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浙江大学硕士学位论文高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 摘要 随着便携式电子产品的日益普及，直流电压转换器( d c d c ) 芯片得到广 泛应用。由于这些产品通常使用单电池供电，能量有限，如何提高转换效率，降 低功耗，延长电池寿命，便成为设计者需要考虑的主要问题。 本次毕业设计提出了一种基于脉冲宽度调制( p w m ) 和脉冲频率调制( p f m ) 模式的高效率，低功耗开关电源直流电压转换器的设计方法。电路在负载电流较 大( 约 6 0m a ) ，电感电流连续时，采用开关频率1m h z 的电压型p w m 控制工 作模式，在负载电流较小( 约 6 0m a ) a n di n d u c t o rc u r r e n tc o n t i n u o u s ，a n dw o 出i n p o a k - e u n m l ta n d h y s t e r e t i cc o n t r o lb a s e dp f i v lm o d ew i t har e d u c e ds w i t c h i n gf r e q u e n c yo fl e s st h a n0 5m h zi f t h el o e dc u r r e n ti ss m a l l ( 6 0m a ) a n di n d u c t o rc l t r r e n td i s c o n t i n u o u s ，e n s u r m gh i g h l ye f f i c i e n t o p e r a t i o nw i t h i nal a r g er a n g e ( 眦5 0m a ) o f l o a dc u r r e n tv a r i a t i o n a st h eo u t p u tv o l t a g er e a c h e s 1 0 2 o f d l ea n t c i p a t c do u t p u tv a l u e , t h ec o n v e r t e re n t e r ss l e e pm o d e , d u r i n gw h i c ht h eq u i e s c e n t c u r r e n td c c t g a s c $ t h ec h i pw a si m p l e m e n t e du s i n gc s m c0 5 岫c m o sm i x e d - s i g n a lp r o c e s s s i m u l a t i o na n dt e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a lt h ec o n v e r t e rq 锄i np w m p f mm o d a n d p e r f o r m ss e a m l e s ss w i t c h i n gb e t w e e nt h e m , d i s p l a y i n gg o o dl o a d l i n er e g u l a t i o n t h e o u t p u t v o l t a g ee r r o ri s l e s st h a n 2 9 t h em a x i m u mq u i e s c e n tc u r r e n tl e s sm 趾1 5i j am a dt h e m a x i m u mo f e f f i c i e n c y 印t o9 2 麟 c h a p t e r1d b a s w i t c h i n g - p o w e rd c - d cp r i n c i p l e sa n t ic o n t r o ls n 组e # e s c l 埘e r2 d e s c r i b o st h es y s t e ms t r u c t u r e ，o p e r a t i n gm o d e sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dc , o n v e r t c r c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fs o m em a i nc i r c u i tb l o c k s c i m p t e r4p r e s e n t s s y s t e m a t i cs h n u i 撕a n dt e s t i n gr e s u l t s t h e nc h a p t e r5d i s c u s s e si m p r o v e m e n t st h a tc o u l db e m a d e t o t h e p r o p o s e d c 0 1 v c r t c r f o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：d c - d cc o n v e r t e r ；, p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ；p u l s e - f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ；h i g h 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 第一章绪论 本章首先阐述了电源芯片的应用背景以及分类，总结并比较了开关电源、线 性稳压电源和电荷泵电源的特点。1 2 节介绍了开关电源的稳压原理和控制模式。 1 3 节详细讨论了开关电源功耗的来源，并总结了低功耗设计思路。最后在1 4 节提出了本次毕业设计需要实现的性能指标。 1 1 电源芯片( i c ) 综述 近年来，便携式电子设备与人们工作、生活的关系日益密切，尤其是笔记本 电脑、移动通信设备、视频或音频产品、数码照相机、医疗仪器及测试仪器等发 展更为迅速。电源是电子产品中一个重要组成部分，为了使电路性能稳定，往往 还需要稳定的电源。 以手机的内部电路为例【”，它有完整的电源管理系统，并且有较多的电源i c ， 如图1 - 1 所示。手机中的电源部分由1 锂离子电池或镍氢电池组、2 一升压式直流- 直流( d c - d c ) 变换器或降压式d c - d c 变换器、3 低压差线性稳压器( l d o ) 、4 - 备用电池、5 辅助电源、6 - 砷化镓功率放大器偏置电源、7 砷化镓功率放大器( 它 不是电源部分，但要由专用的电源i c 来提供偏置电压) 等7 个主要部分组成。这里 要说明的是手机中有多种多样的辅助电源包括：卡槽用电源、压控振荡器( v c o ) 的电源、液晶显示器的偏置电源及背光电源( 场致发光电源或l e d 发光电源) 、呼 叫器中的振动马达供电电源、功率放大器偏置电源、锂离子光电器电源等。 图1 - 1 手机中的电源管理系统 随着现代电子技术和半导体工艺制造技术的发展，各半导体器件厂商不断开 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 发出各种适合便携式电子产品要求的新型电源i c ，例如德州仪器( 1 1 ) 公司的 t p s 系列，意法半导体( s t ) 公司的l 4 9 6 x 、l 4 9 7 x 系列，l i n e a r t e c h n o l o g y 的 l t c 系列等等。电源i c 已发展成为半导体器件中的一个大类。 根据不同的工作原理，电源i c 主要可分为三个类型【2 1 ，即开关稳压电源( 简 称开关电源) ，低压差线性稳压电源( 简称l d o ) 和电荷泵电源( 简称c h a r g e p u m p ) 开关稳压电源主要指d c d c 变换器。由于器件中至少有一个工作在开关状 态的功率晶体管( 一般是m o s f e t ) ，故称为开关电源。开关电源是利用现代电 力电子技术，控制功率晶体管的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一 种电源。这种电源不工作在工频( 5 0h z ) 而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹， 其功率管不是工作在饱和区而是开关状态，其特点是功率晶体管沟道电阻上的功 耗小并且与输入电压大小无关，效率较高( 一般可达8 0 9 5 ) 。 与开关电源不同，线性稳压电源是因其内部功率管工作在线性范围而得名， 即功率管的沟道电阻是连续可变的，而不是如同开关电源中的功率管那样工作在 导通，截止状态。一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差( 一 般称为压差) 大，因此调整管上的损耗大，效率低。但近年来开发出各种低压差 ( l d o ) 的新型线性稳压器i c ，一般可达到达输出1 0 0m a 电流时，其压差在 1 0 0m v 左右的水平( 甚至于到7 0 8 0m v 的水平) ，某些小电流的低压差线性稳 压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此 可延长电池的寿命。另外，线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电 流最小，价格也便宜。 电荷泵电压反转器也是一种d c - d c 变换器【3 】，它可以将输入的正电压转换 成相应的负电压，即v o t r r = - p 凶，也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压， 即v o v r - 观。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以 这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器。虽然有一些d c - d c 变换器除可以组 成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两 个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广 泛的应用。 便携式电子产品通常采用电池供电，如何使稳压电源部分性能满足电路的要 求、耗电省( 能延长电池的寿命) 、安全性好、占空间小、重量轻是设计便携式 浙江大学硕士学位论文 高效率，低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 电子产品中一个重要任务。便携式电源i c 种类繁多，它们的共同特点有【2 】： ( 1 ) 工作电压低 一般便携式电子产品的工作电压为3 0 3 6 v 。有一些工作电压更低，如2 0 、 2 5 、2 7 v 等；也有一些工作电压为5 v ，还有少数1 2 v 或2 8 v 的特殊用途的 电压源。 ( 2 ) 工作电流不大 便携式电子产品范围极宽，从凡毫安到几安都有，但由于大多数便携式电子 产品的工作电流小于3 0 0m a ，所以3 0 3 0 0m a 的电源i c 在品种及数量上占较 大的比例。 ( 3 ) 封装尺寸小 近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源i c 也不例外，主要有s o 封装、s o t 2 3 封装，t t m a x 封装及封装尺寸最小的s c 7 0 及最新的s m d 封装 等，使电源占的空间越来越小。 ( 4 ) 完善的保护措施 新型电源i c 有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、短路 保护及电池极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。 ( 5 ) 耗电小及关闭电源功能 新型电源i c 的静态电流都较小，一般为几十l j a 到几百a 。个别微功耗的 线性稳压器其静态电流仅1 1p a 。另外，不少电源i c 有关闭电源控制端功能( 用 电平来控制) ，在关闭电源状态时i c 自身耗电在1u a 左右。由于它可使一部分 电路不工作，可大大节省电能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭 接收电路；在未接收到信号时可关闭显示电路等。 ( 6 ) 有电源工作状态信号输出 不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压 下降一定百分数时，电源i c 有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复 位。利用这个信号也可以做成电源工作状态指示( 当电池低电压时，有l e d 显 示) 。 ( 7 ) 输出电压精度高 一般的输出电压精度为士2 4 之间，有不少新型电源i c 的精度可达士o 5 士1 ；并且输出电压温度系数较小，一般为士o 3 士o 5m v c ，而有一些可达到 3 浙江大学硕士学位论文高效率、低功耗直流电匪转换器芯片设计与实现 士o 1m v 的水平。线性调整率一般为0 0 5 0 1 v ，有的可达o 0 1 v ；负 载调整率一般为o 3 o 5 m a ，有的可达0 0 1 m a 。 表1 - 1 线性稳压电源、开关电源和电荷泵电源性能比较 线性稳压电源开关电源电荷泵电源 功能只能降压、输入电压必须 升压降压，反相 反相，倍乘 高于输出电压 效率低一中等，如果相 高，除非在很轻的负载下高，除非在很轻的负载 差很小时，效率较高 ( u a ) ，此时开关电源的 下，电荷泵的开关功耗 静态电流相对较大和静态功耗相对较大 消耗热量如果平均负载电流输入低、功率低于l o w 时元器低 一输出压差较大时消耗热件不发热 量较高 复杂度低，通常仅需要调整管和中等一高，除i c 外通常还中等，通常需两个外接 小的旁路电容需要电感、二极管、滤波电容，不需要外接电感 电容，大功率电路中需外 接场效应管 尺寸小一中等，需要散热时体低功耗应用中尺寸大于线电路尺寸小 积较大性稳压器，大功率应用中 不需散热器，尺寸比线性 稳压器小 总体成本 低中争高，主要取决于外部低 元件 波纹噪声 低。没有纹波、低噪声， 中等一高，波纹与开关频率 高，输出电压受负载电 电源噪声抑制有关流影响很大 表1 - 1 是线性稳压电源、开关电源和电荷泵电源的性能对照表。选择便携式 电源i c 不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量、 延长电池寿命及成本等问题。采用电荷泵电源组成电压反转电路最为简单，在所 4 浙江大学硕士学位论文 高效率，低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 需电流不大，需要负电源的场合较为适用，但是电荷泵电源的输出电压噪声大， 稳定性不高。线性稳压直流电源的特点是反应速度快，输出纹波较小，工作产生 的噪声低，结构简单。在要求输出电压噪声特别小、输入输出电压差不大、输出 电流不大于1 0 0m a 时采用微功耗、低压差线性稳压器是最合适的。但是低压差 线性稳压电源只能提供降压转换，而且转换效率随着输入输出电压差的增加而迅 速降低。另外，线性稳压电源的发热量大( 尤其是大功率电源) ，会间接地给系 统增加热噪声。开关电源不仅能够实现降压、升压和反转变换，而且输出电流大， 静态电流小，转换效率高达9 0 以上，并可通过电流限制来降低纹波电压，在供 电电源能量有限，负载电流变化范围宽的场合通常是应用的首选。此外，开关电 源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率 各异【4 】。线性电源的成本会从某一输出功率点起高于开关电源，该点称为成本反 转点。随着电力电子技术的发展与创薪，这一成本反转点日益向低输出电力端移 动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 1 2 开关电源概述 2 0 世纪8 0 年代后，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的 电源换代。进入9 0 年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交 换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源， 更促进了开关电源技术的迅速发展。现代电力电子技术的发展，要求集成电路技 术为其提供复杂而完善的控制功能，其系统的集成成为一个趋势，开关电源i c 的设计正是基于这样的想法而产生。 1 2 1 开关电源稳压原理嘲 开关电源的稳压部分是d c - d c 变换器，d c d c 电源在通信系统中也称二次 电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经d c - d c 变换后， 在输出端获得一个或几个直流电压。事实上，d c - d c 变换可分为若干基本类型， 由功率开关和储能器件的不同组合亦可获得多种d c - d c 电路结构。由于便携式 电子产品要求其中的电源i c 具有体积小，重量轻，片外元件少的特点，这里仅 就结构最简单，只包含两个功率开关，一个输出电感和一个输出电容的三种 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 d c d c 基本类型进行介绍。根据输入、输出电压的大小及相位关系，这三种基 本类型称为：降压变换( b u c k ) ，升压变换( b o o s t ) 和降压一升压变换( b u c k - b o o s t ) 。 1 2 1 1b u c k 变换原理 圈1 - 2b u c k 变换原理图 + k m 一 图1 2 所示为b u c k 变换原理图。为输入电压，通常接外部供电电源( 例 如电池) 。s 1 和s 2 为功率开关，实际系统中s 1 通常用具有很大宽长比的m o s 管 实现，s 2 则可根据控制模式的不同选择由m o s 管( 同步控制模式下) 或大功率 削寺基二极管( 异步控制模式下) 实现。正常工作过程中，s l 与s 2 以一定的时 ， 问间隔轮流开通，其中s i 的开通时间占整个开关周期的比例( 粤) 称为开通 占空比，用d 表示，s 2 的开通时间f o l r 占整个开关周期的比例( 警) 称为关断 占空比，用d 表示。 首先假设s l 和s 2 均为理想开关，开通电阻为0 ，当钾矿l 即n - d = i 时，图1 2 中x 点的电压攻波形如图l - 3 所示。 图1 - 3k 在伊口：1 时的波形图 浙江大学硕士学位论文 高效率，低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 图1 - 3 中，肛时间内s 1 开通，s 2 关断，酹，供电电源通过s l 和电 感向负载足m 和c 缸供电，同时电感三中储存能量。t o n t 时间内s 2 开通，s l 关断，v x = o ，电感工中在时间段内储存的能量释放给负载足。和c 蠢，因此 一个时钟周期r 内政的平均值为： 一， r 一， r x = 等+ 半0 = d + d o = d ( 1 1 ) jj 由图1 3 可见，攻的波形中包含直流分量和大量高频噪声，因此需要由电感 和电容组成的低通滤波器将攻的直流分量滤出，作为输出电压供给负 载冠呲。若忽略小幅纹波，输出电压可表示为： = d 圪 围1 一 在毋口= 1 时的波形图 i l ( 1 2 ) ( 1 2 ) 式所示的比倒关系也可通过对电感电流j l 的分析得到，如图1 4 所示。 o n 时间内s l 开通，s 2 关断，丘以( p o ，唧) l 的斜率上升。轩r 时间内s 2 开通，s l 关断，五以。伍斜率下降。在稳定状态下，每个开关周期内五的平均 值等于输出电流j o ，且每个周期始末丘大小相同。因此有 蝇：与当k ；争伊o ) ( 1 3 ) = 粤= d 珞 ( 1 4 ) 在上述分析中，我们假设肌d ，- l ，电感电流五在整个开关周期内均大于0 ， 这种工作模式称为电感电流连续模式。在电感三较小，负载电流厶。较小或周期 r 较大时，会出现电感电流已下降到0 而新的周期还未开始的情况，称为电感电 流不连续模式，其特点是+ 细r ( l 或d 十d ， 1 ，每周期开始时电感电流从0 开 浙江大学硕士学位论文高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 始上升。电感电流不连续模式下的攻和丘波形如图1 5 所示。 工工 图1 5k 和，l 在坍口 1 时的波形图 i 她 在图1 - 5 中，o r o n 时间内s i 开通，s 2 关断，供电电源通过s l 和电感l 向负载如。和c k 供电，同时电感工中储存能量，丘从0 开始以( y 0 ) l 的 斜率上升。r o n 钿时间内s 2 开通，s 1 关断，电感l 中在时间段内储存的能量 释放给负载冠埘和c 缸，五以亿斜率下降，并在栅时刻下降到0 。t o f r t 时间 内s i 和s 2 均关断，电感中没有电流，由电容c 0 向负载足，皿供电。采用对图1 - 3 ， l - 4 的分析方法，可得 = 争+ 等o + 串- ( 1 s ) a t l ：与阜；争o ( 1 6 ) 由式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 可解得输出电压p 为： = 页d 可 ( 1 7 ) 由式( i 2 ) 、( 1 7 ) 可见，电感电流连续和电感电流不连续两种工作模式下 浙江大学硕士学位论文高教率，低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 均有玩“，因此这种电路结构称为降压( b u c k ) 变换。 1 2 1 2b o o s t 变换原理 图卜6b o o s t 变换原理图 + 一 图1 _ 6 所示为b o o s t 变换原理图，图中符号定义与图1 - 2 中相同。在电感电 流连续模式下，t o n + t o f f t , 即d + d i ，电感电流，l 的波形如图1 7 所示。 0 t o n t 图1 _ 7i l 在伊口：1 时的波形图 i 虬 在o 时间内s l 开通，s 2 关断，供电电源珞通过电感三对地放电，电感 工中存储能量，屯以肛的斜率上升，同时电容c o 向负载供电。t o n t 时 间内s 2 开通，s l 关断，供电电源通过电感三对负载和c k 供电，同时电感三 中储存的能量也向负载。和c k 释放，五以( ) l 的斜率下降。采用 对图1 4 的分析方法，有 蝇：争o ：气当o ( 1 8 ) 结合t o o + t o f t f t 可解得电感电流连续模式下的输出电压为： 9 新江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 = 古 ( 1 9 ) 在电感电流不连续模式下，f o d + 抽f n 即d 十d ， l ，电感电流i l 的波形如图 1 8 所示。 工 图1 - 8 ，l 在毋口 ，因此这种电路结构称为升压( b o o s t ) 变换。 ，叱 i 一叫 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 1 2 1 3b u c k - b o o s t 交换原理 - - + 图1 - 9 所示为b u c k - b o o s t 变换原理图，图中符号定义与图l - 2 中相同，注意 到此时输出电压与输入电压的极性相反。在电感电流连续模式下， t o n + t o f f f f i t , 即d + d i ，电感电流屯的波形如图1 1 0 所示。 圈卜1 0 l 在毋口= 1 时的波形图 i l 在0 t o a 时间内s l 开通，s 2 关断，供电电源通过电感工对地放电，电感 工中存储能量，五以亿的斜率上升，同时电容c k 向负载风。供电。o r 时 间内s 2 开通，s l 关断，电感工中储存的能量向负载兄呲和c 帆释放，五以呲 的斜率下降。采用对图1 - 4 的分析方法，有 矿 矿 蝇= 了 i n 。0 = 半o ( 1 1 2 ) 厶 l 可解得电感电流连续模式下的输出电压为： = 鲁圪 ( 1 1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 在电感电流不连续模式下，f o n + 栅 l 即d + d 1 电感电流五的波形如图 i - i i 所示。 工工 图卜1 1 在毋口7 1 时的波形图 在。时问内s 1 开通，s 2 关断，供电电源通过电感l 对地放电，电感工 中存储能量，屯以v - 。l 的斜率上升，同时电容c 缸向负载足，n 供电。钳妇时问 内s 2 开通，s l 关断，电感工中储存的能量向负载冠m 和c o 释放，丘以犯的 斜率下降，并在栅时刻下降到0 。t o f r - t 时间内s 1 和s 2 均关断，电感中没有电 流，由电容c 矗向负载冗呲供电。采用对图l - 4 的分析方法，有 蝇：争t o , ：争o ( 1 1 4 ) 可解得电感电流不连续模式下的输出电压为： = 焉 ( 1 1 5 ) 由式( 1 1 3 ) ，( 1 1 5 ) 可见，b u c k - b o o s t 变换当中输出电压与输入电压 的比值等于一个开关周期内开通占空比d 与关断占空比d 的比值，该比例有 可能小于1 也有可能大于l ，因此这种电路结构可通过设置不同的开通、关断占 空比来实现降压和升压变换，即当d 0 5 ) 时，v o r 、， 电路工作在升压模式。由图i - 9 可见，输出电压与输入电压的极性相反， 因此这种结构也称为“反号变换”。 ，= - | i 土 浙江大学硕士学位论文高教率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 1 2 2 开关电源的三种控制方式 由1 2 1 节的描述可知，改变开关开通、关闭时间与工作周期的比例，开关 电源的输出电压也随之改变。因此，为维持精确、稳定的输出电压，开关电源的 控制电路必须能够随着负载和输入电源电压的变化自动调整、栅和r 的比例。 这种改变开关开通时间、关断时间f o h 和工作周期r 的比例，亦即改变脉冲开 通占空比d 和关断占空比d 钓方法，称为“时间比率控制”忉。按照时间比率 控制的实现原理，开关电源主要有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式、脉冲频 率调制方式和谐振调制方式。 ( 1 ) 脉冲宽度调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 脉冲宽度调制方式采用恒定的开关周期l 通过调整脉冲宽度( 即功率开关 管的开通、关闭时间) 来改变占空比。脉冲宽度调制的开关频率固定，能够通过 合理设置开关频率值来避开负载电路的敏感频带，简化滤波电路的设计。但是由 于受到最小关断时间的限制，脉冲宽度调制所能达到的输出电压范围有限。 ( 2 ) 脉冲频率调制( 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 ) 脉冲频率调制方式采用固定的开通时间或关断时间，a 目，通过改变开关工 作频率( 即改变工作周期d 来改变占空比。在脉冲频率调制模式下，开通、关 断占空比均能在很宽的范围内变化，因此输出电压的可调范围较p w m 模式大。 但是脉冲频率调制模式要求滤波电路能在较宽的频率范围内正常工作，增加了滤 波电路的体积和设计复杂度。 ( 3 ) 谐振调制( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) p w m 和p f m 开关变换器是以“硬开关”为主要特征的，即电子开关按外加控 制脉冲而通断，控制脉冲与开关本身流过的电流及两端所加的电压无关。而谐振 是以“软开关”为特征的，即应用谐振原理，使开关电源的开关器件中电流( 或电 压) 按正弦或准正弦规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关管关断，或在 开关管电压为零时，使开关管开通，从而使交流开关损耗为零。其中前者称为零 电流谐振调制( z c s ) ，后者称为零电压谐振调制( z v s ) 。谐振调制虽然减少了 开关功耗，但是相对于硬开关调制方式来说，开关管的沟道上具有较多的导通损 耗，因此一般应用于大功率、输出电压变化范围较窄的场合，不适用于便携式电 子产品。 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 1 2 3p w m 控制模式及特点 1 在开关电源三种调制方式中，脉冲宽度调制( p w m ) 方式应用最普遍，因 此本节主要介绍电压型、电流型和迟滞型三种基本的p w m 控制模式及其特点。 1 2 3 1 电压型p w m 控制 输出电压反馈 图1 - 1 2 电压控制型p 嗍原理图 电压型p w m 控制是2 0 世纪6 0 年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采 用的第一种控制方法，至今仍有广泛应用。 图1 1 2 所示为基本的电压模式p w m 控制环路图。虚线框内的器件位于片 外，其中的电感厶电容c 缸和电阻r o 吐意义与1 2 1 节中的定义相同。电阻j 辞i 和r f 2 构成分压电路，用于对输出电压进行采样。r e s r 是输出电容的等效串 联寄生电阻，对系统的瞬态响应有很大影响。s p 和s n 为功率开关管，其中s p 为p m o s 管，相当于图l - 2 中的开关s 1 ，s n 为n m o s 管，相当于图l - 2 中的开 关s 2 。由于s p 和s n 在工作过程中通常要流过很大的电流，它们的尺寸很大， 需要专门的驱动电路( d r i v e r ) 对它们进行驱动。在大功率电压转换时，s p 和 s n 也可能用片外功率管实现。时钟发生器产生固定频率的方波时钟信号，该信 号一方面直接控制d r i v e r ，一方面供锯齿波发生器产生相同频率的三角波。电压 型p w m 控制只有一个电压反馈环路。输出电压经采样电路采样后得到反馈电压 浙江大学硕士学位论文 高教率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 f b ，它与参考基准电压f 比较以后得到误差电压k 。误差放大器( e a ) 将k 放大后产生信号。，它与锯齿波一同作为p w m 比较器的输入产生p w m 方 波，该信号经过驱动电路功率放大后得到开关管控制信号，以此决定开关管的开 通与关断时间，达到稳定输出电压的目的。在实际应用中，由于电网的电压波动 等因素，导致输入直流电压经常波动。当输入电压突然变化时，由于主电路有较 大的输出电容c o 和电感l ，具有相移延迟作用，输出电压的变化也延迟滞后。 而输出电压的变化信息还需要通过误差放大器的延迟滞后才能传至p w m 比较 器来改变脉宽。因此环路的瞬态响应较慢，导致输出电压纹波大，谐波分量也较 大。 电压型p w m 控制的优点主要有 7 1 ：单一反馈电压闭环设计，调试比较容 易；对输出负载的变化有较好的响应调节；p w m 三角波幅值较大，脉冲宽 度调节时具有较好的抗噪声裕量；电路实现容易，结构简单。 电压型p w m 控制的缺点主要有：对输入电压的变化动态响应较慢；闭 环增益随输入电压变化而变化，使得补偿网络的设计复杂度增加；输出l c 滤 波器给控制环路增加了双极点，在设计补偿网络时需要考虑将主极点低频衰减或 增加零点补偿。 1 2 3 2 电流型p w m 控制 由于电压控制p w m 源在单环控制过程中，电源电路中的电感电流未参与控 制，是独立的变量。而开关变换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电 容的电压和输出滤波电感的电流。开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容电 压信号产生一定延迟。因此，仅用电压采样的方法稳压，其响应速度慢、稳定性 差，甚至在大信号变动时产生振荡而造成功率管损坏等故障的发生。 电流控制p w m 开关电源正是针对电压控制型的缺点发展起来的双环控制 系统，根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现最 小的动态响应的误差平方和指标，因此采取输出电压和电感电流两种反馈实现双 环控制是符合最优控制规律的。根据控制模式的不同，电流型p w m 控制可分为 峰值电流控制和平均电流控制两个基本类型。 浙江大学硕士学位论文 高教率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 图卜1 3 峰值电流型p 嘲控制原理图 峰值电流型p w m 控制( p e a kc u r r e n t i n o d gc o n t r o lp w m ) 原理如图l - 1 3 所 示。它既保留了电压控制型中输出电压反馈控制部分，又增加了一个电流反馈环 节，即采用电流监测模块检测功率开关管s p 导通时其中流过的电流，并产生与 之成正比例的电流信号，该电流反馈信号与斜坡补偿电流信号求和后通过电阻r 生成斜坡电压信号巧。由于s p 导通过程中其电流等于电感工中的电流，故n 反映了输出电流的变化。电流模式控制环路的工作过程是：固定频率的时钟脉冲 c l k 信号的上升沿驱动s p 导通，随着s p 中的电流逐渐增大，h 也依一定的斜 率上升，当k 达到圪。时，p w m 比较器翻转，驱动信号变为高电平，s p 关断， s n 导通。川可以看出这种控制方式不是像电压型控制那样将误差放大器的输出 与振荡电路产生的固定形状锯齿波斜坡作比较，而是与一个变化的、其峰值代表 输出电感电流峰值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号相比较，是一种固定时 钟开启，峰值电流关断的控制方法。 峰值电流型p w m 控制的优点主要有1 7 1 ：对输入电压和输出负载的变化具 有较快瞬态响应；具有瞬时峰值电流限流功能，无须额外添加过流保护电路。 峰值电流型p w m 控制的缺点主要有：峰值电流与平均电流的误差难以校 正，使得实际输出电压与预期输出电压之间存在误差；抗噪声性差，在开通占 空比大于o 5 时容易发生次谐波振荡，电流信号上的较小噪声就很容易使得占空 比发生较大变化，需要增加斜坡补偿信号。 1 6 浙江大学硕士学位论文 高教率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 图卜1 4 平均电流型p 删控制原理图” 2 0 世纪7 0 年代后期，平均电流型p w m 控制概念产生，并于2 0 世纪9 0 年 代发展成熟，在低压大电流高速c p u 专用开关电源中得到广泛应用。图1 1 4 所 示为平均电流型p w m 控制的原理图。与峰值电流型p w m 控制电路相比，增加 了一个电流误差放大器( c a ) 。电流误差放大器的正输入端为电压误差放大器 ( e a ) 的输出，这个输出经过电阻局产生输出电感电流平均值的控制基准。电 流误差放大器的负输入端为电流监测模块检测到的电感电流信号，这一信号随着 s p 的导通和电感电流丘的增加而上升，带有锯齿纹波分量。电流误差放大器的 输出p 0 。与锯齿波发生器产生的固定形状的三角波信号共同作为p w m 比较器 的输入，以产生p w m 信号。由于圪一反应了电感平均电流与基准电流的误差， 这种控制方法被称为平均电流型控制。同时，由于在s p 导通过程中电流误差放 大器的负输入为一正斜坡，所以相应的。的波形带有负斜坡分量，无形中增 加了一定的斜坡补偿，无须另外设计斜坡补偿电路。为避免次谐波振荡，锯齿波 发生器产生的三角波信号的上斜坡斜率应当大于s n 导通过程中。上斜坡斜 率的一半。 平均电流型p w m 控制的优点主要有【刀：平均电感电流能够高度精确地跟 踪电流基准信号，保证输出电压的精度；不需要斜坡补偿；调试好的电路抗 噪声性能优越。 平均电流型p w m 控制的缺点主要有：电流放大器的增益和线性度不如电 1 7 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 压放大器容易控制；双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试难度较大， 电路复杂度高。 1 2 3 3 迟滞型p w m 控制【8 h 1 0 1 - 一j 图1 - 1 5 迟滞型i ：w # d 控制 图1 - 1 5 所示为迟滞型p w m 控制( h y s t e r e s i sp w m c o n t r 0 1 ) 原理图。迟滞 控制也称为纹波调制控制( r i p p l er e g u l a t o rc o n t r 0 1 ) ，它是通过迟滞比较器将输 出电压的反馈信号聆b 限制在分别以o 讪和为上、下边界的迟滞窗口 内，从而达到控制输出电压的目的。迟滞控制下的输出电压波形如图1 - 1 6 所示。 其中 矿，：n + 垒、矿。 ( 1 1 6 ) k 蛐- ( 1 + 拳 n 1 6 o - _ ( 1 + 等 ( 1 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文高效率，低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 图1 - 1 6 迟滞型p 删输出电压波形围 纹波y 当y b 低于f 时，参考电压选择开关sfef将h接入迟滞比较器的正msh i s h 输入端，此时迟滞比较器输出高电平，s p 管导通，输出电压上升。当p h 上升至p 知k g h 时，迟滞比较器输出翻转为低电平，将s p 管关断，s n 管导通， 使输出电压下降，同时将蛔接入迟滞比较器的正输入端。当下降至 p 备l o w 时，迟滞比较器的输出翻转为高电平，将s p 管开通，s n 管关断，使输出 电压上升，并选择嘲。接入迟滞比较器的正输入端，开始新的控制周期。 可以看出，在这种控制方式下，不考虑控制环路中的延迟等因素影响，输出电压 被完全限制在址g h 和p ，伽h 之间，具有绝对的稳定性。 迟滞型p w m 控制的优点主要利1 ：输出电压直接作为迟滞比较器的输入， 不需要经过误差放大器和斜坡比较，环路简单且没有调整延迟；不需要设计补 偿电路，稳定性好。 迟滞型p w m 控制的缺点主要有：功率开关管的导通、关断时间与输入电 压及负载电流o 大小直接相关，即在不同的输入电压和负载电流厶。条 件下具有不同的开关频率，增加了滤波电路设计的复杂度，且容易产生变频噪声； 电感电流五不受控制，实际输出电压的纹波大于图1 1 6 中所示的乃系统 延迟对输出电压的稳定性和精确度有很大影响，需要设计快速响应的迟滞比 较器及功率开关管的驱动电路，因此对功耗的要求增加。 1 3 低功耗考虑 便携式电子产品以电池供电，减少功耗意味延长电池的寿命或两次充电之间 的时间问隔，减少供电电池的数量，减小便携式电子产品的重量和体积，节约能 1 9 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 源和成本。因此如何降低功耗，提高转换效率成为便携式电源i c 设计中需要考 虑的主要问题。本节依然以开关电源为例讨论电源i c 的低功耗设计问题。 1 3 1 开关电源芯片的功耗组成 开关电源芯片的功耗来源可分为四个主要类别叫，即静态功耗，传输功耗， 驱动功耗和交流开关功耗。 1 3 1 1 静态功耗 静态功耗是维持开关电源芯片内部各模块运行所需的直流功耗，其大小与输 入电压及片内各模块或支路的直流偏置电流成正比。可表示为 晶= 如 ( 1 1 8 ) 由1 2 节的描述可知，开关电源芯片内部通常包括时钟振荡器，锯齿波发生 器，误差放大器，p w m 比较器和驱动电路等模块。为防止芯片运行温度过高， 或出现电压、电流过冲导致元件损坏，开关电源芯片当中通常还需要高温保护、 高低电压保护和过流保护等模块。这些模块的高性能运行通常要求复杂的电路 设计和较高的直流偏置电流( 通常几个毫安左右) ，因此在设计开关电源芯片时 需要考虑静态功耗与性能的折衷。 1 3 1 2 传输功耗 传输功耗主要是指开关电源芯片输出级上的功耗，包括功率开关管导通电阻 上的功耗以及片外电感、电容的等效串联电阻( r e s t ) 上的功耗。传输功耗的大 小与输出电流的平方成正比，并与器件的物理参数直接相关，近似可表示为 = k 2 ( 民+ 屯r ) ( 1 1 9 ) 开关电源芯片运行过程中，功率开关管交替工作在截止和深线性区，功率管 开通时的沟道电阻近似为 耻石亥鬲 n 2 2 0 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 其中c k 是单位面积的栅氧化层电容，其大小取决于芯片流片工艺下的栅氧化层 l 矿 厚度。是载流子的表面迁移率。是功率开关管栅极的宽长比，通常大于一 l 万。v 6 s 是功率开关管的栅、源电压差，在功率管开通时约等于系统的输入电压 。所h 是功率开关管的阈值电压。功率管的开通沟道电阻通常在几百毫欧姆左 右，由于和都是温度的函数，因此沟道电阻以及传输功耗也随温度变化而 变化，沟道电阻随温度的增加近似为+ 2 5 c 。 片外电感，电容的等效串联电阻的大小通常在几个到几十个毫欧姆，并且随 着电感值的增加以及电容值的减小而增加。在开关频率较高的应用中，片外滤波 电路的电容值通常很小，在几个微法左右，r e s r 约为几十毫欧姆。随着开关电源 工作频率的增加，片外电容不断减小，其等效串联电阻值也随之增加，从而引起 更多的传输功耗。 1 3 1 3 驱动功耗 驱动功耗专指功率开关管在开通或关闭过程中驱动电路对其栅极电容进行 充、放电所消耗的功耗。若开关电源芯片工作频率为石功率开关管的栅极电容 为c 凶，系统的输入电压为，则单位时间内消耗的驱动功耗可表示为： = f 。2 c k ( 1 2 1 ) 在高输入电压，大输出电流的开关电源芯片当中，功率开关管具有很大的面积和 宽长比，其栅极电容c 函大约有几个皮法，驱动功耗占总功耗的比例也较高。 1 3 1 4 交流开关功耗【1 2 1 交流开关功耗是指功率开关管在开通或关闭过程中其沟道电阻上消耗的功 耗。交流开关功耗的产生是由于功率开关管的非理想特性，即具有开启时间( ) 和关断时间( t m t ) ( 通常为几十纳秒) 导致。交流开关功耗由两部分组成，以图 l - 1 2 至1 - 1 5 中的功率开关管s p 为例：在s p 管开通瞬间，其沟道当中的上升 电流和沟道两端的下降电压有重叠，造成导通损耗；在s p 管关断瞬间，其沟 道当中的下降电流和沟道两端的上升电压有重叠，造成关断损耗。 浙江大学硕士学位论文 高效率、低功耗直流电压转换器芯片设计与实现 交流开关功耗可以根据功率开关管开启和关闭时间内的沟道两端电压和沟 道电流的动态曲线计算。首先考虑最理想的开关情况，即功率管开启或关闭时， 沟道两端电压和沟道电流的变化同时开始，同时结束。如图1 1 7 所示： 叫目 图1 - 1 7 理想状态的功率开关管沟道电压、电流曲线 卜沟道电流 卜沟道电压 功翠开关管开届过程中的导通损耗为 矿( ) = r ，( f ) 矿( f ) 毋= 墨! 1 6 ；生 ( 1 2 2 ) 因此整个工作周期内的平均功率为 p ：生监 ( 1 2 3 ) 呷 6 r 同理，在功率开关管关断过程中，可求得关断损耗和整个1 - 作周期内的平均功率 分别为 矿( ) = r “o 矿q ) a t = 生訾鱼 ( 1 2 4 ) = 半 ( 1 2 5 ) 设o = = f s 。，可求得总的交流