（微电子学与固体电子学专业论文）智能高频多相dcdc数字控制芯片的研究与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，数字电源管理作为一个新的发展方向吸引了很多关注。无论是拓扑、算 法的研究，还是芯片、系统的设计都吸引了众多世界知名高校和厂商。由于功耗问题， 低压太电流应用是其切入点。如何面对低压大电流领域的应用所带来的挑战、如何充 分发挥数字电源的优势，是本文要研究和探讨的内容。 本文首先系统的介绍了数字电源管理的优势以及将其应用在低压大电流d c d c 领域所面临的挑战。在对垄相同步整逾里q 咝拓盐雌攥、仿真和元件选取进行扼要 的探讨之后，分别研究了采用电压控制算法的系统架构和算法的设计以及：独创新龅一 无需电流采样_ 的塞理创p 力能的丕纺袈g 和算 毒墨梦接着，详细讨论基于以上两种 算法的芯片设计，并最终给出f p g a 验证和芯片测试结果。 ；l t ；o p ，采用电匡搀制算法的垄上哟圭要性能包括：四相p w i v l 信号输出，每相p w m 信号的开关频率达i m h z ；将输入1 2 v 电压变换到输出1 i - i 8 5 v ，具体输出由5 - b “ 控制码( v i d 码) 决定，步长达到2 5 m v b i t ；嚣统的设置点误差奎王工5 烈，输出纹 遮型：王j 0 l v ；系统启动时间小j 己l o m s | 另款芯片的特点包括：；黾用创新的无需采样电流实现一叁陵舯尊婵递三- 四相 p w m 信号输出，每相开关频率可通一虽高述：m h ! l 带有，_ 通信苍线二可以实现建 制算法。莶丘工l 乍盐态互统程塑些趔；将输 1 2 v 电压变换到输出0 - - ! 6 v ，具体输出 由堡i 癣控制码姗四) 决定，步长达到! ：! ! 型璺坐! 系统的设置点误差坐塑一0 m y 一, 每世纹波小于l o m 屹系统启动时间小于l m s 。 以上这些测试结果说明了设计流程和方法的正确性。最后，文章结合研究中的经 验，体会给出总结和展望 关键词：数字电源管理芯片，d c d c ，同步整流b u c k ，电压模式控制，电流 采样，a v p 中图分类号：t n 4 3 2 a b s t r a c t r e c e n t l y , d i 百t a lp o w e rm a n a g e m e n th a sb e c o m ean o w o r i e n ti np o w e ra r e 扎t h e r ea r e m a n yr e s e a r c hg r o u p sf r o mu n i v e r s i t ya n dc o m p a n yj o i ni n t os u c hs t i r r i n gr e s e a r c h c o m p e t i t i o a t h e ya f o c u so nt o p o l o g y , a l g o r i t h m sd e s i g n , c o n t r o l l e ri m p l e m e n t a t i o no r p o w e rs y s t e m sd e s i g n , r e s p e c t i v e l y w h a t e v e r , f o rt h es a k eo fp o w e ri s s u e ，t h el o wv o l t a g e h i g hc u r r e n ta p p l i c a t i o n sa 托v e r ys u i tf o ra p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lp o w e rm a n a g e m e n t h o wt of a c et h ec h a l l e n g e sf r o ml o wv o l t a g eh i g hc u r r e n ta p p l i c a t i o n sa n dh o wt om a k ef u l l u s et h ea d v a n t a g e so f t h ed i g i t a lp o w e rm a n a g e m e n ta 托t h ef o c u s e so f t h ew o r k t h ea d v a n t a g e so ft h ed i g i t a lp o w e rm a n a g e m e n ta n dt h ec h a l l e n g e sf r o ml o wv o l t a g e h i g hc u r r e n ta p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e df i r s t t h e n , t h et o p o l o g ym o d e la n ds i m u l a t i o ni s i n t r o d u c e d , t h es e l e c t i n go ft h ed e v i c ei sa l s om e n t i o n e d a f t e rt h a t , t w ok i n d so fc o n t r o l m e t h o da r ep r e s e n t e d o n ei su s m gv o l t a g ec o n 仃o lm o d ea n da n o t h e ri su s i n gan o v e l c o n l t o lm e t h o d , w h i c ho a na c h i e v ea v pw i t h o u ts e n s i n ga n yc u r r e n t t w oi c sr e a l i z et h o s e c o n t r o lm e t h o d sr e s p e c t i v e l ya 托p r e s e n t e di nd e t a i l t h ev o l t a g em o d ec o n 仃o l l e ri ch a sf o u rp h a s e sp w mo u t p u t , t h ef r e q u e n c yo fe a c h p h a s ec a na c h i e v ei m h z t h es y s t e mu s i n gt h ec h i pc a nt r a n s l a t e1 2 vi n p u tv o l t a g et o 1 1 1 8 5 v t h ea c t u a lo u t p mi sc o n t r o l l e db ya5 - b i tv i i ) 、v i t l l2 5 m v b i t t h es e t - p o i n te r r o r o f t h es y s t e mi sl e s st h a n1 5 m v t h er i p p l eo f t h eo u t p u tv o l t a g ei sl e s st h a nl o m va n dt h e s t a r t - u pt i m ei sl e s st h a nl o m s t h eo t h e rc h i pu s i n gan o v e lc o n t r o la r c h i t e c t u r ew h i c hn e v e ru s ea n yl o a dc u r r e n t i n f o r m a t i o nt oa c h i e v ea v ei ta l s oh a sf o u rp w mo u t p u t , t h ep r o g r a n u n a b l ef i e q u e n c yo f e a c ho n ec a nu pt o2 m h z a n1 2 cb u si su s e dt op r o g r a ma n dm o n i t o rt h ec o n 仰o la l g o d t h r u s a n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n t h es y s t e mu s i n gt h ec h i pc a nt r a n s l a t e1 2 vi n p u tv o l t a g et o 0 - - i 6 v , t h ea c t u a lo u t p u ti sc o n t r o l l e db ya8 - b i tv i d w i t h6 2 5 m v b i t t h es e t - p o i n te t r o r o f t h es y s t e mi sl e s st h a nd = l o m v t h er i p p l eo f t h eo u t p u tv o l t a g ei sl e s st h a nl o m v a n dt h e s t a r t - u pt i m ei sl e s st h a ni m s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oi c sw o r kw e l la n da p p r o v et h a tt h ew h o l ed e s i g n m e t h o d sa 豫r i g h t a tl a s t , t h es u m m a r ya n dt h ef u r t h e rw o r ka r cg i v 钆 k e y w o r d s ：d i g n a lp o w e rm a n a g e m e n ti c ，d c d c ，s y n c h r o n o u sb u c k , v o l t a g ec o n t r o l m o d e ，c u r r e n ts e n s i n g , a v p c l cn u m b e r ：t n 4 3 2 论文独创性声明 本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论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名：豆丞! 鍪兰塞日期：至z 二! 二弓 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者鹚：阻导燧名：盈! l 魄塑掣篓 第1 章引言 第1 章引言 各种电源管理( 本文中出现的。电源管理”，均具有电源环路控制能力，并可能 包含诸如编程和监控的功能) 芯片充斥着当今世界的每一个角落。正如无法离开电能 一样，人们也同样无法离开转换和管理电能的灵魂角色一电源管理芯片。众多的应用 领域如消费电子、汽车电子、工业控制、通信网络、计算机等为全世界大大小小的厂 商提供了广大的市场和角逐空间。中国作为这个空间的重要一部分，吸引了诸如1 1 、 n s 、s t 、m a x i m 、i n t e r s i l 等欧美大厂，立镝、安贸、茂达等台湾厂家。中国的本土企 业如长运通、华润矽微等众多新兴公司也积极参与到这场竞争。 数字技术和模拟技术之争在最近几年蔓延到开关电源管理领域。普遍认为，数字 电源管理一些显著的优点在不少领域将有取代模拟电源管理的趋势。这个美好的预期 催生了诸如z i l k e rl a b s 、f y r e s t o r m 等新兴公司。一些传统大厂如s i l i c o nl a b 、 p r i m a r i o n 、i n t e r s i l 、t i 等也参加了这场竞赛此间，涌现出z l 2 0 0 5 、z l 2 1 0 5 、s i 8 2 5 0 、 p ) 【3 5 3 9 、p x 7 5 1 0 、i s l 6 5 9 2 、i s l 6 5 8 0 、u c d 9 k 等出色的数字电源管理芯片。 同时，数字电源得到了众多大学研究机构的重视。从最近几年的i e e e a p e c 会议 目录上可以看到，科罗拉多大学、加州大学贝克利分校等知名大学一直做着这方面的 工作【1 - 1 9 。 到目前为止，国内在数字电源方面的研究还没有成气候。可以检索到的主要文章 还不多，基本没有成熟的系统级应用 2 0 - 2 2 1 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室从2 0 0 3 年左右开始对数字电源管 理芯片的设计进行了跟踪，在控制算法与架构设计、芯片单元电路设计以及系统测试 等方面积累了不少经验 2 3 - 2 9 。本文介绍本人攻读硕士学位期间的学习和研究成果，希 望能提供读者有意义的信息，不断推进这方面的研究。 本章着重介绍数字电源管理的概念和特点、低压大电流应用对d c - d c 控制器设 计带来的挑战以及应对措施。本章最后介绍本文的主要研究内容和文章组织结构。 1 1 电源管理的新方法一采用数字控制技术 一直以来，开关电源管理领域一直使用的是模拟控制器。直到现在，这种控制器 仍然占据着市场的主导地位低功耗、低成本、小尺寸、高性能、高整合是其发展趋 势。图1 1 为采用模拟电源管理芯片的系统架构，主要由两部分组成，一二部分为塞雾 功率变换的功率级，另一部分为实现对功率变换进行搀制的皇谬芎垩! i 辨模拟电源 管理芯片的特点是补偿回路一般需要外接分立元件进行调节，这样，分立元件的参数 偏移必将影响控制回路的精度，同时外接元件需要更多的引脚。另外，每一种模拟电 第l 章引言 源管理芯片只能面向一种变换应用。 图1 1 模拟电源管理i c 应用基本架构 如果采用数字控制技术，那么图1 1 的架构将变为图1 2 ，由于芯片内部全部是数 字信号，所以很方便的加上通信接口。这种方式有几个显著的优点：( 1 ) 简洁性不 需要外接分立元件来调整算法，一方面降低对分立元件参数的敏感性，另一方面减少 了芯片引脚；( 2 ) 通用性。如果需要，控制算法可以通过相应接口进行编程调节，这 样面对不同的应用，不像模拟控制器那样需要再设计对应的控制芯片；( 3 ) 监控性。 如果需要，可以加上开关机时序控制、电流，电压监视这些电源管理功能；( 4 ) 灵活 性。可以通过编程实现非线性控制、设定电压，电流保护的域值等功能；( 5 ) 复用性 从芯片设计角度考虑，采用硬件描述语言就可以完成核心电路的设计，大大加快了开 发周期，同时具有很好的复用性。 图1 2 数字电源管理i c 应用基本架构 虽然数字技术相对模拟技术拥有这些独特的特点，但星基内部无法避免煦置垩一 叁d q 电路以及 = 定精度的数量p w m 旦里：必2 皇墅：因此在一些低功耗领域的优势 仍然不明显但是，单芯片的模拟电路往往无法实现和数字电源管理一样复杂的监控 2 第l 章引言 和管理功能。因此，数字电源管理芯片的发展，方面在于低功耗架构的设计以增加 在效率敏感领域的应用；另一方面在于在单芩片土实现更多的附加功能l 晦低蓼纺设 计的尺寸和成查。此外，面向实际应用的数字电源管理芯片还应该提供自动化的算法 设计和下载软件，简化应用难度，避免用户的学习和设计成本。 相信不久的将来，更成熟的，无法替代性的数字电源管理芯片的出现必将成为电 源管理市场的一只奇葩。 1 2 低压大电流应用对d c d c 控制器设计带来的挑战与应对措施 在整个电源管理集成电路市场发展的背景下，低电压大电流d c - - d c 控制电路作为 一种重要的电源管理集成电路，同样保持了高速增长，尤其是随着个人电脑、服务器、 笔记本电脑、通信系统、数据网络等市场以及各种高端a s i c 应用场合的不断扩大， 未来前景看好。 在过去的四十多年里，摩尔定律成功的指出了芯片规模的发展方向。以最先进的 i n t e lc p u 为例，其规模达到十亿晶体管，预期到2 0 1 5 年，这个数目将超过百亿，如 图1 3 所示。毫无疑问，更多的晶体管数目带来了更高的芯片性能。但同时也对芯片 的电源管理带来了很多的挑战。具体表现在： ( 1 ) 晶体管数目的巨增，使芯片工作电流增加。表现在通用微处理器、嵌 入式处理器，高端d s p 以及其他高端a s i c 芯片工作电流达到十安到百 安不等。据i n t e l 公司统计，每增加百分之一的性能需要同时增加百 分之三的功耗。预期2 0 1 0 年，i n t e lc p u 工作电流将高达1 5 0 a ； 留割媾i s 稿 喇。0 4 ：h 。毛 h r es 洲 嚣产秒 苎舅 ， r p 州_ - - 啊 爹 ， 岫0 1 h ” 一 嘲r 黟 夕 图1 3i n t e lc p u 发展与i o o r e 定律的关系 第l 章引言 ( 2 )为了实现低功耗，高端芯片纷纷采用d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 技术，即芯片的供电电压随着工作状态动态调整。比如，i n t e lc p u 供 电标准v r m 9 x ，v r d i o 1 和v r d l l 【3 0 - 3 2 】分别规定。输出电压由c p u 发 出的v i d ( v o l t a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 码控制，从1 1 v 到1 8 5 v ，从 0 8 3 7 5 v 到1 6 v 和从0 5 v 到1 6 v 可变，最小变化台阶分别为2 5 m v ， 1 2 5 m v 和6 2 5 m v ；同时，随着工艺的进步，芯片的供电电压随之降低， 比如，预计到2 0 1 0 年i n t e lc p u 工作电压将小于0 8 v 。如果此时输出 电压纹波过大，将可能会影响到芯片的正常工作： ( 3 )芯片工作速度的增加，不同进程之间的切换带来的电流变化率将巨增。 估计到2 0 1 0 年，i n t e lc p u 的电流变化率将达到大于1 2 0 a n s ； ( 4 ) 具有监视和控制能力。无论是传统的分布式电源架构还是新兴的中间 电压母线架构，都希望各个负载侧变换器的工作状态可以被监视或控 制。 基于以上这些挑战和要求，希望低电压大电流d c - - i ) c 电源管理模块拥有以下关键 技术： ( 1 ) 采用多相结构，从亟遗足太电流负载韵耍靶同时，各相流过的电流 应该均衡。比如，采用四相结构，每相流过3 0 a 的电流，将可以为1 2 0 a 的负载供电。采用多相结构的另= 坌好处是有效减小输出电压纹渡， 从而降低了对输出滤波电容和电感的大小要求，客观上降低了系统成 本和尺寸，小的滤波电感还可以提高瞬态响应速度，以适应高负载电 流变化率的要求。 ( 2 ) 塞抟旦监技本自出电压豇以由输厶的皿码控制。回吐县存4 站g 迢 置点误差( s e tp o i n te r r o r ) 。以支持芯片的低功耗设计。 ( 3 ) 支持a v p ( a d 纽t i v ev o l t a g ep o s i t i o n i n g ) 技术，提供好的动态特性 a v p 原理如图1 4 所示，图1 4 ( a ) 没有使用a v p 技术，在负载电流 发生突变时，输出电压会产生尖峰，为了保障负载性能不会下降或者 损坏，尖峰必须控制在v m a x 以及v m i n 范围以内，对于一些负载电流 很大的应用，比如v r d i o 1 标准要求负载电流变化达9 5 a 时，过冲小 于5 0 m v 。为了达到这个目标势必要求有足够多的高性能滤波电容，从 而造成成本和面积增大。图i 4 ( b ) 采用了_ a v p 技术，输出电压根据 负载电流大小在v m a x v m i n 范围内变化，而不像没有使用a v p 时，必 须控制尖峰在( v m a x v m i n ) 2 范围内，从而扩大了可以变化的范围， 减小了对输出电容的要求，降低了成本。 第1 章引言 ( 4 )带有监控用的通信总线。保证工作状态可以随时被总控制器读取，并 能随时接受总控制器的调度和控制。常用1 2 c 、s m b u s 、p m b u s 等总线来 实现这些操作。 0 5 ( v m a x - v m i n ) 0 5 ( w m o z - v m i n ) ( b ) 图1 4 1 ，p 原理 1 3 主要研究内容和论文结构 本文研究内容侧重应用于低压大功耗领域的数字电源管理集成电路的设计。具体 研究内容包括： 【1 ) 控制器架构和算法的设计包括：功率级的建模和仿真、电压控制方式的控 制算法设计、实现a v p 的控制架构和算法设计； 2 、控制器的架构设计以及a s i c 实现和验证包括：控制器架构设计、电路的 a s i c 设计与f p g a 验证。分别设计了p i d 电路、d p w m 电路、控制滤波器 电路、1 2 c 电路等数字电源管理芯片的核心模块，并对混合芯片的测试方法进 行了探讨； 3 、多相同步整流b u c k 系统的实现和芯片的测试。包括：功率级元器件的选取， 5 第1 章引言 功率级的电路设计和p c b 板设计以及两款芯片的测试 这些研究内容分别在以下两块芯片中体现即：应用于多相同步整流b u c k 、带有 d v s 功能、采用电压反馈控制的高频数字d c - d c 控制芯片( 下称芯片1 ) 以及应用 于多相同步整流b u c k 、带有d v s 功能，1 2 c 总线、可以切换于a v p 方式和非a v p 方式的高频数字d c - d c 控制芯片( 下称芯片2 ) 。 需要说明的是，芯片l 是集体智慧的结晶，该芯片中的a d c 电路以及最终版图 合并由郭健民同学设计、d p w m 电路由周熙同学设计、可编程基准由张科同学设计、 测试p c b 板由孔明同学设计，我完成该芯片的系统、算法设计、p i d 电路设计以及 f p g a 验证。并和孔明同学一起进行了芯片的系统级测试。文中不对其他同学设计的 电路做具体介绍，细节内容请参阅这些同学发表的文章。芯片2 从系统、算法、设计 到最终测试完全由作者负责完成。 文章的组织结构； 第一章为绪论介绍数字电源管理技术的特点、低压大电流应用对电源管理技术提 出的挑战明确了本课题的研究意义、研究目标。说明了文章的结构。 第二章介绍多相同步整流b u c k 的拓扑和建模方法并介绍元器件的选取其中， 对多相同步整流b u c k 的建模和仿真是全文的研究基础、元器件参数的选择将影响具 体的控制环路设计、效率以及成本。 第三章介绍控制架构与算法的设让。主要包括采用电压反馈的控制环路落谜丝及 无电流采样电路实现a v p 的控制架构和环路设计。控制环路和架构是电源管理芯片的 灵魂，本章介绍的两种控制架构分别在以后两章中加以实现。需要说明的是第二种架 构目前为止还没有人提出，因此具有创新意义。 第四章和第五章分别介绍对应两种算法的芯片实现和测试。其中，芯片l 为数模 混合信号集成电路，芯片2 为纯数字集成电路。实验的结果论证了本文设计方法的可 行性和正确性 第六章将给出全文的总结并对今后的工作进行必要的展望。最后是致谢和参考文 献 6 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 同步整流b u c k 拓扑广泛应用于低压大电流领域应用。其结构如图2 1 。同步整 流b u c k 拓扑相对于传统的采用续流二极管的b u c k 拓扑，使用p w md o w n 信号控 制的下拉m o s f e t 代替续流二极管，在大电流情况下的效率更高。同时传统b u c k 拓扑的续流二极管由于两端电压过高不适合低电压应用。采用同步整流b u c k 结构。 要求上拉管和下拉管不能同时导通，所以上拉管和下拉管的驱动p w n 信号间必须存 在一定的死区时间。 p 1 眦d o w n p 眦- u p i l o a d j 太+ 太 _ _ 一死区时间 图2 1 同步整流b u c k 拓扑结构以及死区时间 一般可以采用小纹波近似、电感电压秒平衡以及电容电荷平衡三个准则对电力电 子线路进行静态分析【3 3 l 。 对于控制器设计所关心的小信号模型，一般在静态模型的基础上添加小信号扰 动，然后进行线性化可以得到1 3 射 。 7 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 为了对控制器的设计进行系统级仿真，需要在相应的仿真软件中进行建模。建模 的准确性如何评价将是本节研究的内容。 功率级拓扑元器件的选择看似简单，却有很大的研究价值。这不仅关系到电路性 能和效率而且关系到系统的成本和尺寸 3 4 - 3 5 】。 在本章中，首先介绍多相同步整流b u c k 的拓扑架构的特点，再介绍该架构的建 模和m a t l a b s i m u l i n k l 3 6 下的建模仿真，最后简单介绍元件的选择。涉及本章各节内 容的专题研究论文很多，有兴趣的同学可以进行专门研究。 2 , 1 多相同步整流b u c k 的拓扑架构 太殴负载电流要求采用多桓堕缜梅塞互捞唯。对于n 相结构中，要求p w m 信号相 位相差3 6 0 0 n 。图2 2 是采用四相结构的b u c k 拓扑结构。如果电感允许流过的最大 直流电流为2 0 a ，那么四相一共可以提供8 0 a 的电流。 l , uu p 3 i - 啊n 3 l 一 图2 2 多相同步整流b u c k 拓扑结构 采用多相结构的另一个优点是逞商工输出堡鎏笪塑塾对于n 相结构，若开关频 率为那么最终的纹波频率为n x 。同时能在= 定的占空比范围内显著的减小纹波 在m a t l a b 中，对各相电流叠加情况进行分析。选取占空比为3 5 ，四相情况 下，忽略各相电感电流的直流值，电流纹波峰值和周期进行归一化处理。从图2 3 可 以看到，各相电流进行叠加，使纹波频率得到提高，为原来的四倍，同时，纹波有效 的减小到o 2 3 左右。这个特性可以减少输出电容数目降低系统成本 8 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 在t l a b 中，分别对两相、四相、五相和十相的纹波降低幅度与占空比进行 扫描分析，得到图2 4 。从图中可以看到，随着采用的相数不断增多，纹波减小幅度 并不是非常显著。同时要注意的是，当占空比很小或很大时，多相结构并不能有效地 降低纹波。因此在满足负载电流需求的前提下，盲目的增加相数只会带来系统成本和 功耗的增加这一点，对于本课题研究的低占空比情况尤为明显。 c u r r e n tr i p p l ew a v e f o r m 图2 3 电感电流纹波叠加关系 d u 妒c y c l e t ) 图2 4 多相纹波降低幅度和占空比的关系图 9 l置0pitt量宅占 i芒ct4l 可。翻。_鱼r，正 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 2 2 多相同步整流b u c k 的小信号建模 小信号建模的目的是分析系统的输入电压、负载电流或者占空比发生变化时系统 输出电压的相应反应，并确定如何进行有效的反馈使输出电压不受这些干扰的影响而 保持稳定。可以说，小信号建模是控制器设计的前提。 在小信号建模中，需要假设输出电压的开关纹波相对于占空比等变化引起的纹波 足够高，从而只考虑占空比等调整带来的输出变化最终，线性化的模型可以使用拉 普拉斯变换等线性系统分析工具来进行分析。 对单相b u c k 电路的小信号分析在参考文献p 3 1 中有详细的讲解，这里不再冗述。 图2 1 所示的单相b u c k 的小信号模型如图2 5 所示。图中，各个信号均表示小信号 ( 2 1 ) 为图2 5 中的各个传递函数。 其中，c r v d ( s ) 为输出电压到输入占空比的传递函数、z o ( s ) 为开环输出阻抗、c , v v ( s ) 为输出电压到输入电压的传递函数、g i d ( s ) 为电感电流到占空比的传递函数、g - i i ( s ) 为 电感电流到负载电流的传递函数、c a r ( s ) 为电感电流到输入电压的传递函数。 在本文后续的实际分析中，不考虑系统输入信号v i i l 的小信号变化。另外，由于 本文所有的控制架构均不需要采样电感电流，因此，相关的传递函数不会在后续分析 中出现 图2 5 单相b u c k 的小信号模型 l o 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 制( s ) ：胁_ 婴型一s c l + s c ( r l + ) + l 历0 ) ：s 2 r c 了c l + s ( l + r c r z c ) + 一r l s 2 c - i - s c ( r ，+ 砰) - i - 1 c a , v ( s ) ：d _ 墅【_ 一 s c l + s c ( r l + ) + l 俐( s ) ：胁_ l s c l + s c ( r l + e , c ) + l ( 2 1 ) c i i ( j ) ：_ 婴l s c l + s c ( r l + 墨c ) + 1 g i v ( 5 ) ：d _ 生一s c l + s c ( r l + ) + 1 对于多相同步b u c k 的建模，众多文献有论述。大都是将多相结构等效为单相结 构。在这里，我们采用文献【叫的等效思想。 在多相结构中，对于小信号占空比d ，每相的等效输入电压为v h x d 。由于各相 的占空比在一个周期内相同，且认为输入电压不变，所以各相等效输入电压相等，于 是多相结构相当于多相电感并联，如图2 6 所示。按照这个概念，多相b u c k 结构建 模时，等效电感等于原来每相电感并联后的值。另外，考虑电感的直流电阻和各相 m o s f e t 的导通电阻时也要做如此等效。即： 工：l p h a s e r，-dcr+ras(on)_up x d+ras(o)_aownx ( 1 - d ) + r e c n 2 2 。 挖 式中，【曲。为各相的实际感值，d c r 为电感的直流导通电阻，凡s ( 堋) 印、r 由佃l a a * , , n 分别为上拉管和下拉管的导通电阻，硒血为p c b 板的走线电阻，d 为p w m 信号占空 比。 将( 2 2 ) 代到( 2 1 ) 中即为多相b u c k 的小信号模型 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 图2 6 多相建模的等效原理图 i l o a d 2 3 功率级在仿真软件中的建模与仿真 功率级在仿真软件中的建模的正确性直接影响控制环路设计的准确性。另一方 面，如果能从系统级就预测最终电路实现的可能结果是一件很重要的工作。 为了进行本节的相应分析，首先假设以下条件：输入电压v i n = 1 2 v ，输出负载电 流为1 0 a 。c = 8 0 0 0 v f ，l = 4 0 0 n h ，d c r = e s r = i n f f l ，占空比d = 1 0 ，开关频率为1 m h z ， 忽略m o s f e t 的导通电阻以及p c b 导线电阻，分别考虑单相和四相情况。 可以先计算出在以上条件下的输出电压直流值和纹波、各相电感电流直流量和纹 波，这些值的计算方法将在下一节做具体介绍。 单相情况下： 输出电压直流值，v = 1 2 v ： 电感电流直流值，i = 1 0 a ； 电感电流纹波峰峰值，a i = 2 7 a ； 输出电压纹波峰峰值，a v = 2 7 m v ； 纹波频率，仁l m h z ； 四相情况下： 输出电压直流值，v = 1 2 v ； 每相电感电流直流值，i = 2 5 a ； 每相电感电流纹波峰峰值，a i p e r = 2 7 a t 总电感电流纹波峰峰值，a i = 2 7 x 0 6 7 = 1 8 0 9 a ； 输出电压纹波峰峰值，v = 1 8 0 9 m v t 总纹波频率，f - - - 4 m h z ； 为了对建模效果进行评估，需要将主要的仿真结果与计算值做比较 1 2 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 i 、 单相和四相结构小信号模型在s i m u l i n k 下的建模分析 该模型的结构参考图2 5 和( 2 1 ) 。模型如图2 7 所示，对该模型进行m a s k 操 作，在对话框中填入对应的假设值。 对于单相结构，只需要p h a s e 栏填l ，相应四相结构的p h a s e 栏填4 ，其他不变。 图2 7b u c k 小信号模型在s i m u l i n k 下的建模 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 外部的仿真环境和最后的结果如图2 8 一胛 1 瓜名一 1i 、v ，；一y y 、 平相双形 ： ”1 ： 4。 一 ： “ i ； ： a，：= 、l 奠 y 。j 态、 | ! ! i ：旷、 7 一 r v v 图2 8 小信号模型的仿真( 箭头所指为单相波形，其他为四相波形) 1 4 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 从图2 8 中可以直观的读到单相和四相的稳定时间并不同，这是由于传递函数的 阶越响应的差别导致的，在这里不是我们关心的目标。更重要的是，这种模型的仿真 不会存在纹波，这和小信号模型的定义是一致的。也正因为这一点迫使我们寻求其他 的建模方式，因为我们希望除了得到直流信息外还能获得纹波的信息。这样，在系统 级就可以预测最后的测试结果 为此，改变图2 8 如图2 9 所示这里，直接用脉冲信号和一个增益模块代替d x v i u 。实际上，此时小信号模型的输入是一个大信号的变化，这个变化促使小信号模 型分别工作于两种状态。 图2 9 脉冲激励覃的4 、信号摸型一 为了节省篇幅，不再给出仿真波形。最终可以看到，除了包含图2 8 的直流信息 外，仿真确实有着波动的信息。 对于单相，输出电压的纹波峰峰值为2 7 m v ，输出电流的纹波峰峰值为2 7 a 。对 于四相，输出电压的纹波峰峰值为1 0 8 m v ，输出电流的纹波峰峰值为1 0 8 a 。频率均 为i m h z 。对于纹波，四相的值刚好是单相的四倍，这是由于l 被等效引起的。因此， 可以看到，如果用这种模型仿真单相结果时正确的，而如果仿真四相，那么需要对结 果进行修正。 i i 、 s i m u l i n k 下的时域建模 在s i m u l i n k 中，包含有p o w e r 库，于是，可以直接尝试建立时域的模型。对单相 和四相的建模如图2 1 0 所示。该建模架构类似图2 6 ，之所以不直接采用p o w e r 库提 供的m o s f i t 的原因是考虑到仿真速度的问题。 图2 1 l 给出了稳定后的仿真结果，三个图分别表示四相下各相电感电流，两种情 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 况下，电流波形对比和电压波形对比。从这个图中，可以清楚的读出各个参数和理论 值是一致的要注意的是其中输出电压的直流值的差异，这是由于两种情况下的输出 阻抗的差异引起的，这一点在小信号模型里也有一致的体现。 另一方面，该模型的一个显著优点是有非常直观的物理意义。 对于以上提到的几种建模方法，时域的建模可以与理论值很好的契合。但，在同 样的仿真步长下，时域的建模常常需要更多的仿真时间。 无论采用上述何种仿真模型，他们都是以第二节的理论推导为基础，他们目的只 是用来做系统级的仿真而无法代替研究人员对更契合实际的功率级模型的探索。 图2 1 0s i m u l i n k 下b u c k 的时域建模 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 图2 1 ls i m u l i n k 下b u c k 的时域建模的仿真结果 2 4 功率级元件的选取 i 、 输出滤波元件的选择 对于b u c k 电路来讲，由输出电感和电容组成的低通滤波器的作用可以看作是对 输入的脉宽信号进行傅立叶变换并取其直流分量。 当负载电流发生突变时，忽略各信号纹波，关系如图2 1 2 。由于负载突变时，电 感电流无法立刻变化，迫使在一定的时间内由电容对负载提供多余的电压，这些电容 电流是产生负载电压突变的主要因素。 图2 1 2 瞬态期间的电流变化关系 1 7 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建横 负载电流引起的负载电压突变关系式为： 矿= e s r 七十吉儿毋+ e s l 瓦d i “ c ：3 ， 由于电容的e s l 一般很小，且实际值不易获得。另一方面，大电流应用中电容很 大。因此，忽略e s l 以及电容值在负载突变时对输出电压的影响。因此，只考虑( 2 3 ) 的第一项。 对于一定的输出电压突变值p ，嘣，要求输出电容的e s r 满足： e s r = z c ( 2 4 ) 一般，在应用中还需要并联一些高频电容如m l c c 来进一步降低e s l 和e s r 在 负载突变时带来的影响。 同时，应为电感电流纹波全部流入电容，所以，电容的e s r 决定静态纹波，对于 一定的纹波要求电感电流纹波大小满足： 虬= 被e s r ( 2 5 ) 这样，l 的最小值可以确定， k 蛔= 警d 弓 旺。， 电感的选择还需要考虑电感的饱和电流。其值应该满足： k 导+ m 拟 ( 2 7 ) 甩 电容和电感的损耗可以表示分别为： p = 乇2 e s r + i l 2 x d c r ( 2 8 ) 式中，电流均为有效值 i i 、m o s f e t 与驱动电路的选择 在m o s f e t 的选取时，主要考虑其安全工作区，包括其能流过的最大电流，可以 承受的各极间工作电压以及导通电阻，输入栅极电容等由于下拉管导通时间更长， 所以其导通电阻对功率的影响很大，所以在应用中应该选择导通电阻小的m o s f e t 或者使用多管并联来减小导通电阻 驱动电路的选择应该考虑其能承受的最大开关频率以及驱动能力。 当然，对于以上元件。成本和可获得的渠道也是必须考虑的因素。 由于本文的侧重点不在功率级元器件的优化和效率、成本控制所以，对于这方 第2 章多相同步整流b u c k 拓扑及其建模 面的内容不再深入研究，有兴趣的同学可以参考相关论文和产品手册。 本文中，选择的拓扑元件的参数分别见表2 1 。 表2 i 元器件列表 元件量用途主要参数型号公司 l 昌4 0 0 n h d c r = o 4 7 m o l 滤波电感 i s a r a 3 a 5 9 p 9 8 7 5v i t l = - 3 9 0 n he i a s y d c r = 1 5 t n qm a g n e t l 滤波电感 l s a t = 2 2 as c 4 0 1 5 一i u 9c o r p c = l 0 0 0 u fn a c ( w b 系列)滤波电容 e s r = 2 7 m q s a m w h a c - = 6 5 0 u f c ( s e p c 系列) 滤波电容e s r = 7 m 1 26 s e p c 6 8 0 ms a n y o r d s o r f l l 5 m q q 9 2 1 3 n c m o s 兀玎上拉管 c i s s = 1 0 7 4 p f p h i ) 7 8 n 0 0 3 l rf h j l i r d s o n = 6 2 m q q g = 2 3 n c m o s f e t 下拉管c i s s = 1 9 9 0 p f p h d l 0 8 n 0 0 3 l t 0 2f h i l i 佛 d r j v e t驱动 驱动能力3 0 0 0 p f a d p 3 1 1 0a d i 2 5 小结 本章讨论了多相同步整流b u c k 拓扑特点及其建模方法，包括采用垩均友袁的建 模结果及其在s i m u l i n k 中的仿真建模方法。文章最后讨论了基本的元件选择方法，并 给出了文中使用到的元件列表 正如所提及的那样，本文的每一节都有着大的学问。比如，对于同步整流电路的 建模一直是研究的方向，而如何在系统级对实际电路进行预测将影响数字电源的实际 应用，元器件的选取更关系到系统设计的性能、成本和效率等重要因素，包含着很多 经验化的因素。所以，本文只是讨论了各个方面最基本的内容。 1 9 第3 章控制器架构与算法设计 第3 章控制器架构与算法设计 本章将介绍使系统达到预定功能的控制环路及其架构的设计先进的控制理论被 大量的应用到电源管理领域。诸如，滑模变结构控制、模糊控制等但是，综合考虑 控制效果和成本，经典控制理论仍然在商用芯片中占主导地位。 经典控制理论的设计方法以拉普拉斯变换、控制框图、信号流图等为基础，借助 频率响应方法、根轨迹法等方法进行设计，并对反馈系统的稳态误差、稳定性、瞬态 响应等性能进行评估【3 7 刁9 j 。 开关电源控制器按照采样对象可以分为电压控制和电流控制。电压控制指只采样 输出电压实现一系列的控制指标，这种方法只有一个控制环路，设计简单。从电路实 现角度讲，对输出电压的采样比较简单，且噪声影响小，实现成本低。电压采样的缺 点体现在其对于输电压蛆及负载变化的相应慢，原因在于，这些变化反映在输出电 压的变化上时才能引起相应的调整，另外，电压环路的功率级被认为是及极点系统， 其带宽受到影响，所以相应速度慢。电流控制除了采样输出电压还采样输出电流，由 于采用电流控制，对