（电路与系统专业论文）采用片上滤波器电流检测的升压型dcdc控制器设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着信息技术的快速发展，以及消费类电子市场的高速增长，体积更小，效率更高 的开关电源得到了广泛的应用。对于任何电子整机系统，供电模块的性能都将直接影响整 体的功耗、可靠性和成本。因此，开关电源的各关键指标成为研究关注的焦点，包括效率、 稳定性、动态特性和集成度等。 b o o s td c - d c 变换器常常用于各种手持便携式设备、无线通信系统，以及驱动l e d 、 o l e d 、c c d 器件等等，对性能和效率的要求都很高。由于开关电源的性能主要由控制方法 和相应的设计决定，因此，论文采用对输入电压和输出电压响应更快的峰值电流控制模式 进行系统设计。 与传统的电压控制模式相比，电流控制模式需要引入电流检测元件来获得电流的信 息。目前常用的方法是将电阻直接串接在功率通路上，这种方法虽然简单，但是随着负载 的增大，电阻的功耗非常可观。本文采用了基于滤波器进行电流检测的原理，避免了额外 电阻的使用。 使用滤波器进行电流检测，需要获得电感的感值及其寄生电阻的阻值才能进行相应 的滤波器匹配设计，这对于实现片上电流检测来说是一个很大的挑战。本文采用了一套片 上自校准系统来实现电感l r 网络和片上g m - c 滤波器的匹配。 由于滤波器电流检测方式需要探测电感两端的电压，对于b o o s t 变换器来说，这两点 电压的变化范围很大，且与开关相连端的变化频率非常高，使得设计与实现适用的有源滤 波器及相关系统成为关键。在此，论文利用高速电流型运放构成一高输入共模电压g m - c 滤波器，其特点是独立于转换器的控制系统，满足速度要求又大幅度扩展了输入电压的范 围。 作为成果，所构成的电流检测模块不仅可用于b o o s t 拓扑，还可以作为可重用的i p 应 用于不同场合的电感电流检测，包括用于b u c k 以及b u c k - b o o s t 变换器的电流控制模式。 系统及模块的设计在1 5 u mb c d s i l 艺下完成，并使用c a n d e n c es p e c t r e 进行仿真。 仿真结果表明各模块和系统工作正常，已达到预期的设计目标。 关键词：d c - d c 变换器，升压，片上电流检测，g l l l - c 滤波器，可调谐 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s 仃a c t a b st r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dr a p i dg r o w t ho fc o n s u m e r e l e c t r o n i c sm a r k e t ，s m a l l e ra n dm o r ee f f i c i e n t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e sh a v eb e e nw i d e l y a p p l i e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo fp o w e rs u p p l ym o d u l e sw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c e s t h eo v e r a l l p o w e rc o n s u m p t i o n ，r e l i a b i l i t ya n dc o s to fae l e c t r o n i cs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ek e ys p e c so fa s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys u c ha se f f i c i e n c y ，s t a b i l i t y , d y n a m i cp e r f o r m e n c e ，i n t e g r a t i o nl e v e l ， e t c ，h a v eb e c o m et h ef o c u so nw h i c ht h er e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o n s b o o s td c d cc o n v e r t e r sa r eu s u a l l ya p p l i e dt op o r t a b l ed e v i c e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa sw e l la sl e d ，o l e d ，c c dd r i v e r s ，e t c ，w h e r eh i g hp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c ya r e r e q u i r e d c o n s i d e r i n gt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sm a i n l yd e t e r m i n e d f r o mi t sc o n t r o lm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gd e s i g ns c h e m e ，t h i st h e s i sc h o s ea p e a kc u r r e n tm o d e c o n t r o ls c h e m ef o rp r o p o s e db o o s td c - d cs y s t e mi no r d e rt o g a i nf a s ti n p u ta n do u t p u t r e s p o n s e d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lv o l t a g ec o n t r o lm o d e ，ac u r r e n t - s e n s i n ge l e m e n ti sn e e d e df o r c u r r e n tc o n t r o lm o d et om o n i t o rc u r r e n t i ng e n e r a l ，a sa s i m p l es o l u t i o n ，as e r i e sr e s i s t o rp l a c e d a tt h ep o w e rp a t hi su s e dt os e v e ra si t u n f o r t u n a t e l y ，t h er e s i s t o rw i l lc u s u m ea d d i t i o n a lp o w e r w h i c hc o u l db ec o n s i d e r a b l ee s p e c i a l l yw h i l el o a dc u r r e n ti sl a r g e t oa v o i d e dt h i sp o w e r c u n s u m p t i o n ，an o v e lc u r r e n t - s e n s i n gm e t h o db a s e do nf i l t e rw a sa d o p t e d t h ek e yo ft h i sc u r r e n t - s e n s i n gm e t h o di st h em a t c h i n gd e s i g no ft h ef i l t e r ，w h i c hd e p e n d s u p o nw h e t h e rt h ee x a c tv a l u e so ft h ei n d u c t a n c ea n d i t se f f e c t i v es e r i er e s i s t o ra r el e a r n t ，w h i c h c h a l l e n g e st h er e a l i z a t i o no fo n c h i pc u r r e n t - s e n s i n g i nt h i st h e s i s ，a l lo n - c h i ps e l f - c a l i b r a t i o n s y s t e mw a si n t r o d u c e dt oe n s u r et h eo n - c h i pg m cf i l t e rm a t c hw i t ht h ee x t e r n a ll r n e t w o r k a n o t h e rc h a l l e n g ei st h a tb yf i l t e r - b a s e dc u r r e n ts e n s i n gm e t h o d ，i ti sn e c e s s a r yf o rf i l t e rt o d e t e c tt h ev o l t a g ea c r o s st h ei n d u c t o r s i n c et h ev o l t a g eh a saw i d ev a r i a b l er a n g ea n dh i ：g h f r e q u e n c y ，d e s i g no fa c t i v ef i l t e ra n dr e l a t e ds y s t e mt h a ti sm a t c h e dt oi tb e c o m et h ek e yi s s u e h e r eag m - cf i l t e rw i t hb e y o n dr a i li n p u tv o l t a g er a n g ew a sp r o p o s e d ，w h i c hr e s u l t si nh i g h s p e e da n dw i d ei n p u tv o l t a g er a n g e b e s i d e ，i ti si n d e p e n d e n tt ot h ec o n t r o ls y s t e mo fc o n v e r t e r s oa st os y m l i f yt h ed e s i g n i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sar e s u l t ，t h ec u r r e n ts e n s i n gb l o c kc o u l db eu s e da sat r u ei p i ti sn o to n l yf u l l y q u a l i f i e df o rb o o s tt o p o l o g y ，b u ta l s os u i t a b l ef o rd i f f e r e n ti n d u c t o rc u r r e n ts e n s i n gs y s t e m i n c l u d i n gb u c ka n db u c k - b o o s tc o n v e n e r t h ec i r c u i t sa n ds y s t e ma r ed e s i g n e da n da c c o m p l i s h e di n1 5 1 x mb c dt e c h n o l o g y i ti s s i m u l a t e di nc a n d e n c es p e c t e rse n v i r o m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h ec i r c u i t s a n ds y s t e mw o r kw e l la n dt h ee x p e c t e ds p e c i f i c a t i o n sw e r es u c c e s s f u l l ya c h i e v e d k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r ，b o o s t ，o n - c h i pc u r r e n ts e n s i n g ，g m cf i l t e r ，t u n a b l e i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝婆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：互甑l 虱 签字日期： 跏f 。年弓月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，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： 2 湖l 虱 n 导师签名： 签字日期：b l 。年弓月i o 日签字日期：加f 口年弓月l 口日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 对于本次毕业设计的完成，首先要感谢我的导师吴晓波教授及赵梦恋副教授。他们 凭借丰富的模拟i c 设计知识和对行业发展深入的了解，总是能及时并准确地指出我在研究 过程中所犯的错误，使我少走了很多弯路，为论文的完成奠定了坚实的基础。 其次，我要感谢娄佳娜博士，以及孙越明博士，非常耐心地解答我的各种问题，认 真负责地指出我的错误，在与他们的讨论中，解决了设计过程中遇到的各种实际问题。同 时还要感谢陆佳颖，叶智豪，胡琳，周寅同学，在学术讨论之余，还经常不厌其烦的帮我 处理各种事物。本论文的顺利完成，你们的帮助不可或缺。 此外，还要感谢已经毕业的陈海师兄，安鸿峰师兄和李帆师兄，你们严谨的学风和 扎实的功底都是我的榜样，为我真正进入模拟集成电路设计的世界提供了很大的帮助。 本论文的完成还要感谢实验室的每个同学的大力相助，在你们的热心帮助下，这次 毕业设计进行的非常顺利。 回首两年来的研究生求学生涯，发觉能够在超大规模集成电路研究所提升自己的专 业素质，并结识一众志同道合的良师益友实乃人生中的一大幸事，最后，再次对两位老师 和各位同学致以最真挚的感谢，谢谢你们给予我的指导关怀和帮助。 王朗圆 2 0 1o 年2 月于浙大 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 概述 近年来，以手机、数码相机、m p 3 、m p 4 等为代表的消费类电子市场蓬勃发展，成为 人们关注的焦点。而随着信息技术和半导体技术的进步，这些手持设备已经摆脱了体积虽 小但功能简单的形象，往往集多种先进技术于一体，类似文本阅读，音频播放早已成为基 本必备功能，无线接入、网页浏览，电子邮件，g p s ，直至广播电视都开始从这些设备再 一次走向人们的生活。 如此复杂的功能对于电子系统的设计无疑是提出了非常严峻的挑战，系统中各个模 块的实现都远比以前复杂。而为整机系统提供动力的供电模块，除了要适应便携设备不断 缩小的体积外，还要提供更大的功率，更好的性能和效率。因此，开关型电源成为首选， 得到广泛的应用，并对其性能进行不断改进，其关键指标成为研究关注的焦点，尤其如效 率，稳定性，动态特性，功率集成度等等。 开关电源的工作原理类似于一种“斩波”电路心1 ，通过开关的开通与关断来控制电源 向负载传递能量的多少，并利用l c 网络组成的二阶低通滤波器滤除开关高速通断带来的高 频噪声，最终利用反馈控制获得干净稳定的输出电压。而由于电感和电容的频率特性，开 关频率越高，开关电源的体积越小，对于便携式设备来说非常具有吸引力。 开关电源的性能主要由它的控制方法和相关设计决定。常用的控制方法包括电压模 式控制，电流模式控制和迟滞控制三类d 1 。传统的电压模式控制只使用输出电压作为反馈 变量建立电压反馈环路。其优点在于系统非常简单，易于实现，但是补偿设计非常复杂。 此外，作为控制对象的功率级，其中任何参数的扰动或是跃交都要先引起输出电压的变化 才能传递给控制系统进行响应，由于l c n 络的延迟特性，往往使得开关电源的动态性能不 能满足要求。 电流模式控制与电压模式控制相比增加了电感电流这一反馈变量，形成了一个电流 反馈回路。由于电感电流的纹波与输入和输出电压直接相关，因此电流环为输出和输入电 压提供了到控制系统的通路，控制系统对输入和输出的变化能更快地做出响应。当然，新 环路的引入不可避免地增加了系统复杂度，但另一方面，获得的电感电流信息还能用来监 控系统状态，实现对过流等一些异常状态的保护，亦可使之具有更好的均流性能。再者， 浙江大学硕士学位论文绪论 电流模式控制的系统的功率级通常能够简化为单极点系统，可以大大简化电压环路的补偿 网络设计h 1 。 迟滞控制属于开环控制，不存在小信号反馈环路的稳定性问题，系统易于稳定，而 且动态性能优秀，某些指标要优于电流模式b 1 ，但是这种方法通常是变频的，容易引起e m i 方面的问题。 开关电源的效率由各种损耗所决定。按照产生机理不同，主要包括传导损耗和开关 的频率损耗。现在有很多控制方法可以减小开关的频率损耗来提高轻负载条件下的效率， 例3 2 口p f m ，b u s r t ，d c m 。前两种方法虽然降低开关损耗的效果好，但是纹波频率随负载变 化的范围太广，因此其前后级的e m i 滤波器设计将变得很复杂哺1 ，不3 如d c m 方便。 对于传导损耗，随着功率开关的导通电阻越来越小，在大负载条件下，电流模式控 制所引入的额外的电流检测电阻的功耗变得越来越难以忽视。以目前常用的在功率通路上 直接串联电阻进行电流检测方式为例，在b u c k 降压型变换器中使用1 0 0 mo h m 的检测电阻， 当负载电流达到1 a 时，将会有10 0 m w 0 功耗，而此时负载的典型功耗可能只有1 5 w ( 输出 电压为1 5 v ) 。因此，新型的无损电流检测技术得到了人们很大的关注。本文采用了基于 滤波器进行电流检测的原理，避免了额外电阻的使用。 1 2 国内外研究背景、现状和趋势 目前用于便携式设备的升压型d c - d c 变换器拓扑均使用b o o s t 拓扑，包括各种手持便 携式设备、无线通信系统，以及l e d 、o l e d 、c c d 器件的驱动等等，对性能和效率的要求都 很高。虽然新的电压模式控制可以通过加入电压前馈来改善控制系统对输入电压的响应 1 ，但是考虑到系统可靠性，例如过流保护功能的实现，对电流的检测是不可避免的，而 且电流控制模式通常具有更大的带宽晦1 ，因此，电压控制模式的系统简易性对于高性能应 用来说并没有足够的吸引力。此外，考虑到迟滞控制方法滤除e m i 的困难，而一些近似恒 定频率的实现方式又非常复杂b 1 ，所以电流模式控制最终获得了更多的青睐，成为主要的 开关电源控制方式。类似l i n e a rt e c h n o l o g y ，t i ，n a t i o n a ls e m i - c o n d u c t o r 等主流电源 厂商均推出了完整的电流控制型电源管理芯片的产品线，并不断进行更新和完善。 另一方面，考虑到在许多情况下都难以忽视的电流检测电阻的功耗，有一些新型的 无损电流检测技术已被应用到电源管理芯片当中。例女o l i n e a rt e c h n o l o g y 的l e d 驱动产品 l t c 3 7 8 3 ，就利用集成功率管的导通电阻r d s ( o n ) 进行电流检测，避免了额外检测电阻的引 浙江大学硕士学位论文 绪论 入侈1 。但是这种方法的精度不高。n 们提出了一种利用电流镜原理进行功率管电流检测的方 法，能够保证较好的精度，但是这种方法只能用于集成功率管的电源管理芯片，缺乏足够 的灵活性。此外，还有一些基于滤波器原理的电流检测方法受到人们的关注。电流型放大 器由于通常都具有局部负反馈，能够降低内部节点的阻抗，很容易达到较高的速度，同时 具有很好的电压裕度n2 1 。因此，电流型放大器开始用于例女l j g m - c 滤波器等一些场合，并能 实现比电压型运放更好的效果。 在便携式设备中的开关电源向高频化和小型化发展的趋势1 推动下，电源管理芯片 的集成度越来越高，将新的电流检测技术集成在片上的需求提高了芯片内部模块电路的设 计难度，给电源管理芯片的设计带来新的挑战。 1 3 立题意义和研究内容、目标 采用电流控制模式的开关电源变换器理论上具有非常优秀的性能，且非常适合便携 式设备的应用，问题是实际的变换器在所需要的应用环境下的性能和稳定性完全依赖于控 制系统的设计。因此，对电流模式d c - d c 控制器设计进行深入研究对于电源系统的性能和 稳定性非常重要。另一方面，在目前节能减排的背景下，并考虑到便携设备对于功耗的严 格限制，开关电源变换器的效率问题变得越来越突出，除了通过采用不同控制方法改善轻 负载效率之外，如何使用新技术来减小开关电源变换器控制芯片的电流检测功耗也变得更 加具有现实意义。 本文的目标就是设计实现与新型无损电流检测技术相结合的电流控制模式升压型 d c - d c 开关电源控制芯片，下面将简单介绍主要的研究内容。 变换器的功率级和控制系统通常需要先利用合理的模型进行初步设计，再利用仿真 器进行调整，控制系统的参数设计要保证能在功率级参数的变化范围内保证整个环路的稳 定。但是电流控制模式的模型很多，选择方便且精确的模型进行设计对实现优秀的性能和 稳定性非常重要。 此外，正如前文所述，电流检测电阻会引入比较大的功率损耗，而且b o o s t 升压型变 换器的情况更为不利，因为相同负载条件下，b o o s t 变换器具有更大的电感电流。所以， 减小检测电阻引入的功耗，对提高采用电流模式控制的开关电源的效率十分关键。因此， 本文将研究电源管理i c 中的无损电流检测技术，包括理论设计和具体的实现。 浙江大学硕士学位论文绪论 基于滤波器的无损电流检测技术既能保证足够的检测精度，又能保证良好的灵活性。 但是使用滤波器进行电流检测，需要获得电感的感值及其寄生电阻的阻值才能进行相应的 滤波器匹配设计，这对于实现检测模块的片上集成来说是一个很大的挑战，如何实现电感 l r 网络和片上滤波器的匹配成为关键。 另一方面，这种电流检测方式需要探测电感两端的电压，对于b o o s t 变换器来说，这 两点电压的变化范围大，而且与开关相连的一端变化频率高，所以有源滤波器及相关系统 电路级的实现非常困难，例如其中的运放就需要面临输入电压超过电源轨的情况，同时还 要满足速度和线性度的要求。在传统运放遇到困难的时候，研究设计一些新的电路或是与 其他一些技术相结合来满足高性能模拟电路的要求，是非常有用意义的。 本文的设计思想是将控制系统和电流检测系统分别进行设计，虽然能够得到相对独 立的模拟i p ，但是最终使用时需要两部分结合起来。所以结合时需要注意的问题也要予以 研究。此外，开关电源的保护电路也是保障系统可靠性的关键模块，包括过流，过压等处 理各种可能的异常情况的电路是必不可少的。 1 4 设计目标 本设计的主要目标是进行新型电流检测技术的片上集成，并与升压型d c - d c 开关电源 控制器相结合，实现具有更高效率的采用峰值电流模式控制的d c - d c 开关电源管理i c ： 1 ) 输入、输出电压范围：2 5 v 5 5 v ，最小占空比：1o ，最大占空比：9 0 。 2 ) 最大负载电流：5 0 0 m a ；最大电感电流：1 a 。 3 ) 纹波控制在输出电压的1 。 4 ) 开关频率：1 m h z 。 5 ) 片上实现滤波器参数与电感网络的自动匹配。 6 ) 满足电流检测需求的高性能g m - c 滤波器的设计，包括宽输入范围，高速等。 7 ) 使用降低失调技术来提高参数匹配系统和电流检测精度。 8 ) 保护电路：软启动、过压保护、过流保护等。 4 浙江大学硕上学位论文系统基本原理与设计难点分析 2 系统基本原理与设计难点分析 2 1 升压型变换器的工作原理与系统建模 b o o s t 拓扑是一种应用非常广泛的升压型开关电源拓扑，范围涵盖了大功率系统、各 种手持便携式设备、器件驱动等等。从小信号特征上看，与b u c k 拓扑不同的是，b o o s t 是 一种非最小相位系统，在控制系统的设计上需要多加注意。下面将简单介绍b o o s t 拓扑的 工作原理，以及模型建立和设计分析。 2 1 1b o o st 升压型d c - d c 变换器 在便携式小功率系统中，使用同步整流技术可以显著提高效率n 羽，图2 1 所示即为同 步整流型b o o s t 升压型d c - d c 变换器的电路结构。 图2 1b o o s t 拓扑 + v o l r r 对于连续电流模式( c c m ) ，妒和卵是由控制系统输出的一对互补时钟信号。在每个 时钟周期的开始，缈控制功率开关管s 一导通，电源以堡l 的斜率对电感三充电，电感储存能 量，由电容饷负载输出能量。当卵控制开关管功率开关管s e 导通时，电感以兰正芸尘堕的 斜率放电，作为源向电容c 和负载r 输出能量。假设脉宽调制( p w m ) 占空比为妒在一个时 钟周期内所占的比例d ，可以证明，变换器的变换比为 挚：去( 2 - 1 ) 1 一d 从这种大信号特性看，相较b u c k 变换器，b o o s t 升压变换器的电压增益随占空比d 成 非线性变化，输入电流连续而输出电流不连续，因此电感平均电流并不等于输出平均电流， 浙江大学硕士学位论文 系统基本原理与设计难点分析 而是满足屯= 而i o ，在大占空比的情况下电感将承受非常大的电流。这些特点在进行系 统需求分析时都需要加以考虑，制定合理的大信号条件。 2 1 2 变换器的功率级模型 开关电源本身是一种非线性系统，要分析其小信号动态性能，必须建立具有足够精 度的线性化近似模型。这种模型的建立有多种方法可行，但是有一些方法并不适合以系统 设计为目的分析，例如传统的空间状态平均法，需要经过繁杂的数学运算u 舢，虽然能得到 相同的结果，但是效率较低，物理意义也不够明确，并不适合工程应用。而一般的平均开 关模型，都具有较清晰的物理意义，不过有一些表现形式较难与计算机仿真相结合，且通 常会把d c 等效模型和小信号等效模型分开考虑 1 4 】，缺乏直观性。 图2 2c c m 小信号d c 开关模型 一种简便且直观的方法就是直接将图2 1 中虚线框内的部分替换为图2 2 所示的模 型，就可根据基本电路原理进行相关计算，而且保证了拓扑的一致性，非常的直观且包含 直流和交流特性，如图2 3 所示。图2 2 中的相关参数利用而端口网络模型即可求得n 卯。另 外，该模型还具有很好的通用性，其中a ( a c t i v e ) 代表主功率管，p ( p a s s i v e ) 代表同 步管或续流二极管，c ( c o m m o n ) 代表两个功率管相连的一端，在用于b u c k 和b u c k - b o o s t 拓扑时，直接安照a 、p 、c - - 个端1 ：3 的定义进行替换即可。 根据图2 3 不难求出控制到输出的传递函数以及零极点( 式2 - 2 至式2 - 7 ) 。 6 浙江大学硕士学位论文 系统基本原理与设计难点分析 图2 3 利用开关模型进行替换后的b o o s t 拓扑 + v o u t 一颦d 屯簪 p 2 ， 1 + + 乓 q鳓2 g 订( 。) = 上( 1 - d l ) 2 魄l2 面 o t 2 r 吃z2 丁 驴再 唧岳 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 由式( 2 - 2 ) 可以看到，b o o s t 拓扑存在一个右半平面零点，且位置与占空比d 相关。 利用最大占空比、最大负载和最大电感条件，可以得到该零点距离原点最近的位置。由于 右半平面零点的作用难以被抵消，因此其位置对于控制环路的稳定性补偿至关重要，b o o s t 控制系统的带宽也常常受到其限制。 从直观上看，该零点是由于b o o s t 拓扑的电感电流与输出电流不相等，且与占空比相 关引起的。例如，假设负载不变，占空比d 出现正的跳变，电感电流也应该随之增大，但 又不能突变，由于l2 f ，因此实际上输出电流在跳变瞬间减小了，导致供给负载的 浙江大学硕士学位论文 系统基本原理与设计难点分析 能量不够，输出电压并不随之增大，反而先有一个降低的过程。由于右半平面零点的存在 将使系统的输出在高频处对输入趋势做出相反的响应，所以即使是稳定g 寸b o o s t 变换器也 很容易在负载或输入跳变时，有瞬间趋于震荡n 们。 2 2 峰值电流型控制器模型 对于利用计算机仿真来说，如果用于仿真的模型能提供较高的精度，那么对随后的 系统及模块设计都会带来很大的便利，并能提高设计的可靠性。峰值电流模式控制器的模 型有很多，虽然在低频段都具有足够的精度，但是大部分都不能很好的预测高频段的情况， 尤其是接近二分之一开关频率的地方，例如二分之一频率处有可能出现一对共轭极点。 目前具有很高精度的模型是d j r a y m o n db r i d l e y 在中提出的，如图2 4 所示。该模 型能够很好的预测变换器在二分之一开关频率处的特性，而且具有很高的统一性，能够直 接用于峰值电流、谷值电流、恒定导通时间以及恒定关断时间控制的b u c k ，b o o s t 以及 b u c k - b o o st 变换器。 图2 4 电流型控制器模型 浙江大学硕士学位论文 系统基本原理与设计难点分析 该模型同样采用了小信号d c 开关模型。其中，r i ，f m ， 别表示电流检测增益，调制系数，前向增益以及反向增益。 在d t s 和( 1 - d ) t s 期间电感两端的电压，因此 d ：上 + k ，k ，与其他模型类似，分 y o n 和v o f f 分别代表几种拓扑 ( 2 - 8 ) 铲半( 一争 ( 2 - 9 ) = 孥 ( 2 - 1 0 ) l = 丽1 ( 2 - 1 1 ) s n 代表v o n 加在电感两端时，电感电流的上升时间，s e 代表补偿用外加斜坡的斜率。 电流模式控制系统的电流环路引入了类似采样的过程，因此具有离散时间系统的性 质，在二分之一开关频率以及整数倍都会有零极点的存在，准确的分析需要在z 域中进行。 但是从z 域转为连续时间系统的s 域时，指数项增加了传递函数的复杂度，为了提高实用性， 该模型加入了增益项h e ( s ) 来模拟这种特性： 州旬+ 壶专 ( 2 - 2 ) q z2 j( 2 。3 ) 蛾2 毒 经验证，该二阶项的加入能够极大的提高在二分之一频率附近对系统特性进行模拟 的精度，可以准确的预测电流环闭环后的等效控制一输出传递函数在二分之一开关频率处 的谐振峰值，以及产生该峰值的共轭极点与补偿斜坡的斜率的关系n 刀。 通过该模型可以知道，次谐波振荡是二分之一开关频率处的谐振峰值导致的电流环 不稳定，但是当加入斜坡补偿后，等效功率级的次极点会离开二分之一开关频率向主极点 靠拢，原谐振峰值开始减小，补偿斜坡的斜率越大，该极点越靠近主极点，并最终与主极 点重合，变为电压模式控制。因此，在精确设计验证时，尤其是b o o s t - - 类的非最小相位 系统n6 1 ，不能简单的认为次极点处于二分之一频率处，而忽略其对相位的影响。而利用上 述原理建立仿真模型，能够很好的验证设计的可靠性。 浙江大学硕士学位论文系统基本原理与设计难点分析 2 3 系统控制环路的设计 变换器的功率级作为控制对象，与控制器一同构成了控制环路。为了保证系统的稳 定性，需要根据该环路的特性进行正确的补偿。与峰值电流模式控制的b u c k 变换器不同， 因为右半平面零点的存在，b o o s t 变换器的补偿需要多加注意。 此外，根据开关电源管理芯片的设计步骤，首先需要根据应用需求，确定功率级的 参数范围，包括电感，电容，负载，输入输出电压，然后结合开关频率范围确定的穿越频 率范围，确定控制系统的基本参数，例3 2 p g m 和r 。哪。的大小以及补偿斜坡的斜率等等。 这些设计都是初步但又不可避免的，而且所涉及的参数基本上主要- 9 系统中低频的 特性相关，如果使用上一节介绍的模型进行计算会非常的复杂耗时，因此，利用在中低频 具有较好精度的简化模型进行系统的初步分析和设计是更有效的方法。 电流环闭环后，将原本的功率级与电流环等效为新的功率级，新功率级在低频处只 有一个主极点。因此，对于初步设计，以下简化的新功率级的控制一输出传递函数在低频 处具有足够的精度n8 1 ： ，、。( 1 + 一) ( 卜二) 删2 筹上 ( 2 - 1 5 ) 啤2 二r c ( 2 - 1 6 ) = 华= 丢 陋 可以看到，电流反馈并没有消除右半平面零点，且最坏情况是在最低输入电压、和 满功率时取得，而主极点的最坏情况是在最大负载时取得。因为在便携式设备中的功率不 会太大，都会优先使用陶瓷电容，所以电容的e s r s l i e 常小，例如10 0 u f 通常只有2 4 m q ， e s r 引起的零点一般都高于二分之一开关频率，可以忽略其影响。此外，假设d 恒定，0 0 趣辄 和( i ) ：舳都在g 忧( s ) 的g b w 以外，那么可以看到，负载电阻r 对g ，。( s ) 的g b w 没有影响。 为了保证控制环路的稳定性，必须设计正确的补偿网络g 。( s ) 。图2 5 所示为基于o t a 的补偿补偿网络。 浙江大学硕士学位论文 系统基本原理与设计难点分析 图2 5 基于o t a 的单零点双极点补偿网络 鳅垆器路基 k ：鱼墨翌 1 q 2 。r c ( c p c c ) 1 吃l2 r c c c ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 根据式2 - 1 5 ，该补偿网络引入了一个零点和两个极点。零频处的极点用来提高d c 增 益；零点用来抵消功率级的主极点，由于g ，。( s ) 的g b w 的特性，一般按照用来抵消最大负 载电流对应的r 产生的极点来设置该零点；第二个极点用来抵消右半平面零点对幅度特性 产生的影响，保证对高频噪声的抑制。 但是右半平面零点对幅度和相位产生的影响不能被同时抵消，因此只能将其放在带 外，使得环路的穿越频率选择受到更多的限制，不能像b u c k 一类的最小相位系统在最初设 计时依照开关频率1 6 1 1 2 的范围来设定，而是要由相位裕量来决定。设穿越频率 f c f p ，则环路增益g c ( s ) g v c ( s ) 在f c 的相位为 ， 烈正) = 一9 0 。一2 a r c t a n j l ( 2 2 2 ) j 劲埒l p 1 1 浙江大学硕士学位论文系统基本原理与设计难点分析 为了达n 4 5 。的相位裕度，由式2 - 2 2 可得，f c 0 4 1 4 f ：啪。 在f c 的频带内，如果零极点均设置正确，由式2 - 1 5 和式2 - 1 8 可知，g c ( s ) g v c ( s ) 等效 为一个单极点系统，其g b w g l 为f c ： g b w ：f ：( ! 二坌! ：墨墨墨墨苎c 2 r s e n s er r + r bc c + q ( 2 - 2 3 ) 一( 1 一d ) g 。 、7 = = 一- - 二= = 二- - - 一 2 r s e n 娓i 吣c c + cp 该式即可用于控制器相关参数如g m ，r s 。, s e 的选取。为了保证系统在应用范围内都保持 稳定，在这里一般都取d = d 删，1 1 , 0 h d - = m 。 2 4 电流检测技术的分析比较 如前所述，电流检测的方式不仅决定了检测精度，还会影响到开关电源变换器的效 率。 1 ) j , b o o s t 变换器为例，如图2 6 n 示，传统的电流检测方式通常会在红色箭头标出的 位置插入检测电阻。这种方法的优点是具有较好的检测精度，但是在系统正常工作时，检 测电阻会消耗很大的能量，研究表明，可能会使整个系统的效率降低2 一10 n 射此外， 很难实现片上集成，因为i c 工艺很难实现高精度的电阻，尤其是阻值较小的检测电阻。 v i n 图2 6 传统电流检测方法 图2 7 m o s f e t r m 电流检测 浙江大学硕士学位论文系统基本原理与设计难点分析 图2 7 所示为一种利用功率管导通电阻进行电流检测的方法。这种方法易于集成，而 且并没有在功率路径上引入新的功耗元件，整体效率更高。但是，开关管的导通电阻所固 有的非线性限制了它的精度。对于工艺误差引起o g u c o x 和v ，变化最终会导致r 雎5 0 一10 0 瞳们 的变化。 v i n 图2 8 电流镜检测技术 图2 8 所示的检测技术，利用一个和功率管成比例的小管子来镜像流过功率管的电 流，类似于电流镜的原理。这种方法即实现了无损电流检测，又适用于片上集成。但是由 于检测电流和功率电流的大小相差悬殊，功率管和镜像管的比例非常大，通常达到3 0 0 0 ： 1 。这样的比例使得该方法在实现过程中，对版图的匹配设计提出很高的要求。此外，检 测系统的带宽由o pa m p 决定，所以对运放也有很高的要求。 i 图2 9 平均电流检测技术 另一类检测技术都采用了额外引入电容器件的方法。如图2 9 所示，引入了a c n 络对 v ( 1 ) 节点的电压做积分，那么流过r 的电流为 1 3 浙江大学硕士学位论文系统摹本原理与设计难点分析 驴i = 警 ( 2 2 4 ) 这种方法同样实现了无损电流检测，但是只能检测的电感电流的平均值，适用于平 均电流模式控制的系统。而采用峰值电流控制需要得到完整的电流信息，包括直流和交流 部分，因此该方法并不适合峰值电流控制，而且需要提前知道电感寄生电阻d c r 的阻值。 图2 1 0 滤波器电流检测技术 图2 1 0 q 的r c 网络被跨接在电感两端，经推导，可得到电容上的电压v c ： l + s l = 南1 s rc 础( 赢s rc m ， +，l 、l +， 7 l ( 2 - 2 5 ) 可以看到，如果l r n 络的时间常数等于r c n 路的时间常数，那么式2 - 2 5 中的频率相 关项就会被消掉，得到一个固定的阻抗。该式的物理意义是，电感电流i l 流过电感时产生 的电压相位会超前q 。，这个电压再通过电容得到的电流相位又会滞后( p ：，如果9 ，= p ：，l r 和 r c 网络对频率分量的影响将会抵消。这种方法同样实现了无损电流检测，但是由于不同的 电感拥有不同的寄生电阻，为了设计与之匹配o r c n 络，需要提前知道l 和o c r o 值。 此外，从集成电路的角度考虑，测量电阻两端的值并不容易，因为直接检测到的电 压非常小，需要后接放大器，而电感端点快速大摆幅的电压信号对放大器的设计是很大的 挑战。而由于r l 的值随电感的不同而变化，因此检测电流的增益不是恒定的，不利于系统 环路的设计。 因此，使用一种增益可调的有源滤波器来替代无源r c r 络是必要的。但是有源r c 滤 波器和m o s f e t - c 滤波器都使用运算放大器，带宽受限，对于高频滤波器，g m c 滤波器是更 好的选择幢。图2 1 1 所示为利用1 阶g m - c 滤波器检测电感电流。 1 4 浙江大学硕士学位论文系统基本原理与设计难点分析 铂旷cf i l t e r 图2 1 1 舯c 滤波器电流检测技术 由上图可以推得以下结论： l + s l k = g m i r c r l ( 雨去) l ( 2 - 2 6 ) 调瓠满足耻壶时， 吃。= ( g 。r c ) 吃i 工( 2 - 2 7 ) 调节g m 满足( g 。r c ) 吃= k ，则可得到 吃。= k i 工 ( 2 2 7 ) 也就是说，通过调节r 。来满足l r 网络和r c n 络时间常数的匹配，而通过调节g m 来实现 恒定增益。这样就实现了稳定的电流检测同时具有较高的精度。而且所有这些模块都是可 以利用c m o s 工艺实现片上集成的。 2 5 片上滤波器的调谐与校正 如前所述，采用滤波器的电流检测需要知道电感值以及相应的d c r 阻值，因此对于片 上应用，需要设计相应的系统来检测l 和d c r 的值进行滤波器的调谐，并校正其增益。 浙江大学硕士学位论文 系统摹本原理与设计难点分析 2 5 1 调谐系统 图2 1 2 所示的系统即用来进行l r 和r c 网络时间常数的匹配。v s i 。是一已知的正弦波， 通过一个比较器与0 比较，可以得到它的相位信息。同时，将v 1 转换为正弦电流注入电感， 产生的电压相位超前t a n - 1 ( 2 巩l r 工) ，经过g m 跨导放大器后流过r c n 络，假设g m 的带宽 足够大，并不产生额外的相移，且一开始可调电阻r 处于最小值，那么r c 网络产生的 t a n - 1 ( 2 , r f r , , r c r ) 相位滞后也比较小，不足以补偿l r 网络产生的相位超前。 该正弦信号通过放大后也采用一个比较器来捕获其相位信息，再经过一个d 触发器， 比较两个的相位。如果经过r c 的正弦信号相位超前