（电路与系统专业论文）基于PVTL变化的集成电流模DCDC变换器稳定性研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 集成d c d c 变换器的高效率、低成本、小体积使得其应用前景非常广阔，但 工艺( p ) 、电压( v ) 、温度( d 、负载( l ) 的变化都严重影响性能的进一步提高，且影 响机理复杂多样，本文着力于研究p v t l 变化情况下d c d c 性能指标和环路保持 稳定的理论和方法，研究成果包括： 1 提出改进的电流采样电路，使得采样比例仅依赖于同类型器件的尺寸比例， 而与器件具体参数无关，基本消除了工艺、温度、电压的影响，使采样稳定性大 幅提高。 2 分析揭示了斜坡补偿、电流采样和输入输出电压之间的内在联系，提出一种 自适应斜坡补偿方法，保证了电流环路稳定，可集成于任何同步整流变换器中。 3 针对斜坡补偿影响芯片大占空比带载能力的问题，提出新的电感电流限流方 案，减小了斜坡补偿对电感电流最大值的影响，保证了不同占空比时带载能力的 稳定。 4 提出两种曲率校正方法保证温度变化时基准电压的稳定：一是“分段线性” 曲率校正，将整个温度区间分为若干个子区问，采用不同的线性函数分别补偿达 到最优。补偿余差因温度区间缩小而随之减小。二是“二次曲线”曲率校正，利 用m o s 管饱和电流与“过驱动电压”的平方关系，产生相对于温度差的二次补偿 量进行高阶补偿，获得更小的温度系数。 5 提出简便的环路稳定性验证方法，将稳定性问题分解为两部分分别处理：对 于电流回路，固定电流调制器控制量，利用瞬态扫描改变输入输出电压进行验证； 对于电压回路，将电流调制器等效为压控电流源进行线性化，可以得到波特图进 行验证。 6 针对降压型d c d c 抗振铃设计存在的困难提出新方法，在芯片内部设计“时 变电阻网络”将电感的一端与电源( 或地) 进行连接。电阻由小逐渐变大，振铃结束 后完全断开，达到抗振铃的目的，保证了e m i 频谱的稳定。 7 可测性是稳定性分析的前提，采用引脚复用技术和时序逻辑，在芯片内部增 加很少的测试电路，实现了在芯片外引脚上对众多内部参数的测量。 8 提出复合差分电压比较器设计方法，利用关系运算和逻辑运算的特殊性，通 过差分对管本身实现电流路径切换，多个比较器仅利用一路尾电流依次偏置工作， 冗余的比较器被切断，功耗大幅降低。 关键词：d c d c 变换器稳定性斜坡补偿曲率校正抗振铃内建可测性 a b s t r a c t d u et ot h ep r e d o m i n a n c eo fl l i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n ds m a l ls i z e t h ei n t e g r a t e d d c d cc o n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e d b u tt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fi t sp e r f o r m a n c ei s s e r i o u s l y r e s t r i c t e d b y t h ev a r i a t i o n so f p r o c e s s ，v o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n d l o a d i n g ( p v l l 】t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ut h es t a b i l i t yt h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h e c o n v e r t e r p e r f o r m a n c ea n dc o n t r o ll o o pa tt h ec o n d i t i o no f p v t l v a r i a t i o n 1 1 l ec o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w 1 i m p r o v e dc u r r e n t s e n s i n gc i r c u i t b yu s i n gt h ei m p r o v e dc i r c u i tt o s e n s et h ei n d u c t o rc u r r e n t ，t h es e n s er a t i oo n l y d e p e n d so nt h es i z er a t i oo fs a m et y p ed e v i c e s ，a n di si n d e p e n d e n to ft h ed e v i c e s p a r a m e t e r s s ot h ei n f l u e n c e so ft h ep r o c e s s ，t e m p e r a t u r ea n dv o l t a g ea t en e a r l y e l i m i n a t e d t h es t a b i l i t yo f c u r r e n t - s e n s i n gi ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d 2 a d a p t i v es l o p ec o m p e n s a t i o n t h ei n h e r e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l o p ec o m p e n s a t i o n ，c u r r e n t s e n s i n g , s u p p l y v o l t a g ea n do u t p u tv o l t a g ei sd i s c o v e r e d t h e na na d a p t i v es l o p ec o m p e n s a t i o n t h e o r yi sp r e s e n t e dt og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fc u r r e n tl o o p i tc a nb ea p p l i e di na n y i n t e g r a t e ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n gr e g u l a t o r s 3 r e d u c i n gt h es l o p ec o m p e n s a t i o ne f f e c t t h es l o p ec o m p e n s a t i o nc a nw e a k e nt h el o a d i n ga b i l i t ya th i g hd u t yc y c l e i no r d e r t oc a n c e lt h es l o p ec o m p e n s a t i o ne f f e c to np e a kc u r r e n ta n dt og e tas t a b l el o a d c a p a c i t ya td i f f e r e n td u t yc y c l e s ，an o v e lm e t h o dt ol i m i tt h ei n d u c t o rc u r r e n ti s i n t r o d u c e ds k i l l f u l l y 4 c u r v a t u r ec o r r e c t e db a n d g a pr e f e r e n c e t w ok i n d so fc u r v a t u r ec o r r e c t e dm e t h o d sa r ep r e s e n t e dt oi m p r o v et h et e m p e r a t u r e s t a b i l i t yo f t h eb a n d g a pr e f e r e n c e o n ei st h ep i e c e w i s el i n e a rc o m p e n s a t i o nm e t h o d t h ew h o l eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r er a n g ei sd i v i d e di n t os o m es u b r a n g e s i ne a c h s u b r a n g et h er e f e r e n c ec a nb ec o m p e n s a t e db yd i f f e r e n tl i n e a rf u n c t i o n st og e t o p t i m u mr e s u l t s t h en a r r o w e rt h es u b r a n g ei s ，t h el e s st h ec o m p e n s a t i o ne r r o ri s t h eo t h e ri st h es e c o n dd e g r e ec u r v ec o m p e n s a t i o nm e t h o d u s i n gt h es q u a r e r e l a t i o no ft h em o s f e ts a t u r a t e dc u r r e n tt ot h eo v e r d r i v ev o l t a g e ，as e c o n dd e g r e e c o m p e n s a t i o nt e r mi sp r o d u c e dt oc o r r e c tt h ec l n v eo ft h ec o n v e n t i o n a lc m o s b a n d g a pr e f e r e n c e s oas m a l l e rt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti sa c h i e v e d 。 5 s i m p l em e t h o do fl o o ps t a b i l i t yv e r i f i c a t i o n t h el o o p s t a b i l i t ya n a l y s i sc a nb ed i v i d e di n t oc u r r e n tl o o pa n dv o l t a g el o o p 2 基于p v 儿变化的集成电流模d c - d c 变换器稳定性研究 i n d i v i d u a l l y s e t t i n gt h ei n p u to fc u r r e n tm o d u l a t o rc o n s t a n t ，t h es t a b i l i t yo fc u r r e n t l o o pc a bb ev e r i f i e db yc h a n g i n gt h es u p p l ya n do u t p u tv o l t a g e si nt h et r a n s i e n t s w e e p f o rv o l t a g el o o p ，t h ec u r r e n tm o d u l a t o ri se q u i v a l e n tt oav o l t a g ec o n t r o l l e d c u r r e n ts o u r c e t h r o u g hl i n e a r i z a t i o n ，t h eb o d ep l o tc a nb eo b t a i n e dt ov e r i f yt h e v o l t a g el o o ps t a b i l i t y 6 n o v e la n t i r i n g i n gc i r c u i t aa e wm e t h o di sd e s i g n e dt os o l v et h er i n g i n gp r o b l e mi nd c - d cb u c kc o n v e r t e r s a ni n t e r n a lt i m e - v a r y i n gr e s i s t o rn e t w o r ki sc o n n e c t e db e t w e e no n et e r m i n a lo ft h e i n d u c t o ra n dt h ep o w e rs u p p l yo rt h eg r o u n d t h er e s i s t a n c ei n c r e a s e sg r a d u a l l y , a n dw h e nt h er m gd i s a p p e a r s ，t h en e t w o r ki so p e n e d u s i n gt h ei l l u s t r a t e dc i r c u i t ， a n t i r i n g i n gi sr e a l i z e da n ds t a b l ee m is p e c t r u mi sa c h i e v e d 7 b u i l d - i nt e s t a b i l i t yd e s i g n t e s t a b i l i t yi st h ep r e c o n d i t i o no fs t a b i l i t ya n a l y s i s w i t hc m p ( c e r t i f yp i nm u l t i p l e ) t e c h n o l o g y , an o v e lb u i l d i nt e s tc i r c u i ti sp r o p o s e do n l ya tt h ec o s to fv e r ys m a l l a r e a m o s to f t h ei n t e r n a lp a r a m e t e r sc a nb em e a s u r e dt h r o u g ht h ep a c k a g ep i n s 8 m u l t i p l e xd i f f e r e n t i a lv o l t a g ec o m p a t a t o r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lp r o p e r t i e so fr e l a t i o n a lo p e r a t i o na n dl o g i c a lo p e r a t i o n ， m u l t i p l e xd i f f e r e n t i a lv o l t a g ee o m p a r a t o ri si n t r o d u c e d t h ec o r r e n tr o u t e s a r e s e l e c t e da n ds w i t c h e db yd i f f e r e n t i a lp a i rt r a n s i s t o r st h e m s e l v e s s e v e r a le f f e c t i v e d i f f e r e n t i a lp a i r sa r eb i a s e db yas i n g l et a i lc u r r e n ts t a g e ，b y - s t a g ea n dt h er e d u n d a n t c o m p a t a t o r sa t et u r n e do f fb yc u t t i n gd o w nt h e i rt a i lc u r r e n t s t h u st h ep o w e r d i s s i p a t i o ni sg r e a t l yd e c r e a s e d k e yw o r d s ：d c - d cc o n v e r t e r , s t a b i l i t y , s l o p ec o m p e n s a t i o n ，c u r v a t u r ec o r r e c t e d ， a n t i - r i n g i n g , b u i l d - i nt e s t a b i l i l y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：一立垒邈一日期：一聊土监 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容；可以允许采用影印，缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：一土纽一日期：一- - 州- 2 二! 二丛一一 导师签名： 日期：破l i 务l 蔓 第一章绪论 第一章绪论 1 1电源管理与集成d c d c 自然界的运动可以看作是能量相互转换和传递的过程，人类社会的发展与能源 的利用息息相关，而电能无疑是人类发现和利用最成功的能源，是近代巨大工业 成就的重要支柱，也是当今信息产业的基础。正因为如此，电能的需求急剧增长， 保证安全、可靠、合理、高效地进行电能的转换、传输和分配( 也就是电源管理) 具有重大的现实意义。对于现代工业的发展，可以这样说，能源是“食稂”，电源 是“佳肴”，电源管理是“烹饪师”。随着电子电气工业的深入发展，对电源需求 的“口味”日益“繁杂”和“刁钻”，大到电动汽车、数控机床，小到变频家电、 移动电话等，对电源的要求千差万别。而可用的电源也种类繁多，特性各异，比 如地面固定电器多用5 0 h z 的交流市电，而太空航天设备则用太阳能电池提供的电 能，便携电子则多用包括干电池、镍氢电池、锂电池在内的各种化学电池供电。 简单的说：电源管理的任务就是将可以获取的电能转换成适应电子设备需要的电 能形式，并进行合理有效的保护、控制和分配。 d c d c 变换器是一种应用臼益广泛、极其重要的电源管理方式，实现直流电源 之间电压的转换，可以实现电压的降低、升高和极性翻转，最突出的优点是转换 效率很高，是各种电源管理方案中最高的。理论上，在任何转换比( 输出与输入的 电压比) 情况下，其转换效率都可以逼近1 0 0 i ，实际中，效率达到9 6 以上的 d c d c 变换器在市场已经不罕见 2 “3 1 。 作为本论文研究重点的集成d c - d c 变换器是采用集成电路0 c ) 实现的d c d c ， 它除了具有高效率的特点外，而且电路尺寸小、重量轻、工作可靠，成本低廉， 因此越来越受到重视，并被广泛的应用于各种电子产品中。 d c d c 变换器是一种具有一个或多个反馈回路的控制系统，同时包含模拟电路 和数字电路，内部包含功率器件，主回路工作在高度非线性的开关状态，信号串 扰严重，工作电压、温度和负载变化范围很大，这些都对d c d c 的稳定工作构成 严重影响，对d c - d c 的设计提出严峻挑战。尤其是集成d c - d c ，由于电路元器 件集成后难以单独调整，所以必须保证在电路参数固定的情况下，满足各种应用 需要，并且芯片合格率应足够高，以降低成本，这些使得设计难度进一步提高。 本论文的目的就是研究集成d c d c 在实现工艺( p r o c e s s ) 、输入输出电压 ( v o l t a g e ) 、芯片温度( t e m p e m t u r e ) 和负载( l o a d i n g ) 变化情况下 4 1 ( 简称p r l ) ，影响 芯片工作状态和性能指标稳定的机理，探寻保证稳定性的理论和方法。 基于p 、1 几变化的集成电流模d c - d c 变换器稳定性研究 由于d c d c 变换器涉及到自控理论、脉冲调制、数模混合、非线性，开关电 容( s c ) 、电流模方法、电磁干扰( e m l ) 、地弹( g m 咖db o u n c e ) 1 5 1 、低功耗、功率器 件和集成实现等诸多领域，因此其研究成果对许多其它领域也具有借鉴作用。 1 2d c d c 研究内容 1 2 id c d c 的工作模式 d c - d c 的研究包含两个方面，一是系统级工作模式、环路控制相关问题的研究， 二是内部构建模块相关问题的研究，这一节中先介绍d c d c 系统的工作模式和相 关概念，方便以后讨论。 1 ) 升压( b o o s t ) 、降压( b u c k ) 与反激( f l y b a c k ) v i c y o c o t t t t ( a ) 升压型( b ) 降压型( c ) 反激型( d ) 信号时序关系 图i i 三种类型的d c - d c d c d c 可以实现输入电压到输出电压的升高、降低和极性翻转( 可升可降) 功能， 分别称为升压( b o o s t ) 型、降压( b u c k ) 型和反激( f l y b a c k ) 型，图1 1 ( a ) ( c ) 所示为三 种结构的输出级原理图，实际d c d c 还包括由输出反馈到开关控制的内部控制电 路，图中没有给出。虽然三种类型结构不同，但信号时序关系是相同的，如图1 1 ( d ) 所示。图中k 为主开关，在每个周期开始时接通，电感电流通过主开关k 而上升， 输入端k 的电能转换为磁能储存在电感磁场中，到达一定占空比时k 关断，电感 第一章绪论 电流通过二极管d 进行续流而逐渐f 降，磁能转换为电能释放到输出端，完成 一个周期的转换。正是有了电能和磁能之间的相互转换，通过控制磁能释放的路 径和时间，才实现了电压高低和极性的变换。 下面根据“伏秒平衡原理”f 6 l ，给出在连续导通模式( c c m ：后面有论述) 时输 入输出电压与占空比的关系，占空比用d 表示。 对于升压型d c d c ， 譬。一半，l 、7 一尚( 1 - 1 ) 对于降压型d c d c ， 半。一譬，、 7 一v , d( 1 2 ) 对于反激型d c d c ， 譬鲁，ll 、 7 vo=-巧id万(1-3) 在上述各种模式的d c d c 种，电感磁能都经过一个续流二极管d ( 注意区别占 空比d ) 进行释放，电路实现时，往往为了提高效率，二极管d 也用一个受控开关 来替代，称为“同步整流”，其控制逻辑更复杂一尝。 2 )电压模( v m ) 与电流模( c m ) p j 根据控制信号的不同，d c d c 分为电压模和电流模两种工作模式。电压模是指 反馈回路根据输出电压偏离设定值的大小，产生控制量( 通常为误差放大器的输出) 直接调整占空比，从而依据关系式( 1 1 ) 一1 3 ) 来达到调整输出电压的目的。电压模 控制中不必对电感电流进行实时检测，但电感三和输出电容对于控制回路都会带 来低频极点，使电压控制回路的频率补偿比较复杂，并且由于电源电压直接影响 电感电流的上升斜率，即使在控制量( 占空比) 固定情况下，输出电压和输出电流也 会随输入电压而变化，因此电源电压抑制特性比较差。 电流模是指反馈回路根据输出电压偏离设定值的大小，产生控制量( 通常为误差 放大器的输出) 对电感电流进行控制调节，从而间接地调整输出电压的工作模式， 这种模式必须对电感电流进行检测。电流模又分为峰值电流模和均值电流模【踟，分 别对电感电流的峰值和平均值进行控制。由于在电感电流与控制量之间存在相对 基于p v r l 变化的集成电流模d c - d c 变换器稳定性研究 固定的关系，所以从控制量到输出电流之间的传输关系可以等效为一个跨导固定 的压控电流源，并且输出级的电感不再对主控制回路产生影响，输出级仅有输出 电容产生一个极点，这大大简化回路的频率补偿。电流模的第二个优点是电源电 压抑制特性很好，这是由于输出电流被控制量直接控制，不再受电源的明显影响。 第三个优点是由于采样到了电感电流，可以方便的实现过流和短路保护。因此电 流模相对电压模具有更为突出的优点，得到更加广泛的重视。 3 ) 脉频调制( p f m ) 与脉宽调f l * j ( p w m ) d c - d c 进行输出电压调节时，可以采取两种脉冲调制方式，分别为脉冲频率调 制( p f m ) 和脉冲宽度调带t j ( p w m ) 。p f m 时主开关每个周期中导通( 或关断) 固定一段 时间，通过调节主开关关断( 或导通) 的时间长度来调节占空比，从而稳定输出电压， 降压型p f m 变换器的开关频率由式( 1 - 4 ) 给出 l = 鲁去( 1 - 4 ) 式中固定导通的时间。可以看到，开关频率随输入输出电压而变化，其它 类型的开关频率同样与输入输出电压有关，所以p f m 变换器的开关噪声频谱不固 定，对周围电路的影响较难消除。 p w m 时的开关频率是固定的，输出电压的变化是通过改变脉冲的宽度，从而 改变占空比来实现的。由于开关噪声的频谱固定，应用于系统中时变换器带来的 干扰噪声易于虑除，有时还会采用变换器与整个系统“同步”的方式进行工作， 这对于p f m 是无法实现的。因此p w m 的d c - d c 变换器更受欢迎。 4 )连续导通模式( c c m ) 与不连续导通模式( d c m ) 【9 1 0 】 i l t ( a ) c c m( b ) d c m 图1 2d c - d c 电感电流导通模式 t d c d c 在进行电压转换时，储能电感的电流可以有两种工作模式，一种是电感 电流在任意短的时间段内都不始终为零，称为连续导通模式( c c m ) ，如图1 2 ( a ) 所 示。另一种是电感电流在一个周期的部分时间内持续为零，称为不连续导通模式 第一章绪论 ( d c m ) ，如图1 2 ( b ) 所示。在相同输出电流的情况下，c c m 比d c m 的电感电流峰 峰值小，输出纹波小，对电感的饱和电流要求低。电感峰值电流相同时，则c c m 比d c m 的带载能力强。因此c c m 应用更普遍一些。但对于峰值电流模d c - d c ， 在一个峰值( 比如上峰值) 固定的情况下，d c m 电流波形和输出纹波规整，但c c m 却可能出现另一个方向的峰值( 比如下峰值) 参差不齐，输出纹波大小不一的现象， 即亚谐波振荡现象，这在后面第三章中有详细论述。 上面介绍了d c d c 工作模式根据四种不同依据的分类，一个具体的d c - d c 电 路是以上各种模式的一个组合，总共有( 3 2 x 2 x 2 - - - - 2 4 ) 种。实际应用中，升压、 降压和反激型都会用到，而电流模、p w m 和c c m 则显然比电压模、p f m 和d c m 更受欢迎，本文中将以应用最广泛、最受重视的“降压型一电流模p w m c c m ” | 1 1 , 1 2 】的d c - d c 作为研究重点，以下如无特别说明，均指这种型式的d c d c 。 1 2 2d c d c 的功能单元 图1 3d c d c 功能模块框图 v ios w o 占f b o e ng n d 图1 4d c d c 应用电路 6 基于p v r l 变化的集成电流模d c d c 变换器稳定性研究 图1 3 为集成降压一电流模一脉宽调制的d c d c 框图，图1 4 为典型的应用电 路，各种类型的d c - d c 尽管结构不同，但大都由以下功能模块构成。 1 ) 电压基准( v r e f ) 电压基准为其它单元提供参考电压，常用的是带隙( b a n d g a p ) 基准，它不仅应用 于d c d c 中，还广泛地应用于模数和数模变换器r ( a d c d a c ) 、低漏失线性稳压器 ( l d o ) 、电荷泵( c h a r g ep u m p ) 、充电管理器( c h a r g em a n a g e r ) 矛1 各种智能传感器等 集成电路中。电压基准是信号大小的“量尺”，其精度直接影响着系统的很多重要 性能，比如输出电压精度、振荡频率精度、温度特性等。关于带隙基准的研究非 常活跃，包括低噪声【1 3 堋、低失调1 1 “1 9 1 、低电压1 2 0 3 1 】和高阶补偿1 3 2 删等。 2 ) 误差放大器( e a ) 误差放大器为差分输入的运算放大器，它将反馈电压与基准电压的差值进行放 大，是电压控制回路的重要组成部分。误差放大器的增益和频率特性对输出电压 的精度和稳定性有重要影响，是频率补偿的主要环节。 3 ) 振荡器( o s c ) 振荡器产生时钟信号，是开关模式工作和时序电路所必须的，系统在时钟控制 下“按步就班”地进行开关切换和时序控制，一个周期一个周期地完成工作。 4 ) 斜坡补偿器( s l o p e ) 斜坡补偿电路1 3 9 枷1 在每个周期中产生斜坡信号叠加到采样信号，是电流模工作 中避免亚谐波振荡的功能模块，后面章节有详细论述。 5 ) 电流采样器( v 2 c ) 电流采样器的功能是对电感电流进行采样，通常在主开关导通时根据其导通压 降进行“电压电流转换”，反映电感电流，采样的稳定度和精度不但会影响到电感 电流的波形是否平整，还会影响电路的过流保护功能，电流采样失效可能导致芯 片主开关烧毁。图1 3 中凰和m r s 为采样电阻和采样管。 6 ) 电流比较器( i c m p i r c ) 电感采样电流与斜坡补偿电流在r x 叠加后，同误差放大器输出的电流调节信 号在i c m p 中进行比较，当电流达到设定值时关断主开关，完成对输出电流的调 节。 零电流比较器i r c 是在同步整流开关( 图1 3 中m s ) 导通时，监测电感电流是否 回到零，及时关断同步开关，防止从s w 到g n d 的电流反灌。 7 ) 控制逻辑( l o g i c ) 控制逻辑根据振荡器、电流比较器和其它保护电路的输出信号对开关器件进行 开关控制，对有些模块进行使能控制。 8 ) 功率开关 功率开关是指图1 3 中的m y 和m n ，其中m e 为主开关，是指图1 - 1 中的开关匠 第一章绪论 导通时电感电流上升。 知为同步整流开关，代替图1 1 中的整流二极管d ，在电 感电流下降阶段导通。采用开关器件代替二极管可以减小续流阶段的功耗，提高 效率。对于功率开关来说，最主要的特性是导通电阻和栅电容，这是影响d c d c 效率最主要的因素，我们总是希望导通电阻和栅电容尽量小，但二者之间本来存 在矛盾，可以根据文献1 4 2 l 的方法进行优化。 9 ) 保护与辅助电路 为了可靠地工作，d c d c 还包含一些保护电路，比如输出过压保护、芯片过温 保护、输入欠压闭锁等。同时为了改善芯片性能，还可以包含抗振铃电路、软启 动电路等。由于d c - d c 中信号较多丽外引脚( p i n ) 往往较少，有时为了测试精确和 方便，还会专门添加测试电路( 第6 章中有详细讨论) 。 1 2 3d c d c 的研究重点 由于d c d c 在电源管理中突出的效率优势，近些年有关d c d c 的研究非常活 跃，在i e e et r a n s a c n o n so np o w e re l e c t r o n i c s i e e ej o u r n a lo f s o l i d s t a t ec i r c u i t s ，i e e et r a n s a c n o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m s 中有大量有关d c d c 系统理论和相关单元电路的研究论文发表。而在美国专利网 ( w w w u s p t o g o v ) 上，可以搜到近3 0 年来关于d c d c 的专利有3 6 0 多项，而一半 为近五年申请的新专利。参与d c - d c 产品开发的公司有著名的德州仪器公司f f l ) 、 美国国家半导体公司( n s ) 、美信公司( m a x i m ) 、凌特公( l i n e a r t e c h ) 等，它们都 由大量的产品供应。包括美国伯克利大学在内的许多大学都参与d c - d c 的研究， 值得一提的是香港理工大学，有多篇高水平的d c d c 博士论文发表【4 3 椰1 。我国现 在也有不少高校开展了d c - d c 的研究，纵观近年来国内外集成d c d c 的研究概 况，重点主要在以下两方面： 1 ) 稳定性研究 稳定性研究h 6 - 4 7 1 是近些年d c d c 研究的重点，国外最新的关于d c d c 的博士 论文很多是关于稳定性的研究。d c d c 稳定性既涉及到控制环路的稳定性，又涉 及到各个单元模块的稳定性，还涉及到各种工作状态下过渡时稳定性。对于d c d c 系统级稳定性的研究 4 s l ，r i d l y 发表了多篇基于“时间空间平均法”建模的文章 1 4 0 5 6 1 ，h u g h 和a l e x a n d e r 采用模糊理论研究d c d c 5 7 1 1 5 8 l ；丽w i l l i a m 则将混沌理 论也应用于d c d c 研究1 4 3 l ；还有通过鲁棒性等方法【5 9 1 1 6 0 1 进行的许多研究。 而对于d c - d c 单元电路的稳定性研究更是非常多，仅基准电路就有使输出“干 净平稳”的低噪声研究1 1 3 15 1 ，针对温度变化时输出稳定的曲率校j 下研究，以及低 电压下实现稳定基准的研究等i 。d c d c 稳定性是本文的研究重点，后面章节 将详细讨论。 8 基于p 、1 凡变化的集成电流模d c - d c 变换器稳定性研究 高效率大功率研究f 6 嘲f 高效率是d c d c 作为电源管理的最大优势，是d c - d c 一贯专注的焦点，也是 实现大功率的条件。为了尽可能地提高效率，提出了许多方法，比如零电压切换 ( z v s ) l 吲、低摆幅电平、动态输出电压、动态开关尺寸，以及关于开关频率优化、 多模式切换等h 2 1 。 1 3 d c d c 稳定性研究 1 , 3 1 稳定性涵义 在包括自然科学和社会科学的众多学科中，稳定性研究都是一个非常重要的课 题。在不同的领域，稳定性常常被赋予不同的涵义，但归纳起来可以说：稳定性 是指系统在扰动条件下运行状态的抗偏性与回归性。抗偏性包括恒定性 ( c o n s t a n c y ) 、持久性( p e r s i s t e n c e ) 、惯性( i n t e r t i a ) 、抗性( r e s i s t a n c e ) 等，回归性主要指 弹性( r e s i l i e n c e ) 。系统的抗偏性愈好，被干扰时状态的变动就愈小；而回归性愈好， 被干扰后恢复到正常状态的能力就愈强。我们研究各种系统，目的是找到系统的 运行机制，并据此对系统的运行过程进行干预，使得系统的运行符合我们的意志。 而稳定性则是系统可被有效控制的前提，有时我们的目的是设法维持系统的稳定 运行，让其为我们服务，而另一种情况下，我们的目的是有意打破有害系统的稳 定性，使其崩溃。这些都需要掌握系统稳定性的原理与机制。 根据稳定性的两层涵义，对电路系统稳定性的研究也分为相应的两大类，分别 如下： 第一类是抗偏稳定性研究，主要是指在电路结构、电路参数或环境变化时，电 路特性保持不变的能力。比如电源电压抑制比、温度系数、鲁棒性都属于抗偏稳 定性的范畴。其中电源电压抑制比是指电源变化时电路特性保持不变的能力；温 度系数是指温度变化时电路特性保持不变的能力：而鲁棒性则是指器件参数摄动 时电路特性保持不变的能力。实际上，电路的增益、电压值、电流值、纹波大小、 噪声大小和信号频谱等我们感兴趣的任何电路特性都可以作为稳定目标，而其它 任何物理量的变化都可能成为影响因素，因此抗偏稳定性的研究范围很宽，问题 复杂多样，研究方法也不一而就。本论文的大量篇幅也都属于抗偏稳定性的研究， 后面章节针对具体问题做详细论述。 第二类是回归稳定性研究，是指系统受干扰偏离后回归原始状态( 或有限态) 的 能力。这方面的研究已经取得了比较系统、成熟的理论，主要包括基于输入输出 描述的外部稳定性理论和基于状态空间描述的内部稳定性理论l 。 1 ) 外部稳定性是指有界输入一有界输出稳定性，简称b i b o 稳定性，定义为： 称一个因果系统为外部稳定，如果对任意一个满足条件 第一章绪论 9 忙o 川s 晟0 0 ， v t e t o ，)( 1 - 5 ) 的输入口( f ) ，对应的输出_ y ( f ) 均为有界，即有 i l y ( t ) l is 岛 m ， v t e t 。，)( 1 - 6 ) b i b o 稳定充要条件： 一 时域论述：连续时间系统稳定的充要条件是冲击响应绝对可积。 复频域论述：对于可控可测的线性连续时问因果系统，稳定的充要条件是系统 函数的极点都在s 域左半开平面。 注解：冲击响应绝对可积保证了在任何输入( 可以看作是干扰) 持续一段时间后 如果回到零，则系统会逐渐收敛到初始状态( 典型情况下为零状态) ，因此属于回归 稳定性范畴。 b i b o 稳定的判断方法除了定义和以上充要条件外，还引申出其它一些判定稳 定的方法。罗斯一霍尔维兹( r o u t h - - h u r w i t z ) 判据是在已知系统函数h ( s ) 分母多项式 的情况下，不需要解出极点具体值而判断极点是否均处于s 左半开平面的方法。 奈奎斯特m y q u i s t ) 准则适用于反馈闭环系统的稳定性判断，不需要知道传输函数的 具体表达式，而利用开环的频率响应特性判断稳定性，便于测量。其实质是利用 变化的频率信号作为激励，通过开环响应判断闭环传输函数的极点是否都在s 域 的左半开平面。波特图( b o d ep l o t s ) 方法是奈奎斯特准则的延伸，同样根据反馈系 统的开环频率响应判断闭环的稳定性。电路的波特图可以方便地通过常用的e d a 软件得到，判别方法简单明了，是电路设计人员最常用的判稳方法，稳定的程度 用相位裕量和增益裕量来衡量。缺点是对于复杂的频率响应，判别比较困难，这 种情况下应该根据波特图绘出奈奎斯特曲线进行稳定性判断。 2 ) 内部稳定性的定义为： 称连续时间线性时变系统在时刻“为内部稳定，如果由时刻f 。任意非零初始状 态工o 。) = 引起的零状态响应工。( f ) 对所有t - t 。，* ) 为有界，并满足渐进属性即成 立： l i m x 。( f ) 一0 一( 1 7 ) 一 线性时不变系统内部稳定也可以采用罗斯一霍尔维兹准则的矩阵形式进行判断。 内部稳定则必然外部稳定，反之不然，只有在完全能控且完全能观测时，外部稳 定才和内部稳定等价。 谈到稳定性，不得不提到李雅普诺夫稳定性理论，它同时适用于线性系统和非 线性系统，时变系统和时不变系统，连续时间系统和离散时间系统，是现代控制 理论研究回归稳定性的主要方法。李雅普诺夫的稳定性方法分为间接法和直接法， 间接法类似于经典控制论中的稳定性方法，直接法根据系统结构判断内部稳定， 引入广义能量函数对稳定性进行分析，具有直观严谨、物理含义清晰的特点。这 1 0 基于p v r l 变化的集成电流模d c - d c 变换器稳定性研究 里仅给出李雅普诺夫稳定性的定义，其它相关理论可以参考文献【删。 李雅普诺夫意义下的稳定性定义f 6 7 1 ： 对于描述系统的状态方程组 i d x 。，( f ；z ) 0 - 8 ) i 。j v 如果对任意给定的，0 ，存在6 ，0 ( 6 一般与和气有关) ，使当任一满足 l ix 。i l s 6 时，方程组( 1 - 8 ) 由初始条件工( f o ) t 掌。确定的解工( f ) 均有 0 x ( t ) l l m c c ( 3 。4 ) 其中： 1 1 1 。一去伽，州，) ( 3 - 5 ) 二 称打k 为临界斜坡斜率，即：当补偿斜坡的斜率大于由公式( 3 - 5 ) 给出的临界斜 坡斜率y c o 时，电流环路稳定。为了保证收敛速度，补偿斜率应该大于临界斜率一 定的值，但也不能太大，否则影响电流模的优越性，我们设最优补偿裕量为他， 则最优补偿斜率m o p t 可以表示为 1 埘q 一打k + 他- - 3 。- ( m ，一m ，) + ( 3 - 6 ) 实现中还有另外一种方法，如图3 2 所示，同图3 1 的区别是将斜坡信号叠加 在电感电流采样信号上，可以达到相同效果。这两种方法都需要对电感电流进行 实时准确的采样，而斜坡补偿信号通常单独产生，与电感电流上升斜率和下降斜 率无关，为了保证各种情况下的稳定，补偿斜率只能依据最大要求设计，使得在 大多数情