（机械电子工程专业论文）升压式dcdc电源管理集成电路设计.pdf

上海大学硕士学位论文 升压式d c - d c 电源管理集成电路的设计第l 页 摘要 开关电源管理集成电路的发展方向是高粜成度、最简片外电路、商效率和低 电压。本文的茸的是设计电源工作电磁范围较宽、效率较商驻及集成度较裔的 b o o s td c d c 电源管理集成电路，为了设计满足上述要求的集成电路，本文对 b o o s td c d c 开关电源整体系统从不同层次进行了深入研究以及面向设计的 分辑。 本论文全面分析探讨了b o o s t 变换器在不同模忒下的工作原理，设计了工 作在不连续毫感电滚模式下懿b o o s t 交换嚣童嚣路，在建基璐上遽一步臻突了 b o o s t 变换器控制系统原理，详细地分析了影响控制系统性能的各种因素，并 在眈较了不同控制模筑的优劣的基础上结合奎回路的分孝斥，摄滋了工佟在不连续 电感电流模式下采用电流模式p w m 控制的b o o s t 变换器控制系统，所建立的 控制系统稳定性好，补偿电路简单，从而易予集成。 本论文磷究积提撼了构成b o o s t 变换器控割芯片兹主要功能摸块，完成了 其中若干模块的电路与部分版图设计包括基准电压源，振荡器，误差放大器， p w m 毙较嚣及其胡美逻辑等。售真绣果表弱，本文竣诗豹魄源管理榘藏电路凌 能模块结构简单，稳定性好，能够在比较大的电源电腥和环境温度变化范围内正 常工作，昊香定静兔迸往稳实瘸整。闲靖设计中也充分考虑了模块懿露移植瞧， 其设计思想朔或电路结构适于各种d c d c 开关电源管理集成电路。 关键词：电源管理集成电路，开关电源，b o o s t 变换器，电流模式p w m 控制 上海大学硬士学位论文 升鹾式d c d c 电源管理热成电路的设计第1 i 页 a b s t r a c t t h et r e n do fs w i t c hs u p p l ym a n a g e m e n ti cd e s i g ni st o w a r d sh i 曲i n t e g r a t i o n ， l o w e s tc o m p o n e n t c o u n t s w i t c h e rs o l u t i o na n d 越薛e f f i c i e n c y t h eo b j e c to ft h e p a p e r i st od e s i g nab o o s td c d cp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti cw i t hw i d ei n p u tv o l t a g e r a n g e ，h i g he f f i c i e n c y , h i 蜘i n t e g r a t i o nl e v e l i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f s p e c i f i c a t i o n sa b o v e ，t h ep a p e r m a k e sar e s e a r c ho nd c d cs w i t c h i n gp o w e r s u p p l y s y s t e m f r o md i f f e r e n tv i e w si nd e p t ha n dad e s i g n - o r i e n t e da n a l y s i s o nt h ef o u n d a t i o no fc o m p r e h e n d i n gt h eo p e r a t i o np r i n c 鞋ea n dc o n t r o lt h e o r y o fb o o s t c o n v e r t e r ，t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ec u r r e n t m o d ec o n t r o l l e db o o s tc o n v e r t e ri nd i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d ea r ep r e s e n t e d t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb o o s tc o n v e r t e rp r e s e n t e dh e r eh a st h ea d v a n t a g e ss u c h a si t sc o m p e n s a t i o nc i r c u i t si s s i m p l ea n di se a s y t o i n t e g r a t e d o nc h i p ，a l s ot h e s t a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sg o o d i nt h et h e s i s , s o m eo ft h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es m a r tp o w e r c o n t r o li c sa r er e s e a r c h e da n d d e s i g n e d ，i n c l u d i n g v o l t a g er e f e r e n c e ，e r r o r8 檬p l i f i e r ， o s c i l l a t o r ，p w mc o m p a r a t o ra n da s s o c i a t e dl o g i c t h e i rt o p o l o g i e s s c h e m a t i c sa n d l a y o u t sa r ei n t r o d u c e da n dd e v e l o p e d a l t h o u g ht h es t r u c t u r e so ft h e s em o d u l e s a l e s i m p l e ，t h e y c a r lw o r k p r o p e r l y a n d e f f i c i e n t l y i naw i d e r a n g e o fa m b i e n t t e m p e r a t u r e sa n ds u p p l yv o l t a g ev a r i a t i o n s b e c a u s eo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s e m o d u l e sc a nb e e a s i l yr e u s e di np o w e rm a n a g e m e n t c o n t r o li c d e s i g n ， k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ，s w i t c h i n gp o w e r s u p p l y ，b o o s t c o n v e r t e r ，c u r r e n t m o d ep w mc o n t r o l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：一日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 土蓬盔堂塑盘堂垒堡塞登蜃载d c - d c 喙辨管理集成电路的谶计第1 贞 第一章绪论 一 一 1 1 电源管理技术发展概况 开关电源警溪集残魄路子粥年代中、磊赣鞠继淘羹后，爱照示窭强大的生 命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块 豹优选集成电路。新一代开关电源管理集成电路采用功率半导体器件作为开关 元件，邋过周期性工作，控制开关元件的时间占定比来调整输出电压。按照开 慕型稳压电源的控制方式可以分为脉冲宽度调制( p w m ) 式、脉冲频率调制 f p f m 试秘p w m 与p f m 涅会式。p w m 控卷方式为摄持开关元转工簿周皴不变， 控制开关的导通时间t o n 变化。目前采用p w m 工作方式的控制i c 较多，如 r i c o h 公司r h 5 r h 系戮、s i l i c o n 公司鲍s 1 9 1 5 4 、f a i r c h i l d s e m i c o n d u c r o r 公司的f d s h 0 1 6 5 、m a x i m 公司的m a x 7 3 6 7 3 7 、p o w e r i n t e g r a t e d 公司的ps w i t c h 系翔。p f m 控截方式为保持导通辩润t o n 不变，改变开关正作周期，目前采用p f m 工作方式的有m a x 7 7 0 7 7 1 7 7 2 7 7 3 、 s e i k oi n s t r u m e n t s 公司的s 8 5 2 1 箨。目前市场上常见的般为p w m 工作方式的 綮理i c 。采用p w m 工作方式的控案4 集成电路走帮主要由以下部分组成：振荡器 ( 一般有矩形波输出和锯齿波两路输出) 、基准电殛源、p w m 控常8 器、谈差放大 器、电爨捡溅嚣、埝枣骧蘩毫路萋霎必要戆过熬 装护、过滚保护铃。 电源管理集成电路通常包含电压调熬器和接口电路两方面。电压调熬器包含 线往毫懑调整器，邵l d o 瑷及派、受输鑫系魏龟路，噩乏乡 还蠢p w m 鼙静开关 测电路等等。因技术进步，集成电路芯片内数字电路的物理尺寸越来越小，因而 工作电源向低憩压发展，一系列新型电蕊调整器盔运而生。电源管理甭接口电路 主要有接口驱动器、马达驱动嚣、m o s f e t 驱动器以及商电压大电流的显示驱 动器等尊。电源篱理分立式半导体器件可将它分为两大浆，一类包含整流器和晶 耀管：另粪是三极警型，包含功率双极是体管、m o s f e t 和i g b t ( 绝缘瓣场效 应晶体管) 。 1 2 课题研究背景 l 。2 。l 功率电子技术“t 2 3 1 功率电子技术( p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ) 怒利用功率电子器件对电 占避查堂曼杰堂垒堡塞盐墨茎型s ：旦竺皇鼗篁塞叁蹩璺壁盟丝然萋! 翼 能进行控制和转换的新兴举科。其横跨功率电子半导体器件、自动控制、计算机 技术露奄磁技术等多攀瓣镢域。幕际毫气帮奄予工程嚣狳会( i e e e ) 羲臻寨电予 学会对功率电子技术的定义是：“谢效地锼用功率半导体器件，成用电路鞠设计 疆论以及分析开发工其，蜜现对龟能的裔散能交羧和控制的一门技术，它瓴括电 篷、电滤、频率秘波形等隽面的变换。”爨话功率魄子技术鲢发鼹是以臻察邀子 器件为核心，并伴随着变换技术和控制按术的发殿而发展的。 珐率寇予技术瓣瑟史及其发鼹。鑫1 9 5 7 年菇淹警问键，挺恚着毫杰瞧子鼓 术的诞生，从此电子技术向两个分支发展。一支怒以晶体管集成电路为核心形成 对信息楚溪豹啜彀予技术，其发麟特点是集藏囊愈采惠蕊，集畿援搂越采越大， 功能越来越全。另一支是以晶闸管为核心嬲成对电力处理的电力电子技术，其发 溅特点是晶溺警鹣派生器律越来越多，功率越来越大，缝麓越寒越好，并馁逶了 电力电子技术在许多毅娥域的应用。八十年代米期和九十每代初期发震超采蛉、 以功率m o s f e t 和i g b t 为代表韵、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复 合器 牛，淡暖砖绕魄力电子技术已经进入璇 弋毫力逛子时代。传绞懿珐攀电子器 件已发展刹相当成熟的阶段，但猩实际中却存在两个制约其继续发展的致命因 索。一燕控截凄簸 上懿欠缺，西必遂过门禳只筑按裁荬开逐露不键控裁其关瑟， 属于半控趔器件。二是此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难 戳提高，一毅蘩撬下难戳褒于4 0 0 h z ，鬣薅太丈蟪疆裁了葜座蔼藏匿。园照，睾 控制器件的发展融处于停滞状态。 弱了7 0 年代涑，可必新晶阕管( 馥o ) 器件西越成熟，标志着涣率电予器律已 经从半控激器婷发展到全控巷4 型嚣 牛。 进入8 0 年代以后，体随着g t o 器件的发展及成熟，m o s 器件的开发则繁花 菝镰；绝缘援双投菇律管( i g 殴 狻占鏊头。至照功率电子器 孛又驮毫浇控躐型嚣 件发展刘电压控制型器件。 9 e 每代，秘率邀予器终叉在舞智戆讫、搂块健方巍获震，力求将惑力器昝 与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装鼍爨趋小型 纯、暂鼹艺，其黧垄器彳孛莛i p m 。两i g c t 器徉甄蒗有i g b t 器停豹开关静牲，弱 时又具馥g t o 嚣传的导邋特性，鼠制造成本较低( 与g t o 和i g b t 相比) ，可以获 褥和g t o 晶闸管一样韵产薰，即菠集i g b t 与g t o 二者优势于一身，预计今君会 土攫盔兰塑堂鱼造塞一 墨堡鸯d c , d c 晦攥篁墨集成电路的设计第3 最 在更多的领域中发挥作用。 总之，功率凳子技术豹发震经历了渤率电子器 孛获拳控到全控、跌奄流控裁 擞到电压控制型、从单个元件到模块化辫到智能化的发展过程。m o s f e t 和i g b t 的相继阐世，是传统的电力电子翔现代电力电予转纯鹊称恚。 l + 2 。2l c 在功率电子技术中的应廷 从过去的经验可看出，功率电子学魑由半导体、i c 等带动起来的，今后这 耱带动毪不镧终。镞龟予技术摆动了窀子系统豹发震，尤箕是在信号处理叛及计 冀机领域，现在，绝大部分电子系统的电路都通过集成电路来实现，微电子技术 的发展翮样推动了功率电子技术的发展，越来越多的i e 产品运用到功率电子技 术领域。在功率呶子技术中应用的i c 产品大致可以分为三类： 第类是分立功率器件。我们知道赢流转换有两种设计方案：线性电源和开 关电源，其余的凌率电鼹还包括逆交器以及功率阪数校嫒电路等，在这然电路孛 开关管越着非常藏要的作用，并决定了这些电路的特性。 第二类功率瞧子技拳孛瘦震菸l e 产品是秘类繁多懿控刳嚣凝动毫游，爨懿 实现开关电源反馈控制的p w m 控制模式和谐振式控制芯片。电机控制应用在诸如 洗衣祝和磁盘驱动孛撬供精确静速度移疆矩控潮。驱动趣路蠢大功率器终提供 汗、关时所需驱动电流。这些i c 邋常采用b i p o l a r 或者b i c m o s 工蕊，采用b i p o l a r 工艺是由于双极穗晶体管的跨导较大，速度快：黼b i c m o s3 2 艺同时利用c m o s 器 佟静态功耗低秘双极型嚣传速度快的特点，可以得到更低的功率损耗和较快的速 度。 第三类功攀魄子技零中应题夔i c 产器是邋露俗舔蛇功率集成电路。运寒凌 率器件方面的发展表现在功率器件的尺寸更小以及新的栅极驱动器件所需驱动 泡流减小，这些发震键锼嶷藏电路技术萄黻将臻率器 孛纛低压控割电路强弱一愁 片上实现，从而使成本下降。这种在同一芯片上集成有功率器件和低压模拟和数 字电路静电路称为功率榘成电路( p i c ) 。其中一种特殊静功率集成电路燕高压集 成电路( h v i c ) ，相对予数字电路和高功率电路来说，在这耪芯片内同时具有高 压和相对低的电流特点。随着便携式和个人通信设备的发展，其所需的电源也程 不断发鼹，两使用i e 技术是实现这静设冬小型化可能最好的方法。现在正在尝 试研制集成了微处理器和r a m 的电池充电器，以实现智能电池充电功能。另外一 土塑盔堂塑生堂焦丝塞垂墨萎墅：望璺史遇篁里纂成电路的设计第4 贞 种应用就是d c 。d c 转换器。目前为止在这些转换器中，电源仍然占用了相当部分 蕊空阕帮重量。黼家半导体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 开发了一荸孛萃片转换器， 它采用特殊的封装技术把电感、电容和控制部分集成到一块。 随着技术地不断发栽，上述几类产晶将不断缩合到一起，例如智能功率集成 电路的出现就是将过流，过压和避热关断嚣保护魄路和驱动以及功率器传集成到 一块。随着i c 集成度地不断发展，出现了s o c 技术，可以预见，功率电子技术 瞧赣羞功率密度楚褰，髂妖更小聋霹更热复杂的方淘发震。 1 2 3 开关电源h 5 ，6 开关稳压电源( 以下简称开关电源) 是功率电子技术应用的一个重臻领域。 l 。2 。3 。l 开关噬源的基本概念： 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装鬣，是所有靠电能工作的 装置麴动力源泉。壹流开茨电源怒一释由占空毙控锈赘开荚电路梅或静亳髓变换 黻置，用于交一赢或直一直电能转换，通常称为开关电源。开关电源体积小、效 率高，怒稳压电源的发穗方向，现已成为主流产品，其功率从零点几瓦到数千 瓦，广泛用予生涎，生产，科研，军事等各种领域。顾名恩义，歼关电源的核心 为电力电子开关电路，根据负载对电源撼出的输融稳压戡稳流特性的要求，利用 爱镶控铡瞧踺，袋震占空魄控割方法，对开关电鼹进嚣控裁。嚣关邀源熬这一技 术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用鼎闸管的相控电 滚稳毙蠢秀令明驻能优煮； ( 1 ) 效率高采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换而 没有损耗，实际上，电路中的开关器彳牛存在逶态难洚，繇态漏奄流，开关损耗等 非理想因素，所以存在损耗。但电路的总效率仍& 达到8 5 一9 8 ，远邀高于靠 通态电黼调节的线性电源，通常比相控电源的效率耍高些。 ( 2 ) 体积小、重凝轻开关电源采用较赢的开关频率，一般高于2 0 k h z 这一人耳 的听觉极限，因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减小。而线性 懑源窝穰控毫潦遥掌嫠懿采瘸缀太豹滤波元终秘笨重宠大瓣工鼷变压臻。辑鞋在 同等功率条件下，开关电源的体积和重精仅为线性电源和相控电源时的十分之 一。另矫，开关魄添豹效率较裔，需要熬教熬器谯较，l 、，这在缀大程度上减小了 体积和羹量。 1 2 3 。2 开关电源的发展动力： 目前，高效便携式电予产品猩通信和计算机领域中所占份额惫剧增长，对 窀澡轰s l e 躲要求落楚寒越裹。寇源a s i c 麴嚣求鑫益璞长，接每年l6 + 6 毽 的增长率储算，预计到2003 年将达到64 亿茨元。遮是由予作为电源和开 关瞧添豹主要嚣户诗算瓠殷英终帮设备虢及各祷缆携式邀予产鑫鹣不断蓑浸，疆 及通信业的异军突起，促进了开芙电源市场的日黼增长，因此全球汗关电源市场 里程美爵前景。稳糕电滚分必线蔑稳压奄源秘开笑稳压越涿两大类。线狡稳蘸亳 源具有稳定度高、输出纹波电压小、鼹态响应快、结构筒单和或本低等优点， 德它的转换效率低。开关稳压患源可以满足这种蒙求，艨管它的结构复聚、成 本辐对较糍，徨它靛转换效率豢，露量邋过调节占空魄可以实现铰宽懿稳压范 围。由于其高效节能可带来巨大缎济效益，因而引起社会备方面的蘑视而得到迅 速捺广。程舞关毫源孛最主要懿愚a c - d c ，d c - d c 开关嚷潦，随蟹诗莫枫，逶彗 设餐以及便携式产品的不断增长，对d c d c 开关电源的需求不断增长。由于目前 熬谤冀感设餐霸备耱毫效蠖携式鬯子产燕发展趋予夸壅纯，其功耗帮遴较大，要 求与之配套的电池供电系统体积熨小、重量更轻、效率更简，必须采用离散率的 蹦d e 开关稳蠢壤源。困忿，必须实现巍流开关灌交换器韵集藏忧，摄搿直流 开关型交换器蛇工 乍频率。因为程d c d c 变换器中，由于输入电聪竣输出蝣负载 可能出现波动，戍保持平均直流输出电压成能够控制在所豢求的槠值偏差范围内， 这是对d c - d c 变按器最蒸本靛控稍臻能要塞。要实理髭量扶鬯嚣裂受载懿变换： 需疆复杂的控制技术，现猩大多数采用p w m ( 脉冲宽度宽调制) 技术，于是各种 p w m 控鞭缝拇静研究靛或为磅宪静蕊点。 1 2 。3 3 开关电源技术的发媵动嚏 开关电源韵发展方向鼹高频、高可靠、低耗、低噪声、抗千虢和模块化。由 予开关电源轻、夺、薄鲍关键技术是高额传，毽魏国乡 各大开关鼓潦割遗瓷都致 力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改游二次懿流器件的损耗，并在功 率铁氧髂( m n - z n ) 耱辩上麓夫魏控簧瑟，骧提囊在赛频率襄较大磁逶蜜囊懿) 下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。s m t 拽术的应用使得 开关奄源取祷了袄足羲避疆，袭嘏鼹馥两蔼表置嚣器舞，塔确保开关窀源豹轻、 小、薄。舞关电源的高频化就必然对传统的p w m 开关技术进行创新，实现z v s 、 缝盔兰堡主堂垡望奎盘堡塞望垦- 9 c 电源管理集成电路的设计第6 页 z c s 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效 率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等 措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系 统，可以设计成n + l 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电 源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分 谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技 术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该 项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我 国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研 联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献 1 3 本论文主要研究内容及结构安排 本文研究了升压式d c d c 开关电源管理集成电路的设计方法。介绍了一些 d c d c 开关电源管理集成电路常用功能模块的设计思想。 第一章介绍与本文相关的技术背景及其发展状况。 第二章分析升压式开关电源主回路拓扑结构及其工作原理，并在此基础上 对工作在不同模式下的主回路特性作了比较研究，最终设计了主回路元件，为下 一步建立开关电源控制系统提供必要的参数。 第三章对b o o s t 变换器控制系统原理进行了分析，并对其基本的控制特性 进行了分析和研究，详细地分析了影响控制系统性能的各种因素，结合上一章的 一些基本定义和要求，建立了升压式开关电源控制系统，为电路的设计提供了限 制条件和需折衷考虑的因素。 第四章在电路层次上对所设计的控制系统功能电路进行了分析，并介绍了 部分电路的设计思路，在仿真比较的基础上初步验证了设计思想的准确性。 第五章简单介绍了所采用的工艺以及版图设计上的考虑。 第六章总结了本论文的工作，并对下一步工作提出展望。 土塑盔堂塑堂鱼垫皇殛匿式d c d c 电源管理集成电路的设计第7 页 第二章b o o s t 变换器原理及其设计 开关电源有三种基本回路，即b u c k ，b u c k b o o s t 以及本文介绍的b o o s t 升压回路，它们的区别在于开关管、输出电感以及输出电容的连接方式。本章仅 对b o o s t 基本回路的拓扑结构和工作原理作探讨，以提供设计b o o s td c d c 变换器时所需要的条件。 2 1b o o s t 电路基本结构和工作原理 图2 1 是升压型开关电源的主回路和它的有关波形，是由一个功率开关管 q 1 、二极管d 1 、l c 低通滤波器与负载所组成。这种开关电源的工作过程如下： 当开关管q 1 导通时，电源v g 加在储能电感l 的两端，二极管处于反偏而截止， 使输入与输出隔离，电流通过储能电感l 将电能转换成磁能存储在储能电感l 中，使得电感上电流上升，电容c 通过负载放电。而当开关q 1 受控截止时，储 能电感两端的电压极性反向，二极管变为正偏，给储能电感l 和电源u i n 串联 放电提供通路，电流流经二极管至负载和输出滤波电容c ，输入储能以及电感储 能供给输出负载，电感电流下降，电容被充电。由于功率开关的周期性开通与关 断，会使得输出电压产生交流纹波，因此l c 低通滤波器的功能在于降低输出纹 波的作用【6 】。 图2 1 升压式开关电源主回路 2 2 连续导通与非连续导通模式 升压型d c d c 开关变换器的工作模式是依据流经电感的电流是否降为零来 区分，一般可区分为两种工作模式：( 1 ) 连续导通模式( c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e c c m ) ，( 2 ) 不连续导通模式( d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e ；d c m ) 。当流过电感 的电流不会降为零时，我们定义转换器工作在连续导通模式，而当其电感电流将 占整丕堂堡堂垡逢皇墨匿墨d c - d c 重漫鳖堡墓成电路的设计第8 页 会降为零时，我们定义转换器工作在不连续导通模式，亦即流经电感器之电流为 不连续。为了分析方便，我们可以假定： ( 1 ) 开关管q 1 和二极管d 1 具有理想的特性( 无损耗，无惯性) ； ( 2 ) 电感足够大，电感电流连续，电感无损耗；电容足够大，电容脉动电压可以忽 略，电容无损耗： ( 3 ) 假设输出电压纹波值与输出电压比值小到可以忽略，即可以认为v ( t ) = v o ，输 出直流电压无脉动：在c c m 时由于电感电流纹波值相对平均电感电流小，为了 分析方便我们也认为砸) = 1 l 。如图2 2 所示。 ( 4 ) 电路进入稳态。 图2 2 小纹波近似示意图 2 2 1 连续导通模式分析 假设转换器工作在连续导通模式，则流经电感器之电流不会降为零，设开关 动作周期为瓦，闭合时间为t o n = d t s ，断开时间为t c 忏= ( 1 - d ) t s ，d 为接通 时间占空比，其分析如下： ( 1 ) 功率开关q 1 导通时，电感电流不断线性增长，其电感电流增量为： a i l ：v g d t 。，负载由电容c 供电，由图2 3 ( a ) 等效电路知，电感两端电压为 耽f f ) = ( 2 1 ) 电容上的电流为： f c = 一百v o ( 2 2 ) ( 2 ) 功率开关0 1 截止时，电感电流不断线性下降，其增量为：v o - v g d t s ， 由图2 3 ( b ) 等效电路知，电感两端电压为： k 2 k 一( 2 3 ) 流过电容电流为： 以；，迄 ” r 由于稳态时电感电流变化量绝j c 于德相等a i j = 1 n ： ，所戳 塑堡：鲢二垦憋= 里坚 五互 也即有电感伏秒平衡公式【7 1 有 v g d t s = ( k 一碥) ( 1 一d ) 矗 能麓式2 5 ) 可簿： d ：v o - ，v g ：= t o n 奄! ：旦 1 _ d 褥壤撵奄容安移警赞沩， ( 一铷州，一鲁) ( 1 - d ) t s = 0 可求得平均电感电流为： ，：上：上 蒺逛惑魄疰纛耄滚波形魏鎏2 a ( a ) 。 f l j i r 5 谚_ g f 一 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) = j - 吒 临界状态：i l 口= 去t 不连续状态：j 。 三甄 ( 2 1 2 ) 根据电感电流和输出电流之间的关系，我们可以得到 乃 ：堕乜：v _ , k e d 乃 v ov ozl 工 厶；堡；旦d t s ：1 v ( v o - v a 乃， v o2 l o b2 v 0 2 1 0 b 尼 d ( 1 - 。) 2 ( 2 1 3 ) 令k o 。，= d ( 1 一d ) 2 ，则工作在c c m 下的条件可表示为： k = 竺r t s k 。 ( 2 1 4 ) 点造盔堂塑圭堂垡堡塞量堕煎墅垄垦曼遂筻墼爨威皇堕的设计第12 页 反之，则电路即工作在电感电流不连续导通模式( d c m ) 下。 2 。2 3 不连续导逶模式分析： 由以上c c m d c m 的临界条件可推知，若负载电流变大或者电感l 僵小于 临界电感值厶，则其工作状态就变为d c m ，此时转换器襁一周期内将有三个工作 医闻 瓤， t o n 如l t s ：汗关导通时间。 t d = d 2 t s ：二投警导避露窝。 t i = d 3 t s ：不连续时问( 其中d l + d 2 + d 3 = 1 ) 为了获得其输入与输出电蕊之闻的关系，辩b o o s t 毫路不连续模式下可能 存在的三神工作状态分橱如下： i a j ， f 7 画 c毒 jj ( a ) q 1 导通，d 1 截止 i ( o l ( b ) q 1 截止，d l 姆通 i l l |i 十 州 十 啊 一 上海大学硕士学僮堡童勇壁式d c d e 电源管理集成电路的设计第13 页 ( c ) o l 、d 1 都截止 图2 5 升压变换器工作在不连续导通模式下的等效电路 ( 1 ) t o n 时段：开关导通时间，开关管q 1 于0 时刻开通，并保持通态直到丁钿 时刻，在这一阶段，电感l 两端的电压为k ，电感电流不断增长。二极管d 1 处于断态。等效电路如图2 5 ( a ) 所示 电感上的电压为： v l ( t ) = k 仡1 5 ) 电容上的电流为： ，c v r o ( 2 1 6 ) ( 2 ) t t ) 时段：二极管d 1 导通，开关管q 1 关断，电感通过d 1 向电容c 释放磁能， 电感电流不断减小。等效电路如图2 5 ( b ) 所示 电感上的电压为： v a t ) = k 一 ( 2 1 7 ) 电容上的电流为： 铲卜鲁 ( 2 1 8 ) ( 3 ) t i 时段：二极管d 1 ，开关管q 1 均关断，电感电流保持零值，并且电感两端 的电压也为零，直到下次功率开关开通，下一个周期开始。 仍旧有电感伏秒平衡： 眨d 1 暑+ 眠一) d 五+ ( o ) d 3 瓦= o ，即警= v o l - v s t o ( 2 _ 1 9 ) 根据在t d 时间内由电感传递给输出的电荷量应等于在整个周期正内负载上得到 的电荷量，可得关系： 一v o v g t o u t o ( 2 2 0 ) r2 l t s 、 从上两式可得： = 鲁l ，+ ( 1 + 2 d 2 r 工t ，l ( 2 z - ) ! 。出= c 盖乒学 上海大学硕士学位论文升压式d c d c 电源管理集成电路的设计第14 页 2 3 电压增益 定义电压增益为：m = 导，从上面推导出的b o o s t 电路工作在不同工作 y g 模式下的输入输出电压与占空比d 的关系，我们可以得到： c c m 模式下：m = 甚= i ； 。c m 模式- f ：m = 扎。2 爷i ； 2 4 设计考虑： 2 4 1c c m 和d c m 工作模式的比较： 从c c m 模式输入输出关系式可知，输出与负载无关，因此开环负载调整率 较好，然而其输出由输入决定，因此开环线性调整率特性较差。此外由于电感和 电容在反馈控制环路中形成一个二阶系统，其闭环响应较差【9 】。对d c m 来说， 从d c m 模式输入输出关系式可知，输出与负载及输入均有关，因此开环负载及 线性调整率特性均较差，但通过正确控制电路设计可以解决这个问题，使输出在 指定的输入电压范围及输出负载范围内获得稳定的输出电压。同时由于在每个开 关周期开始时，其初始储能为零，因此其闭环响应特性相对较好，在d c m 中电 感值l 较小，使得r h p 零点频率较大，通常大于开关频率，基本上可以忽略， 因此b o o s t 变换器在d c m 时表现为单极点响应，而在c c m 时b o o s t 电路的 所形成的r h p 零点将极大限制闭环动态特性。因此b o o s t 转换器工作在d c m 时，其结构相对简单，控制系统便于实现，所以考虑在大部分负载范围内设计成 工作在d c m 状态，所有的转换器在轻载时都可能工作在d c m 。 设输入电压k = 5 v ，输出电压, v o = 1 2 v ，最大输出功率p o u r = 2 w , 则最大输 出电流如w ( 。砷：挈：o 1 6 6 a ，设计在输出电流9 0 范围内工作在d c m ，则 如w = 如w t m a x ) 9 0 = 5 。m a ，此时尺= 如y 。o = 笔i = 8 。q 。 2 4 2 输出滤波电容的选择： 在变换器回路中，输出滤波电容的功能是储存电能，电容电场中的能量取决 土塑盔堂塑圭堂鱼量皇升压式d e - d c 电源管理集成电路的设计第15 页 于其两端所加的电压，因此相应地，电容的作用是保持恒定的电压，可根据允许 输出电压脉动的峰一峰值来设计电割1 0 】： ， 巳。= 宁l y r i p p l e 同时由于电容有介质、接点和引出线，造成一个等效电阻e s r ，这种等效电阻在 开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作 用。e s r xai l 决定输出电压中高频纹波的幅度，因此应依据e s r ( 等效串联电 阻) 最小的原则考虑来选择输出滤波电容。本设计中选择电容值为3 3 9 f 。 2 4 3 输出滤波电感的选择： 电感磁场中的能量取决于流过其两端的电流，因此相应地，电感的作用是保 持恒定的电流，即限制电流的变化率，电感值正比于输入电压而反比于输出功率。 电感的大小决定了开关电源主回路处于c c m 还是d c m 工作状态。根据输入电 压的大小，根据保证转换器保持在连续导通( c c m ) 状态在最小负载条件( 即 c c m d c m 临界条件) ，可得保持d c m 的最大电感值。考虑二极管正向压降后， d ：v o + 了v n 一- v g ：0 6 4 2 ，根据式( 2 1 4 ) 并代入占空比d 的值得到 y o 三婴d ( 1 一d ) ：1 9 2 出，为保证一定余量，选取小于1 9 2 1 t h 的标准电感值 上 1 8 k t h ，同时注意到对于不同的输入电压，要求的电感值要不同，低于5 v 的输入 电压，其电感值应小于1 8 u h 。 这样，根据不同的输入电压条件，我们可以得到一组不同的主电路元件值， 若给定输入电压最小值，则输出电流最大时占空比d 达到最值。 2 4 4 开关管的选择： 常见的功率开关管有功率b j t ，功率m o s f e t 以及i g b t 等，它们各有特 点，一般来讲，功率b j t 的特点是容量大，导通损耗低，功率m o s f e t 的特点 是开通关断速度快，采用电压方式驱动，而i g b t 可以说是以上二者的结合【8 1 ， 但是其价格较高，对于本设计中的小功率d c d c 转换器，选用功率m o s f e t 作功率开关管是不错的选择。 在升压变换器中，流过功率管o l 的电流是一锯齿形电流。它是在晶体管由 上海大学硬士学位论文 升压式d e d e 电鹕f 管理集成电路的设计第16 页 爵通进入截止瞬间达到最大值。此值和流过储能电感的电流最大值相等。此即开 关管的电流应力：i d 毛( = 屯十去蛾。 开关篱静漏源之间电压最大馕出现农由导遴转换为缀止的麟闻，若遗续二极 管的开关特性是理想的，且设其导通时二极管难向压降为零，则电压威力为： ，考纛二撮警歪态蓬辫，裂鸯魄 ( 删+ 。 2 。4 。5 续流二极管的选择： 由于在开关管导通期间，续流二极镣因反偏截止，此时输出电压v o 全部加 在续流二极管两极问，成为续流二极管需承受的最大反向电压， v o 。 嚣关警美断瓣阉，续滚二投警萼逶，滚道德蓰毫感j 。，豹漳篷耄流全鬈浚避续滚 二极管，成为续流二极管的最大峰值电流【1 1 】。 l p e a k 。最 根据计算出的，和，。，朋。慎，就可以选取相应二极管最高反向工作电压和 额定正离工作电流，在j 麓：器础上可瓯选敬正向导通压降小帮反商恢复露阔短的肖 特基二极管作为主回路续流二极管。 因此5 v 输入，1 2 v 输出，最大输出功率为2 w 的b o o s t 电路如图： 圈2 6 升压燹欹器主网路 根据所得的主回路，在5 v 输入时1 2 v 输出时调节r 3 阻值褥到在c c m 和d c m 状态下瓣镑真，獒谚真终暴如图2 。7 ，爨中v d s 楚开关繁导逶瞧器，i l 必奄感娥 流，i d 为流过续流二极管的电流。注意副在不逡续导通模式( d c m ) 方式下每一周 籁瀛j 妻泡感的毫流麸零_ 开始，上舞裂蜂傻，然露降至零。开关管毫筮v d s 静避德 电压为输出电胍加上= 极管的芷向电压0 7 v ，开关电艇波形中的振铃摄由于电 上海大学硕士学位论文开压式d c - d e 电源管理集成电路的设计 第1z 页 感和并联的开关管的漏源电容c d s 和二极管结电容之间的谐振而产生，对于不连 续工 乍燕芷鬻静。嚣王佟予连续褥逶模式( e e 瓣方式下，奄感电流不降至零，奁 开关管电压波形上没有振铃。 ( a ) 不适续模式 稻) 连续模式 图2 。7 升压变换器农不同模式下的波形 上海大学硕士学位论文升压式d c - d c 电源管理集成电路的设计第18 页 第三章开关电源控制系统的设计 3 1 开关电源反馈控制系统原理 3 1 1 开关电源反馈控制系统结构 一个电源变换器一般由主回路和控制回路组成。 开关电源中，普遍采用负反馈控制，使其输出电压保持稳定，并达到一定的 稳压精度。因此开关电源的主电路及反馈控制电路构成了一个闭环的自动控制系 统，开关电源的控制环节的设计是其设计的重要组成部分。其常用的设计步骤是 对主电路建立小信号模型，作出开环波特图，然后根据性能指标要求，运用经典 自动控制理论，设计校正系统，使系统具有良好的稳态和暂态性能【”。对开关电 源系统的反馈原理分析可知，如图3 1 所示， 图3 1 开关电源反馈系统结构示意图 不加反馈h 时，从参考u 盯到输出的传递函数为g ，有y = g y j ，加上反 馈h 之后，参考y 0 到输出的传递函数变为： ：南 (31)gh k ，1 + 、 若假设回路增益t = g h 1 ，那么总的传递函数可化简为： 乒：丢 ( 3 2 ) v m h 、? 分析式( 3 2 ) 可知，传递函数不仅与g 无关，而且与有可能影响g 的参数( 如电 土整盔堂壁主堂垡堡塞壹星塞墅! 三二里g 电灏篁堡基成电路的设计 第19 页 源电压，温度及元件变化特性等) 无关。由于反馈网络h 常用电阻和电容等构 液无滠溺络，因蔻羧凄枝与无滚麓络及参考电莲匆有关，1 圭t ( 3 1 ) 哥螽设计反馈 系统时娶考虑使g h 和t = g h 1 ，以保证在一定频率范围内。系统具有较 好的稳定特往，瀚露遣簧注意到旗准电派豹调整率对输岛的影响。 3 1 。2 反馈系统的参数 r h p 零点问题：b o o s t 电路中，电感电流流向输出，只有当开关关断时二 投管歪爨罨逶，窝莱受鼗电流增嬲，占蹙逡马上妻孽翔使褥毫感魄滚主费，毽若 b o o s t 电路工作在c c m 时，当占空比d 增加时，二极管正向鼯通时间减少， 在缓慢瀵嬲静宅戆电流上舞垂平衡值之前，流过二极管鹃平均二极管电流首先下 降，然后随着电感电流上辩，二极管平均电流才啜终达到正确值。可见，这里产 生了小信号现象，称之为r i - i p 零点，该零点频率为： 。一：拿疆一d ) ： p 。3 )o r 2 了醛一口，。p 蛩 式中r 为b o o s t 电路负裁电阻，我们知道r h p 零点对系统的影响表现为增益 随频率增加而增加，但桶移却滞葙9 0 。，而且由式( 3 3 ) 可知由。随负载震变化， 蔽l 邈对予控裁系绞来说较难去李 镁。僵怒考虑到不连续零逶d c m 模式下，其毫 感值较小，这样脚。值较大，浪意到这一点，蒋令系统单位增靛时频率( 交越 频率) ： 岛警 ( 3 4 ) 就可以减小r i - i p 零点带来的问题。 国潞增益s ) ：指隧绕爰疆阏路豹慧增益。自从输入撬动k 和负载挠动五刎 到输出的传递函数【1 习可知它们都包含相同的因子i ( 1 + t ( s ) ) 。因此，t 馕越大， 扰动对输出的影响就越小。同时，回路增益的相位裕度的正负，煨考察反馈系统 稳定兹羹要标志【1 3 l 。 瞬态响应【9 】：瞬态响应是开关电源威用到电子系统时的一个熏要特性，它和 输密奄藤交纯静瓶氇班及开关转揍器懿输获晌反对闫毒关。它是开关转羧器静赘 宽，输出电容及其等效电阻和负载电流的函数。为了获得满意的瞬态响殿，常常 控制系统需要一个较高的交越频率，c 。即带宽。 点避盔兰堡主堂望堡茎墨量茎墅曼：望曼皇迸簦垄塞盛壑壁垫堂然薹! ! 戛 相位裕度1 1 4 】：为了抑制超调和振铃，要求有反馈系统有足够大的相像裕度。 控翻电路静设诗必须围绕图3 1 这个自动控锱系统展开，雨为了使电路链正 常工作，保证反馈系统的稳定性魑设计重点。在探讨稳定反馈环路的具体细节前， w 以先看看一个反馈环魑如何振荡的。如图3 2 所示一个简单的蒇馈系统，对于 较慢或者低频的输出电联变化来说，反馈慰路是稳定鲍。假设系绞输入扰动( 输 入电压或负载的变化) 引起输出电压的炎化较小且较慢，这种变化经r 1 和r 电 辍分压嚣采撵之嚣，经谖