（电路与系统专业论文）线性化pwm信号的buckboost+dcdc转换器设计.pdf

塑些 ：! ：一蝌姗 - _ _ l - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ o o 11 jv 捅要 本论文设计工作来源于科研项1 4 “i u 源管理类集成电路火键技术的川! 沦研究 与设计 ，主要研究高效率d c d c 转换器- 心+ 4 - 门i l 的设计实现方法。 本文首先讨论分析了各利d c d c 转换器的琏本拓扑结构，m 1 1 探讨了! c i l f , l 实 现d c d c 转换器在宽电压范围和宽负绒范l f 内保持商转换效牢的控制。以此为j 占 础，设计出了一款新颖的低压淅效、_ 丁| 降j l i 型d c d c 转换器x d 8 0 6 9 。 本文详细地介绍了d c d c 转换器x d 8 0 6 9 的系统砹i ：i 办案、火键功能模块l 【l 路的设计，以及各项功能和性能指标的仿真验证。设计中采川了使脉冲宽度i j i l 8 ：i j i | ( p w m ) 信号线性变化的新颖i 殳 f 心路，实现了在全占。空比范 i ；| 内p w m 渊+ 订的 线性化和高精度。在x d 8 0 6 9i 乜路设i = i r i | 采! 】了刚步整流控制技术，竹上了外接 肖特基二极管，节省了p c b 板空问，降低了功率消j ：_ 乇。刚时还也含了3 种：i ：f l ；模 式控制方案以及降压、- i 压和升降j k 王利- ：j ：作l x m ，使付- - 心t 1 j | 住较说的l 乜爪范 和各种负载条件下都可以保持较商的转换效率。 整个电路基于h y n i x0 5 扯mc m o s 一岂设计，利j t jc a d e n c e 、h s p i c e 等软t l - x 1 电路进行仿真、验证。仿真结果与占示，i 乜路功能和巾e 能指标均达剑改t l 嘤求。 关键字：模拟集成电路d c i d cb u c k b o o s t电源管理同步整流 a b s t r a c t 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 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 r p o w e rm a n a g e m e n ti c ”t h i sp a p e rs t u d i e s t h e s y s t e m a t i cd e s i g n a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fh i g he f f i c i e n c yd c d cc o n v e a e r f i r s t l y , ad i s c u s s i o no ft h eb a s i ct o p o l o g yc i r c u i t so fd c d cc o n v e r t e ri sm a d e s e c o n d l y , as t u d yo ft h es c h e m e sf o rd c d cc o n v e r t e rk e e p i n gt h eh i g hc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo v e raw i d er a n g eo fv o l t a g ea n dl o a dc o n d i t i o n si sm a d e a n dt h e n o n t h eb a s i so ft h e s e ，an o v e ll o wv o l t a g e ，h i g he f f i c i e n c yb u c k b o o s td c d c c o n v e r t e rx d 8 0 6 9i sd e s i g n e d t h ed e t a i l e ds y s t e md e s i g na n dt h ec i r c u i td e s i g n so ft h ek e ys u b b l o c k so f x d 8 0 6 9a r eg i v e n a n dt h es i m u l a t i o no fa l lf u n c t i o n sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a r e p r e s e n t e d x d 8 0 6 9a d o p t s t h en e wd e s i g ni d e ac a l l e dl i n e a r i z i n gt h e p u l s e w i d t hm o d u l a t e d ( p w m ) s i g n a lt or e a l i z et h el i n e a rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n s y s t e m so v e raf u l lr a n g eo fd u t yc y c l e s t h i sn e wi d e ai sh e l p f u lf o rt h ec o n t r o l s y s t e mo fx d 8 0 6 9 t ob e c o m eah i g h l ya c c u r a t ea n dl i n e a rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n s y s t e m w i t ht h ei n t e r n a ls y n c h r o n o u ss w i t c h e st ot a k ep l a c e t h ee x t e r n a ls c h o t t k y d i o d e s ，t h ex d 8 0 6 9r e d u c e st h ep o w e rc o n s u m p t i o na n ds a v e st h ep c ba r e aa n d s y s t e mc o s t x d 8 0 6 9i n c l u d e s t h r e eo p e r a t i o nm o d e sa n dt h eb u c k b o o s ta n d b u c k b o o s to p e r a t i o nr e g i o n st ok e e pt h eh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo v e raw i d e r a n g eo fv o l t a g ea n dl o a dc o n d i t i o n s t h ed e s i g no fx d 8 0 6 9i sb a s e do nt h eh y n i xo 5 1 x mc m o sp r o c e s sa n d s i m u l a t e db yc a d e n c e ，h s p i c e 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 n a n dp e r f o r m a n c eo fx d 8 0 6 9h a sm e tt h er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：a n a l o gi c d c d cb u c k b o o s tp o w e rm a n a g e m e n t s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 绪论 绪论 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的火系门益密 切，而任何电子设备都离不丌可靠的电源。进入8 0 年代计算机电源全l j i f 实现了j i ： 关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入9 0 年代丌关电源年h 继进入各种i 乜f 、 电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备l u 源等都l 三j 泛地使用了丌关电源，更促进了丌关电源技术的迅速发展。而数字心- i f 玎i i 对i 乜源婴 求的同益复杂和电信市场的不断扩张，也使得d c d c 转换器的砹汁变褂越水越复 杂。 d c d c 转换器在通信市场上的应用主要分为三个方面：电源分配、负载点( p o l ) 和便携设备。每个应j t j 都分别柯一愈影响剑拓扑、控制要求和封装的标准。通俯 基础设备( 如基站、交换机、路由器和服务器等) 的典型电源配送办式，赴通过安装 在背板上的d c d c 转换器，将传输总线上2 4 v 到4 8 v 的l 乜压转换成系统模拟和 数字处理功能模块的电压。负载点( p o l ) d c d c 转换器在系统t i i 的 h j i j ，址将改 备总线电源或本地电源调整成符合现场负载要求的电源。这些转换器必须满足负 载的一些特别要求，如高d i d t 、高电压精度或多输出顺序等。上述特性加l ：分自j 式电源的高可靠性，推动了封装和系统设计的革新。 便携式通讯电子设备对d c d c 转换器提出了一套全新的要求。为满足通讯j 沱 品对功耗、体积和重量的要求，这些转换器采用了特殊的控制技术，可以在更高 的频率处工作。针对电源和系统设计人员对专用转换器的需求，生产模拟器件的 公司已开发出专用产品系列。 为适应低电压和高电流的输出趋势，输出部分增加了场效应矗f i 体侨( f e t ) ，减 少了二极管。这些转换器所使用的控制i c ，既有只能执行高速脉宽i g , t i j ( p w m ) 功 能的简单产品，又有用于更高功率的多输出复杂控制器。在低l 乜流应j f j - i ，功率 控制i c 还可以同时集成电源丌关，从而优化尺寸和降低成本；f f _ i i x , t 于舟l 乜流心川， 则还需要为外部f e t 丌关提供p w m 控制。强大的控制和保护性小仪町以保护转 换器本身，同时也保护了负载。这些应用通常都没有在彳了板上安装敞热片，这就 意味着这些转换器必须高效率地工作。大多数输出电压在3 3 v 以一卜的转换器，为 降低损耗，将使用同步控制f e t 来代替输出整流器。像蜂窝电话、掌i ：i u 脑等川 于无线连接的便携式设备，一方面需要更多的电源供应，另一万埘刚给i u 源转换 器的空间又越来越小。这一挑战让供应商把重点放在简单、高频、紧凑的设计i ：， 集成电源丌关成为典型的设计思路。提高丌关频率，减小磁性元件和滤波i 乜容的 尺寸都可以获得体积上的优势。 2 线性化p w m 信号的b u c k - b o o s td c d c 转换器设计 便携式电源转换的功率管理也是极为重要的一点。为延长电池寿命，d c d c 转换器不论在轻载还是重载下都必须保持高效。除了保证高负载时的效率，便携 式电源i c 还必须能够在轻负载时切换到低频工作模式，从而减少相应的电源丌关 门电荷损耗。 各类d c d c 转换器在通信市场上的应用还需要控制i c 广泛的功能支持，绝 对没有力能的解决方案。新一代电源转换器的创新必须要有高性能功率管理i c 的 持续支持。 本论文根据d c d c 技术发展趋势，结合科研项目“电源管理类集成电路关键 技术的理论研究与设计 ，讨论影响d c d c 转换器效率的主要因素和实现高转换 效率的控制方案，并研究了脉冲宽度调制( p w m ) 信号的线性化。与此同时设计 完成了一款适用于便携式产品的低电压、高效率、高丌关频率的b u c k b o o s t 型 d c d c 转换器芯片x d 8 0 6 9 。该芯片基于h y n i x0 5 1 a mc m o s 工艺设计，可以在高 于、低于或等于输出电压的输入电压处得到稳定的输出，且输入输出电压的极性 相同，还采用了同步整流技术和间歇模式控制技术，在轻负载条件下也具有很高 的转换效率。芯片工作频率高且有外同步功能，用户可根据需要输入同步脉冲来 控制芯片的工作，这可以大幅度地减小p c b 面积，节约系统成本。 本论文具体章节安排为：第一章介绍稳压电源的现状、发展趋势和丌关电源 的特点及分类。第二章中讨论了开关模式d c d c 转换器的基本工作原理，并分析 了提高效率的基本方法。第三章描述x d 8 0 6 9 的系统设计，以及使脉冲宽度调制 ( p w m ) 信号线性化的具体方法和实现途径。第四章中介绍x d 8 0 6 9 的关键电路 设计，重点介绍了电压和电流基准电路、振荡器电路、误差放大器电路、电流限 制电路等的设计思路、实现方法和仿真验证结果，同时简要给出了其他辅助功能 模块的设计方案。第五章中对整体电路进行仿真验证，给出各项性能指标的仿真 测试结果。 第一章i 乜源管理芯片概述 第一章电源管理芯片概述 电源是各类电子设备中必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系剑i 乜r 设 备的技术指标及能否安全可靠的工作。外部提供的能源大多为交流l _ 乜源， 【i 源设 备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的f e 务，这称为 a c d c 变换，转换后的直流电源应其有良好的稳定度。当负载变化时，它能保特 稳定的输出电压，并具有较低的纹波。但有时提供的直流l u 爪4 i 符介i 5 2 箭： ；篮， 仍需变换，这称为d c d c 变换。随着微i 乜子属l 半导体行业的发腱，j ! ! 负这螳仃务 的各类电源管理芯片也层出不穷，整个r 乜源产业产生了f l 新，j 片的变化和发腱， 显示出了强大的生命力。 1 1稳压电源的发展现状及前景 现在常用的稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压i u 源两种。1 川，线f l ：a ：t 压电源的调整管工作在线性放大区，输出r 乜流是连续的，纹波较小，f i l 凋憋管卜一 损耗的功率较大，效率较低。) 1 ：关f 乜源的内部关键元器件工作n ：豳频j l ：火状念， 功率消耗小，效率高，适合当今高效率、小型化的要求：但它也彳j 电路复杂，成 本较高，输出纹波较大和噪声电压较高的缺点。 丌关电源已有几十年的发展历史，因其体积小、重量轻和效率, ：i i f u i l i 各种f 乜 子信息设备中得到了广泛的应用【3 9 4 。近来，伴随着人们对丌关i 【l 源婴求的进， 步升级，低电压大电流转换器的高效化以及响应的高速化成为了有关j 。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l | 益突出，而丌关操作时产生的浪涌和噪声则是丌关电源的固有缺陷，为此人们将 丌关电源的低功耗化、小型化和低噪声化作为今后的三大蘑点研究 j 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+ 叮靠性，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足密切枉i 哭的， 所以在研究时不能割裂。而且，来自业界的低生产成本要求也是必须尽力满足的。 单片丌关电源自2 0 世纪9 0 年代中期问世以来便显示出姒人f e j b - 命力，它作 为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外 乜源界的普遍火注1 3 剐。近 2 0 多年来，单片丌关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对丌关i 乜源 的核心单元控制电路实现集成化。2 0 世纪7 0 年代，国外阿先研制成脉宽调制 ( 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l d 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) 【：关频率达l m h z 的高速p w m 、p f m ( 脉冲频率调制) j 卷片， 4 线性化p w m 信号的b u c k - b o o s td c d c 转换器设计 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、小功率丌关电源实现单片 集成化。单片丌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。目前已成为国际上开发中小功率开关电源、精密丌关电源、特 种丌关电源及电源模块的优选集成电路。目前，单片丌关电源已形成了几十个系 列、数百种产品。 1 2 开关电源的优缺点及分类 丌关电源由于高效节能，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。它具有如下优点。 ( 1 ) 功耗小，效率高。丌关稳压电源的丌关调整管工作在丌关状态。当导通时， 压降接近于零；当截止时，通过的电流接近于零。丌关调整管从导通到截止的转 换速度很快，所以它的功耗很小，通常效率可达8 0 以上。 ( 2 ) 体积小，重量轻。在丌关稳压电源的应用中，没有采用笨重的工频变压器。 又由于调整管上耗散功率的大幅度降低，而省去了较大的散热片。由于这两方面 的原因，所以丌关稳压电源的体积小、重量轻。 ( 3 ) 稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的， 输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变 化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。所以丌关稳压电源的稳压范围很宽， 稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样， 丌关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点。而且实现稳压的方法也较多，设计人 员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的丌关稳压电源。 ( 4 ) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。丌关稳压电源 的工作频率目自 基本上是工作在5 0 0k h z ，是线性稳压电源的频率的1 0 0 倍，这使 整流后的滤波效率几乎也提高了1 0 0 倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率 也提高了5 0 倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用丌关稳压电源时，滤波电 容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的l 5 0 l 1 0 0 。 ( 5 ) 电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型：有单 端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同 应用场合的丌关稳压电源。 当然，丌关电源也有它的缺点，存在较为严重的开关干扰。在丌关稳压电源 中，功率调整管工作在丌关状态，会存在较大的输出纹波电压和丌关噪声干扰， 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，会严重影响整机的花常 工作。故而，要求输出端连接滤波电容以滤除噪声干扰。 常见的丌关电源分类方法有下列几种。 第一章电源管理芯片概述 1 按调制方式划分 ( 1 ) 脉宽调制型 振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度束调节输出电压的大小。钉时通过取 样电路、耦合电路等构成反馈闭环刚路，米得到稳定的输出i 也堰。 ( 2 ) 频率调整型 占空比保持不变通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输j f 乜瓜的幅度。 ( 3 ) 混合型 通过调节导通时i 日j 和振荡频率来完成调节和稳定输出电瓜i 阶度的i | 的。 2 按输入、输出电压的大小划分 ( 1 ) 降压型 特点是输出电压比输入电雎低。 ( 2 ) 升压型 特点是输出电压比输入电压高。 ( 3 ) 降压一升压型 对于降压一升压型，可扶得的输；l ：i uj l i 绝对值i ，j 以尚j ：、低。n 戍栉锋j ：输入 电压。对于不同的电路结构，输l l j , t , , l i i i , f 以。孑输入l 乜爪的极性1 1 l 州，也i l 以j 输 入电压的极性相反。 1 3 论文的主要二 作和：錾节安排 本论文设计工作来源于科研项目“电源管理类集成i 乜路火键技术i l q p i ! 沦研究 与设计”，主要研究低电压、高效率d c d c 转换器的设计与实现。 一、论文的主要工作 论文结合科研项目和当今 乜源管理的发腱趋势，改汁。款j ：钉线性化p w m 信 号的、高效率、同步整流的升降压型d c d c 转换器，可以杓：盥j 二、低j ：或等j ：输 出电压的输入电压处得到稳定的输出，且输入! 输出i 乜小的檄性舸i i l i j 。该转换器 的工作频率是i m h z 的固定频率，并且振荡器町i 司步于。4 个外部时钟。吡i l 心i i - ” 可选择在间歇方式下工作，此时静念电流仅为2 5 p a ，这最火稚度地延k 了便携式 应用中电池的寿命。该芯片还包括l 衅的停机功能、软f j 动控制、热停机和l u 流 限制：该芯片采用同步整流技术，可以实现典萨的l 乜源剑输j l 的断接，jl 订檄低 的停机电流。当输出电压大于4 3 v 时，在s w 2 和v o o t 之i i j 连接个外部的f i ，特 基二极管，这样可以使效率提高l 2 。它主要应用于手持i 乜脑、m p 3 橘放器、 手持仪表、数码相机等。 二、章节安排 本芯片的设计基于h y n i x0 5j - t mc m o s ：上：艺，利i i jc a d e n c e 、v i e w l o g i c 硐lh s p i c e 线性化p w m 信号的b u c k b o o s td c d c 转换器设计 等e d a 软件完成了各个功能块及整体的设计和仿真。 论文共分五章。第一章是电源管理芯片概述，介绍了电源管理及其未来发展 趋势、丌关电源特点和种类。第二章简要论述了丌关模式d c d c 转换器的基本工 作原理，并分析了提高效率的基本方法。第三章分析芯片x d 8 0 6 9 的系统设计方 案，以及使脉冲宽度调制( p w m ) 信号线性化的具体方法和实现途径。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、电流限制电路等等，并给出了仿真结果。第五章对电路 的整体进行了仿真验证，并给出了最终的仿真波形和数据。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。 第二章开关模式d c d c 转换器的l ：作原理 7 第二章开关模式d o d o 转换器的工作原理 丌关模式d c d c 转换器的基本工作原理就是在输入电妪变化、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麓位进行闭环 反馈，调节主电路丌关管的导通( 或截止) 时间，使得丌关l 乜源的输：i j i 【lj i i 或i 【l 流等被控制信号稳定。合理的控制方案，) c 寸于优化d c d c 转换器特性仃f 醍喂篮的 影响。本章中先介绍基本的d c d c 转换器拓扑结构，说明这蝗转换器打i 扑结构的 基本工作原理，特点以及应用要点，然后x t l l ：d 信号模趔进 j ：。详细地分析和研究。 2 1基本的d c d c 转换器拓扑结构 d c d c 转换器的种类很多，它存在三种最壤本的转换器钉i 扑结构，它们址b u c k b o o s t 和b u c k b o o s t 型，此外还有s e p i c 型等等1 8 2 5 i 。冈为x d 8 0 6 9 址b u c k b o o s t 型d c d c 转换器，可以工作在b u c k ，b o o s t 和b u c k b o o s t 二三种! l 作状念，敞l n 我 们有必要对这三种基本拓扑结构的：【作炀! 进行仔细地分析，随后m 对s e p i c ) 诬 d c d c 转换器加以简要地介绍。 2 1 1b u c k 转换器 b u c k 转换器的拓扑为电压源、串联丌关和电流负载组合而成，不含有i 1 | m 段， 也称它为串联丌关转换器【2 2 l 。这是最基本的一种直流转换器，包含一个外火s 、 个二极管v d ，一个电感l 和输出电容c 。另外v i 为输入电源，r i ) 为负线叭抗， 其基本拓扑结构如图2 1 所示。 根据电感中电流的情况， d c d c 转换器的工作模式可 以分为连续导通模式( c c m ) v i 和非连续导通模式( d c m ) 。在 转换器的主丌关导通期l u j ，电 感中的电流上升；在转换器的 主丌关截止期问，电感电流下 降。如果在转换器的主丌关截 【二 s i 1 r iv d 7 卜c ：i l 图2 1b u c k 转换器的基本拓- t 1 t 构 止期f b j ，电感中的电流降到零，则在截u ：期f u j 的剩余时f i j j 内i u 感i l 存储的能：l ；= 将 为零，则我们称转换器工作予非连续导通模式：否则转换器：l ：作j ：连续导通模式。 下面我们对d c d c 转换器的两种工作模式分别进行说明和分析，以便j 二我们进 t 系统设计。 8 线性化p w m 信号的b u c k b o o s td c d c 转换器殴计 一、连续导通模式( c c m ) 工作原理 在工作过程中，当控制脉冲使丌关s 导通之后，电容c 丌始充电，输出电压 v o 加到负载r t o a d 两端，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。此时，续流二极管v d 因反向偏置而截止。经过导通时b jt o n 后，控制信号使开关截止，l 中的电流减小，l 两端产生的感应电势使v d 导通， l 中存储的磁场能量便通过续流二极管v d 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t o f r 后，控制脉冲信号又使丌关导 通，上述过程重复发生。 主丌关一般使用双极晶体管和m o s f e t 晶体管，因为m o s f e t 晶体管丌关速 度较快，控制逻辑相对简单，故m o s f e t 主丌关得到了大量的使用，下面如无特 殊说明主丌关均指m o s f e t 主开关。根据晶体管的丌关特性，在管子的栅极加入 控制信号就能控制它的导通和截止。对于n m o 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。在线性电阻区，m o s f e t 的导通电阻很小，故 v d s 压降很小，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，管子截 止，m o s f e t 的电阻近似无穷大。 当控制信号使主丌关导通时，电感l 中的电流从最小值i 咖i n 增大到最大值 i l m 双，当控制信号使主丌关截止时，l 中的电流又从最大值减小到最小值。假设主 丌关具有理想的丌关特性，其导通压降可以忽略不计，那么 _ = k 一圪= 譬 ( 2 1 ) 由此可得 卜7 1 肛咖= 华川肭( 2 - 2 ) 丌关导通状态终止时，= ，。时l 中的电流到达最大值即i 岫，得 v v l j 一= 早t 。+ i 圳。 ( 2 - 3 ) 在主丌关截止期间，l 中的电流经续流二极管v d 向负载释放能量，假如忽略 v d 的证向压降，则可得出下列方程： ，= 一工睾( 2 - 4 ) 由此可得出 仁一zf v o d , = 一孚眦 (2-5) 主丌关截止状态终止时，即，= o ，l 中的电流下降到最小值即i l j n n ，得 第二章开关模式d c d c 转换器的i ：作原理 9 ，l 嘲= 一孚t 谚+ 1 1 帐 ( 2 6 ) 由式( 2 - 3 ) 和( 2 6 ) 可得到 = k 南2 杉等- d 形 ( 2 7 ) 式中t o l i 一开关导通时间，t o i r 一丌关截止时间，t 一主j 1 ：关工作j 割j u ，d 一一i 审比。 式( 2 7 ) 即为d c d c 转换器工作于连续导通模式时输入电压和输：l jl u j k 之问的“流 关系。 由式( 2 7 ) 可知，输出电压v o 与主丌关的占空比d = t 。n 厂r 称i r 比，所以通过改 变主丌关的占空比可以控制输出平均电压的大小。由于占空比d = r r 总足小于l ， 所以v o 总是小于v i ，故常称为降压型d c d c 转换器。 假如输入电压变化或者负载发生变化时，通过控制回路调节- t j l ：关的r i i 窄比， 就能使转换器的输出电压稳定。 由于流过电感的电流平均值等于负载电流，故 k掣叠：l(2-8) 流过主丌关的电流平均值为 i s = 半等圳。( 2 - 9 ) 由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) ，消去i l m m 可得 l 慨2 l t l + 箫l l 鳝 疆1 0 ) ，上。 我们继续找到输出电压的交流波动分量，当电感中电流大于负载f 乜流时，i 乜 容丌始充电，输出电压丌始升高。当电感电流小于负载电流时，电容j l ：始放i 乜 输出电压丌始下降。流过电容的电流i 。可以用下式表示为 i 。= 一l 。( 2 - 1 i t 。、) l 。2 一，。 11 ) 假设t - - o 时，主开关导通，电容放电电流丌始减小，在经过t ，。2 之后 u 窖 的放电电流等于零，此时输出电压具有最小值，然后电容丌始充i 乜，输f i ：i 乜瓜丌 始上升，电容的充电将一直持续到电容电流再次变为零时为止。通过枉时l l i jt ，l l 2 到t 伽+ t o 以之间电容上的电压增量，就可算出输出电压的纹波值，即 圪= 吉乓+ 等l 衍= 吉 乓l 讲+ c + 警折 t 2 一t 2 ， 将式( 2 2 ) 代入式( 2 - 1 2 ) ，得到主丌关导通期i h j 电容电流的农示式 l o 线性化p w m 信号的b u c k - b o o s ti ) c d c 转换器设计 矿一矿 i c = i l 。一l o = ll j 。蕊+ 二l i 卫t lo(2-13、 由此求出式( 2 1 2 ) 的第一项积分 乓t 破= 仉晌一l ) 等+ 昙r , - l v o = ( z 。晌一l ) 等+ 詈睾够( 2 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 1 2 ) ，得到主丌关截止期间电容电流的表示式 = t l = i z 麟一j ，一i o ( 2 - 1 5 ) 由此求出式( 2 1 2 ) 的第二项积分。为了便于计算，把积分下限移动到坐标原点，得 出 产访吡懈训等 等 ( 2 6 ) 根据式( 2 8 ) 和( 2 1 0 ) ，可将( ，l 嘲一l ) 和( ，嗍一l ) 分别改写为 ，肭一j 。= 一古t 够 ( 2 1 7 ) l 一i t l = 箫t 。孵 q l g ) 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 2 ) ，经过基本的数学变换，就可 以得到输出电压的纹波分量杉，的计算公式 圪= 等 ( 2 - 1 9 ) 将式( 2 7 ) 经过适当的数学计算后，式( 2 1 9 ) 可以变换为 岈寺) p 2 。， 式( 2 2 0 ) 为b u c k 转换器工作于连续导通模式时输出纹波与输入输出电压、功 率级电感、电容和系统工作频率之问的关系。在d c d c 中输出电压的纹波特性是 其最重要的性能指标之一。在输出纹波指标、输入输出电压已确定的情况下，需 要综合考虑工作频率和功率级电感电容的取值。同时我们由上式可以看出输出纹 波的大小同系统工作频率的平方成反比，即在输入输出电压、功率级电感电容确 定的情况下，工作频率越高系统输出的纹波越小。由此可知当今d c d c 转换器的 趋势之一是高频化。 二、非连续导通模式( d c m ) 工作原理 我们用t o n 表示开关管导通的时间：t o m 表示开关管关断，电感电流持续下降直 到零电流的关断时间；用t o f r 表示丌关管关断的总时间，非连续导通模式( d c m ) 的工作原理分析如下。在工作过程中，当控制脉冲使丌关导通之后，电容c 开始 第二章开关模式d c d c 转换器的i ：作原理 i i 充电，输出电压v o 加到负载r i d a i ) 两端，在c 充电过稃中，i 乜感l 内的i u 流从零 丌始逐渐增加，存储的磁场能量也从零j i ：始逐渐增加。此时，续流- ：极僻v d1 人l 反向偏置而截止。经过导通时问t o 。以后，控制信号使门：关械i l ：，l l i 的ll l 流减小， l 两端产生的感应电势使v d 导通，l 中存储的磁场能挝便通过续流：极竹v df 譬 递给负载。当负载电压低于电容c 两端的电压时，c 便向负绒放i 乜。经过火断时 l 日jt o m 以后，电感中的l 也流减小剑零，i u 感- j 没仃能量的存储，这时充个亿i u 容c 对负载放电。此时，续流二极管v d 因反向偏铃而械| l i ：，i l c j ( i u 感一l 小会脱反阳 电流。在经过总的关断时i i l i jt o i r 后，控制脉冲信g 义最新使外天导迎，i ：述过利弧 复发生。 根据伏秒平衡原理【2 2 l 叮得 ( 一形，) d t = 圪d 。t ( 2 - 2 1 ) v , d = 圪( d + d 。) ( 2 2 2 ) 由上式可得 善：旦( 2 - 2 3 ) 一= 一 _ d + d i 由式( 2 2 3 ) 可得 卟移一- 亿2 4 ， 在非连续模式中，有 d = 1 一d l d 2( 2 2 5 ) 式中d 为主丌关导通时问t ! i 憋个j l i ；】删的比例，d 。为i u 感- iu 流卜降剑零所川i i j m 一| 整个周期的比例，d 2 为电感i f i 没千r 能量的时问占整个剧则的比例。 将式( 2 2 4 ) 代入上式n i , - f 得 。= - 一d ( 毒一- ) 一。：= 鲁( 1 一。：) c 2 2 6 ， 我们知道 = ( 杉一v , , ) d t l( 2 2 7 ) 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 7 ) n h - - 得 = ，d t l 输出电流可表示为 小却+ d i ) ! 2 = 圭掣 ( 2 2 9 ) 1 2 线性化p w m 信号的b u c k - b o o s td c d c 转换器设计 凡= 鲁= 面两2 l 葡 d d i r t + d l 2 r t = 2 l d , - + d d 一篇= o 从而可以解得 n d + 8 l i d i = _ 一 将式( 2 3 3 ) 代入式( 2 2 3 ) 可得 ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 上式即为d c d c 转换器工作于非连续导通模式时输入电压和输出电压之间的 直流关系。 当转换器的负载电流变小时，导通时间t o 。降低，电感电流在t o f r 期i 日j 内会降低 到零，形成电流的非连续，称为不连续导通模式( d c m ) 。连续导通模式和不连续 导通模式之问临界状态的负载电流为 “= 笋 ( 2 - 3 5 ) 2 i 2b o o s t 转换器 b o o s t 型转换器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【2 2 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。 图2 2 是b o o s t 的基本电 路图，它主要由电感l 、电容 c 、丌关s 和续流二极管v d 构成，r l o a d 为负载阻抗，v i ” ：为输入电源。b o o s t 型转换器 也分为连续和非连续两种导 通模式，与b u c k 型转换器有 幽2 2b o o s t 转换器的基本拓扑结构 棚似性，下面对其工作原理进行简单地描述。 舞 = 一杉 第二章开火模式d c d c 转换器的i ：竹原理 1 3 一、连续导通模式( c c m ) s e 作原理 丌关管s 导通时，此时b o o s t 拓扑结构等效电路如图2 2 所示。控制i 乜路将j 1 ： 关管s 打丌时，电源给电感进行储能，电感上的电流增大，此时加在r 乜感l 曲端 的电压为： 圪：堕j ， ：丘7 ( 2 - 3 6 ) “d t。l 在导通期问，流经电感电流的增最为： ，“) ：筝( 2 - 3 7 ) 其中( + ) 为电感的纹波电流增量。在i g s t $ t l ，输出负载l u 流山输f i i 乜容c 挺 供。 丌关管s 关断时，电感两端的电n i 突变，二极管v d 导通，i 乜源经l 和v d 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： ( - ) = 半( 2 - 3 8 ) 其中 ( 一) 为是电感的纹波电流减少量。 当工作在稳态时，电感电流在丌关管导通时的增量等于在丌关箭火断时的减 少量。此时可得到下而的关系式： 小k ( + 纠 亿3 9 ， 且有： d ： ；垒( 2 - 4 0 ) t 。+ t 哪t 在连续导通模式中有： t 。+ t 。盯= t 其中t 为开关管的工作周期。将式( 2 4 0 ) 代入式( 2 3 9 ) i i 丁甜： k ，= 而1 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 因为d 【o ，1 】，由式( 2 - 4 2 ) 可知，输出电压总是大于输入电j 丘，= 1 ：通过改变1 1 i 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，l i i j ： ，f ，= ( 1 一d ) x ，( 2 4 3 ) 注意到电感仅在丌关管关断期i 日j 给负载进行电流传输，义1 人l 为输i u 豁l ：的 平均电流为零，所以电感电流在_ ：l ：关管关断期间的平均电流等j ：烂个川期i ，的输 1 4 线性化p w m 信号的b u c k - b o o s td c d c 转换器设计 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 i 尚( 2 - 4 4 ) 二、不连续导通模式( d c m ) 工作原理 在轻负载的应用下，系统进入不连续导通模式。它与连续导通模式不同的是： 电感电流会下降到零并且保持一段时间。下面我们对不连续导通模式进行分析。 ，。= d xt ( 2 - 4 5 ) t 谚= ( d l + d 2 ) xt(2-46) 其中d t 表示丌关管导通，电感电流上升的那段时问：d i t 表示丌关管关断，电感 电流持续下降直到为零的那段时i b j ；d 2 t 表示丌关管关断，电感电流保持为零的那 段时间。丌关管导通时电感电流的增量为： ，( + ) = 等x t 。= ，w ( 2 - 4 7 ) 上式中我们可以看到，电感电流的增量等于电感峰值电流。这是因为每个周 期电感电流都是从零丌始。 丌关管关断时，电感电流将减少至零。 ，( - ) = 半f ，= 半帅。：扩= 半d i r ( 2 4 8 ) 在稳态时电感电流增量也等于电感电流减少量，这与连续导通模式相同。我 们可以得到： 忙形警却等 ( 2 4 9 ) 现在计算输出电流i o ，即d i 期间的电感电流在整个周期的平均值。 护睾= 亭2 x i , , xx d , t ) = 型竽 仁5 。， 联解方程( 2 - 4 9 ) 和( 2 5 0 ) 可得： 忙k 生兰 仁5 。， 上式中： d = k x m ( m 1 ) ( 2 - 5 2 ) 足：旦。m ：堡。 第_ 二章开关模式d c d c 转换器的i ：作原理 1 5 2 1 3 典型的4 丌关b u c k b o o s t 转换器 典型的4 丌关升降压转换器实质上足在降压转换器后面级联。个升爪转换器 而构成的，它使用单一的电感l ，输出电容c o u t 和四个丌关a 、b 、c 、d ，r i d a l ) 为负载阻抗，v i 为输入电源。它可以获得与输入电压极性相f 司的，并儿町n ：舟j ：、 低于或等于输出电压的输入电压处获得稳定的输出，电路拓扑结构如卜图2 3 所 示。 在每个工作周期 内，典型的4 丌关 b u c k b o o s t 转换器都v 会使4 个丌关分别导 通工作。) 1 ：关管工作 过程如下：首先，丌 关a 、c 导通，b 、d 图2 3典砸4 歼天b u c k b o o s t 转换器f 内j 占本拓扑结构 断丌，输入电压加到电感两端，给电感储能：然后，丌关a 、c 断j l ：，b 、d 导通， 电感向负载放电，且给输出电容允i 乜。我们可以注意到：在饵个j 川g 】内，4 个j i ：火 都在不停的通断，丌关的动态功耗较大。因此，这种典燃的4j i ：父丁i 降jk r 转换 器比典型的降压式或升压式转换器婴消耗业多的j l ：火助耗，进l | 造成效- f f f ji - 降。 另外，由伏秒平衡原理可得，在稳定状态下，它的输 l j 输入l u 瓜之比满足 下列关系式： 堡：旦 ( 2 5 3 ) 一= 一 】， l d d = 丝l( 2 5 4 ) 7 其中，d 表示占空比：t 表示丌关3 1 f l s 的一个时钟j 爿期；t a c 表乃稃! 个j l ：火川j 9 j t 内，丌关管a 和c 同时导通的时间。 在连续电流状态下( c c m ) ，甲均l u 感i 乜流1 1 满足以卜火系式： ， ，= 卫( 2 5 5 ) “ i d 其中，i o 表示输