（计算机系统结构专业论文）峰值电流模式的单片式dcdc变换器设计.pdf

硕士学位论文 摘要 随着集成电路产业的发展，各类电子设备和系统对开关电源提出了更高的要求，包 括要求开关电源的体积更小、功率密度更高、转换效率更高以及可靠性更好。开关型 d c d c 变换器是一种高效率的直流一直流电源变换器，具有输出功率稳定、纹波较小、 集成度高等特点，能够广泛适用于各类便携式电子设备。本文从开关电源在便携式设备 中的应用需求出发，通过原理分析、系统设计、电路设计和性能仿真验证，实现了一款 带片上电流采样电路的峰值电流模式降压型d c d c 变换器。 本文在深入分析d c d c 变换器各种工作模式的基本原理，总结出现代d c d c 变换 技术主要优缺点的基础上，选择峰值电流模式p w m 控制方案，设计了一款d c d c 变 换器芯片。针对电流模式d c d c 变换器中电流采样的关键技术问题，提出了一种电流 采样方案，实现了低功耗的高精度电流采样，所设计的变换器在电源电压和负载变化时 的具有较好的瞬态响应能力和转换效率；通过分析了峰值电流模式变换器的环路模型、 开环不稳定性和斜坡补偿的原理，给出了补偿网络方案和详细的电路设计；针对应用环 境的需求专门设计了一款带d a c 控制的片上软启动电路，有效的消除了浪涌电流和输 出电压过冲：设计了片内具有低导通电阻的功率开关电路，降低了开关电路功耗的同时 调高了该电路的可靠性。 采用o 3 5 mc m o s 工艺和h s p i c e 仿真软件对各个子电路模块和整体电路进行了 功能和性能参数的仿真验证，仿真结果表明该变换器在2 6 v 4 2 v 的输入电压范围内， 当片外滤波网络选用1 0 心的电容和4 7 p h 的电感时，可提供最高5 0 0 i l 认的负载输出， 各项性能指标满足设计要求。 关键词：开关电源；d c d c 变换器；峰值电流模式；电流采样；软启动 i i 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to fi ci n d u s 包吼v a r i o u s 帅e so fe l e c t r 0 i l i ce q u i p m e n t 觚ds y s t e m s r e q u e s ts 谢t c h i n gp o w e rs u p p i yp u tf b 删h i g h e re q u i r e m e n t si n c l u d i n gs 淅t c l l i n gp o w e r s u p p l ys m a l l e r ，h i 曲e rp o w e rd e l l s i 劬h i g l l e r c o n v e r s i o ne m c i e n c ya n db e 能rr e l i a b i l i 够 s 诵t c h - m o d e ld c d cc o n v 喇e ri sak i n do fd 沁c tc u m 锄tt 0d i c tc u l l r e n tp o w e rc o n v e l t e r w i n ll l i 曲e 伍c i e n c y ，s t a b l eo u t p u tp o w e r ，l e s s 邱p l ea n dh i 曲i n t e g r a t i o i l 、) 恤c hc 觚b e 、) l ，i d l y u s e di nv a r i o l l sp o r t a b l ee l e 嘶cd e v i c e t h i st l l e s i sa c l l i e v eac u r r e m0 n - 出ps a n l p l i n gp e a k c u r r e mm o d es t e p d o w nd c d cc o n v e 疵rw 址c hc a i lm e e tt l l er e q u i r e do f 鲫订t c h i n gp o w e r 跚p p l y i 1 1 p 0 n a _ b l e e q 试p m e n ta p p l i c a t i o nt h r o u g l lt l l e 砸n c i p l e s o fa i l a l y s i s ，s y s t e m s i g 玑c i r c u i tc e s i g n 砒l dp e r f o r m a n c es i 埘l u l a t i o n 1 1 l i st h e s i sc h 0 0 s eap e a l 【c u 玎e n t n o d ep w mc o n 缸试s c h e m ea n dd e s i 印ad c d c c o n v e n e rc h i pa t 也eb a s i so fd e p t h l ya 1 1 a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e s o fd c d cc o n v e n e r s w o r k i r 喀m o d e 锄ds u 唧嘲i n gu pt h ep r i r l c i p a ls t r e n g m sa n dw e a k n e s s e so 代h em o d e md c d cc o n v e r s i o nt e c 硒o l o 醪f o rc u 玎e n t - m o d ed c d cc o n v e r t e ri l lt l l ec u 疵n ts a i i l p l i n go f t h ek e yt e c l l i l i c a lp r o b l e m s ，i tp i - o p o s e sac u r 他n ts a m p l i i 培p r o g r a mw t l i c ha c h i e v e sa l o w - p o w e rp r e c i s i o nc u r r c n ts 锄p l i n g 锄di m p r 0 v e 酬 1 er e s p o n s ea r l d c 0 i l v e r s i o ne m c i e n c y w h e n 廿l es u p p l yv o l t a g e 觚dl o a da r ec h a n g i n g a 舭r 锄l y z i n gt l l ep e a l 【c u 玎e n t m 1 d d e c o n v e n e rl o o pi n o d e l0 p e n - l o o pu 渤b l e 锄ds l o p ec o m p e n s a t i o l l ，i t 西v e sac o m p e n 嘶i o n n c t w o r kp r o g r 锄觚dd e t a i l e dc 沁u i td e s i 印“s p e c i a l l yd e s i 盟e sad a c 丽t l lo n - c h i p s o r - s t a r tc i r c u i tw h i c he 丘e c t i v d ye l i m i m t e ss u 玛ec u n e n t 锄do u 印u tv o l t a g eo v e r s l l 0 0 tf o r t l l ea p p l i c a t i o ne n v i r o i l i l l e n tn e e d s a n di td e s i g n eac h i p 、析t l lal o wo n r e s i s t a n c eo fm e p o w e r 鲥t c h i n gc i r c u i tw t l i c hr e d u c e st l l ep o w e rc o n s u m m i o na tt l l es 锄et i m ei i l c r e a s et h e r e l i a m l i t ) ro ft h ec i r c u i t f u n c t i o n a l 觚dp e 墒m a n c ep 籼e t e i _ ss i i i l i l a t i o ni sd o n ef o re a c hs u b - c i r c u i tm o d u l e a i l dt h eo v e 】m lc i r c l l i t 晒i n go 3 5 岬lc m o sp 贼e s s 锄dh s p i c es i i i l u l a t i o ns o 觚硼e m e r e s u l t ss 1 1 0 wt l 斌、析t l lv o l t a g e 却u tb e 觚e e n2 6 v 4 2 v 忙na d 印t i n g1 0ufc a p a c i t o ra i l d 4 7uhm 扎c t o rf o ro 昏出pf i l t e 血gn e t 、o r k ，圮t r a s f - o 仰e rc 弛p r 0 v i d eu pt o5 0 0 r n a1 0 a d o u t p u t ，a l lp e r f 0 咖a n c ei i l d i c 咖r sm e e t l ed e s i g nr e q u i f e i n e n t s k e yw o r d s ：s 诵t c t l i n gp o w e rs u p p l y ；d c d cc o n v e r ；p e a l 【c u l l r e n tm o d e ； c 1 1 1 1 陀n ts 锄p l i n g ；s o r s t a n i 硕+ 学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 插图索引 降压型d c d c 拓扑结构。5 开关导通时电路图6 开关关断时电路图6 同步整流降压变换器7 龟感反向电流图8 经典p f m 控制方式电路图9 p w m 控制方式电路图。9 p w m 峰值电流模式电路图1 1 8 u c k 型变换器电路图13 c c m 模式波形图1 4 d c m 模式波形图1 6 占空比小于5 0 17 占空比大于5 0 1 7 斜坡补偿信号图1 8 b u c k 型d c d c 拓扑结构图1 9 b u c k 电路小信号等效电路2 1 电感电流平均值与控制电流之间的关系2 2 峰值电流控制器的原理框图2 4 峰值电流控制的小信号交流模型2 4 芯片整体结构图2 7 传统的c m o s 带隙电压基准源3 l 抗电源电压的电路结构3 2 带隙基准电路图3 3 基准电压仿真图3 3 锥形缓冲级3 5 消除同时导通的延迟结构3 5 驱动信号仿真图3 5 直接串联采样电阻3 6 利用电流镜采样3 7 片上电流采样电路3 7 无运放电流采样电路3 9 无运放、高精度电流采样电路3 9 q 为低电平状态图4 0 q 为高电平状态4 l 负载电流从6 0 n 认到1 3 0 0 m a 的采样精度4 l 负载电流6 0 0 m a 温度2 5 1 0 0 的采样精度4 2 误差放大器电路原理图4 2 零极点抵消的补偿电路4 4 误差放大器频率响应特性仿真图4 4 理想比较器传输曲线4 5 有限增益比较器传输曲线4 5 v i 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 带正反馈比较器电路图4 6 比较器仿真图4 8 传统软启动电路图4 9 d a c 控制软启动电路5 0 整体电路仿真图5 2 软启动仿真图5 3 4 5 0 m a 负载仿真图5 3 2 0 r n a 负载仿真图5 4 变换器的瞬态响应特性5 5 v i i 硕十学位论文 附表索引 表4 1 本文电路和文献中电路的性能比较4 2 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王谗 日期：1 年f 月叩日 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。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：王罐 新签名：j 7 邮 日期：矽l i 年5 月i 丫日 日期：叼年r 月，户日 ， 硕十学位论文 第l 章绪论 电源是所有电子设备的动力心脏，是现代通信、航空航天、生物技术、计算 机等高科技领域内电子设备的动力支撑。随着电力电子技术的高速发展，电力电 子设备与人们工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，其 性能的优劣不仅直接关系到电池的使用寿命，而且关系到整个系统的安全性和可 靠性【1 1 。 1 1 开关电源概述 电源调节器一般分为线性电源调节器( 简称线性电源) 和开关电源调节器( 简称 开关电源) 两种。线性电源是指执行电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的 一种直流电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源技术，其技术比较成熟，具 有电源稳定度及负载稳定度高、输出电压纹波小、瞬态响应速度快、线路结构简 单、使用可靠、隔离性能好等特点。传统的晶体管串联调整稳压电源就是线性稳 压电源，技术比较成熟，并且有大量集成化的线性稳压电源模块可供选用。但线 性电源的调整管功耗大、电源效率低，而且体积大、重量重，不能微型化，必须 有较大容量的滤波电容，这些缺点限制了线性稳压电源的使用【2 1 。开关电源内部调 整管工作在高频开关状态，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比调整输出电压， 具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容 量滤波电容等优点。2 0 世纪9 0 年代以来，开关电源相继进入各种电子和电器设备 领域，程控交换器、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源都已经广泛的使用 开关电源，促进了开关电源的迅速发展。 随着现代电子技术设备对开关电源需求的不断提高，开关电源的性能也越来 越高。除常规性能指标以外，要求开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大 以及转换效率也要越来越高，同时，还要求开关电源的平均无故障工作时间越来 越长，可靠性越来越好。因此，如何开发设计出更大功率密度、更高转换效率、 更低成本和更高性能的d c d c 变换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求 的一个目标【3 1 。 1 2 开关电源技术的现状和发展趋势 稳压电源的发展历史可追溯到几十年前。上世纪5 0 年代大多采用硒整流器和 电子管稳压器，6 0 年代相继采用了晶体管串联调整稳压器。从6 0 年代以来，特别 是7 0 年代中期以来，无工频变压器的开关电源风靡于世界各个工业国家。到了8 0 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 年代，由于微电子技术的迅速发展，大规模集成电路工艺水平飞速提高，使得开 关电源控制电路的单片集成成为可能，从而大大简化了控制电路的复杂度，降低 了成本，提高了可靠性。9 0 年代中期以后，随着新型功率器件和脉宽调制( p w m ) 电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高 效率、高可靠性的混合集成d c d c 电源【4 1 。 我国开关电源起源于上世纪7 0 年代末期，到8 0 年代中期，开关电源产品开 始推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为2 0 k h z 以下的p w m 技术，其 效率只能达到6 0 7 0 。经过2 0 多年的不断发展，功率m o s f e t 和i g b t 的应 用使中小功率开关电源工作频率高达4 0 0 k h z ( a c d c ) 和l m h z ( d c d c ) 。软开关技 术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量， 而且提高了开关电源的效率。2 0 世纪9 0 年代，开关电源相继进入各种电子和电器 设备领域，程控交换机，通讯，电子检测设备，控制设备电源等都已经广泛的使 用了开关电源，更加促进了开关电源技术的迅速发展。目前，采用软开关技术的 国产开关电源，其效率已达到9 3 。但是，我国开关电源技术与世界先进的国家 相比仍有较大的差距。 近年来，开关电源沿着两个方向不断发展1 5 】： 1 对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。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 n g e n e r a l ) 等相继推出一批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 ，m c 3 8 4 2 ，s g 3 5 2 4 。2 0 0 5 年凌特公司推出频率高达4 m h z 的d c d c 控制器l t c 3 4 1 7 ，其效率高达9 5 。 2 对中、小功率开关电源实现单片集成化。集成化是开关电源的另一个重要 发展方向。通过对控制电路，驱动电路，功率开关以及保护电路的集成，达到整 机的集成化生产。集成化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了 电源的体积，减轻了重量。此方向大致分两个阶段：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。 手机、数码相机、m p 3 播放器、以及个人计算机等便携式电子产品的需求量 的逐年增大带动了适合于电池供电电源管理芯片的发展。凌特( l i n e a rt e c h ) 、t i 、 i n t e r s i l 等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式电子产品的电源管理 芯片，如凌特公司的同步降压型稳压器l t c 3 4 1 2 a ，效率高达9 5 ，在输出电压上 可以低至0 8 v 。 目前，电源管理在技术层面的发展主要有以下几个方面： 1 小型化、轻量化和高频化。开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元 件和电容) 决定，因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。 硕十学位论文 在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺 寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能，在节约资源和保护环境等方 面都具有深远的意义。因此，小型化、轻量化和高频化是开关电源的主要发展方 向。 2 高效率和高可靠性。开关电源使用的元器件大大少于线性电源，因此提高 了可靠性。电容、光电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定了开关电源的寿 命，因此，从设计方面着眼，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度，简化电 路设计，提高平均无故障时间。另外，开关电源工作效率的提高，会使其自身发 热减少、散热容易，有利于实现高功率密度、高可靠性。 3 低噪声和良好的动态响应。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯追求高频 化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以 降低噪声。 4 低电压、大电流、高功率7 1 。随着微处理器工作电压的下降，对电源芯 片的输出电压亦从以前的5 v 降到了现在的1 8 v 甚至0 8 v 。与此同时，集成电路所 需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力，电源的输出指标，如纹波、 精度、效率、启动时间、启动过冲以及动态特性等，也需要进一步提高。它的研 究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题( 尤其是负载的大信号动态问题) 、 同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究。诸如布线、磁集成、新兴电 容、封装和高频大功率器件等技术。从目前至今后一段时间内，它都是电力电子 界的热点。 5 低功耗。虽然d c d c 变换器完成的是系统中大能量传输功能，但是用户或 系统生产厂商希望d c d c 变换器本身消耗系统的能量很少，理想情况是希望 d c d c 变换器根本不消耗能量。所以，从电路设计方面需要进行低功耗设计，减 小工作电路的直流电流损耗。 6 单片集成。随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳 压电源，具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。电源管理技术发 展的一个重要趋势是在更小的硅芯片上集成更多功能特性【8 】，同时以更高的设计灵 活性实现更强的系统用电性能，而不增加成本。随着s o c 技术的发展，高度集成必 将成为电源发展的一个重要趋势。 1 3 论文主要工作和结构 目前，d c d c 变换器根据控制环路工作模式的不同，可以分为电压控制模式 和电流控制模式，它们都采用输出电压反馈。但是，电压模式控制中仅有一个电 压反馈控制环，而电流模式中除存在电压反馈控制环外，还存在电流控制内环。 电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来了一个革命性的飞跃。首先， 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 电流模式控制使得系统的稳定性增强，稳定域扩大；其次，系统的动态性能得到 根本提升，加快了瞬态响应速度。这一点主要体现在对输入电压扰动和输出负载 变化的抵抗能力的提高；最后，电流模式具有快速限制电流的能力，可靠性高。 由于有了电流控制环，通过对电流信号的限幅，有效地降低开关器件、变压器和 电感等元件受到的电流冲击，增强了系统的可靠性。 电流模式控制还可以分为峰值电流模式控制、平均电流模式控制和电荷控制 等。本课题选择峰值电流模式控制的单片式d c d c 变换器作为研究目标，研究的 内容主要包括以下几个方面： 1 对d c d c 变换器的各种形式及其模型进行了分析，建立了相关的小信号模 型，分析了c c m 和d c m 的工作模式，完成了一款峰值电流模式d c d c 变换器 整体结构的设计。 2 基于峰值电流模式的系统模型，进行了系统稳定性分析。对控制器来说， 稳定性是一个重要的设计内容。由于电流控制模式有两个负反馈回路，根据负反 馈的原理，要使系统稳定，这两个环路都必须稳定。 3 针对实际需求，在模型的基础上，推导出了各个部件的性能指标，完成了 包括基准电压源、功率电路、电流采样电路、误差放大器、p w m 比较器、软启动 在内的关键电路的分析与设计；特别还针对电流采样问题，改进了电流采样电路， 取得了良好的设计效果；采用了片上软启动电路，在消除浪涌电流的同时提高了 系统集成度。 4 对设计完成的电路进行了模拟真实情况的模拟与仿真，证实了设计效果。 本文根据上述研究内容可分为以下几个部分： 第l 章绪论，主要介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，以及本课题的研 究内容和设计目标。 第2 章介绍降压型d c d c 的工作原理，包括电路拓扑结构、同整流技术、开 关管控制技术、反馈控制模式等。 第3 章为峰值电流模式d c d c 变换器的系统建模与总体设计，包括稳态分析、 峰值电流模式系统小信号建模以及总体的结构设计。 第4 章是电流型d c d c 变换器关键电路分析与设计，包括基准电压源、功率 回路、电流采样电路、误差放大器和p w m 比较器、软启动电路、振荡器等电路 模块的设计和仿真。 第5 章介绍整体电路仿真及分析，包含软启动过程仿真，不同负载下输出电 压仿真和系统瞬态性能仿真。 最后总结本课题的研究成果以及对下阶段研究工作的展望。 硕士学位论文 第2 章d c d c 变换器工作原理 开关电源利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管连续地导通、 关断，具有较大电压波动的输入直流电流断续的流经开关管，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稳定的直流电压并传送到负载，实现d c 到d c 变换【引。 开关电源系统由功率电路和控制电路组成。构成开关电源功率电路的元件， 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，使功率电路从输入 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，负载电压维持恒定。 2 1d c d c 变换器主电路工作原理 自开关电源出现以来，开关型d c d c 的拓扑结构虽然有了较大的发展，但仍 然以b u c k 型变换器( b u c kc o n v e r t e r 降压型) ，b o o s t 型变换器( b o o s tc o n v e r t e r 升 压型) 和b u c k b o o s t 型变换器( b u c k b 0 0 s tc o n v e r t e r 降压升压型) 0 1 0 j 三种基本结构 为基础。本节以降压型d c d c 为例介绍其拓扑结构和主电路工作原理。 如图2 1 所示，降压型d c d c 拓扑结构由以工作在占空比d 的晶体管t r ，二 极管d 1 ，电感l ，电容c 组成，完成直流输入电压v s 到输出电压v o 的转换，其 中v o v s 。 v s i上上 0 制 k习 z r 图2 1降压型d c ，d c 拓扑结构 + v o 一 当开关管导通时，如图2 2 所示，电流i s = i l 流过电感线圈l ，在电感线圈没 有饱和前，电感电流线性增加，在负载两端流过电流i o ，极性为上正下负。当i s i o 时，电容处于充电状态，二极管d 1 承受反向电压。 当开关关断时，如图2 3 所示，电感线圈l 为了维持其电流i l 不变的特性， 将改变其两端的电压极性，负载r 两端的电压仍然是上正下负。当i l i o 时，电容 峰值电流模式的d c ，d c 变换器研究与设计 v s 图2 2 开关导通时电路图 + v o 一 处于放电状态，有利于维持v o 不变。此时，二极管d 1 承受正向偏压而为电感电 流i l 提供通路，故称为续流二极管。同时若没有这个二极管，则电感负电压端可 能出现较大的负电压，对器件造成损坏，所以这个二极管又有钳位电压的作用。 在工作中输入电流i s 随开关的导通和关断是脉动的，而输出电流和输出电压在l ， c ，d 1 的作用下是连续平稳的，实现直流电压到直流电压的变换过程。 v s 一 l _ i l ii g 产 l 丰r1 7 弋 图2 3 开关关断时电路图 当开关处于在导通时，根据电感电流的特性可得： k 乩等 假定开关导通的时间为d t ，其中t 为开关脉冲周期， 导通的这段时间内，电感电流的变化量f i 为： i ，：! 蔓二受! 兰望! + v 0 _ ( 2 1 ) d 为占空比，则在开关 ( 2 2 ) 当开关关闭时可以得到电感电流的关系式为： 叱乩等 ( 2 3 ) f ，：二堡兰! ! 二型! l ( 2 4 ) 由于电感电流的连续性，在式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) 中的t 是相等的，联立式( 2 3 ) 和 式( 2 4 ) 并且化简可以得到： = d 略( 2 5 ) 硕+ 学位论文 由式( 2 5 ) 可以知道，降压型的d c d c 变换器中通过调节占空比就可以改变输 出电压，这成为降压型d c d c 的理论基础。 2 2 同步整流技术 过去的d c d c 降压变换器中都采用功率二极管来整流，一般来说，肖特基二 极管的正向压降约为0 4 v - 0 6 v 。特别在大电流时二极管消耗的功率在整个d c d c 变换器功耗所占比重很大，另外功率二极管很难集成到控制芯片中。例如在一个 1 2 v 输入电压，3 3 v 输出电压的降压芯片中，在二极管正偏压降为o 4 v 的情况下 所消耗的功率占整个芯片功耗的1 2 【1 1 1 。所以，随着各类电子产品的工作电压不 断降低，提供的负载电流增大，功率二极管整流己经不符合低功耗要求了。 同步整流是指采用n m o s 开关替代二极管完成整流的技术，见图2 4 。相对 功率二极管来说，同步整流管具有正向压降小，阻断电压高、反向电流小和可控 性高等优点，有效地提高了变换器的效率。随着i c 工艺的发展，现在已经能够把 功率管和同步整流管一起集成在控制器中，大大地减小了成本和芯片的外围电路， 这也是本文设计中所采用的技术。 虽然同步整流技术可以很大程度的提高变换器的工作效率，但是如图2 4 所 示，也存在两个缺点，即大穿透电流问题和电感电流反向问题。由于主功率管的 关断和同步整流管的打开是一个栅极电压充放电的过程，所以在主功率管关断和 同步管导通的切换过程中，这两个管子存在着同时导通的时间，当两个管子同时 导通时，就存在大穿透电流的问题，极大影响了变换器的工作效率。在主功率管 打开和同步整流管关断的切换过程中同样存在同时导通的问题。解决的办法是在 功率管和同步管的驱动信号之间加入一定的延迟，即死区时间。等一个管子完全 关断以后再打开另一个管子，从而避免大的穿透电流。 图2 4 同步整流降压变换器 当负载减小时，在同步管导通时间内，电感电流会出现反向现象，如图2 5 ( a ) 所示。电感电流反向对芯片正常工作不仅没有任何贡献，而且会造成同步管上的 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 导通损耗，延长下一个开关周期的充电时间，从而降低了工作效率。所以，在同 步整流技术中要加入电流反向比较器来防止电感电流反向。当电感电流反向时， 电流反向比较器输出控制信号关断同步管，从而阻止反向的发生，提高效率，见 图2 5 ( b ) ，图中虚线为电感电流出现反向的部分，当电感电流降到o 时，关断同步 管切断电感电流的通路，提高芯片工作效率。 ( a ) 2 3 开关管控制模式 t t 图2 5 电感反向电流图 为将开关电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出进行不断调整。开 关电源控制技术按变换器开关管控制模式可分为：脉频调制( p f m ) 和脉宽调制 ( p w m ) 引。两种调制方式都有其优缺点，可根据实际需要选择。 2 3 1p f m 模式 p f m 州模式是指通过调节控制开关管通断的脉冲频率，使其随负载的变化而变 化，最终达到输出电压恒定的目的一种控制模式。经典脉频调制是一种最简单的 控制技术，在该方式下固定时钟被定为5 0 占空比，通过电压反馈实现开关频率 的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出 上升到调整值：当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。 如图2 6 所示为经典p f m 模式的控制方式电路图，输出通过电阻分压反馈至 误差比较器输入端与基准电压v r e f 比较，当低于v r e f 时，c l k 将通过r s 触发器 直接控制开关管，当高于v r e f 时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的 方式，能量由v i n 传递到v o u t 。 经典p f m 模式的电感选择复杂，电压纹波很大，并且由于开关的开启和关闭 频率不断变化，给整个系统带来的噪声频谱随负载变化很大，使系统滤波困难。 硕十学 ) ：论文 p f m 模式的主要优点是当芯片工作于轻载状态时效率比较高。 图2 6 经典p f m 控制方式电路图 2 3 2p w m 模式 脉冲宽度调制( p w m ) 是指工作频率恒定( 即工作周期不变) ，通过改变功率开关 管导通时间或截止时间来改变占空比，通过占空比的调整来使输出电压稳定。 图2 7p w m 控制方式电路图 如图2 。7 所示p w m 控制方式电路图，输出电压通过电阻采样至误差放大器， 与基准电压v r e f 比较得到误差放大器输出信号，再由p w m 比较器将其与振荡器 ( o s c ) 产生的三角波v r 锄p 进行比较，最终产生占空比可变的方波。当输出电压采 样值低于v r e f ，则误差放大器输出减小，p w m 比较器产生占空比较大的方波，使 得开关开启时间增加，从而使输出电压增大，反之亦然。 p w m 调制的优点在于能够在较宽的负载范围内保持较高的转换效率、电压调 整的线性度较高、输出电压纹波小。此外，由于开关频率是固定的，因而使得噪 声频谱的带宽很窄。这样，简单的低通滤波器就可以大大降低输出电压的纹波， 因此，这种控制结构广泛应用于电信设备等对噪声干扰较为敏感的应用系统。本 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 文中的d c d c 变换器采用p w m 控制方式【1 3 1 。 2 4 反馈控制模式 为了使开关电源的输出电压自动稳定，不随运行条件( 如输入直流电压或负载 等) 或环境条件等变化而变化，必须采用某种控制技术，使功率开关管的触发脉冲 宽度( 占空比) 或频率能自动调节。开关电源按控制模式可以分为电压控制模式和电 流控制模式。 2 4 1 电压型控制模式 电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式【1 4 】。该方法与一些必要的 过电流保护电路结合，至今仍然在工业界很好地被广泛利用。电压模式控制原理 图如图2 7 所示，只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，通过采样电阻 r n 和r f 2 采样到输出电压，其与基准电压咱勺误差经误差放大器放大后，得到缓慢 变化的直流信号v e a 与恒定频率的三角波的斜坡信号v r a m p 比较，通过脉冲宽度 调制原理，得到随误差信号v e a 变化而变化的脉冲信号v s w i t c h ，这个脉冲就被 用来控制开关的开启和关闭时间，从而调节输出电压的大小。 电压模式控制的主要优点在于：单环控制，设计简单；占空比调节不受限制； 恒定频率的三角波具有较大的幅度，为调制系统提供良好噪声裕度，系统的稳定 度很高。主要的不足在于对输入电压变化的瞬态响应较慢。当输入电压突然变小 或负载阻抗突然变小时，由于功率电路有较大的电容和电感相移延时作用，输出 电压的变小也将延时滞后，输出电压变小的信息再经过误差放大器的补偿电路延 时，才能传至p w m 比较器将脉宽展宽，这两个延时滞后作用是瞬态响应慢的主 要原因。甚至在大信号变化时，会因此产生振荡而使得系统不稳定。 2 4 2 电流型控制模式 所谓电流控制模式【”j ，就是在p w m 比较器的输入端直接用感应到的电感电 流与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的 电感峰值电流跟随误差电压变化。这种控制方式可改善整个开关电源的电压调整 率和电流调整率，也可改善整个系统的瞬态响应。 如图2 8 所示，反馈电压信号v f b 与基准电压v r e f 间的差值经误差放大器放 大，得到的信号v 。送至p w m 比较器，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的 固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的并且其峰值代表输出电感电流峰 值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号进行比较，得到p w m 脉冲送至r s 触发器用来控制开关关断。因此电流模式控制不是用误差信号直接控制p w m 脉 冲宽度，而是通过与实时的峰值电感电流比较，间接控制p w m 脉冲宽度。每一 开关周期开始，由时钟信号触发开关管导通，当电流信号v s 等于误差信号v e 时， 引起触发器翻转而使得开关关断。 电流模式控制是一种固定时钟开启、利用电感电流值关断的控制方法i l 引。主 要有两种实现方式：平均电流控制和峰值电流控制。因为峰值电感电流容易传感， 其设计难度小于平均电流控制，而在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致，所 以在实际的设计中广泛采用峰值电流控制方式。 l 图2 8p w m 峰值电流模式电路图 峰值电流控制模式实际上是双环控制系统，内环为从电感上检测到的电流反 馈环，外环为采样输出电压送至误差放大器反馈环。通过电流内环检测输入电压 变化，对输出电压进行调节，无需等输出电压变化后，通过电压环路来调节输出 电压，得到了比单环控制更好的瞬态响应性能。所以峰值电流模式相对电压控制 模式有以下几个优点【l6 】： 1 系统的稳定性增强，稳定域扩大。双环控制系统的电压外环控制电流内环。 电流内环是快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电 压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态 变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制l c 储能电路。因此，峰值电流 控制模式p w m 比起电压模式控制有大得多的稳定频带范围。 2 系统动态特性改善。这一点主要体现在对输入电压扰动的抵抗能力的提高。 电源的输入电压中，通常包含交流输入电压整流后的纹波，采用单独的电压环控 制时，由于电压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除干净，致使输出电压中包 含输入电压的低频纹波成分。而采用电流模式控制后，输出电压中由输入电压引 入的低频纹波被完全消除。 峰值电流模式的d c d c 变换器研究与设计 3 具有快速限制电流的能力。由于有了电流控制环，通过对电流给定信号的 限幅，可以很容易地限制电路中的电流，从而有效的降低开关器件和变压器、电 感等元件受到的电流冲击，这对很容易因过电流而损坏的高频电力电子器件十分 有益。 峰值电流模式控制方式最主要的应用障碍是容易振荡及抗噪声性差，引起振 荡的来源包括器件开启时引起的电流尖刺、噪声干扰、斜率补偿瞬态幅值不足等。 但是只要设计合理，斜坡补偿量足够，同时采用最小导通时间来避免器件开启时 的反向恢复引起的电流尖刺等噪声源，并在版图设计时注意器件的布局，完全可 以消除掉这些缺点。 2 5 小结 本章主要阐述了d c d c 变换器的工作原理，结合实际的应用针对降压型的拓 扑结构分析其工作模式以及相关的同步整流技术，分析了变换器的各种开关管控 制模式和反馈模式的优缺点，为后面章节进行整体结构的设计打下了坚实的理论 基础。 硕+ 学位论文 第3 章峰值电流模式d c d c 变换器的系统建模与总体 设计 峰值电流控制的概念源于2 0 世纪6 0 年代后期的具有原边电流保护功能的单 端自激式反激开关电源。1 9 7 8 年c wd e i s c h 等首先提出了峰值电流控制，目前已 经成为最常用的一种电流型控制技术【1 7 】。本章首先在稳态条件下对功率回路进行 分析，然后对峰值电流模式p w m 开关系统的功率电路和控制电路建立简单的数 学模型，分析系统闭环不稳定的根本原因，并给出了消除闭环不稳定的补偿方案， 最后给出系统设计方案。 3 1 稳态分析 开关变换器根据电感电流i l 在一个开关周期起始时是否从零开始，可以分为 连续导通