（电路与系统专业论文）电流型升压pwm开关电源的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着消费类电子、汽车电子和通信电子的不断发展，电源管理芯片的重要性日益 突出，在以电池为供电主体的便携式电子产品中更是如此。 电流控制在传统的电压型控制基础上引入了电流反馈实现了双环控制，使系统的 稳定性和瞬态响应性能得以明显优化改善，目前便携式电子产品中的小功率开关电源 普遍采用这种控制技术。脉冲宽度调帛i j ( p w m ) 在重负载下具有高效，高精度，抗噪声 干扰能力强等优点，是目前开关电源中应用最多的一种调制方式。 文中首先分析了电流模式d c d c 升压系统的拓扑结构、基本原理和关键技术，根 据这些理论给出了芯片整体框架的设计。然后对芯片内部的带隙基准源、p w m 比较器、 斜坡补偿模块、误差放大器等子模块进行了分析并给出了仿真结果。 本文设计的带隙基准电压源，基于0 1 8 u r n 的c m o s 工艺，在h s p i c e 下仿真，仿 真结果表明：温度在2 5 0 c 到8 0 0 c 内变化时，温度系数为9 1 4 p p m o c ；电源电压在3 v 到5 v 之间变化时， 基准电压在1 2 5 4 3 m y 内变化，满足设计要求。比较器在电源 电压1 8 v ，温度为2 5 的情况下，增益为1 4 3 d b ，3 d b 带宽3 7 7 k h z 。 最后，在结论中指出了本论文设计的意义及不足，还需完成版图设计后仿真等工 作。 关键词：开关电源：带隙基准：p w m 比较器：斜坡补偿；误差放大器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n s u m e re l e c t r o n i c s ，a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sa n d c o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i c s ，p o w e rm a n a g e m e n ti c sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ， e s p e c i a l l yi nt h eb a t t e r y - o p e r a t e dp o r t a b l es y s t e m s c u r r e n tc o n t r o lr e a l i z e st h ed u a l l o o pc o n t r o lo nt h eb a s i so f v o l t a g em o d ec o n t r o lb y u s i n gc u r r e n tf e e d b a c k , w h i c hc a ni m p r o v et h es t a b i l i t ya n dt r a n s i e n tr e s p o n s ep e r f o r m a n c e o ft h es y s t e m n o w a d a y s ，t h el o w p o w e rs w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) i np o r t a b l e e l e c t r o n i c p r o d u c tg e n e r a l l ya d o p t s t h i sc o n t r o lt e c h n i q u e a tp r e s e n t ，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) i so n eo ft h em o s tp o p u l a rm o d u l a t i o nm o d ea p p l i e di nt h es m p s ， b e c a u s ei nt h ec o n d i t i o no fh i g hl o a d ，i th a sa d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n ， a n de x c e l l e n ta b i l i t yo fa v o i d i n gn o i s ei n t e r f e r e n c e i nt h i st h e s i s ，b a s i cp r i n c i p l e sa n ds o m ek e yp o i n t so fac u r r e n tm o d ed c d cc o n v e r t e r w e r eg i v e nf i r s t l y t h e n ，t h ew h o l ec h i pd i a g r a mw a sp r o p o s e da n dt h ew h o l ec h i p o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d b a s e do nt h ew h o l ec h i pf u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ， s u b b l o c kd e s i g na n ds i m u l a t i o nw e r ec o m p l e t e d ，i n c l u d i n gb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ， p w m c o m p a r a t o r , s l o p ec o m p e n s a t i o na n de r r o ra m p l i f i e r b yu s i n go 18 u r nc o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u t o r ( c m o s ) m o d e l ，ab a n d g a p r e f e r e n c ec i r c u i tw a sd e s i g n e d t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e db yh s p i c e t h e l lo p e r a t i n ga ta5 v p o w e rs u p p l yw i t ht h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m 一2 5 0 ct o8 0o c ，t h ed e v i c eh a sat e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f9 14p p m o c ；i to u t p u t sav o l t a g eo f1 2 5 v + 4 3 m va tar o o mt e m p e r a t u r e ， w h e nt h ep o w e rs u p p l yv a r i e sf o r3 vt o5 v t h r o u g ht h ea n a l o g o u sr e p o r tw h i c hi sg o tb y h s p i c ew i t ha0 18 u r nc m o st e c h n o l o g i e sa n d1 8 vp o w e rs u p p l y , w ek n o wt h e c o m p a r a t o rh a sr e a c h e do u ra i m w eh a v eg o tt h er e s u l tt h a tt h eg a i ni s 1 4 3 d b ，t h e b a n d w i d t hi s37 7 k h z f i n a l l y , i nc o n c l u s i o nw cp o i n to u tt h em e a n i n ga n ds h o r t a g e so ft h ed e s i g na n ds o m e w o r ks u c ha sl a y o u tn e e d i n gt od oi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；p w mc o m p a r a t o r ；s l o p e c o m p e n s a t i o n ；e r r o ra m p l i f i e r 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师躲l 灿 功lo 6 r j 晖“易叫 荡加 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 研究和总结了b o o s t 电流型开关电源的拓扑结构、控制方式和调制方式；结合一 种变换器的内部结构，研究和设计了其中的带隙基准电压源和比较器，并给出了仿真 结果；研究并总结了斜坡补偿的原理和方法，给出了一种斜坡补偿的实际电路和仿真 结果；最后给出了一款误差放大器的实际电路及其仿真结果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 一虢铂啤 日期： 沙k6 肜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及其意义 第1 章绪论 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，现已成为稳压电 源的主流产品。为适应i t 产品的小型化、便携式发展，要求开关电源的体积更小、效 率更高。采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高，并可 实现远程控制等功能，是世界开关电源的发展趋势【l2 1 。 国外相关机构的统计数据表明，全球模拟i c 市场在2 0 0 6 年达到近3 0 0 亿美元， 其中电源管理芯片占了近6 5 亿美元。电源管理始终是模拟i c 市场最亮的看点。据市 场研究机构预测，2 0 0 8 年全球电源管理芯片的销售额将上升到2 9 5 亿美元。由此可知， 模拟与电源管理i c 相对于整个半导体产业而言，表现十分亮眼。而面向便携式应用的 电源器件市场在2 0 0 8 年估计可以达到7 0 亿美元【3 1 。 预计从2 0 0 7 年1 2 月起，开关稳压器在消费类市场的年均复合增长率将达到1 6 ( 亚 太地区高达1 9 ) ，便携设备和显示产品( 如m p 3 、p m p 、数码相机、液晶电视) 的年均 复合增长率会更高1 4 j 。 开关电源因具有体积小、重量轻，效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取 代传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。控制电路、驱动电 路、保护电路和校正电路等的集成化、模块化设计，将缩小电源的体积和重量，提高开关 电源的可靠性和功率密度。集成高频磁元件技术及阵列式磁元件和磁电混合集成技术 的应用，将使高频开关电源的体积更小，磁损耗更低。在未来发展中，高频开关电源的各项 新技术，如软开关技术、功率因数校正技术、均流控制技术、电流模块控制技术和单脉 冲控制技术等还将得到不断完善和提高【5 】。 随着单机设备智能化程度的提高和监控系统的软、硬件设计的完善，通信和数据传 输的可靠性和抗干扰性能得到提高，全面实现集中监控和远程控制，真正做到无人或少 人值守。 开关电源的高频化和数字化是其法展的最重要的方向。电力电子技术作为节能、 节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块 化、产品性能数字化的方向发展。开关电源的体积、重量主要是由储能元件磁性元件 和电容决定的。因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。 在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而 且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。 高频开关电源的另一发展趋势是数字化。过去在传统功率电子技术中，控制部分 是按模拟信号来设计和工作的。随着数字处理技术的发展成熟，其优点明显：便于计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提高抗干扰能力) 、便 于软件包的调试和遥感遥测遥调等，也便于自诊断、容错等技术的植入，数字化是开 关电源发展的必然方向6 1 。 1 2 国内外研究现状 1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是 实现高频转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛( j e ns e n ) 发明了自激式推挽双变压器。 2 0 世纪6 0 年代出现的晶闸管( i b 称可控硅) 相位控制式开关电源，7 0 年代由分立元件制 成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广， 使之应用受到限制。 1 9 7 7 年国外首先研制成功脉冲宽度调制( p w m ) 控制器集成电路。美国摩托罗拉 公司、硅通用公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 、尤尼特德公( u n i t r o d e ) 等相继推出一批p w m 芯 片，典型产品有m c 3 5 2 0 ，s g 3 5 2 4 ，u c 3 8 4 2 。9 0 年代以后，国外又研制出开关频率达 1m h z 的高速p w m ，p f m 脉冲频率调制芯片，典型产品如u c l 8 2 5 ，u c l 8 6 4 。 8 0 年代初，意法半导体有限公司( s g s t h o m s o n ) 率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式 稳压器。该公司于9 0 年代又推出了l 4 9 7 0 a 系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出 级、保护电路等集成在一个芯片。 1 9 9 4 年，美国动力( p o w e r ) 公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片 开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为t o p s 丽t c h 系列，第二代产 品则是1 9 9 7 年问世的t o p s 州t c h i i 系列。1 9 9 8 年又推出了高效、小功率、低价格的 四端单片开关电源t i n y s w i t c h 系列。在这之后，m o t o r o l a 公司于1 9 9 9 年又推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。 2 0 0 0 年，美国国家半导体公司研制的高效率0 5 as i m p l es w i t c h e rd c d c 转换器， 效率高达9 6 ，适应低温运行、长寿命、小体积电池电源的设计方案。德州仪器( t i ) 公司的新型低功耗、高频d c d c 降压转换器，可延长便携式电子系统的工作时间，其 最高工作频率为2 5 m h z ，转换效率高达9 4 ，对于那些由单节或双节锂离子电池组供 电的手持电子设备，如音频播放器、数码相机、手机、无线电话和个人数码助理( p d a ) 等，是非常理想的电源转换器件。而安森美半导体生产的微功率脉冲宽度调制器( p w m ) 的升压d c d c 变换器，封装体积可节省百分之六十，并且具有增强功能，可以降低手 掌游戏机、移动电话、数码相机以至其它消费类手提产品的电源损耗。 我国的开关电源研制工作开始于上世纪6 0 年代初，到6 0 年代中期进入了实用阶 段，7 0 年代初开始研制无工频降压变压器开关电源。1 9 7 4 年成功研制出了工作频率 1 0 k h z 、输出电压为5 v 的无工频降压变压器开关电源。近2 0 多年来，我国的许多研 究所、工厂和高等院校己研制出了多种型号的工作频率为2 0 k h z 左右，输出功率在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 0 0 0 w 以下的无工频降压变压器开关电源，并应用于计算机、通信、影音等方面，并 有着较好的效果。工作频率为1 0 0 2 0 0 l ( h z 的高频开关电源于上世纪8 0 年代初就己开 始研制，9 0 年代初试制成功，目前己进入了应用阶段【78 9 1 。 上面总结了开关电源的发展轨迹，下面总结一下开关电源的技术研究现状。 1 半导体功率器件 开关电源变换器最早出现在二十世纪五十年代，只有到了七十年代，随着现代功 率半导体器件发展及其稳定性提高，开关电源变换器才得以广泛应用。功率半导体器 件仍然是电力电子技术发展的关键，电力电子技术的进步必须依靠不断推出的新型电 力电子器件【l 。 功率场效应管( m o s f e t ) 由于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而很容 易地便可达到1 m h z 的开关工作频率而受到世人瞩目。但是对于m o s f e t ，提高器件 阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降增高， 通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美国瓜公司采用 提高单位面积内的原胞个数的方法。如其开发的一种h e x f e t 场效应管，其沟槽( t r e n c h ) 原胞密度己达每平方英寸1 1 2 亿个的世界最高水平，通态电阻r 可达3m q 。功率 m o s f e t ，5 0 0 vt 0 2 2 0 封装的h e x f e t 自1 9 9 6 年以来，其通态电阻以每年5 0 的速 度下降。瓜公司还开发了一种低栅极电荷( q g ) 的h e x f e t ，使开关速度更快，同时兼 顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低。对于肖特基二极管的开发，最近利用t r e n c h 结 构有望出现压降更小的肖特基二极管，称作t m b s 沟槽m o s 势垒肖特基，而有可能 在极低电源电压应用中与同步整流的m o s f e t 竞争【1 l 】。 2 理论分析方法 七十年代以来，在开关变换器理论分析方法上也取得突破性的进展，而当前研究 热点之一d c d c 开关变换器的建模和控制方法是电路分析设计的关键性环节。早期对 脉冲宽度调制型d c d c 开关变换器进行建模分析的g w w e s t e 的电路平均法，他从变 换器的电路出发，对电路中的非线性开关元件进行平均和线性化处理，得到几类变换 器连续导通模式的等效电路。r g m i d d l e b r o o k 和s c u k 提出著名的状态空间平均法， 至今仍然发挥重大作用。这种方法是从p w m 型d c d c 开关变换器的各个拓扑的状态 方程出发，通过利用开关占空比加权对时间进行平均处理而得到统一的状态方程，再 经小信号扰动和线性化处理得到统一的等效电路模型。这种方法简化电路的设计思想， 对后来的研究影响深远【1 2 1 31 41 5 1 。 3 软开关技术 p w m 开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波形有交 叠，因而引起较大的开关损耗。p w m 开关电源高频化可以缩小体积、重量，但频率越 高，开关损耗就越大。为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所谓的零 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术，或称为软开关技术( 相对于p w m 硬开 关技术而言) 1 9 9 4 年2 月，w e e 电力电子学会组织会议曾经指出，高功率密度d c d c 零电压 开关变换器和开关器件性能、无源元件性能以及封装技术都有很大关系。并预测不久 以后，在保证可靠性增加一倍的基础上，功率变换器成本将降低一半，功率密度可提 高一倍。现在，有的开关变换器产品己达到这一目标。 4 系统控制技术 由于开关变换器的强非线性，以及它所具有的离散和变结构特点，负载性质的多 样性，主电路的性能必须能够满足负载大范围的变动，所有这些使得开关变换器的控 制问题和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网 络控制，以及各种调制策略在开关电源中的应用，己引起人们的注意。电流型控制以 及多环控制已在实际设计当中得到较为广泛的应用；电荷控制、单周控制、h 控制、 d s p 控制等技术的开发以及相应专用集成电路控制芯片的问世，使得开关电源动态性 能有很大的提高，电路结构也得到大幅简化【1 6 】。 5 电容与电感 电容必须小型化，以与表面贴装技术相适应。性能应耐高温，e s r ( 等效串联电 阻) 要小。据报导，新型固态钽电容t 5 1 0 电容值为3 3 0 mf ，而e s r 仅为3 0m w ，在 1 0 5 下能连续工作2 0 0 0 0 小时。随着高频化、小型化的进程发展，亟待解决的是电感 和变压器的集成化技术。如何将铁氧体( 或其它薄膜磁性材料) 高密度地集成在硅片 上，或如何将硅材料集成在铁氧体上，是许多研究单位的课题。 6c a d 软件 包括电路( 系统) 的分析与设计，有磁性元件设计、整机结构设计、e m i ( 电磁 干扰) 分析与设计、热特性分析与设计等。整个设计又应贯彻最优设计原则。现在已 经开发出了“开关电源线路与结构设计”的专业系统软件【l7 1 。如本文电路设计和分析 所使用的软件为h s p i c e 。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作包括： 1 介绍了开关电源的研究现状和研究意义。 2 总结了升压开关电源的基本理论，包括b o o s t 变化器的结构和两种导通方式， 开关电源的控制方式和调制方式，给出了一种升压电流型开关电源的内部结构和应用 电路。 3 研究了带隙基准电源的理论基础，设计了一种带隙基准电压源电路，并在h s p i c e 下进行了仿真分析。仿真结果表明：温度在一2 5 0 c 到8 0 0 c 之间变化时，温度系数为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 9 1 4 p p m o c ；电源电压在3 v 到5 v 之间变化时，基准电压在1 2 5 4 3 m v 内变化，满 足设计要求。 4 研究了比较器的理论基础，设计了一种低压高增益开关电源比较器电路，并在 h s p i c e 下进行了仿真分析。比较器在电源电压1 8 v ，温度为2 5 。c 的情况下，增益为 1 4 3 d b ，3 d b 带宽3 7 7 k h z 。 5 研究并总结了斜坡补偿的原理和方法，给出了一种斜坡补偿的实际电路和仿真。 6 给出了一种误差放大器的实际电路和仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章开关电源理论研究 开关电源的主要特点是功率开关管工作在开关状态。开关电源利用电感元件和电 容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电 流能量断续的经过开关管，暂时以磁场能的形式存储在电感器中，然后经电容滤波得 到连续的能量并传送到负载，得到电压脉动较小的直流电能，实现电压的变换。 开关电源系统由主电路和控制电路组成。构成开关电源主电路的元件，包括输入 电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，他们共同完成电能的转换和 传递，合称功率级；控制电路则通过控制功率管的通断，实现调节输出电压恒定在设 定值的要求，从而控制住电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送 到负载的能量维持平衡。通常，当输入电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时， 负载电压可以维持恒赳1 8 拶j 。 2 1b o o s t 变换器基本组成和工作原理 v in r llc r l v o 图2 1b o o s t 变换器拓扑结构 图2 1 是b o o s t 变换器基本结构图，由一个功率开关管m 1 ，一个肖特基二极管c r l 以及l ，c 储能元件和负载所组成。其中m 1 为开关元件，一般用功率m o s 管，以便 提供大电流，d r i v e rc i r c u i t 提供脉冲控制信号，用来控制m 1 的导通和关断，导通工作 在线性区。当功率开关管m 1 导通时，电流i l 流过电感，由于此时电感两端电压不变 所以其电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感l 中。此时，电容c 放电，负载上 流过电流i o 其两端电压为输出电压v o ，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极 置为低，承受反向压降，所以电容不能通过开关管放电。一旦开关管变为截止，由于 电感l 中的磁场将改变l 两端的电压极性，以保持i l 方向不变。这样，电感l 中的磁 能就转化成电压v l 与电源v i 的串联，以高于v o 的电压向电容c 和负载r 供电。高 于v o 时，c 有充电电流；等于v o 时，充电电流为零；v o 有降低趋势时，电容开始向 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 负载r 放电，以维持v o 不变 2 0 2 1 】。 2 2 b o o s t 变换器的两种导通模式 2 2 1 电感电流连续模式 v l 廓叫 ! c r c 一弋 守 v 图2 2b o o s t 型d c d c 结构图 电感电流连续模式是指变换器在整个开关周期中电感电流是连续变化的。通过分 析此模式下电感电流电压关系可以得到输入电压、输出电压、输入电流、输出电流和 控制信号占空比的关系，进而可以更好的理解输出电压是怎么由输入电压控制的。此 模式又可以分为两个阶段：功率开关管m 1 导通阶段( 0 r t o n ) 和功率开关管m 1 截止阶段( 易r i s ) 图2 2 是升压d c d c 的结构图。图2 3 是其这两个阶段的线性等 效图【2 22 3 1 。 v l v l n 上百矿 l ( a ) l 、 ( b ) 图2 - 3 ( a ) 功率管导通等效结构；( b ) 功率管截止等效结构 导通阶段，功率开关管m 1 可以等效一个很小的电阻，所以也就是一个很小的电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 压降v 璐；同时，电感由于有直流电阻的存在也会有一个很小的电压降t r 。；最后实 际加在电感上的电压为巧一( + t 也) 。从而，电感上的电流随着这个电压成线性 增加，由电感的电压电流关系( v c r ) 吒= 譬可得： ，：丘丁 ( 2 1 ) 三 也就是 蝇( + ) ：坚坠掣 ( 2 2 ) 式中，( + ) 代表导通阶段电感的峰值，并且在这一时间内，所有的负载电流都由输出 申容决定。 图2 - 4 连续模式f 信号波彤 截止阶段，功率开关管m 1 等效成一个无穷大电阻，又由于电感中的电流不能突变， 此时电流的流向从m 1 转向续流二极管d l ，并且电感上电压的极性发生改变。电感左 端的电压变为巧一t r l ，电感右端的电压变为+ 圪，其中圪为续流二极管d 1 的 正向电压降。最后，此阶段加在电感两端的电压值( 圪+ 屹+ 丘也) 一巧，方向与导通 时相反，因此，电感中的电流会越来越小，如下式所示 虬( 一) ：坠坐掣 ( 2 3 ) 在这两个阶段，有蝇( + ) = a 。( 一) 成立，从而可以得到圪表达式： 圪= ( 巧一，r ) ( 1 + 睾盟) 一乃一軎址 ( 2 4 ) o f fo f f 其中瓦= + ，并且有占空比d = 。，进而可得 v o = 萨一一南 浯5 ， 又假设功率开关管m 1 电压降、电感直流电压降t r 。和二极管d 1 正向电压降v d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 可以忽略不计，从而有 圪= 尚 ( 2 6 ) 对于上述分析有一个直观的理解：导通阶段，能量储存在电感中；截止阶段，把能 量提供给负载；并且，导通的时间越长，则储存的能量越多，提供给负载的能量也就 越多，导致输出电压也就会越大。 又由能量守恒定律，输入能量等于输出能量，也就是从而也可以得到电感中平均电 流和输出电流的关系式 l 一嘴2 尚( 2 - 7 ) 图2 4 为电感电流连续模式下开关管电流电压波形图。 2 2 2 电感电流断续模式 从上面的式( 2 7 ) 可知，电感电流的平均值随负载电流的变化而改变，如果负载电 流减少，那么电感中的平均电流值也会减小。如果没有二极管的单向导通电性，电感 中的电流减小过零会往负值变化，有了二极管，电感中的电流会维持在零，图2 5 是 电流断续模式下电感电流的波形图。所以模式又可以分为三个阶段，其中有功率开关 管m 1 导通阶段和功率开关管m 1 截止阶段，这两个阶段的操作方式与电感电流连续模 式一样，只是工作时间不同罢了，关断时间( 1 一d ) l 。第三阶段则称为懒惰阶 段，时间为d 3xc = c 一一。导通阶段，分析如同连续模式，有下式成立 业( + ) ：孚：孚d 马 ( 2 - 8 ) 截止阶段，有下式成立 虬( 一) ：华：毕b 毛 ( 2 9 ) 同理有蝇( + ) = 她( 一) ，从而可以得到的表达式 = _ 笔o f 生f = 巧半l j(2-10)2 上 同时，输出电流的平均值也可以得到 易= 百v o = 瓦1 l 三k d 2x 毛l ( 2 1 1 ) 由式( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可得 1 + j 1 - i 型 ：巧j 上 ( 2 1 2 ) 式中，k = 二兰l 。 r 1 5 从上面的分析可以得到，在电感电流断续模式中，输出电压是输入电压、脉冲占空 比、电感、脉冲频率、输出电阻的一个函数，而在连续模式中，输出电压只和输入电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 压、脉冲占空比有关。 图2 - 6 为电感电流断续模式下开关管电流电压波形图。那么，到底一个b o o s t 电 路是工作在连续模式，还是断续模式，主要是通过外围器件的选择来决定的，可以参 考以下标准。 当焉每 d ( 1 一d ) 2 时，开关电源变换器工作在连续模式； 当丢舞 d ( 1 一d ) 2 时，开关电源变换器工作在断续模式。 i c s o l i d i o d t sr 一r td 3 t ：d 2 t ，_ ： k 一t s 一 图2 5 断续模式电感电流波形 通常情况下，输出电压和负载电阻是由芯片的应用条件早就决定了，我们只能通 过选择电感l 值来改变电路的工件模式。 蠢t 一 耻箍三基型型三逮等。 ? t 匀ii 幺一 t ib lb 一 ：l 士= d 牟t ? 茸三三三审ti ! 三三巨i 。v 0 2 3 开关电源的调制方式 开关电源的调制方式主要有两种：( 1 ) 脉冲宽度调制( p w m ) ，其开关频率恒定，通 过调节导通脉冲宽度来改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”；( 2 ) 脉冲频率调锘i j ( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l l 页 对电能的控制，亦称为“定宽调频”。它们的相似点有： ( 1 ) 均采用时间比率控制( t r c ) 的稳压原理。无论是改变开关导通时间还是开关周期 ( t s ) ，最终调节的都是脉冲占空比。因此，尽管它们采用的方式不同，但控制目标一致。 ( 2 ) 当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、提高频率的 方法，使输出电压保持稳定1 2 42 5 j 。 另外就是以上两种调制制式复合，脉冲宽度和频率均不固定。为了解决p w m d c d c c 变换器轻载下效率降低的问题，现在出现了一种新型的调制方法：跨周期调制 方式。跨周期调制方式s c m ( s k i pc y c l em o d u l a t i o n ) ，基于“定宽定频”脉冲信号，根 据负载的变化，使变换器工作在满频率或跨过几个工作周期来保持输出电压的稳定。 这种调制方式通过改变有效工作频率来改变输出功率，其开关损耗与输出功率成正比， 采用这种调制方式的开关电源的效率几乎与负载无关1 2 6 1 。 脉冲宽度调制方式的特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开 关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管最小导 通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接预负载，以防止 空载时输出电压升高【27 | 。 2 4 开关电源的控制方式 2 4 1 电压控制方式 传统p w m 开关电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实 现闭环控制，以稳定输出电压。图2 7 为电压控制电路图： 。i 茹 工 图2 7 电压控制方式结构图 电源输出电压v o u t 与参考电压v r e f 经误差放大器比较放大后，又经p w m 比较器 比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号v e 变化的一系列脉冲，再驱动控制用的开 一 i j l l i0j，几工|l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 关晶体管，使输出电压稳定。 电压控制模式的优点有：( 1 ) 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；( 2 ) 占空比调节不受限制；( 3 ) 对于多路输出电源，他们之间的交互调 节效应较好；( 4 ) 单一反馈电压闭环设计，调试比较容易；( 5 ) 对输出负载的变化有 较好的响应调节。缺点有：( 1 ) 对输入电压的变化动态响应较慢；( 2 ) 补偿网路设计 本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；( 3 ) 输出l c 滤波器给控 制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一 个零点进行补偿。 2 4 2 电流控制方式 图2 8 电流控制方式结构图 图2 8 为电流控制模式电路图。它是一个双控制系统，既保留了电压型控制器的 输出电压反馈控制部分，又增加了一个反馈环节，它的电路工作原理是：v o u t 与v r e f 经误差放大器比较放大后，得到v e ，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通， 电源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大，当电流在采样电阻r s 上的电流信 号电压v s 幅度达到v e 电平时，脉宽比较器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功 率管关断，电路逐个的检测和调节电流脉冲，控制电源输出。 电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制，是独立变量，开关转换器为 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。二阶系 统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足一定条件， 方能使闭环系统稳定工作。开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号 对电流信号产生9 0 0 延迟。因此，仅用电压采样的方法稳定，响应速度慢，稳定性差， 甚至在大信号变动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起 变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的，它增加了电流反馈环， 电感电流不再是一个独立变量，从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系统， 它只有单个极点和9 0 0 相位滞后，因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小 信号、大信号特性。 开关电源实现电流型控制主要有峰值电流型控制和平均电流型控制两种类型，峰 值电流型控制将使电感电流( 或开关管电流) 的上升斜度与所设置的电流控制电平相比 较，当瞬态峰值电流达到所需的电平时，比较器翻转，从而关断功率管。峰值电流型 控制实际上是开关管或电感的电流峰值是相同的，但检测开关电流峰值较容易，被检 测的电流峰值与给定值相交点，决定了占空比d 。 峰值电流型p w m 控制模式的优点：1 ) 暂态闭环响应较快，对于输入电压的变化 和输出负载的变化的瞬态响应均快：2 ) 控制环易于设计：3 ) 输出电压的调整可与电 压型的输入电压前馈技术相媲美；4 ) 简单自动的磁通平衡功能；5 ) 瞬时峰值电流限 流功能：6 ) 自动均流并联功能。缺点：1 ) 占空比大于5 0 的开环不稳定性，存在难 以校正的峰值电流与平均电流误差：2 ) 闭环响应不如平均电流模式控制理想；3 ) 容 易发生次谐波振荡；4 ) 对噪声敏感，抗噪声性能差；5 ) 电路拓扑受限制；6 ) 对多路 输出电源的交互调节性能不好州。 25 变换器的内部结构及典型应用 2 51 变换器的内部结构 升压电流型变换器的内部结构如图2 - 9 所示哪】，其中框内部电路是整个芯片的原 理电路，这个电路大体上分为以下十一个模块： 圈2 - 9 升压电流型变换器的内部结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 l 误差放大器：误差放大器的主要功能是把输出反馈电压与基准电压进行比较，输 出信号到p w m 模块，然后控制开关管的栅极实现输出电压的稳定。为了防止输出电 压变化太大，电路还对输出电压的高低电平进行了筘位。 2p w m 比较器：该模块主要将误差放大器输出信号与经过斜坡补偿的电流检测信 号进行比较，从而产生脉宽调制信号，对开关管进行控制。 3 带隙基准：该模块产生高精度基准，用来作为内部电路的精密电源；还有一个基 准电流产生电路，产生基准电流，给别的电路提供偏置。 4 关断比较器：检测使能端信号，控制芯片的工作状态。 5 逻辑控制：该模块实现系统的逻辑控制功能。对控制开关管工作状态的各模块逻 辑信号进行处理，产生开关管控制信号至驱动模块。 6 限流比较器：为了防止开关管的电流过大和启动时的输出电流稳定上升，特定添 加了一个限流部分，它和p w m 比较器输出一起控制开关管的状态。 7 软启动：用一个7 位的d a c 来控制启动，以便降低浪涌电流和电压过冲，并确保 正确的启动过程。 8 振荡器：产生频率为1 2 m h z 的固定振荡脉冲信号，同时为斜坡补偿电路提供斜 坡电压：为了防止功率开关管处于常通状态，该模块还提供最大占空比限制信号。 9 驱动电路：该模块根据逻辑电路输出的控制信号，驱动开关管的导通和截止。 1 0 保护电路：顾名思义，此模块是保证芯片正常工作的模块，里面包含过压、欠 压、过温等保护电路。 1 1 电流采样：检测开关管电流信号，并把采样到的信号与振荡器模块产生的斜坡 信号相加，达到斜坡补偿的目的。 2 5 2 变换器的应用电路 图2 1 0 是该d c d c 变换器的典型应用电路，黑框代表该d c d c 变换器。 1 、关断原理 当s h d n 引脚输入低电平时，该d c d c 变换器处于关断状态，电路中所有模块均 不工作，功率开关管处于关断状态，电源v i n 通过电感和肖特基二极管直接连到输出 端v o u t ，这时v o u t = v i n v d ，这里v d 是肖特基二极管的正向导通压降。 2 、软启动原理 当s h d n 引脚输入高电平时，该d c d c 变换器开始工作。随着偏置电路的启动， 电路中的其它模块也开始正常工作。为了避免在启动过程中电感电流产生很大的过冲 而使得电感饱和，整体电路增加了软启动功能。通过钳位信号v ( c l a m p ) 控制误差放大 器的输出信号v ( c o ) 的上升斜率，使v ( c o m p ) 在启动过程中缓慢上升，从而使得 输出电压v o u t 也缓慢上升。改变软启动电容c s s 的大小，可以调节软启动时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 3 、稳态工作原理 在稳态下的每个振荡周期里，电感电流的变化量为零，v o u t 的变化量为零。当 c l o c k 的上升沿到来时，功率开关管m p o w e r 被开启，而肖特基续流二极管截止， 电感储存能量，负载由c o u t 供电，v o u t 电压下降。电流感应模块采样电感电流， 求和模块将斜坡补偿信号和电流感应信号叠加并转换为电压信号v ( s u m ) 输入到误差 比较器的正输入端。与此同时，采样电阻r 1 和r 2 对输出电压v o u t 进行采样，并将 反馈信号输入到误差放大器的输入端f b 与1 2 5 v 进行比较，输出误差放大信号 v ( c o m p ) 至t j 误差比较器的负输入端。随着电感电流的增加，误差比较器的正输入端电 压也随之增加。当这个电压与v ( c o m p ) 电压相等时，误差比较器将输出一个低电平控 制信号到控制和驱动逻辑，功率开关管m p o w e r 被关断。这时，肖特基续流二极管 导通，电感给电容和负载充电，v o u t 电压上升。当c l o c k 的下一个上升沿到来时， 又开始重复上述过程。该d c d c 变换器能够实现从v i n 到1 2 v 范围内的升压功能， 通过设置采样网络r 1 和r 2 的阻值可以得到预设的输出电压值，计算公式如下： 1 ， 1 一， 以，= vf b ( r 1 + r 2 ) 二兰，二( r 1 + r 2 ) ( 2 1 3 ) r 2尺2 以上是对电流模式d c d c 变换器基本原理的分析和对本电路的整体结构及工作原理 的分析，子电路的设计将遵循这些原理。 一下。c 呻 - 一 。= 图2 1 0 典型应用电路 v o