（电路与系统专业论文）输出可编程的同步降压型dcdc芯片设计及稳定性分析.pdf

摘要 l i i ii ii ll r ll l 1lll ll l l 二 19 9 6 3 14 本论文丛丁二科研项目“ 乜源竹理类集成i 【i 路火键技术p l ! 沦研究o i 焚汁”，i i 嘤研 究款输出i 叮编程的高效率降爪型d c d c 转换器x d 2 0 18 的设计1 ：| 实脱l ：作。 本文全面而系统地研究了降j j i 型d c d c 转换器的坫奉i ：作历i 胖，为x d 2 0 1 8 的i 殳汁i j 实现提供了理论指导。系统设汁采川il l 流模脉宽调制控：i j i j 力案人人捉 蔫了芯片的i 乜源r 乜j k 和负找变化的瞬念l i 匈j 邂性能，j f ：儿i 殳汁了斜坡补偿il l 路以消 除i u 流模d c d c 转换器i 11 1 i 宅比人】：5 0 时 l ；现的j l ：环l i 稳定、q 虻浙波振荡、刈。 噪声敏感等缺点。芯片x d 2 0 1 8 采用了内置f r i 】步整流技术，捉i 盘效率的川时还1 7 约了p c b 板的面积。对输出电压进行采样的反馈电阻也被内置在：占片t j ，彳i 需m 外接电阻，也节省了p c b 板的面积。 由于r e f 引脚到输出的电压增益被j 醛片内部的反馈电阻设置为3 ，故：j 外接 的d a c 驱动r e f 从0 1 v 到1 1 6 7 v 变化时，就可实现输出从0 3 v 到3 5 v 变化的 动态编程。当r e f 上的电压大于1 2 v 时，使内部旁路p 管导通把输出电压v o t j ，1 同输入电压v i n 直接相连，避免了由电感造成的功耗。 论文针对d c d c 功率级电路的非线性特性，利用“电路平均法”实现线性化以 指导稳定性分析；针对x d 2 0 1 8 电流环稳定性，分析了峰值l 乜流模d c d c 转换器i 的斜坡补偿技术，给出了分段线性的补偿方案：针对电压环的稳定t e ，采j l j m a t l a b 软件对电压环频域特性进行仿真验证，从而恰到好处地实现了频率补偿。 芯片x d 2 0 1 8 采用0 5 u r nc m o s 工艺，并用h s p i c e 进行仿真。现在整体电路l 三完 成仿真验证，接下来准备进行版图设计、后仿真和投片。 关键词：降压型d c d c电流模线性化稳定性 ab s t r a c t a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ep r o j e c to f “t h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n dd e s i g no fk e y t e c h n i q u et b rp o w e rm a n a g e m e n ti c ”，t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t h t h ed e s i g na n d 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 ys y n c h r o n o u sb u c k d c d cc o n v e r t e rx d 2 018w i t h p r o g r a m m a b l eo u t p u t t h i sp a p e rg i v e saf u l la n ds y s t e m i cs t u d yo nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fb u c kd c d c c o n v e r t e rw h i c hi st h et h e o r yg u i d a n c eo ft h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fx d 2 0 18 a sar e s u l to ft h ea d o p t i o no fc u r r e n tm o d ec o n t r o l ，t h et r a n s i e n tr e s p o n s es p e e do ft h e v a r i e t y i ns u p p l yv o l t a g ea n dl o a db e c o m e sm o r ef a s t e r i no r d e rt oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tm o d ec o n t r o lw h e nt h ed u t yc y c l ei sg r e a t e rt h a n0 5 ，s u c ha s i n s t a b i l i t yo fo p e nl o o p ，as l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t i sd e s i g n e d t h es y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p t e di nt h i sc h i p ，w h i c hi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n d s a v e st h ea r e ao ft h ep c b t h ef e e d b a c kr e s i s t o r sw h i c hs a m p l et h eo u t p u tv o l t a g e i sp l a c e di nt h ec h i p ，t h u st h ea r e ao ft h ep c bi sa l s os a v e db yn on e e do fe x t e r n a l r e s i s t o r s b e c a u s et h eg a i nf r o mr e ft ov o o ri si n t e m a l l ys e tt o3 ，w h e nt h ei n p u tr a n g ea t r e fw h i c hi sd r i v e nb ya l le x t e r n a ld a ci s0 ivt o1 16 7 v ，t h ec o r r e s p o n d i n go u t p u t v o l t a g ec a nb ed y n a m i c a l l yp r o g r a m m e df r o m0 3 vt o3 5 v w h e nr e f e x c e e d si 2 v ao 0 8 f i n t e m a ib y p a s sp - c h a n n e lm o s f e tc o n n e c t sv i nt ov o u l ，e l i m i n a t i n gp o w e r l o s st h r o u g ht h ei n d u c t o r a st h ep o w e rs t a g eo fd c d ci sn o n l i n e a r , c i r c u i ta v e r a g i n gt e c h n i q u e i su t i l i z e d t ot r a n s f o r mt h en o n l i n e a rp a r tt oas m a l l s i g n a ll i n e a rm o d e lw h i c hi sag u i d a n c ef o r s t a b i l i t ya n a l y s i s f o rt h es t a b i l i t yo ft h ec u r r e n tl o o po fx d 2 0 18 ，t h ep r i n c i p l e so fs l o p e c o m p e n s a t i o nf o rd c d cc o n t r o l l e db yp e a kc u r r e n tm o d ea r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a n dap i e c e w i s el i n e a rs l o p ec o m p e n s a t i o ns o l u t i o ni sd e s c r i b e da n dc o n c l u d e d f o rt h e s t a b i l i t yo ft h ev o l t a g el o o po fx d 2 0 18 ，m a t l a bs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t ea n dv e r i f y t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev o l t a g el o o ps ot h a tf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nc a nb e p r o p e r l yr e a l i z e d t h ec h i px d 2 018i si m p l e m e n t e di na0 5 u mc m o sp r o c e s sa n ds i m u l a t e db y h s p i c e n o wt h es i m u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n so ft h ew h o l ec h i ph a v eb e e nc o m p l e t e d 7 l h en e x ts t e pi sl a y o u t p o s ts i m u l a t i o na n dt a p e 。o u t k e y w o r d ：b u c k d c i d cc u r r e n tm o d el i n e a r i z a t i o n s t a b i l i t y - 第。精绪论 第一章绪论 奉章二l i 要介绍了电源管理及_ j t 未束发胜趋势，丌火稳瓜f u 源分类和特 ，论 文的产，j i 背景，论文的主要i ：作和各个章节的简要介绍。 i 1 引高 l u 源足i 乜r 产6 f j 的一个：霞婴约【成部分，, i z f j , 5 i 质醚，l ：接影l 棚i i x 厂改箭f f j f l - 能。 随卉消赞类 乜f 、通信和计算机，批。i f j 技术的f i 断发腱，i u 源镑耻的币= 婴性i i & i p j 丝，在以电池为供电主体的便携式f 乜r 产占 i f j 史足如此。便携i = i ur ，。l i | l 的迅速 发腱既促使电源管理技术f i 断向前发展，同时给电源管理带来了史- 的敬汁挑战。 对此，必须在两个方面取得突破：首先是系统级的高性能t 乜源管理，即1 f i 冲d 样的 电池容量下，功能的增加不会带来功耗的显著增加。其次需要加快研发- 史高容量 的电池，以延长便携式设备的使用时i 日j 。 由于电池技术目前已相对成熟，在近期不会出现较大的突破，l 乜池供f 【三时i i i j 已经变成影响当今无线通信市场和便携式消费类电子产品进一步发展的域人附l 碍 因素，因此只有在电源供电及管理方案上下功夫。现阶段电源管理朝以。f j l 个方 面进行发展1 2 4 西西i ： 一、提高器件转换效率、降低功耗。采用低压低功耗c m o sj l ：艺，水减小静 态电流，提高转换效率。如美图国家半导体采用其“低电压低功耗c m o s7 1 1 艺”， 来减小静态电流，提高转换效率。改变传统的发展摸式，采用全新的没计办法， 全面顾及整个系统的用电要求，以智能型电源管理芯片管理系统的性能及助耗。 比如“动态供电”技术，即根据系统负载的变化，对供电做出相应调整，在不同状态 下把功率损耗减至最低。实现“动态供电”需要处理器与电源管理器件相卫：配合，延 长电池工作寿命。由于l d o 稳压器器件的功率转换效率相当低，使用已r 1 益减少， 丌关型稳压器器件转换效率高而得到广泛地使用。 二、减小器件的体积。减小器件的体积主要是进一步提高集成度，并采j | j 殳 先进的封装技术。如今封装技术的发展鼋点有三方面：封装越来越小，现存的封 装芯片已可基本接近裸片的大小：封装的厚度4 i 断减小：i 0 密度4 i 断抛如。 j i 、采用能有效抑制i 乜源噪卢的技术。这足 l ij r 关器件的l - 1 1 1 仃牛7 1 1 - 决定的， 线1 ， f 乜路在这方面仍彳j 自l 的优势。脱4 ：j l 立过采j l j i ，d 定频率i ：作j = l i ”内扩眨频谱 锋技术水解决j l ：父器件带水的噪f l , l 二收褂实质r e 的进腱。 i j q 、捉- 浙i u 源t ；州芯”，系统的棒合度，使系统榉体助毒e 减少。我们f ：仪嘤 他i u 源j ：刖芯片小身的j 力i e 降彳j 嫩低，i f i ji l j 还篮从i u 厂j 托1 “门烙个系统水考虑， 输j j ：l ，编雕的川步降j i ij 弘d c o c 心oj 外设计及稳定性分析 这样j 能没汁i l ：整体功耗最小的产i 。这对卜代消货i urj 托- i f 。尤为弧婴。以r 持移动，犯1 i l i 为例，盟示背光、c p u 、数宁肚带射频和j e 他部分对i 【i 能的消毒e 分圳 为5 0 、2 5 、1 5 和l o ，埘j 三婴部分1 2 j 背光和lc p uf u 路功毒e 优化成为行 i 也火键。i i j 。使川软、硬件协同电源管理和商集成度丌火稳j k l 乜源等技术水挺：。矗f u 源铃耻：醛j | ! j 系统的整合度，优化系统的供电方案。 j i 、j i ：发能够满足多方面需求的单片解决方案。这样不仪町以减少i c 数：i ， 还l 叮以省上川- j ：对这蝗i c 提供支持的分立组件。从i 叮降低，她晶成本，减小j 托| l l f 。体 干j 。例如为了克服f 乜衙泵 乜路吲有的缺陷，将电倚泉和l d o 稳堰器结合起水，利 川这种结构f 1 丁以得剑任意的输出电压，而且降低了输h 噪声。包含d c d cy t 脏转 换器和l d o 稳j j i 器的单片器件。将升压型d c d c 转换器与l d o 相i 结合町实现眄 个功能，i ! i j 低噪声升压和高效率的升降i 噩。 l 乜源及电源管理i c 的某些应用市场颅计在未来5 年内将以1 6 1 9 的速率增 长。电源管理芯片厂。商与整机厂商及相关供应商必须密切配合，丌发效率史高、 体积更小、更高集成度的解决方案，才能应对新的挑战。总而言之，f 乜源管理技 术的发展依赖于先进的工艺技术、合理的电路设计以及不断改进的封装技术。更 小体积、更多功能、更高性能电源模块的实现将会给便携应用市场带来新的发展 契机，会给人们带来更多功能强大、高效、操作简便的各类电子产品。 1 2 开关稳压电源概述 近几十年来，随着电子技术的发展，丌关稳压电源发展非常迅速，以其效率 高而被广泛的应用于消费电子类产品1 2 7 2 8 2 9 1 。丌关稳压电源是将输出信号采样 后，经过变换，去控制与负载串联或并联的j 1 ：关的导通与截至，而后利j | ji 乜感储 能元件将脉冲电流转换为负载中连续的稳定电流。丌关稳址电源中的阋箍管被：_ 作一个控制j l ：关，要么工作在截止状态，要么工作在饱和状念，利j f j 其导通时问 的长短，从而改变平均电流的大小，以起到稳定输出电压的作用。 丌关稳压电源可分为a c d c 和d c d c 两大类d c d c 转换器现已实现模块 化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可， 但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技 术和工艺制造问题。因本论文主要研究d c d c 转换器，以下我们仪对d c d c 转 换器进行分类及特性描述。( 下文中如无特别说明丌关稳压电源均指d c d c 转换 器) + 、j ：火稳胍r 乜源的分类 l 、核j ! ( j i ：火 气叫输入i u 坻的连接力式。d c d c 转换器l 叮分为j | ：驳和j i ：联j i = 眄干l | i 。 j l ：火 ：输入i 【! 源i u 爪小接的称为：l ：联燃4 ：换器，j i ：火l _ 输入i u 源i 【i 几j i ：拨的 第驻绪论 称为爿：联型转换器。例如：降j j ij 2 j 、f l 降型d c d c 心j ：i ：联j = i ：，b o o s t 型、s e p i c 燃d c d c 幅j 二3 t ：联式。 2 、根捌输i j f 也瓜j 输入l 乜j l i 的火系义r i 】分为降j i ( ? 弘( b u c kc o n v e r t e r ) 、1 1 胍 ? i ! ( b o o s tc o n v e r t e r ) 、升降型( b u c k b o o s tc o n v e r t e r ) 。 3 、袱扒控制办式，d c d c 转换器i 叮以分为脉冲宽度调制( i ) w m ) 和脉7 l i i 频j 红i j i i j ；l j i j ( p f m ) 。 4 、根抛输入 乜路和输 ：i u 路之1 1 j 的天系，d c d c 转换； ： i - j 。以分为轧离j = i = 转 换器和隔离武转换器。非隔离j 转换器一i ：作时输入i 乜源和输f 【j 负载j 匕仃个i 【l 流 通路，町分为降压型转换器、y t 瓜型转换器、升降型转换器嗣i 负瓜掣转换器。隔 离式转换器靠棚互耦合的磁性厄f t 二( 变，压器) 实现能：l 转换，i 【l 源负找的连接通过 磁通量f f i j t 是共同的电流实现，楸抛转换器f l 三路的拓扑结构，义i - ，分为簟端反激 转换器、单端正激转换器、推挽式转换器、半桥式转换器和全桥式转换器。 上面我们列举了几类分类方式，实际上按照不同的标准对，i ：关稳握i u 源| i j 进 行更多的分类，在此就不一一列举了。 t 、丌关稳压电源的特点 l 、效率商、功耗小：它的：】= 作效率要比线性稳压 乜源的效率婴- 哥。j i ：火稳挑 电源的调整管工作在丌关状态，当导通时，压降接近于零：当f l 戋j l - i i , t ，通过的i 乜 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i 1 4 4 , ，通 常效率可达8 0 以上，而与稳压器的输入、输出电压之差綦本上没_ 彳j 关系。而在 线性稳压电源中，当稳压器的输入、输出电压差值增加时，效率随之下降。 2 、输出电压变化范围很广：输出电压既可以比输入电压低，也可以比输入 乜 压高，还可以改变电压的极性。 3 、所需的外围器件尺寸小：随着开关频率越做越高，对于棚问的输：j j 纹波， 它所需要的外部元件的值越来越小，即外围器件尺寸越小，从而节约了p c b 空f j 。 4 、安全可靠：在丌关稳压电源中设有自动保护电路。当负载短路或过压时町 自动切断电源。 三、开关稳压电源的一些指标 l 、输入电压可调范围：芯片的工作电址范围。 2 、输出电压可调范围：是指在保证电压稳定的精度条件下，由外部呵调整的 输出电压范围。 3 、输出电j 天线性调整率：反映了输出电l & 随输入电压变化所变化的疋敏袢度。 它定义为舀：负载f 乜流，环境礼 度保扑4 i 变的条件卜，输入l u 爪变化a v ，此，j l 发输出q - lj i ( 产，| ia v 删的，变化髓。j e 公式农乃为 s 一盘- o o ( 1 _ ， 4 输i 叮编w 的步降j i ij 弘i ) c i ) c 心1 1 ”设计及稳定性分析 4 、输：l ；i 乜j i i 负载调整率：反映了输；【| ，f 乜胍对j ：负载i u 流的变化i f j 俅仆小，叟的 调整能力。负载调整率定义为 驴芒艺川毗m 2 ， 5 、静念f 乜流： 1 ) 、关断电流：指j 笛片处于关断状念时整个芯片所消耗的i 乜流。 2 ) 、彳_ i 源静态i u 流：即我们通常所指的：签片i r 常1 i 作时的静念l u 流，即时 地 ；脚l 乜流，赴指d c d c 转换器输入输 l ：之i h j 的f u 流篪： j f d 2 j f ，一i o( 1 3 ) 在d c d c 转换器中，静念电流就是电路的总偏臀电流，静态电流越人，静态 功耗就越人，电路的工作效率也就越低。因此降低静态电流对提高转换器的i ：作 效率来说是很重要的。 3 ) 、休眠时静态电流：一般指芯片在突发工作方式下，当芯片进入休毗时 整个芯片所消耗的电流。 6 、效率：是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。 线性稳压器效率= 慕苌蔫盎篇。 c t 4 ， 凶此，输入输出压差越低、静念电流( 输入电流和输出r 乜流之差) 越低j 1 ：关稳 压器的 ：作效率就越高，可高达9 5 以上。 7 、输出电压纹波：是在输出端呈现的输入频率及丌关变换频率m 步的分量， 用峰峰值表示，一般为输出电压的0 5 以内。对d c d c 转换器来说，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。 8 、最大输出电流：是芯片的最大带负载的能力。 还有一些其他的附属功能指标，例如过、欠压保护，过温保护等，这晕就不 一一介绍。 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“ l l 源僻理类集成l 乜路关键技术理论研究j i 殳计”，1 - ：婴研究d c d c 转换器的设计与实现。 、论义的j j 婴1 = _ f l 论艾结合? t i ) f r k il l 和1 1 1 今i 乜源管理的发腱趋辨，设汁了款输m l u j k i l j 动念 编氍的i ：打效：笨降抓型d c d c 转换器x d 2 0 1 8 。它l i 婴j 澎川j ：w c d m a r 机助放、 第誓绪论 尢线凋制解调器等便携l 乜j - j 虹，1 f i 心川i i i 。输：i ；j l 三l l i 呵动念编私为0 3 v 3 5 v 。q 1 v ，i j j i 3 6 v 时，内i i f i j 旁路p 箭把v o u - i 川v i n “接帆j 迮，避免了i 【l 感造成n 勺助j i 。 灶；i s 0p w mj _ f l ；模式使v o u rr , r x 1 输入做f l ：伙速反应。2 5 v 命5 v 的输入i u 爪范 使得x d 2 0 1 8 非常适合单节锂离。j - i 乜池供i u 的应用。1 0 0 的io i 空比提供了低坻降 运行，在关断模式。f f j 电电流呵降剑l u a 以f ，延长了i 包池4 ：便携系统一 i 的使川 辱命。 论文还结合x d 2 0 1 8 的设i = 1 详细介绍了b u c k 型d c d c 系统的稳定性哎汁：论 文针又, j d c d c 助率级电路的非线性特性，利j f j 乜路- t 均法”实现线性化以指导稳 定性分析；对x d 2 0 18 的两个控制环路稳定性作出细致分析，介宝f j 了l 也流环斜坡补 偿的基本原理、提出了分段线性斜坡补偿的电路设计思想：结合m a t l a b 软什实现了 i 乜压环频域特性仿真验证，从而验证了x d 2 0 1 8 系统级设计方案的i j j i ? f l - 。 ：二、章肖安排 论文共分血章。第一章是绪论，介绍了电源管理技术的发展概况和趋辨，以 及丌关稳压电源种类、特点和指标。第二章介绍了b u c k 型d c d c 的雎小：f 作原 理，以及稳念下的小信号分析。第三章提出了x d 2 0 1 8 的设计要求，给i i j 了系统 的控制方案及系统的设计。接着基于x d 2 0 18 的稳定性设计，进行了f 乜流环和电 压环的稳定性分析和验证。第四章详细论述了主要模块的设计、分析，并给h ：了 仿真结果。第五章对电路的整体进行仿真验证，给出了整体仿真结果。 6 输i u i j 编氍的步降j 1 i ，弘1 ) c 1 ) c 芯j i i 改计及稳定性分析 第二章b u c k 型d c d c 转换器的理论分析 小啦汁允介缁了b u c k 型d c d c 转换器的坫小! i ：作| | ；! ：然后# qj i l l u 路、i ， 均法l i 的l o ，1 何1 1 器件模型法对b u c k 型d c d c 转换器的功率级l 也路进f j ：线r t 化 得剑了稳念卜的小信号模型，并借助小信弓模魁推导出了在两和l , - t ：f l 模式卜的l i 伞比剑输i l j 的传递函数，从而为我们后曲进彳：i ：的稳定性分析提供了鲤! 论指导。 2 1b u c k 型d c d c 转换器的基本工作原理 b u c k 型d c d c 转换器是一种非隔离式的功率级拓扑结构，它应j f j t l i b j 。 泛。通常也称之为降压型功率级。当我们选择该结构时，是为了获得低于输入l u 压的输出电压。 图2 1 是b u c k 型d c d c 转换器的拓扑结构，它主要由电感l 、电容c 、p 沟道的m o s 场效应管m i 、二极管c r l 和负载电阻r 构成。其中r l 和r c 分别 为电感l 和l 乜容c 的等效串联电阻。电感l 和f 乜容c 构成了输出滤波f 乜路。王 个端l - j 分别也为a 、p 、c 。i a 表示流进端口a 的电流，i c 表示流出端口c 的乜流， 很明显电感电流i l = i c ，在后面的分析中我们还将会用到以这三个端口为下标米表 示我们需要的电压和电流。 主丌关管m 1 如果采用n m o s 则在导通f 乜阻相同的情况下比采用 p m o s 减小面积，但会使控制电路复 杂性增加( 需要引入自举电路以进行 电平位移，使得主丌关管的驱动电平 能够高于电源电压来驱动n m o s v l 埸 r 幽2 ib u c k 喇d c d c 转换器的拓扑结构 管) ，重要的足，自举电容的引入会增加芯j ： 外围元件，使用成本人火增加，显然 不会被用户接受。 主丌关管m i 采用p m o s ，这样可以简化控制电路，但是为达到相同的导通 电阻i 会使调整管的面积增加到为采取n m o s 管的2 倍。综合考虑，我们一般采用 p m o s 来实现主丌关管。 l ir j ：，j l ：关管在每个周期的部分时问导通，所以输入电流不连续，化足输 jl 也 流j 足i 【i 感雨l l u 容共n 日供i 乜，所以输出电流连续。舀川i 常：】：作时，驱动i 乜路控 制m l 反复导通l 天断，这个反复的j i ：火动作n ：m l 、c r i 雨il 之州，髓乍。系列 的i i , k ? l , 然后通过l 、c 的输出滤波i 也路形成“流输f 【l j i iv o 。 根捌i 也感u 流的情7 兄，b u c k 型d c d c 转换器的l ：作模式i l j 以分为近乡史 第一l 。o t t b u c k ，觯d c d cj ：换器的雕沦分析 皆通模式( c c m ) 和非连续导通模式( d c m ) 。顾名心义，所谢连续甘通，就址4 ：糕 个丌关剧期内，电感电流始终犬j 零；反之则认为转换器i ：作j ：1 i 连续导迎 ：；j f 式 卜。 f 【f i i 我们对b u c k 型d c d c 转换器的两种1 l f t 模式分别进ij ：蜕i p j 用1 分析， 以便于我们进行系统设计。 下匝i 对其工作原理进i j ：简单的拙述。 一、连续导通模式( c c m ) 征j l ：作过程中，b u c k 型 d c d c 转换器的每一个j l ：火周 期i 叮概括为两个阶段。m l 导通， c r l 截止为主j i ：关管的导通( o n ) 。 阶段；m i 截止，c r i 导通为主 丌关管的关断( o f f ) 阶段，图2 2 和图2 3 分别为m i 导通和m i 关断时的等效电路。m i 的导通 时日j 为t o n = d x t s ，d 是占空比， 由控制电路设定，表示为丌关导 、， 通时臼j 与整个丌关周期t s 之比。 m l 的关断时问为t o f f ，由于在 连续模式下，每个丌关周期只包 含两个阶段，所以t o f f = ( 1 一 l 鳘l2 2 开关管m i 导通时的等效i b 路 v t ， r _ 一 v d 、r l 三 r 二 l 图 开笑管m i 截的等效l u 路 。这些时间与波形一起表 示在图2 4 中。 其工作过程为：当驱动电路的控制脉冲使主丌关管导通之后，c 丌始充 电，输出电压v o 加到负载r 两端，在c 充电过程中，电感l 内的f l 三流逐渐增加， 存储的磁场能量也逐渐增加。此时，续流二极管因反向偏置而截止。经 过t o n 时问以后，控制信号使截止，l 中的电流减小，l 两端产生的感应电 势使导通，l 中存储的磁场能量便通过续流二极管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。经过时玎jb r 后，控制脉冲信号 义使m l 导通，上述过程重复发! e 。 在导通阶段，m l 可用一个它的源漏m 的低i ；j l 抗农，j ：，4 ：它曲端仃4 个爪降v i 掩= i j x r s i ) 【，i l l 。在电感的l 。流嘲【抗两端也仃一个等j ： i 的小的抓降。 这样，输入i 乜j & l 减去损火( v m + i i r 1 ) 被i u 感l 的序侧。 4 ：这段时1 1 i j 内，1 人j 为反阳偏霄丽截 。 感彳朋褂剑的l i 【! i j 输j l ：l i 。，。u 感i u 流i i 输入ll ! 源流入，经过m l 流剑输l u 锌毋l ! f ! 【找i 【l l 门i 乜感婀，i ui i 址常数， 输i 叮编w 的步降爪j 诅i ) c d c 芯片敬汁及稳定性分析 等j ：v i - v s i ) - i j r r v ( ) 。i f i 儿，山。t ：施：l j i i 的i u 爪足。个常数，i 乜感i u 流线代增加， i 刘2 4 农乃：了征t ) ni t , k f j 内i 乜感乜流的这利增j j i l 过稚。 t 。n 十_ 卜t * r1 卜一t s 一- 图2 4 连续模式b u c k 删开天稳压器的波形 罩一 u l 童一 电感电流的增加量可以用一个常用的关系式来计算： 吮= 等j = 争r ( 2 1 ) 折 l rv 导通阶段电感电流的增加量为 ( + ) ：盟当考必( 2 - 2 ) 这单l “+ ) 就是电感纹波电流。 参照图2 3 ，当m l 截止时，a 和c 之问相当于断路，山十r 乜感电流4 i 能突变， 二极管c r i 便会证向导通进行续流。由于电感电流的减小，电感两端的电压极性 改变，电感左侧的电压变为- ( v d + i l x r l ) ，v d 是二极管c r i 的订：向导通k 降。r i 三感 右侧的电压仍是输出电压v o ，电感电流i l 从地流经c r i ，流到输出电容和负载i 乜 阻。在o f f 状态下，电感两端电压的数值为常数，等于( v o + v d + l l x r l ) 。仍采用相 同极性，这个电压是负的( 或与o n 状态下的电压极性相反) 。由于电感两端电压基 本是一个常数，电感电流线性减小。图2 4 分析了在关断阶段电感电流的这种减小。 电感电流在关断阶段的减小量由下式给出： ，( 一) ：坠盟掣k ( 2 - 3 ) 这个艟“) 也叫做电感纹波电流。 、 i b u c k 转换器 急定一f ：作时，f u 感i u 流4 ：导通阶段的增j j l i ：l ；= i l ，( + ) 和l 火断阶段 的减小：i ：= i l ( ) 必须十l i 等。r i 则，i 乜感i u 流会随彳7 川j n j 的撕环小断7 争增k 或7 争减小， n “ 一一 一衲 ” 髓缎 褓赫 实虚 线线实虚 第：龋b u c kj 弘d c d c 车换： ： 的理论分析 这就小是稳定状念了。因此，l 叮以令这两个等式甜l 等，求v 。，从i i j 褂剑连续模 式f b u c k 型d c d c 转换器i 乜爪转换的天系。 求解v o ，得到 屹，= ( 以一_ “彘一肜，彘一，尺， ( 2 4 ) j i j t s 代符t 抵+ t ( ) f f ，并h 运i i j d = t ( ) n t s 4 r j i ( i d ) = t t 州厂r s ，徘剑稳态卜v ( ) 的农达j = ： 圪，= ( 一0 ，) d 一屹x ( 1 一d ) 一， r ( 2 5 ) 应1 j 伏一秒 ，衡原理也町得出i 川样的结论。 在d c d c 系统中伏一秒平衡原理( v o l t s s e c o n db a l a n c e ) 足“个f 6 1 重婴的概念。 f 乜感上施加的伏一秒等于电感f ：的1 t 3 ；_ l z l j i f j ；j j 的乘积，可j l _ jf 式表匀：这历洲! ： u ( t ) d t = g a l ( t )( 2 6 ) 山d c d c 系统处于稳定状态下的电感电流波形可知，一个周期内电感电流的增 加量为o ，结合式( 2 - 6 ) 可得：在一个完整的周期内，加在电感两端的半均i 乜瓜等 于o 。这意味着施加的伏一秒等于释放的伏一秒，对于理想的无损耗转换器来 兑， 输入的能量必须等于输出的能量。 以上分析用到了以下两个假设： 1 ) 输出电容被假设为足够大以至于它上面的电压变化町以被忽略，即 匕容l 二 的电压是恒定的。 2 ) 电容的e s r 上的电压也假设为可忽略的。这些假设确保了输出【三j j i 足恒定 不变的，不存在交流纹波，从而简化了分析。我们所做的假设是有根据的，因为 设计保证了纹波电压远远小于输出电压的直流分量。 上面关于v o 的表达式说明可以通过调节占空比d 来调节v o ，并且山f d 介f o 和1 2 _ 问，v o 总是小于输入电压，所以这种转换器称为降压型( b u c k ) d c d c 转换 器。 通常假设v s d ，v d 和r l 足够小可以忽略，则上面的式子( 2 5 ) 可以简化为： = 以xd( 2 - 7 ) 我们还需推导出电感电流和输出平均电流之f l 帕，j 联系。参照图2 2 和图2 - 3 ，门： 意到在整个丌关周期内，电感同时给输出电容和负载电阻提供电流，i l | 一j ：输出i u 容的平均电流为o ，所以电感电流的平均值等于输出电流，即 ，1 ，| 曜l = ， ( 2 8 ) j z i f l l 我们红推导b u c k 型d c d c 转换器的输, l u i i v ) 的农j 厶式寸我f i j 忽略 t v ( ) 的交流纹波f 乜压，f f f i i 我们就米推导输 l ：交流纹波i u 爪恤，从i f i 件川 降低纹 波il ! j i i 的办法。我们i 殳v m ，v d 和l r i ，为0 ，以简化汁竹。 l i i 输 i jl 叮编“的步降爪j 弘i ) c 1 ) 【= 芯”设计及稳定性分析 i isj ：i u 窬的允放l 乜，输出电压会彳j 纹波分溘。羔1 , i z 感i 【l 流人。j ：输：l ；l 【i 流时， i 乜铎被允i u ；当i 乜感电流小于输出电流时，f 乜容对负载放i 乜。一个丌火川j n j 内， l 乜容j g i 存储的i 乜衙变化量a q 为 a q ：一i 盟墨( 2 - 9 ) 222 j s a q = c a v o 代入上式，再结合式( 2 3 ) ，得纹波电j 丘计算式 毗= 訾( 2 - i o ) 将t o f f = ( 1 一d ) t ，；，_ ，= d ，y s - - l ft i 个式r 代入【- a ：，消上d 褂 叱= 南( - 鲁) 口 式( 2 11 ) 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间的关系。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称反比，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、不连续导通模式( d c m ) 在轻负载的应用下，系统进入不连续导通模式，其电感l 乜流如i 纠2 5 所匀。 它j 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h j 。一i - i i l i 我们 对巧i 连续导通模式进行分析，依然设v s o ，v d 和r l 为0 ，以简化计算。 l m i 一 实绒表示i l 虚线表另t i o h _ 一t s 一 例2 5 f i 连续模式i - b u c kj 弘j l ：火稳爪器的输波形 一 u l j 化l ：作过袱i i f ，b u c k 型d c d c 转换器f 门j i ：火川j l | j i i j 。分为i 个阶段。m i 学 j 卜叫 第一：章b u c k 刚d c d c 转换器的州沦分析 通，c r i 截止为 - ：j i ：火黔i i 的导通( o n ) 阶段：m l 截i i ：，c r i 廿迎为1 ij l ：火j ：的火 断( o f f ) 阶段：m 1 嗣jc r i 均截i i ：阶段为i d l e 阶段。l j i 两个阶段连续导通模 种i 川，j j 是t o f r ( 1 一d ) x t s 。j e 导通时问仍然为t o n = d x t s ，父断i i f1 1 i j 为 t ( 胛= d 2 x t s i d l e 时i 廿j 是j i ：关心j 0 j 莱e j 余的部分，i j j 农力为t s t 【) n t ( ) i i f d 3 x t s ， j l ：要信号波形如图2 5 所示。 其：l = 作过程为，当驱动电路的控制脉冲使主丌天管m l 导通之后，i u 弈cj l ： 始允i 乜，输出l 乜压v o 加剑负载r 两端，在c 充f 乜过程l ，i u 感l 内的i u 流从零 j r 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：极管c r i1 人l 反向偏置而截止。经过t o n 时| h j 以后，控制信号使m 1 截止，ll l 的i u 流减小，l 两端产生的感应电势使二极管c r l 导通，l 中存储的磁场能醚便通过续流：极l ； c r i 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l 乜。i l f 经 过时问k f 后，电感中的电流减d , 至- q 零，电感中没有能量的红储，这时完个稚i 【l 容c 对负载放电。此时，续流二极管d 因反向偏置而截止，故i 乜感一i - 不会i i i 现反 向电流。在经过i d l e 时间后，控制脉冲信号又重新使丌关导通，上述过甲矗匝复 发生。 在主丌关管的导通阶段电感电流的增加量如下： ( + ) - 毕：毕d 疋：，w ( 2 - 1 2 ) 纹波电流i “+ ) 也就是电感的峰值电流i p k ，因为在不连续模式下，每个周期i 乜感电 流都从0 丌始。 丌关管关断时，电感电流的减小量为： 蚍- ) - 孚 ( 2 1 3 ) 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仆d 。我们 式( 2 1 2 ) 释1 ( 2 1 3 ) 可求得v o 为： = _ 瓦t o n= 巧面d 现在计算输出电流，即电感电流在整个周期的平均值。 护l 删= 鲁= 1 2 1 , k 华 将式( 2 1 2 ) 代入( 2 1 5 ) 可得： 小鲁州叱) 酱邶+ d 2 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 1 2 输f l j 可编雅的n 习步降j k 啦i ) c i ) c 心ho 盯! 设计及稳定f l - 多) - 析 = _ l + 2 ( 2 1 7 ) 我们从父系式( 2 7 ) 和( 2 1 7 ) 可以看出连续导通模式与不连续导通模- 【i = 的l 乜爪转换