（电路与系统专业论文）高效率多模式buckboost开关电源控制芯片设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术、半导体技术和集成电路设计、制造技术的发展，便携式 设备使用日益广泛，对开关电源芯片提出了更高的要求。主要包括，在更大的输 入电压范围内能够提供稳定的输出电压，在全负载范围内高效率工作，以及体积 更小，功率密度更高等。论文针对上述需求，设计了一种b u c k - b o o s t 开关电 源控制芯片。 论文在分析各种升压一降压式拓扑的基础上，设计了一种基于级联式4 开关 b u c k b o o s t 拓扑的开关电源控制芯片，其根据不同的负载、不同的输出电压， 采用不同的控制策略： ( 1 ) 重载时，系统采用电压模式控制，工作在p w m 模式，且根据输入电压 的不同进行分段控制，实现在b o o s t ，b u c k 以及过渡状态间自动转换； ( 2 ) 轻载时，系统采用迟滞控制，工作在b u r s t 模式，亦根据输入电压的 不同，实现在b o o s t ，b u c k 以及改进b o o s t 间自动转换。 设计的过渡状态和改进b o o s t 状态最大程度上减少了开关管开关次数，比 现行方法有更低的开关功耗。这样的系统结构和控制策略实现了在系统级的功率 优化，减少了系统功耗，提高了效率。 在系统设计的基础上，论文给出了该芯片的实现方案，并设计了其中的关键 模块。如设计的带锁相环的多模式时钟发生电路，经过流片和样片测试，表明其 能简单地实现多模功能，优化锁相环噪声性能，适用于开关电源管理芯片；误差 放大器结合系统环路进行补偿，保证了系统的稳定性；电平转换电路、电流检测 电路等都采用了新设计的结构，并在电路设计中注重电路级功耗的降低。 整个系统及其电路利用美国国家半导体1 5 1 m ab c d 工艺进行设计，c a d e n c e s p e c t r e s 的仿真结果表明，设计的芯片能工作正常，实现了所有工作模式，并能 在各个模式、各个工作状态间切换。在较大的输入电压范围内，提供稳定的输出 电压；在全负载范围内高效率工作的预期设计目标均以实现。 关键词：级联式b u c k b o o s t 变换器p w m 模式b u r s t 模式过渡模式 开关功耗电压纹波 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ef a s t d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g ya l o n gw i t hi cd e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，p o r t a b l ed e v i c e sa l e u s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y ，w h i c hr e q u i r eb e t t e rs m p s ( s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y ) i c s t h er e q u i r e m e n t si n c l u d eg e n e r a t i n gs t a b l eo u t p u tv o l t a g e 筋mal a r g ei n p u t v o l t a g er a n g e ，o p e r a t i o n 诵t h1 1 i 曲e f f i c i e n c yi nf u l ll o a dr a n g e ，s m a l l e rv o l u m ea n d h i g h e rp o w e rd e n s i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as m p sc o n t r o l l e ri cb a s e do n4 一s w t i c h c a s c a d eb u c k b o o s tc o n v e r t e rw a sd e s i g n e dt of u l f i l lt h e s er e q u i r e m e n t s a f t e rt h ea n a l y s i so fv a r i e t yo fb u c k b o o s tt o p o l o g i e s ，as m p sc o n t r o l l e ri c b a s e do n4 - s w t i c hc a s c a d eb u c k b o o s tc o n v e r t e rw a sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g yf o rd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e s ( 1 ) i nh e a v yl o a dc o n d i t i o n ：t h es y s t e mo p e r a t e di np w mm o d e 谢t l lv o l t a g em o d e c o n t r 0 1 t h es y s t e mc a ns w i t c hi nb u c ko p e r a t i o n ，b o o s to p e r a t i o na n dt r a n s i e n t o p e r a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e s ( 2 ) i nl i g h tl o a dc o n d i t i o n ：t h es y s t e mo p e r a t e di nb u r s tm o d ew i t i lh y s t e r e s i s c o n t r 0 1 t h es y s t e mc a l ls w i t c hi nb u c k o p e r a t i o n ，b o o s to p e r a t i o na n di m p r o v e d b o o s t o p e r a t i o na c c o r d i n g t od i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e s t h et r a n s i e n to p e r a t i o na n di m p r o v e db o o s t o p e r a t i o nw e r ed e s i g n e dt om i n i m i z e t h es w i t c hp o w e rc o n s u m p t i o nc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d t h ew h o l e s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e si m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n c yo ns y s t e m 1 e v e lt or e d u c ep o w e rc o m s u m t i o n b a s e do ns y s t e md e s i g n ，t h ek e ym o d u l e so ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d f o ri n s t a n c e ，t h em u t i - m o d ec l o c kg e n e r a t o rw i t hap l lw a sf a b r i c a t e da n dt e s t e da s as e p a r a t ec h i p ，t h er e s u l ts h o wm a tt h em u f f - m o d ef u n c t i o nw a ss u c c e s s f u l l y f i n a l i z e da n dt h en o i s ep e r f o r m a n c ew a si m p r o v e d t h i sm u t i m o d ec l o c kg e n e r a t o r c a l lh eu s e di np o w e rm a n a g e m e n ti c s t h ee r r oa m p l i f i e r ( e a ) w a sd e s i g n e dt a k i n g i n t oc o n s i d e r a t i o no fs y s t e ml o o pc o m p e n s a t i o nt og u a r a n t e et h es y s t e ms t a b i l i t y t h e l e v e ls h i f t e r ，c u r r e n ts e n s i n gc i r c u i ta n dc l o c kg e n e r a t o rw a sd e s i g n e dw i t l ls o m e n e ws t r u c t u r e st oi m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n c yo nc i r c u i tl e v e l 。 i i 浙江大学硕上学位论文 t h ew h o l es y s t e ma n dc i r c u i t sw e r ed e s i g n e di nc a n d e n c ee d at o o l ss p e c t u r e s m o d e ls u p p o r t e db yn s c1 5 p m b c dp r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mo p e r a t e dp r o p e r l ya n da l lt h eo p e r a t i o nm o d e sw e r er e a l i z e da n di tc a l ls w i t c h b e t w e e nd i f f e r e n tm o d e sa sd e s i g n e d t h ed e s i g ng o a lo ft h i ss y s t e m ，w h i c hi s g e n e r a t i n gs t a b l eo u t p u tv o l t a g ef r o mal a r g ei n p u tv o l t a g er a n g ea n do p e r a t i o nw i t h l l i 曲e f f i c i e n c yi nf u l ll o a dr a n g e ，w a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e d k e y w o r d ：c a s c a d eb u c k - b o o s tc o n v e n e rp w m m o d eb u r s tm o d e t r a n s i e n tm o d es w f f c hp o w e rc o b s u m p t i o n v o l t a g er i p p l e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：2 0 0 8 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：2 0 0 8 年6 月6 日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 出国 工作单位： 通讯地址：杭州市雅士苑2 5 1 0 2 电话：13 5 8 8 8 5 3 3 7 0 邮编：3 1 0 0 0 0 浙江大学硕士学位论文 1 1 综述 第一章绪论 二十世纪6 0 年代以来，随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域日 益广泛，电子产品的种类越来越多，功能越来越完善，极大地提高了人们的工作 效率，改变了人们的生活面貌，成为推动信息技术革命的原动力之一。任何电子 设备都离不开可靠的电源，因此电源在电子系统中具有十分重要的作用，是现代 通信、航空航天、计算机等领域中电子设备的动力支撑。 电源一般可以分为线性电源和开关电源两大类。线性电源主要指传统的晶体 管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源。这种传统电源技术较成熟， 已有大量集成化的线性稳压电源模块产品。它具有稳定性能好、输出纹波电压小、 使用可靠等优点，但线性电源的功率晶体管始终工作在导通状态，所以其效率比 较低，只有3 0 灿0 ，在能源日益紧张的今天应用范围已经很小；另外，由于 调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管还需要安装体积很大的散 热器，很难满足现代电子设备发展的要求。 新一代线性电源l d o ( l o wv o l t a g ed r o p o u t ) 一般可以集成在片上，具有成 本低，噪音低，静态电流小等突出优点【1 1 。它需要的外接元件也很少，通常只需 要一两个旁路电容，如图1 1 所示。但l d o 的工作原理依然是控制功率管线性 工作，所以依然存在效率不如同级别的d c d c 开关电源高的问题。更为严重的 l d o 的调压范围很小，其只能将电源电压变换为较低的输出电压，没有升压工 作模式，因而不能使干电池一类的电源充分放电，进一步降低了其总体工作效率。 所以，l d o 一般只适合应用于对输出电压精度要求特别高的场合。 r | v i n 厂v o u t v 上r e n 一删抖 ”to l 图1 1l d o 功能框图与应用电路 浙江大学硕士学位论文 在电力电子技术不断进步发展的同时，随着半导体工艺的不断进步，当前人 们已能够将功率开关管、反馈控制电路、p w m 调制器和驱动电路集成封装成开 关电源芯片，显著降低了开关电源的体积、提高了其效率和功率密度，举例如图 1 2 所示。在低功率应用场合，如便携式设备中得到了广泛的应用。 v n 1 w t os 5 v i 4 9 p f 1 ：c e r ( a ) 功能框图 v 辫l t c 3 4 0 9 s w r u nk v 辫卜一 l m o d e v f b 卜一1 r 叫饥 s 僦g 瀚l 芝1 3 3 i c 2 5 5 k - - l l o f t 工c e r v o t n 剧 ( b ) 应用电路 图1 2 典型的小功率集成开关电源芯片及其应用电路 1 2 开关电源技术及电源管理芯片的发展趋势 开关电源采用脉冲调制，使功率管工作在开关状态，在其出现初期其效率就 可达6 5 7 0 ，可大幅度节约能源，提高设备使用寿命。为了适应各种电子设 备、产品的体积不断减小，重量不断减轻的趋势，人们在减小开关电源体积、提 高效率和功率密度等方面做了很多有益的尝试与工作，而半导体，集成电路技术 的发展为这种尝试提供了坚实的基础与广阔的前景。 2 0 世纪8 0 年以来，随着代半导体技术的发展，人们已经能够将功率器件 与驱动、控制等电路集成封装，制成开关电源芯片，显著降低了产品成本，减小 2 浙江人学硕士学位论文 的重量与体积并提高可靠性 2 1 。开关电源技术的进步离不开高性能的半导体器 件，9 0 年代出现的新型功率半导体器件，使实现开关电源的高频化有了可能。 同时，采用导通时电阻极低的功率m o s f e t 来取代传统整流二极管的同步整流 技术的应用f 3 j ，大幅提高了d c d c 变换器的效率，满足低压、大电流整流的需 要，为研制高效率开关电源创造了器件基础。2 0 世纪末出现的软开关技术的引 入则在一定程度上解决了p w m 开关电源高频化后开关功耗大的问题【4 】。 根据应用需求，开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化控 制的开关电源是当今和未来的主要设计目标，分述如下： ( 1 ) 开关电源的小型化、轻量化和高频化。理论分析和实践经验都表明，电 气产品中的变压器、以及电感和电容等储能元件的体积重量与供电频率的平方根 成反比。所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍，则用电设 备的体积与重量将下降至工频设计的大约5 一l o 。开关电源的体积、重量主要正 是来源于上述储能元件，因此，开关电源的小型化与高频化实质上是同一个过程， 即尽可能减小储能元件的体积。开关频率的提高，即能有效地减小电容、电感以 及变压器的尺寸，又可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化，及 其带来的小型化和轻量化是开关电源的主要发展方向之一。 ( 2 ) 开关电源的高可靠性。电源作为一个电子系统中重要的部件，其可靠性 决定了整个系统的可靠性。而在开关电源中，电容、光电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定其寿命，因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度。 同时，随着软开关，谐振变换等技术的应用，开关电源的工作效率不断提高，这 使其自身发热减少、散热容易，芯片不容易过热，从而达到高可靠性。对于小功 率场合应用，在开关电源控制芯片中加入过压、过流、过热等保护功能也是提高 可靠性的有效途径。 ( 3 ) 低噪声和良好的动态相应。开关电源的缺点之一是其具有较大的噪声。 若单纯追求提高频率，则噪声也会增大。采用部分谐振变化技术，可以做到在提 高频率的同时降低噪声。另外，各种新型拓扑结构及双环控制，迟滞控制、固定 导通时n ( c o t ) 控制等新颖策略的使用都有效地改善了开关电源的动态响应。 ( 4 ) 开关电源控制策略不断发展。在控制策略方面，电流型控制以及多环技 术已在得到较广的应用。迟滞控制、固定导通时f s j ( c o d 控制等技术也已经取得 浙江大学硕1 ：学位论文 了初步的成果。d s p 数字控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研究方兴 未艾，虽然在小功率场合数字控制因为较大的芯片面积和较高的功耗导致效率不 如传统的模拟环路控制，限制了其应用，但这种控制能使开关电源的动态性能有 很大的提高，在大功率场合已经得到一定的应用，具有广阔的发展前途【5 1 。而另 外的一些新的控制方法，如自适应、模糊控制，神经网络控制等开关电源中的应 用，也已引起人们的注意。 ( 5 ) 开关电源的高效率，绿色化。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，不断提高开关电源的工作效率是其首要发展趋势。当今世 界能源日趋紧张，能源危机逐步显现，人类开始意识到节约能源的极端重要性。 一方面，人们着力开发利用风能，潮汐能，太阳能等新能源；另一方面，人们对 现有能源的高效利用也高度重视。近年来，各国对于电器电子产品的功耗提出了 硬性的指标规定。例如中国在2 0 0 6 年3 月实施的节能评价值指标为待机能耗3 w ， 能量效率指数为1 1 ，而2 0 0 9 年3 月1 日开始实施的节能评价值将为待机能耗 1 w ，能量效率指数为0 7 5 。所以，提高开关电源的效率已不再仅仅是节省电费 开支的额外功能，而开始成为各个产品必须满足的一项重要技术指标。 对于便携式产品，提高电源模块的功耗就是提高设备的使用寿命，增强产品 在市场上的竞争力。在当今这个消费类电子产品，便携式设备盛行的时代，电源 紧张所导致的工作时间有限的问题十分突出。目前的数码摄像机数码相机在电 池完成一次充电后，大约只能维持不超过两小时的连续工作；而目前广泛使用的 第二代移动电话的待机时间一般为三至四天，比上代产品已经大有改进；然而， 产品的更新换代是以增加功能，增大显示屏，既增加功耗为发展方向的。本世纪 初彩色屏幕手机的换代已经使待机时间的延长出现一定程度的逆转，更有甚者， 下一代2 5 g 或3 g 移动电话将拥有网站浏览、视频播放及个人助理等多种功能， 功耗将增加l o 倍，对电源容量、效率的要求大幅提高。 这些便携式设备多是由电池供电，因此在电池体积、容量尚没有突破性进展 的情况下，进一步提高现有开关电源的工作效率就成为延长设备使用寿命的重要 的解决手段。 另外，由于高集成度，开关电源芯片已经能够集成到s o p ( s y s t e mo n p a c k a g e ) 甚至s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 中，而开关电源的噪声对周边电路产生 4 浙江大学硕上学位论文 了很大的影响。随着开关频率的提高，e m i 问题变的日益严重。所以如何提高效 率，减小静态功耗以及减小e m i 噪声是当今开关电源设计的重大挑战。国内外 主流开关电源控制器芯片厂商如m a x i m ，l l i n e a rt e c h n o l o g y ，n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r , o ns e m i c o n d u c t o r 等也大力推行绿色能源的概念，相继推出了低 功耗、高效率、低噪声的开关电源芯片产品，特别是用于便携式设备的低功耗开 关电源芯片。所以，如何降低开关电源的功耗，特别是主要的功耗来源开关 功耗是本设计的中心与重点。 1 3 用于便携式设备的开关电源控制芯片 随着社会的发展、科技的进步，以及人民生活水平的不断提高，以嵌入式技 术为基础的个人消费类电子产品及便携式手持设备越来越多地进入我们的生活， 如手机，数码相机摄像机，m p 4 播放器等。同时，由于便携式设备具有体积小、 重量轻的特点，其固有缺陷电源不足，使用寿命有限的问题也很突出，成为 制约此类产品扩大市场的因素之一。 为了提高电源效率，改善电源性能，近年来低功率开关电源芯片已经成为便 携式设备的重要组成部分。按照输入电压与输出电压的关系对常见的开关电源拓 扑进行分类，主要有三种即升压型，降压型和升压一降压型。对于典型的以l i i o n 电池供电( 有效电压范围通常为2 7 v 4 2 v ) ，使用3 3 v 输出电压的小功率便 携式设备，其开关电源芯片若使用传统的b u c k 或者b o o s t 拓扑则不能使电池 充分放电，对电源的浪费较大，从而使设备使用时间受到一定的限制【6 】。 因此，便携式设备需要一种具有升压一降压功能的开关电源芯片作为供电模 块，从而尽可能地扩大电池有效放电的电压范围，使电池充分放电，达到延长电 池寿命和增加设备使用时间的目的。同时，这种开关电源控制芯片也必须具有传 统的升压型或降压型拓扑的芯片的优点，即高效率，低噪声，高功率密度，以及 较小的芯片面积，相对比较简单的控制策略等，对电池内有限的能量，做到开源 与节流的有机统一。具有升压一降压功能的拓扑有很多种，诸如传统的c u k 和 b u c k - b o o s t 变换器，反激式变换器，b o o s t 变换器+ l d o ，s e p i c ( s i n g l e e n d e dp r i m a r yi n d u c t o rc o n v e a e 0 变换器以及级联式c a s c a d eb u c k b o o s t 变换 器。其特点见表1 。 浙江大学硕士学位论文 表l 各种升压一降压型d c d c 电路拓扑的特点 拓扑特点 传统的c u k 或输出与输入电压极性相反 b u c k - b o o s t 变换器 反激式变换器使用变压器，体积大，效率低 b o o s t 变换器+ l d o精确度高，效率低 s e p i c 变换器需要两个电感及两个电容 级联式b u c k b o o s t 变换器极性相同，只需要一个电感一个电容 传统的c u k 和b u c k b o o s t 变换器均可实现升压一降压功能，但存在一 个共同的问题，既输入电压与输出电压是反转的，如果为了取得正的输出而反接 电压源，在s o c 等需要从输出变换多路不同电压的应用中，由于不共地，无法 再使用非反转式的变换器从电源产生不同的电压，这将给这种芯片的应用带来很 大的限制，因此舍弃。而反激式变换器需要使用变压器，体积大很大，而且由于 变压器漏感的存在，其效率也比较低，不适合用于便携式设备。b o o s t 变换器+ l d o 的方案比较新颖，使用l d o 作为第二级可以得到精度很高的输出电压，但 正如1 1 中分析的，其效率太低，而且两种拓扑( b o o s t 变换器和l d o ) 需要 分别控制，系统非常复杂。s e p i c 变换器拓扑需要三个电容和两个电感，外围器 件较多，导致较大的体积，也不适用于便携式设备【“7 】。从上述变换器特点的对 比中可以发现，级联式b u c k b o o s t 变换器具有效率高，输入一输出电压极性 相同，外围器件少，体积小的优点，最适合用于要求苛刻的便携式设备。上述部 分拓扑见图1 3 。 v t ( a ) c u k 变换器电路拓扑 6 上vo 浙江大学硕+ 学位论文 v v t ( b ) b u c k b o o s t 变换器电路拓扑 ( c ) 反激式变换器电路拓扑 ( d ) s e p i c 变换器电路拓扑 ( e ) 级联式b u c k b o o s t 变换器电路拓扑 图1 3 各种升压一降压型d c d c 电路拓扑 1 4 论文设计目标 根据上述调研结果，确定本论文要设计一种高效率多模式b u c k b o o s t 开 关电源控制芯片。该控制器芯片使用4 开关级联式b u c k b o o s t 变换器拓扑，在 恒定的开关频率下工作，采用p w m 电压模式控制，主要有以下一些设计目标： 7 v 。 i m 。h。，tlii 浙江大学硕七学位论文 ( 1 ) 输入电压范围是2 7 vn 5 5 v ，输入电压在该范围内变化时输出电压保持稳 定，且全负载范围内电压纹波不超过5 0 m v 。 ( 2 ) 输出反馈电压基准是1 1 v ，该基准对应的典型输出值为3 3 v ，输出电压通过 调节外接的反馈电阻比例进行调节。 ( 3 ) 软启动电路、四个功率开关管和同步管都内部集成。 ( 4 ) 工作频率可选内部固有频率1 6 m h z 或2 7 m h z ，还可以同步外界输出时钟， 同步范围是1 m h z 到3 m h z 。 ( 5 ) 重载时芯片工作在p w m 模式，轻载时芯片可工作在b u r s t 模式。 ( 6 ) 具备完整的过压保护、过流保护和反向电流保护功能。 根据上述主要设计目标，预期设计的基于级联式b u c k b o o s t 拓扑的高效 率多模式b u c k b o o s t 开关电源控制芯片及其应用电路如图1 4 所示。 v 晶上 v 蚋 v o 眦 r 2 l i s y n c s w l v f b c i l - 上- u s w 2 r u n g n d l 一 j - r l o a d 图1 4 级联式b u c k b o o s td c d c 降压转换器 控制器芯片有8 个引脚。v i n 是电源输入引脚，给芯片和输出电压供电；r u n 是控制信号，当r u n 是低电平时，芯片被关断，当r u n 变高电平时芯片才正 常工作；s y n c 是用来选择工作的频率的，高电平时选择2 m h z ，低电平时选择 l m h z ，当s y n c 是1 m h z 到3 m h z 的时钟信号时，内部时钟通过锁相环与s y n c 同步；s w l 和s w 2 是功率管和同步管的输出，用于和电感连接；v f b 是输出电 压通过反馈电阻分压后的反馈电压，进入芯片与基准电压比较，用于确定输出电 压；v o u t 是输出电压引脚，外部负载、电容及分压电阻都连接在这个引脚上； g n d 是芯片的接地引脚。 8 浙江大学硕七学位论文 1 5 论文结构 论文根据上述研究目标分为以下几个部分来实现： 第一章绪论部分，主要介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，以及本设计的 研究内容和设计目标 第二章介绍升压一降压型d c d c 控制器芯片的工作原理及控制策略的确定，以 及系统环路建模与补偿 第三章介绍升压一降压型d c d c 控制器芯片关键模块电路的原理，具体电路设 计和功能仿真。 第四章介绍升压一降压型d c d c 控制器芯片的系统仿真以及分析。 第五章总结本设计的研究成果，展望前景。 9 浙江大学硕 ：学位论文 第二章系统控制策略与工作原理 本章在选择级联式4 开关b u c k - b o o s t 拓扑设计开关电源控制芯片的基础 上，根据不同负载情况，不同输出电压的要求，提出了完整的控制策略。并对系 统功耗以及系统环路建模与补偿进行了详细的分析与计算。 2 1 系统的控制模式与控制策略 传统的开关电源席芯片的控制方式有许多种，每种控制方式具有不同的性能 特点。这里讨论主要的三种控制方式的优缺点及其系统环路补偿方法：电压模式， 峰值电流模式和平均电流模式，最终选择了电压模式控制。另外的控制模式，如 迟滞控制，固定丌通时间c o t ( c o n s t a n to nt i m e ) 模式不需要环路补偿【引。本设计 使用迟滞控制实现轻载时的b u r s t 模式，以减小开关功率损耗。 2 1 1 电压模式与电流模式的选择 ( 1 ) 电压控制模式：传统的控制模式，近年来又有重新流行的趋势。电压 模式控制的主控制环路非常简单，只包括误差放大器和p w m 比较器，系统采样 反馈电压后与基准进行比较，用误差放大器输出电平和锯齿波信号比较，通过 p w m 比较器产生开关信号，且不需要峰值电流模式中的斜率补偿，如图2 1 所 示。电压模式控制的缺点是环路补偿比较复杂，动态响应速度不高。 图2 1 电压模式控制框图 1 0 浙江大学硕十学位论文 该模式的环路传递函数中，主要含有功率级的两个共轭极点，其频率较低， 必须加以补偿，否则环路在单位带宽增益处的相位裕度将很小。一般采用3 极点 2 零点的p i d 补偿，用两个零点补偿系统本身的两个极点，原点处增益由误差放 大器决定，在原点处也有一极点。将另外两个极点设置在开关频率处，用抑制开 关频率以外的噪声。电压模式补偿电路计算比较复杂【9 j 。 ( 2 ) 峰值电流控制模式：是当前最流行的主流控制模式。该模式有两个反 馈环路：电压反馈环路和电流反馈环路。其主控制回路包括误差放大器和电流比 较器。电压反馈环是外环，系统采样反馈电压后与基准进行比较，用误差放大器 输出作为指令电流信号成为电流环的基准供误差放大器使用；而电流反馈环是内 环，系统再采样电感电流信号与指令电流信号比较，产生开关信号，如图2 2 所 示。这样系统即对输出电压又对电感电流进行控制，天然具有限流功能。电流环 路中输入电压的前馈和输出电压的反馈作用加快了系统的响应速度，是该模式的 一大优势。 图2 2 峰值电流模式控制框图 峰植电流模式需要斜坡补偿，当系统占空比大于5 0 的时候会产生次谐波振 荡，需要在控制回路里加入专门的斜坡补偿电路。该模式的环路传递函数中，若 采取一阶近似，只在输出负载和电容处含有一个较低频的极点，因此只需要p i 补偿，产生一个低频主极点，和一个用于抵消输出基点的零点，一般使用输出跨 导放大器( o t a ) 在输出端加入串联的电阻和电容实现。峰值电流模式电路补偿计 算比较简单【9 1 。 浙江大学硕上学位论文 ( 3 ) 平均电流控制模式：是峰值电流控制模式的改进，具有一定的优势。 平均电流模式控制的主控制环路包括误差放大器，电流比较器和p w m 比较器。 其关键在于使用一个大带宽，高共模输入范围的电流检测放大器加入一个对电流 信号的积分环节，使控制系统得到的是电流的平均值，如图2 3 所示。平均电流 控制模式可以得到较好的噪声抑制性能和较快的动态响应速度，同时它不需要斜 坡补偿电路。 平均电流控制模式的环路补偿比较复杂，需要分别补偿电流环路和电压路， 为了保持稳定，必须要在开关频率附近控制好系统环路增益。复杂的环路设计和 补偿策略也对内部电路提出了一定的要求。平均电流模式对峰值电流模式的优势 是建立在增加复杂度的基础上的【1 0 , 1 1 l 。 图2 3 平均电流模式控制框图 由于本电源芯片主要应用于由电池驱动的便携式设备，而电池的放电导致的 电压变化速率是很低的，常见的小于l m v s 。这样，动态响应速度对设备性能的 影响相对很小，使用峰值电流模式收益不大。更为重要的是，在电压模式控制中 有一个与时钟锯齿波比较，产生p w m 信号的电平( 既误差放大器的输出) ，该 电平可以十分方便地控制b u c k b o o s t 变换器在几种模式间切换，这将在2 2 1 中详讨论。因此，本电源芯片采用了电压模式控制。 2 1 2 两种控制方法的选择 这种四开关级联式b u c k b o o s t 变换器有两种不同的控制方法，传统的 b u c k b o o s t 工作模式和分段工作模式，分述如下： 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 传统工作模式：m i ，m 3 管为一组，m 2 ，m 4 管为一组，前半周期 m 1 ，m 3 管导通，m 2 ，m 4 管关断，给电感充电蓄能，后半周期m 1 ，m 3 管 关断，m 2 ，m 4 管导通，将能量传输到输出端，如图2 4 所示。由电感电流一周 期内纹波平衡可得公式： 扣丁= 等( m ) 丁上 、7 = 圪而d 不难看出，获得的输入输出电压关系既是一个非反转的b u c k - - b o o s t 电路 的形式。 图2 4 传统工作模式 因此这种模式类似于传统b u c k - b o o s t 变换器的控制方法，优点是在输入 电压全范围内控制方法相同，但在一个周期内四个开关管都进行开关动作，开关 功耗较大，从而导致低效率。 ( 2 ) 分段工作模式：当v i n v o 时工作在b u c k 状态，m 3 管始终关断， m 4 管始终导通，m 1 和m 2 管按照b u c k 电路控制进行开关。当v i n v o 时和 v i n 坐型 b o o s t 比较器 图2 6 重载时系统控制功能模块 ( 1 ) b u c k 和b o o s t 工作状态： 当v i n v o 时，输出电压相对较高，使得误差放大器输出的b o o s t 电平比较低，低于锯齿波的波谷电压值，控制逻辑使m 3 管始终关断，m 4 管始 终导通。同时，b u c k 电平与锯齿波进行比较，控制逻辑使m 1 和m 2 管按照 b u c k 电路控制进行开关，如图2 7 ( b ) 所示。 为了实现状态间的自动切换，电平抬升v l s 电压应与锯齿波的电压峰峰值 精确相等，这将导致在v i n v o 时变换器工作状态不稳定，在下面( 2 ) 中将详 述这一问题的解决方法。 浙江大学硕士学位论文 b u c k 电平 b o o s t 电平 f?f 1 1 ilii liii 广r t 1 一 p w m b u c k ii i l p w m b o o s t |i| ：1111 p w m b u c p w m b o o s t ( a ) b o o s t 工作状态原理( b ) b u c k 工作状态原理 图2 7b u c k 和b o o s t 工作状态原理 ( 2 ) 过渡工作状态 由于功率管开关的驱动时延，以及时钟脉冲的最小宽度等因素，当变换器工 作在b u c k 状态时占空比无法达到全范围变化，在9 5 1 0 0 之间是盲区( 假 设开关管开关一次的驱动延时占周期的5 ) ；而当变换器工作在b o o s t 状态 时亦然，占空比无法小于5 ( 假设时钟脉冲占周期的5 ) 。这样，当v i n = v o 时，变换器就有可能在b u c k 状态和b o o s t 状态之间不断地切换以达到所需的 稳态输出电压，这种不受控的不稳定状态将会导致较大的电压纹波乃至其它不可 预测的结果。 显然，为了解决这一问题，可以采用2 1 中所述的传统的b u c k b o o s t 控 制策略，也可以做到输入电压变化时输出电压的无缝连接，但存在较大的开关功 耗且逻辑控制比较复杂。为了解决这一问题，本文在过渡工作状态采用了直通与 b u c k b o o s t 混合的控制策略。即当v i n 略大于v o 时，使9 5 占空比的b u c k 工作状态和1 0 0 的b u c k 工作状态( m 1 ，m 4 管导通，m 2 ，m 3 管关断，即直 通状态) 混合，达到介于9 5 0 旷1 0 0 之间的占空比，消除了b u c k 工作状态的 盲区，如图所示。类似地，当v i n 略小于v o 时，使5 占空比的b o o s t 工作 状态和0 的b o o s t 工作状态( 即直通状态) 混合，达到介于0 5 之间的 占空比，消除了b o o s t 工作状态的盲区，如图2 8 所示。 1 6 浙江大学硕十学位论文 b u c k 电 p w m b ：直通：9 5 ：直通：9 5 ：直通： i 直通 ii 直通 i i 直通 i ii b u c k li b u c k li ( a ) 直通与b u c k 混合工作状态原理图 b o o s t 电平 p w m b o o s t 么么么么么 i 1 i i01 ：5 ： 直通 l b o o s q ：5 ： 直通 b o o s t l ：5 ：直通 b o o s l ( b ) 直通与b o o s t 混合工作状态原理图 图2 8 直通与b u c k b o o s t 混合工作状态原理图 实现上述控制策略十分简单，只需要将电平抬升v l s 电压加大，略大于锯齿 波的电压峰峰值( - 1 0 m v ) ，使系统从b u c k 状态过渡到b o o s t 状态时存在- d , 段功率管无开关动作的直通区域，电路设计见3 3 。利用该直通区域达成设想的 直通与b u c k b o o s t 混合的控制策略，同时还有效地减小了开关功耗。 2 2 2 轻载时b u r s t 工作模式 轻载时，如果仍采用p w m 模式工作，由于开关功耗占输入总功率的比例上 升，系统效率将大幅下降。因此，在轻载时，本设计使系统工作在迟滞控制的 b u r s t 模式下以提高效率。 为了保证系统在输入电压范围内都能够工作，轻载时也需判断系统应工作在 b u c k 或b o o s t 状态，此时由于误差放大器没有使用，不能使用重载的自适应 方法来判断工作状态，而需要直接加入一个比较器，比较输入电压和所需的3 3 v 输出电压【1 4 l ，工作区域如图2 9 所示： 1 7 浙江大学硕上学位论文 状态l状态儿状态1 1 1 一一 v i n v o 改进 b o o s t b o o s t b u c k b u r s tb u r s t b u r s t v 0 u t - d v l v o m + d v 2 v i n 图2 9b u r s t 模式下各工作状态 当v i n v o 时，系统工作 在b u c k b u r s t 状态，当v i n v o 时，系统工作在改进的b o o s t b u r s t 状态， 在以下( 1 ) ，( 2 ) 中详述。比较器在状态过渡时有迟滞功能，保证了工作状态 的唯一和稳定。 ( 1 ) 轻载时的b u c k 和b o o s t 工作状态 轻载时，由于误差放大器( e a ) 作迟滞比较器使用，直接产生控制信号，所以 没有重载状态时的输出电平，因此也不可能使用重载时的决定系统工作在 b u c k ，b o o s t 或者过渡状态。这里使用一个比较器将输入电压v i n 与基准电 压相比较，来决定系统工作状态。该模式下参与系统控制的功能模块如图2 1 0 所示： 图2 1 0 轻载时系统控制功能模块 b u c k 和b o o s t 状态的b u r s t 模式是类似的，其具体工作过程如图2 ： 当反馈电压较低时，b u r s t 电平为高，芯片工作在峰值电流钳位状态，即通过 电感的平均电流值将大于负载电流值，多余的电流将流向输出级的大电容，使得 输出电压升高。随着输出电压的升高，反馈电压v f b 值上升，当反馈电压大于 b u r s t 迟滞比较器高值时，b u r s t 比较器输出信号翻转，关断功率管以及系统 1 8 浙江大学硕十学位论文 中大部分电路，芯片进入休眠模式。这时，负载电流由电容续流，输出电压降低。 当反馈电压值降低到b u r s t 迟滞比较器低