压器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，提高丌关频率，不仅能有效地减小电容、电感的尺寸，而 且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。 第二，提高可靠性。要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成 度，增加电路的保护功能，提高平均无故障时问，并简化电路。 第三，降低噪声。单纯追求高频化，会引起很大的噪声，因此，尽可能降低 噪声影响是丌关稳压器的又一发展方向。 第四，丌发新型半导体器件。集成稳压器的发展从来都是与半导体器件的发 展相关联的。高频化开关稳压器的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良 的高频电磁元件。发展功率m o s f e t 、i g b t 等新型高速器件，开发用于高频领 域的低损耗磁性材料，改进电磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容的介电常 数及降低其等效串联电阻( e q u i v a l e n ts e r i a lr e s i s t a n c e ，e s r ) 等，对于丌关稳压 器的小型化始终起着巨大的推动作用。 本论文来源于单位委托的科研项目“电源管理类集成电路关键技术理 论研究与设计”，主要研究了模拟电路中降压型开关稳压器电路的设计与实现。论 文的主要工作可归纳如下： 1 ) 研究了线性稳压器和丌关稳压器的工作原理及设计理论，并结合科研需要 重点研究了丌关稳压器的系统结构及实现方法； 2 ) 研究了丌关稳压器的工作模式、控制方式和控制模式，环路稳定性理论及 频率补偿的方法： 3 ) 在上述理论的基础上设计了一款降压型集成丌关稳压器x d c l 5 1 3 ： 4 ) 设计了外部关断电路，可降低芯片在待机状态下的功耗，节约能源： 5 ) 设计了内部频率补偿电路，减少了外围器件，进而节省了p c b 面积； 6 ) 设计了限流保护电路，在限流的同时还可降低内部振荡器的频率，保护调 整管： 7 ) 前期工作中，曾参加了“c m o sl d o 关键技术理论研究与设计”科研项 目，本文第二章第四节内容中有关频率补偿网络的设计理论与之相关： 8 ) 结合e p i s i l 公司5 肛m4 0 vb j t 工艺，利用w o r k v i e w 和h s p i c e 等e d a 软件，对所设计的芯片x d c l 5 1 3 进行了模拟仿真。 论文全文共分为四章。第一章全面系统的介绍了有关丌关稳压器的相关理论 及设计考虑。第二章以第一章的理论为指导，提出了具体的设计要求，针对设计 要求对降压型丌关稳压器的设计进行了分析。第三章提出具体的设计思想，对各 个模块电路的设计进行了详细的分析、计算及仿真验证。第四章根据前期所参加 的科研项目“c m o sl d o 关键技术理论研究与设计”，提出了l d o 稳压器的设计 绪论 考虑，以进一步比较线性稳压器和开关稳压器的异同。 4 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 第一章开关稳压器概述 本章首先重点介绍开关稳压器的工作原理，包括开关稳压器的基本原理、分 类、工作模式、控制方式和控制模式，然后介绍其主要的元器件和关键技术指标。 1 1 开关稳压器工作原理 1 1 1 开关稳压器的基本原理 按照电力电子的习惯称谓，a c - - d c 称为整流，d c a c 称为逆变，a c a c 称为交流一交流变换，d c d c 称为直流一直流变换，因此，广义地说，凡 是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种电源形态的主电路 都称之为丌关稳压器。由于目前使用最广泛的开关稳压器主要完成的是d c - - d c 变换，故在本文中所指的开关稳压器均为直流开关稳压器。 把一种直流电压变换为另一种直流电压最简单的方法是在电路中串联一个 电阻，这种方法不涉及变频问题，很简单，但是效率很低。开关稳压器是对输出 电压变化进行采样，经过变换产生脉冲信号，去控制与负载串联或并联的功率开 关管的导通或截止时间，利用电感、电容等储能元件，将脉冲电流转换为负载中 连续稳定的电流，以达到稳定输出电压的目的。图1 1 为丌关稳压器的结构框图。 图1 1 开关稳压器结构框图 在线性稳压器中，其调整管是将输入电压源的能量连续地传递给负载，而开 关稳压器是从输入电压源不连续地获得能量，利用电感中的磁场或电容中的电场 暂时存储能量，然后将其传递给负载。开关稳压器的开关管截止时，两端的压降 虽然很大，但流过的电流几乎为零：导通时，流过的电流虽然很大，但两端的压 降很小，故其功耗很小，大大提高了系统的功率转换效率。 1 1 2 开关稳压器的分类 第一章开关稳乐器概述 丌关稳压器主要分为两大类：基本的丌关稳压器和隔离式的丌关稳压器。基 本的开关稳压器只完成电压转换，电路工作时，输入电压源与输出负载有公共的 电流通路；隔离式的开关稳压器除了完成电压转换功能外，还使用了变压器对输 入输出电压进行隔离，通过变压器来实现能量的传输。每一种结构都有其各自的 优缺点，需根据系统的要求进行正确的选择。基本的丌关稳压器，根据功率丌关 管和储能元件的不同拓扑结构，又可分为降压( b u c k ) 型，升压( b o o s t ) 型，升 压一降压( b u c k - - b o o s t ) 型和降压一升压( c u k ) 型四类，其基本结构分别如图 1 2 所示。 ( a ) b u c k e t 开关稳压嚣 ( b ) b o o s t 塑开关稳压器 ( c ) h i c l - b 8 t 塑开关稳压器 ( d ) c i i 】型开关稳压器 幽1 2 基本开关稳乐器结构幽 1 1 3 开关稳压器的工作模式 根据丌关周期内丌关电流的状态，丌关稳压器的工作方式可分为连续导通模 式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ) 和不连续导通模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e ) 两种。这两种导通模式下的丌关电流波形分别如图1 3 ( a ) 、( b ) 所示， 其中厶称为纹波电流，p 称为峰值电流，设他们的比值为k r e ，称为比例系数， 即 ， k 即= 等 ( 1 1 ) 若已知厶、k r p 和控制丌关的脉冲信号的最大占空比4 懈， 有效值坛榔为 l 旷lpd , l l a x ( k 2 1 k x e + 1 。) 其产生的功耗为： 只，= ，纛r 则可求出丌关电流的 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 6 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 由图1 3 ( a ) 可知，在连续导通模式下。开关电流是从一定幅度开始的，然 后上升到峰值，再迅速降到零，其局彬l 。这表 明，在连续导通模式下，存储在电感中的能量在 每个开关周期内并未全部释放掉，所以下一周期 开始时，开关具有一个初始能量。由式( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 可知，采用连续导通模式，可以减小开关电流的 有效电流值，降低芯片功耗。但是连续导通模式 下所需电感量较大，这会使得开关稳压器的体积 增大。因此，连续导通模式适用于输出功率较小 的开关稳压器。 不连续导通模式下的开关电流是从零丌始 上升到峰值，再降至零的，其踟= l ，见图1 3 ( b ) 所示。这意味着存储在电感中的能量必须在 每个丌关周期内完全释放掉，其丌关电流的波形 a ，连续导遥援式 ( b ) 不连续镣运模式 图1 3 两种导通模式下的开关 电流波形 呈三角形。由式( 1 2 ) 知，不连续导通模式下的i r m s 值较大，但其所需的电感量 较小，适用于输出功率较大的开关稳压器。 目前大多数开关稳压器设计工作在连续导通模式下。 1 1 4 丌关稳压器的控制方式【i 】 开关稳压器的控制方式大致有以下三种： 1 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 。其 特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因为开关周期是固定的， 这就为设计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制， 对输出电压不能作宽范围的调节；另外，输出端不能悬空，空载时输出电压会升 高。目前开关稳压器大多采用p w m 控制方式。 2 脉冲频率调制方式，简称脉频调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 。 它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比。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，并利用电压一频率转换器改变 频率，例如压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ，v c o ) 。p f m 的稳压原理是， 当输出电压v o t r r 升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空 比减小，v o t r r 降低；当输出电压v o t r r 降低时，控制器输出信号的脉冲宽度不变 而周期变短，使占空比增大，v o u t 升高。p f m 开关稳压器的输出电压调节范围 很宽，输出端可悬空。 p w m 控制方式和p f m 控制方式的调制波形分别如图1 4 ( a ) 、( b ) 所示， 第一章开天稳乐器概述 7 其中t p 表示脉冲宽度( 即功率丌关管的导通时问t o 。) ，t 代表周期。从图中很容 易看出两种控制方式的区别：当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别 通过增加脉宽、增大频率的方法，使输 出电压保持稳定。但二者也有共同之 处：均采用时间比率控制( t i m er a t e c o n t r o l ，t r c ) 的稳压原理，无论改变 t d 还是t ，最终调节的都是脉冲的占空 比。 3 混合调制方式，是指脉冲宽度 和丌关频率均不固定，两者都能改变的 方式，它属于p w m 和p f m 的混合控 制方式。由于t o 和t 均可单独调节， 因此其占空比调节范围最宽，适合制作 供实验室使用的输出电压可以宽范围 调节的丌关稳压器。 1 1 5 丌关稳压器的控制模式1 2 】 栅m p 叫h 上芒f ( b ) p f h j $ 式 图i 4 两种控制方式的调制波彤 根据反馈回路和稳压特性的不同，丌关稳压器有电压型和电流型两种控制模 式。由于目前所生产的丌关稳压器大多采用p w m 方式进行控制，少数采用p f m 或混合调制方式，故下面主要针对p w m 开关稳压器进行介绍。 。 1 电压型p w m 控制 典型的电压型p w m 控制电路如图1 5 所示。电压型控制模式只对输出电压 的变化量进行采样，采样电压为v f b ，送至误差放大器e a 中与基准电压信号v m r 进行比较后，再与锯齿波v 姗p 相比较，产生占空比可调的脉冲信号，从而控制 开关管s l 的导通或关 断，整个系统只有一个 控制坏路，不需要检测 开关管或电感上的电 流，若检测，也只是检 测最大限流，对电路进 行短路保护。 2 电流型p w m 控制 幽1 5 电压裂p w m 控制电路 典型的电流型p w m 控制电路如图1 6 所示。电流型控制模式中有两个控制 环路，电流控制通过内部环路实现，电压控制通过外部环路实现，不仅对输出电 罂 型。 8 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 压的变化量进行采样也对输出 电流的变化量进行采样。其中 的窄脉冲信号为振荡器产生的 同步脉冲，频率等于丌关频率 石，它使l a t c h 输出高电平，确 保下一个周期的丌始。风为电 流检测电阻，开关电流i s 流过 它产生电压v s ，与误差放大器 的输出v c 作比较。 幽1 6 电流璀p w m 控制电路 电流型控制模式中又可分为峰值电流控制模式，平均电流控制模式，滞环电 流控制模式等，限于篇幅这罩不再详述。 1 2 开关稳压器的主要元器件【3 1 丌关稳压器中除控制单元外，其主要元器件为功率开关管、电感和电容，下 面分别介绍。 1 功率开关管 功率丌关管只能处于快速导通和快速关断这两种状态，并且必须快速地进行 转换，只有使开关管快速地渡过线性放大工作区，其状态转换引起的损耗才会小。 目前使用的功率丌关管大多是双极型晶体管和功率场效应管，逐渐普及的有i g b t ( 绝缘栅晶体管) 和各种特性较好的新式的大功率丌关元件。 2 电感 电感因其电流、电压相位相差9 0 。，故理论功率损耗为零，在电路中作为储 能元件，同时，有平滑电流的作用。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性 ， 换句话 兑，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须为连续的，否则会产生很大的 电压尖峰。 电感具有以下几个特性： 1 ( 1 ) 在电感l 中有电流，流过时，存储去，2 l 的能量： 么 ( 2 ) 当电感l 两端的电压v 为不变时，根据公式v ：等可知，忽略电感 a l 内阻时，电感电流变化率为孚：v l ： 讲 ( 3 ) 电感l 两端电压v 变化时其电流变化率也跟随变化：电压增大， 使电流线性上升：电压减小，使电流线性下降。 第一章开天稳压器概述 9 3 电容 电容与电感一样，也是存储能量和传递能量的元件，但其频率特性与r 乜感, t - 1 i 反。电容具有平滑电压的作用，可吸收r 乜瓜纹波。电容器山于有介质、接点硐1 0 i 出线，故存在等效串联电阻( e s r ) 和等效串联电感( e s l ) 。其等效串联i 乜附【4 ： 开关稳压器中的小信号反馈控制和输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的f l - - j l j ， 它是引起环路不稳定的主要因素。电容的等效串联电感对电容的滤波作j t i 有很人 影响，有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个寄生的等效串联i 乜 感的副作用。 常见铝电解电容的电解质的成分为a l 2 0 3 ，其导电率约为窄气的八倍。i u 解液受温度影响，温度下降， 乜容的等效串联i l = 1 1 5 且增大，导致i u 弈席命减姚。这 是铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点， 将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形 成固体式电解电容，即“钽电容”。目前还有 采用有机半导体代替电解液的方法，形成的 也是固体式电解电容，称为“o s 电容”。“o s 电容”的等效串联电阻很小，1 d 受温度变化 影响较小。图1 7 给出了几种电容的等效串联 电阻阻值及其受温度影响的曲线，以供参考。 电容器的选择，除了考虑有效值外还需 要考虑纹波电压和耐压的要求。 1 3 开关稳压器的技术指标1 4 1 l i 、 、馏电解毫靠 - 、 触电謇 、s 、 、 j i ：强 憾 靠 、 n 芒芝 第一2 50 髟i 重1 o 幽i 7f t 利i l 【l 窬e s r 比较 1 稳压系数 稳压系数有绝对稳压系数和耷i j 对稳压系数历种。绝对稳j l i 系数址指负载一i 变 时，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比，即 k ：坐( i - 4 ) a u 它表示输入电避的变化埘输出l 乜从的影1 1 匈彳r 多人。所以，绝埘稳瓜系数k 越小越 好，k 越小说明输出电压越稳定。 相对稳压系数是指负载不变时，输出电j 1 三的相对变化量i 二j 输入f 乜爪的相i 对变 化量之比，即 趾器 5 ， u ， u ； 。 般情况下，如不特殊说明，稳雎系数通常指相对稳压系数s ，1 酊不足绝对 i o 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 稳压系数k 。 2 输出电阻 输出电阻，也称内阻或等效内阻，表示在输入电压不变时，输出电压变化量 与输出负载电流变化量之比，即 疋= 幽 ( 1 - 6 ) 3 纹波电压 ( 1 ) 最大纹波电压 在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波( 包括噪声) 的绝对值的大 小，通常以其峰峰值或有效值表示。 ( 2 ) 纹波系数 在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值珥脚与输出直流电压以之比， 称为纹波系数，即 r ， y = 1 0 0 ( 1 7 ) u o ( 3 ) 纹波电压抑制比 一 纹波电压抑制比是指在规定的纹波频率下，输入电压中的纹波电压与输出电 压中的纹波电压之比，即 ， 纹波电压抑制比= ( 1 8 ) u o 4 温度漂移和温度系数 环境温度的变化影响元器件参数的变化，从而引起稳压器输出电压的变化， 称为温度漂移。常用温度系数表示温度漂移的大小。温度每变化l 引起输出电 压值的变化，称为绝对温度系数，单位是v c 或m w c 。温度每变化l 引起的 输出电压相对变化，称为相对温度系数，单位是吲。 5 漂移 稳压器在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，元件参数的不 稳定也会造成输出电压的变化，慢变化称为漂移，快变化称为噪声，介于二者之 间称为起伏。在一般情况下，只要考虑漂移就可以了。 表示漂移的方法有两种。一种是用在指定时间内输出电压值的变化来表示， 另一种是用在指定时间内输出电压的相对变化来表示。 6 响应时间 稳压器的响应时间是指在负载电流突然变化时，稳压器的输出电压从开始变 化到达到新的稳定值之间的调整时间。响应时间应越小越好。 第一二章x d c l 5 1 3 设计原理 第二章x d c l 5 1 3 设计原理 本章首先根据实际需要提出设计要求，针对设计要求确定 x d c l 5 1 3 的控制 模式和工作模式，并对相关理论知识进行了具体介绍，最后讨论了主要冗器件和 工艺的选择。 2 1 x d c l 51 3 的设计要求 1 应用范围 要求所设计的芯片适用于高频降压变换器、单片丌关电n i 调节器以及证负f 乜 压变换器。 2 主要性能指标 输入电压范围：4 5 v 一, 4 0 v 输出电压范围：1 2 v 3 7 v 士4 输出负载电流范围：0 2 a - - 3 a 最大负载电流条件下的效率：7 3 丌关频率：1 5 0 k h z 左右 工作温度范围：4 0 1 2 5 根据上述要求，本文针对降压型丌关稳压器进行了设计，采用电压型p w m 控制模式和连续导通工作模式，所设计芯片代号为x d c l 5 1 3 。下面首先介绍降瓜 型丌关稳压器的工作原理，包括基本原理和稳念分析，然后对其进行建模和稳定 性分析，接着讨论其主要元件的选择，最后讨论工艺的选取。 2 2降压型开关稳压器的工作原理1 3 5 i 降压型丌关稳压器，也称b u c k 稳压器或s t e p d o w n 稳脏器其丛奉结构如l 矧 2 1 所示，由功率丌关s l 、续流二极管d l 、输出电感l 1 、输出电容c l 组成，r i 为负载电阻。电路完成将直流电压v l n 转换为直流电压v o u t 的助能，v 【) u r 小j ： v i n 。 2 1 1 基本工作原理 功率开关s i 闭合时，如图2 2 ( a ) 恤 所示，输入电压源提供电流i s l ，电感 电流i l l 以近似等于( 一圪川，) l 1 的 斜率线性增加，此时，电感电流流入负 载r l 和输出电容c l ，电容处于充电的状念， 幽2 ib u c k 稳压器结构l 矧 二极管d 1 承受反向 e l k ，饯 1 2 模拟电路中降压型开关稳压器的设计与研究 止状态。当输出电压v o u - r 超过所设定的最大电压值时，s l 打开没有电流从输 入电压源流入，如图2 2 ( b ) 所示。但是，由于电感上的电流不能突变，l l 中的 磁场将改变l l 两端的电压极性，以保持其电流i l l 不变。此时，二极管d lj 下向 导通为电流i l l 提供通路，故称d l 为续流二极管，i l l 以近似等于圪，玎l 1 的斜率 线性下降。此时，电容放电，流过负载r l 的电流为电感电流与电容电流之和。当 输出电压下降到所设定的最小电压值时，s l 重新闭合，进入下一个周期。 s 1 闭厶ii u = i a + i l【b ) s l 打开，i u + i c l = i l 图2 2b u c k 稳压器l ：作过程 2 2 2 稳态特性分析 为进行稳态分析，简化公式推导过程，特作如下几点假定： ( 1 )开关管、二极管均为理想元件，即均可瞬间导通和截止，且导通时压降为 “0 ”，截止时电流为“0 ： ( 2 ) 电感、电容是理想元件，即电感工作在线性区而未饱和，其寄生电阻为“0 ”， 电容的等效串联电阻为“0 ”； ( 3 )输出电压中的纹波电压与输出电压之比小到允许忽略。 需要强调的是，“稳态 表明输入电压、输出电压、输出负载电流以及占空比 都是固定不变的。下面对连续导通和不连续导通两种工作模式分别进行讨论。 1 连续导通模式 连续导通模式下，b u c k 稳压器在每个丌关周期有两种状态，导通状态：s l 导通，d 1 截止；关断状念：s l 关断，d 1 导通。设开关周期为殆，瓦= i 正，矗 为开关频率，则导通状态时间为t w = d x 瓦，其中d 为占空比，由控制电路确 定，定义d = 瓦，关断状态时间为= ( 1 - d ) x 瓦。 在导通状态，电感两端的电压圪是恒定的，圪= 一，此时，电感电 流线性增大，电感电流的变化量可计算如下： 由= d 砌i i , ，可得越l = 争丁，故导通状态时的电感电流增量为： 0 “：毕= _ v n v o u t d 瓦 ( 2 1 ) l厶 z l i ( + ) 也被称作电感纹波电流。 第一二章x d c l 5 1 3 设计原理 在关断状态，s 1 截止，由于流过电感的电流不能突变，其两端电压极性改变， 使续流二极管d 1 正向偏臀导通，构成电流通路。在关断状念，r 乜感两端l 乜瓜吮 仍然恒定，圪= 形川该电压极性与导通状态时的电感电压极性相反，故为负值。 此时，电感电流线性减小。同时，为了维持输出电压w 不变， 包容丌始放r 乜， 与电感一起为负载提供电流。关断状态时电感电流的减小量为 矿矿 t ( 一) = 一二等里瓦j 7 7 = 一二等卫( ，一d ) 瓦 ( 2 2 ) 4f ( ) 也被称作电感纹波电流。 稳态条件下，导通时的电感电流增量4 豇