（微电子学与固体电子学专业论文）用于手机usb+otg的供电开关电源芯片设计.pdf

用于手机u s b0 t g 供电的开关电源芯片设计 摘要 高精度升压开关电源使用在便携式产品里提供稳定的输出电压，本设计用 于手机电源管理芯片中为u s bo t g 供电。此款手机的u s b0 t g 功能需要一个满 足u s b2 0 标准的供电电压，该电压由一个升压开关电源来提供。本文设计实 现了一款高精度的升压开关电源芯片，其输出电压和驱动能力满足u s b2 o 的 供电要求。 在此开关电源电路设计中，结合p w m 控制模式以及峰值电流控制环调节等 理论给出设计依据，并根据功能需求进行了电路的总体结构设计和子电路设计。 重点分析了典型电路模块：电流偏置电路、电压基准源电路、斜坡补偿电路、 振荡器和跨导运算放大器( o t a ) 等。该芯片采用标准的0 6 朋c m o s 工艺， 输入电压范围为2 9 v 4 2 v ，输出电压为5 v ，驱动范围为1 0 m a 5 0 0 m a 。芯片 运用新型电压转电流电路实现了斜坡补偿；设计了温度性能良好的电流和电压 基准源电路，工作温度范围为一2 5 至8 5 ；及可调频率振荡器。 在完成电路原理分析与电路结构设计的基础之上，应用e d a 软件c a d e n c e s p e c t r e 对各个子电路模块和整体电路进行了功能仿真，仿真结果均达到或优 于预定指标，验证了设计理论。完成电路仿真后进行了版图设计，版图验证及 后仿真，理论分析和仿真结果数据表明在典型情况下该电路的线性调整特性和 负载调整特性较好，且瞬态响应速度快。与传统的升压开关电源相比，该电路 使用峰值电流控制模式和斜坡补偿技术，在精度和稳定性上有很大的提高，驱 动负载范围大，完全满足u s b 2 o 标准。 关键词：开关电源峰值电流控制模式斜坡补偿环路稳定性u s b0 t g 供电 d e s i g no fd c - d c c o n v e r t e rf o rm o b i l eu s bo t gp o w e r s u p p i y a b s t r a c t t h eh i g hp r e c i s eb o o s td c d ci su s e df - o rp o r c a b l ee l e c t r o n i c p r o d u c t sp o w e r s u p p l y ，t h ed c d cc o n v e r t e ri n t h i sp a p e ri su s e df o rm o b i l eu s bo t gp o w e r s u p p l y f o rt h er e a l i z a t i o no fm o b i l eu s b0 t gf u n c t i o n ，ab o o s td c - d cc o n v e r t e r i sn e e d e dw h i c hm u s tb es a t i s f i e dw “ht h eu s b2 0 s t 姐d a r d s o ，t h ep a p e r i m p l e m e n t s 也eh i g hp r e c i s eb o o s td c d c i t so u t p u tv o l t a g ea n dd r i v e rc a p a c i t y m e e tt h eu s b2 os t 卸d a r d i nt h i sd e s i g no fd c d cc o n v e r t e rc i r c u i t ，t h cd e s i g i lb 髂eo nt h et h e o r yo f p w mc o n t r o lm o d ea n dt h ep e a kc u r r e n tl o o pc o n n 。o lm o d u l a t i o n e n t i r et o p o l o g y 粕dt h es u b b l o c kd e s i g na r es a t i s f i e dt h ef u n c t i o n a l 坞q u i r e m e n t p r i m a r i l y ， a n a l y s e st h et y p i c a lb l o c k s ：b i a sc l i 盯e n t ，b a n d - g a pr e f 色r e n c e ，s l o p ec o m p e n s a t i o n ， o s c i l l a t o r ，a n dt r a n s - c o n d u c t a n c e 锄p l i f i e r a n ds oo n t h i sc h i pu s e dt h es t a n d a r d o 6 埘c m o sp r o c e s s ，t h ei n p u tv o l t a g er 虮g ei sf r o m2 9 vt o4 2 v ，t h eo u t p u t v o l t a g ei s5 v ，t h ed r i v e rc u r r e n tr a n g ei sf r o m1 0 m at o5 0 0 m a t h e r ei san o v e l v o l t a g et oc u r r c n tc o n v e n e ri m p l e m e n tt h es l o p ec o m p e n s a t i on d e s i g nt h ec u r r e n t a n dv 0 1 t a g er e f e r e n c ew i t h 蛐e x c e l l e n tt e m p e r a t w ec h 盯a c t e r ，t h et e m p e f a t u r e r a n g ei sf b m - 2 5 t o8 5 a n dt h ef r e q u e n c yo fo s c i l l a t o ri sa d j u s t a b l e b a s eo nt h e 姐a i y s i so fc i r c u i tt h e o r y 缸dt h ec i r c u i tt o p o l o g y ，e v e r ) rs u b - b 1 0 c k a n dt h ee n t i r ec i r c u i ta r es i m u l a t e db yt h ec a d e n c es p e c t r et 0 0 1 t h es i m u l a t i o n r e s u l tb o t hr e a c ht h eg o a l ，t h et h e o r yh a v eb e e nv e “f i e d t h e nt h el a y o u t ，l a y o u t v e r i f i c a t i o na n db a c k e n ds i m u l a t i o nh a v e b e e nd o n e f i n a l l y ， t h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v et h a tt h ed c d cc o n v e r t e rh a v et h ee x c e l l e n tl i n et r a n s i e n t r e s p o n s ea n dl o a dt r a n s i e n tr e s p o n 5 e c o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lb o o s td c d c ， t h i sd e s i g nu s e dt h ep e a kc u r r e n tc o n t r o im o d ea n dt h es l o p ec o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e ，t h e r ei sa ni m p r o v e m e n to nt h ep r e c i s ea n ds t a b “i t y ，t h ew i d eo ft h e d r i v e rc u r r e n tr a n g ei sa c c o r df o rt h eu s b2 os t a n d a r d k e y w o r d s ：d c d cc o n v e n e r ；p e a k c u r r e n tc o n t r o lm o d e ；s l o p ec o m p e n s a t i o n ； s t a b i l i t yo f1 0 0 pc i r c u i t ；u s b0 t gp o w e rs u p p l y 插图清单 图2 一i 常见d c d c 变换电路结构图5 图2 2 电流模式p w m 控制系统原理图6 图2 3 ( a ) 占空比小于5 0 ：( b ) 占空比大于5 0 8 图2 4 不同峰值电流下的平均电流8 图2 5 用斜坡补偿解决5 0 以上占空比时的振荡问题9 图2 6 用斜坡补偿解决平均电流不等的问题9 图2 7 误差放大器补偿方式1 0 图2 8 芯片典型应用图1 1 图2 9 系统结构方框图1 3 图2 1 0 实际电路结构框图1 4 图2 1 1 实际芯片应用框图1 5 国3 1 电流偏置电路1 8 图3 2 温度补偿后的电流偏置电路1 9 图3 3p t a t 特性的l ，温度特性曲线1 9 图3 4 启动及瞬态输出特性曲线2 0 图3 5 温度补偿后的k 。温度特性曲线2 0 图3 6 带隙基准电压源基本原理2 2 图3 7 基准电压源电路2 3 图3 8 电压源分压电路2 3 图3 9 基准电压缓冲器电路2 3 图3 1 0 基准电压直流仿真结果图2 4 图3 1 1 基准电压温度特性图2 4 图3 1 2 缓冲器输出基准电压瞬态特性2 5 图3 1 3 跨导运算放大器电路2 6 图3 一1 4 补偿后跨导运算放大器频率响应图2 7 图3 一1 5 振荡器结构原理图：2 8 图3 1 6 振荡器实际电路图2 8 图3 1 7 振荡器仿真结果2 9 图3 1 8 斜坡补偿中s i g m a 电路3 0 图3 一1 9 电压转电流( ￥一i ) 电路3 1 图3 2 0 不同电源电压下输出电流随输入电压变化曲线3 1 图3 2 1p w m 比较器电路3 2 图3 2 2p w m 比较器增益图3 3 图3 2 3 比较器延时仿真结果3 3 图3 2 4 比较器下降时间仿真3 3 图3 2 5 比较器上升时间仿真3 3 图3 2 6 逻辑控制电路3 4 图3 2 7 使能信号处理电路3 4 图3 2 8 逻辑控制电路各端口信号3 5 图3 2 9 使能信号处理电路结果1 3 5 图3 3 0 使能信号处理电路结果2 3 5 图4 一l 典型情况下b o o s t 输出电压3 9 图4 2 典型情况下输出电压纹波4 0 图4 3 功率管电流曲线4 1 图4 4 电感电流曲线图4 1 图4 5 肖特基二极管，功率管，电感电流曲线4 l 图4 6 输出电压和电感电流比较图4 1 图4 7 使能控制仿真结果图，4 2 图4 8 电源变化瞬态特性仿真结果图4 2 图4 9 负载变化瞬态特性仿真结果图4 3 图5 一lt s m c 工艺简单流程图4 5 图5 2 对于平行的数字线和模拟线的处理方法。4 6 图5 3 一个叉指结构的p 1 0 s 管4 7 图5 4 电阻两侧各添加的冗余电阻4 8 图5 5 差分放大器版图4 9 图5 6 电流偏置电路版图5 0 图5 7 振荡器电路版图5 1 表格清单 表3 1 基准电流仿真结果2 l 表3 2 基准电压仿真结果2 5 表3 3 运放仿真结果2 7 表3 4 振荡器频率仿真结果2 9 表4 1 启动时间3 9 表4 2 输出过冲电压4 0 表4 3 输出电压纹波4 0 表4 4 各模块及芯片整体功耗4 3 表5 一lt s m c0 6 研c m o s 器件列表4 4 表5 2t s m c0 6 口mc m o s 工艺制版层次4 5 表5 3 输出电压纹波后仿真结果5 2 表5 4 输出电压线性调整特性后仿真结果5 2 表5 5 输出电压负载调整特性后仿真结果5 3 独创性声明 本人声明所星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据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒墅王些太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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签羲勇僦笋字日期：弦刁年f 胡f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅本人授权佥目b 王些太 当! 一可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名g k 与旋 导师签名： 签字日期：土司年7 上月7 日签字日期：p 年，少月f f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际衷心地向我尊敬的导师解光军教授致以最真挚的感谢 和敬意i 感谢解老师对我的学习和工作的耐心指导，对我的生活的关怀。解老 师严谨的治学态度、渊博的学识、孜孜不倦的工作精神和平易近人的生活作风 给我留下了深刻的印象，使我终身受益。 感谢香港创辉电脑有限公司的廖志宏董事长，周志忠经理和曾献军老师，他 们给予我参加公司g s m 手机电源管理芯片设计的机会，给我的学习和工作提供 了一个很好的平台。周经理对我的学习、工作和生活都给予无私的关怀和帮助， 曾老师对我的论文提出了宝贵的意见，在此致以三位最衷心的谢意! 感谢我的师兄师姐，他们在我的学习和工作中给予了真诚的帮助和鼓励。 给我的学习和工作提出了很多启发性的建议，为我的顺利学习提供了许多有益 的帮助。在此深表谢意! 感谢我所工作的电源组所有成员的支持和帮助。他们是陈杰，刘武渊，汤志 强，马莉等，他们为整个电源芯片的工作付出了艰辛的劳动，给我的工作给予了 最直接的指导和建议，没有他们，我的研究和工作将无法顺利完成! 感谢我的同学张晓明，邹和仕，杨珂，肖晗，汪明亮等他们给我的论文撰写提 供了无私的帮助。陪我度过了美好的校园时光。 感谢我的父母，是他们多年不遗余力地为我的成长和学习在默默地付出， 给了我继续学习的机会。使我有勇气和动力去克服困难，完成学业。 最后感谢所有关心和帮助过我的师长、亲人、同学和朋友l 作者：张昌璇 2 0 0 7 年1 1 月2 9 日 第一章绪论 电源管理产品广泛地应用于整个电子行业，是电子产品必不可少的组成部 分之一。本章主要介绍电源管理技术的现状和电源管理技术，并对0 t g 供电作 简单介绍。 1 1 电源管理技术的研究现状 电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长，赛迪顾问预测，2 0 0 6 2 0 1 0 年中国电源管理芯片市场规模复合增长率将达2 8 8 市场仍然将保持 快速发展的态势，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃的产品之一【i 】。 从应用领域来看，国内电源管理芯片市场主要分布在消费电子、网络通信、 计算机和工业控制等领域，而未来几年，中国半导体产业环境看好，十一五规 划已经明确要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展，未来利于 集成电路产业发展的政策还将继续推出；笔记本、l c d 显示器和数字电视等产 品的快速增长；另外，中国3 g 牌照的颁发以及3 g 应用的推广，i p t v 和高清电 视等方面应用的普及，以及，随着国内产品结构的升级，新应用将带来新需求， 例如便携产品就要求电压更低、集成度更高的产品，未来产品的结构升级还将 继续，这些因素都将刺激电源管理芯片市场的快速发展。 而目前国内电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位。其 中德州仪器( t i ) 是最大的供应商，2 0 0 5 年其电源管理芯片的销售额达到2 1 8 亿元，其市场占有率为l o 4 。中国本土电源管理芯片厂商起步较晚，虽然近 年中小型设计企业发展较快，但技术和市场都相对落后。中国要想在在电源管 理芯片市场分得一杯羹，任重而道远【2 l 。2 0 0 7 年，随着油价和半导体原材料 价格的上涨，各种产品都对节能提出了更高的要求，也给电源管理芯片带来了 机遇和挑战。目前我国电源管理i c 产品的发展趋势将围绕节能降耗展开，低能 耗越来越受到厂商、消费者和政府的关注。高能效电源设计正在成为影响电子 系统设计的关键技术之一；电源设计周期更短、低待机功耗、高能效、体积更 小的要求，正在改变传统的电源设计方法，小体积、高集成、低功耗、高性能 的产品将会受到市场的青睐。 1 _ 2 直流电压转换器简述 微电子技术日益发展的今天，各种电子系统如雨后春笋般出现，对于不同 的工作模式和工作状态，需要的电源电压不同，特别是对于低功耗的需求，在 保证相同信息吞吐量的同时，电子系统的工作电压越来越低；同时，对于同一 个电子系统，不同的电路模块根据其重要性及电路结构，可以分别工作于不同 的电源电压来获取更长的待机时间。这样就需要直流电压转换器i c 进行电压转 换以满足不同的电源要求。 直流电压转换器i c 的主要性能参数包括：转换效率、工作频率、开关噪声、 控制精度、输入电压范围、静态功耗、体积和成本等等。便携式系统的待机时 间是一个很重要的参数，因此需要更低电压、更高效率的直流电压转换器芯片。 常用的直流电压转换器芯片有开关电源( d c d c ) 、低压差线性调整器( l d 0 ) 、 电荷泵( c h a r g e b u m p ) 等。 d c 一0 c 开关电源转换效率最高，采用同步整流时转换效率可达8 5 9 5 ：开 关电源电压变换灵活，具有b u c k ，b 0 0 s t 、b u c k b 0 0 s t 、c u k 等多种结构，可以 实现降压、升压、升降压和极性反转等功能；能提供大的负载驱动电流川。但 需要外接电感、电容滤波元件，体积较大，需要复杂的补偿网络；电感的存在 导致大输出纹波，将带来较大的开关噪声。对于便携式应用，必须折中考虑驱 动及体积和转换效率各参数。 l d 0 ( l o w d r o p o u t v 0 1 t a g e ) 属于线性电压调整电源，一般由调整管、误差 放大器、和外加补偿网络组成。调整管工作于线性区，负反馈环路改变调整管 的导通电阻或电压降，维持输出电压的稳定。外接旁路电容一般只需卜2 个， 因此具有体积小，结构简单且噪声低、静态功耗低的优点。但l d 0 转换效率较 低，一般只有3 0 4 0 。并且只能实现降压变换【”。 电荷泵( c h a r g e b u m p ) 即开关电容d c d c ，与前两者相比，它仅由开关、比 较器、振荡器、外接电容器组成，具有小尺寸的优点，输出电压可以高于、低 于输入，也可以实现反相，且避免了电感元件引起的电磁干扰( e m i ) ，但输出 驱动能力较低，且开关电路引入较大噪声，输出纹波较大。 1 3u s bo t g 简介 本文设计的开关电源应用在手机电源管理芯片中，为o t g 功能的u s b 接口 供电，该手机应用了u s bo t g 技术，需要将电池电压转换成为u s b2 0 标准规 定的5 v 电压。以下简单介绍u s bo t g 技术。 u s bo t g 是u s b0 n t h e g o 的缩写，是近年发展起来的技术，2 0 0 1 年1 2 月1 8 日由u s bi m p l e 珊e n t e r sf o r u m 公布，主要应用于各种不同的设备或移动 设备间的联接，进行数据交换。特别是p d a 、移动电话、消费类设备。改变如 数码照相机、摄相机、打印机等设备间多种不同制式连接器，多达7 种制式的 存储卡间数据交换的不便。 u s b 技术的发展，使得p c 和周边设备能够通过简单方式、适度的制造成本 将各种数据传输速度的设备连接在一起，上述我们提到的应用，都可以通过u s b 总线，作为p c 的周边，在p c 的控制下进行数据交换。但这种方便的交换方式， 一旦离开了p c ，各设备间无法利用u s b 口进行操作，因为没有一个从设备能够 充当p c 一样的主设备( h o s t ) 。 o n t h e g o ，即o t g 技术就是在没有h o s t 的情况下，实现从设备问的数据 2 传送。例如数码相机直接连接到打印机上，通过o t g 技术，连接两台设备间的 u s b 口，将拍出的相片立即打印出来；也可以将数码照相机中的数据，通过o t g 发送到u s b 接口的移动硬盘上，野外操作就没有必要携带价格昂贵的存储卡， 或者背一个便携电脑。 在0 t g 产品中，增加了一些新的特性： 新的标准，适用于设计小巧的连接器和电缆； 在传统的周边设备上，增加了h o s t 能力，适应点到点的连接； 这种能力可以在两个设备间动态地切换： 低的功耗，保证u s b 可以在电池供电情况下工作 使用o t g 后，不影响原设备和p c 的连接，且使得在市场上已有超过1 0 亿 个u s b 接口的设备也能通过o t g 互联。 本文设计的升压开关电源，正是将电池电压转换为5 v 输出，为u s bo t g 功能的接口供电，满足u s b2 0 的标准，额定驱动能力为5 0 0 a 。且具有较好 的负载调整率和线性调整率。该开关电源的主要参数要求就是由此而定的。 1 4 本文工作 随着近年来各种便携设备的广泛应用，各应用系统对电源的要求也越来越 高。特别是在当前构建节约社会的前提下，要求能尽量提高电池的使用时间， 即提高电源效率，同时要减小电源体积，以提高便携性等。 本论文从系统的角度出发选择本电路所需的电路结构及应用环境，确定所 需模块功能及其参数指标，然后根据提出要求，详细分析设计各子电路并进行 仿真验证，再对整个系统电路进行功能验证和性能仿真，确定电路能满足设计 要求。最后，还对版图设计及布局中的一些问题进行了介绍并给出了后仿真结 果。 本文主要由以下几部分构成； 第一章：绪论 第二章：设计目标及总体结构设计 第三章：子模块电路设计与验证 第四章：整体电路仿真验证 第五章：工艺及版图设计简介 第六章：结论 第二章设计目标及总体结构设计 在深入了解了d c d c 开关电源的基础上，本章对d c d c 开关电源的性能要 求、工作原理、拓扑结构、各工作模式的优缺点和关键技术等方面作了较深入 的分析。 2 1 设计目标 本文是在香港创辉电脑公司g s m 手机芯片设计项目的实习期间进行的设 计，该项目要求设计一款手机电源管理芯片( p m u ) ，而作者负责的是u s bo t g 功能的u s b 接口供电升压型d c d c 变换器，该d c d c 按照u s b2 0 的标准，产 生5 v 输出，能驱动电流5 0 0 a 。既能应用在手机上又能应用在p c 机、数码相 机、等便携式数码产品( 提供o t g 功能) 上为u s b 接口供电。要求能在2 9 v 4 2 v 的电源电压下输出恒定电压5 v ，驱动电流范围1 0 m a 5 0 0 a 可调：具有结 构简单、体积小、应用灵活和效率高等特点。 2 2 设计思想 由于输入电压( 2 9 v 4 2 v ) 输出电压( 5 v ) 范围决定，o t g 功能用直流 转换电路必须为升压电路，排除了只有降压功能的l d 0 的选取；鉴于第一章中 提到的各直流电压转换电路的优缺点，电荷泵升压电源存在驱动能力低，噪声 较大和输出纹波较大等缺点，因而采用升压式开关电源( b o o s td c d c ) 为u s b 接口供电是最佳选择。以下主要对开关电源进行了概述、介绍了开关电源的关 键技术和本文设计的单片开关电源原理及结构。 2 2 1 开关电源技术 用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路 都可以叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则 就可以称为开关电源1 4 1 。 d c d c 转换器是开关电源主要组成部分，因为它是转换的核心，涉及频率 变换，目前d c d c 变换中所用的频率提高最快。它在提高频率中碰到的开关过 程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可为其它转换方法所利用。开关 电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点，被称作高效节能电源。开关电 源的功率器件工作在开关状态，由于开关频率较高( 几十至几兆赫兹) 。利用体 积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离，因此省掉了体积笨重且损耗 较大的工频变压器，从而达到减小整机体积重量、提高工作效率的目的。与普 通线性稳压电源相比，效率提高近一倍。目前生产的小功率开关电源，仍普遍 采用脉冲宽度调制器( p w m ) 或脉冲频率调制器( p f m ) 专用集成电路。这类开关电 源的主要缺点是集成度低、外围电路复杂、稳定性较差、输出纹波较大。但单 4 片开关电源的问世使这些问题得到较好的解决，单片开关电源可以利用很少的 外围器件实现高稳定度的电压、电流输出，这样可以极大的缩小体积、减小成 本，使其使用范围更为广泛【4 】。 从7 0 年代就开始了开关电源的研究开发和生产，中国在8 0 年代初也开始 了开关电源的研究工作。开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。边开 发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数的增长率向 着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展开关电源根据实现功能 可分为a c d c 和d c d c 两个大类，d c d c 变换器现已实现模块化，且设计技术 及生产工艺在国内外均己成熟和标准化，并己得到用户的认可，但a c d c 的模 块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制 造问题【5 】。现在开关电源已经在各种整机产品上得到了广泛的应用，其发展速 度惊人，被广泛的应用在通信、计算机、家用电子及其它各个电力电子相关行 业里。 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器的工作基本上有三种方法：第一，保持开关工作频率不变，即开关时何 周期瓦= 死。+ 死，保持恒定，控制开关导通时间常称为脉宽调制型，即p w m 型； 第二，保持开关导通时间( 或关断时间) 不变，改变工作频率常称为频率调制 型，即p f m 型( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ；第三，开关频率与导通时间均 改变的混合调制型。最常见的具体电路结构有b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 等几 种【”j ，如图2 1 所示【1 0 j ： ( a ) b u c k( b ) b o o s t ( c ) b u c k b 0 0 s t 图2 1 常见d c d c 变换电路结构图 2 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 变换器也称为降压变换器，如图2 1 ( a ) 所示。开关闭合后，除向负 载供电外，还有一部分能量储存于电感和电容中，二极管截止。开关断开时， 电感上极性为左负右正的反电动势，使二极管导通，电感中的电能传送给负载， 维持输出电压不变。 2 2 1 2b 0 0 s t 变换器 b o o s t 变换器也称升压变换器，如图2 1 ( b ) 所示。开关闭合后，电感上 有电流流过而储存电能，续流二极管截止。开关断开后，电感上产生的反向电 动势极性为右负左正，使二极管导通，电感上储存的能量经二极管向负载供电。 2 2 1 3b u c k b 0 0 s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器如图2 1 ( c ) 所示。当开关闭合时，电流流过电感，电 感储存能量；当开关断开后，电流有减小趋势，上负下正，二极管导通，负载 上有了输出电压，由电容充电储能。 2 2 2 电流模式p 删控制技术 p w m 控制技术主要有电压型和电流型两种，电压模式控制p 咖是6 0 年代后 期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的 过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界被广泛应用。电压模式控制只有一 个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的变化 的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到 当时的脉冲宽度，这是一种单环控制系统。它有一些明显的缺点，如对输入电 压的变化动态响应较慢、补偿网络设计复杂等。针对上述电压型控制的缺点， 最近十几年发展起来了电流型控制技术【1 i 】，目前己得到了广泛应用。 2 2 2 1 电流模式p 嘲控制原理简介 如图2 2 ，为电流模式p w m 控制的系统原理图： 图2 2 电流模式p 硼控制系统原理图 如图2 2 所示，不同于只检测输出电压的电压控制模式，电流控制型开关 变换器增加了一个内环一一电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感 6 上的电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流 而成为一阶系统。当功率开关管开启，电感逐渐充电，其上的电流逐渐增大， 并转化为电压信号坛，输出电压和某值的基准电压进行比较，产生误差放大信 号圪，当增大到吃时，功率开关管关断，电感放电。这是非常典型的峰值电 流控制模式，因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小 变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应， 而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素，接下来会有详细的论 述。电流模式相比电压模式有如下的优点： 1 ) 对输入电压变化响应快，抗干扰性能强：电源输入电压的变化，必然 会引起变压器初级电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长交快。反 之则变慢。但是只要电流脉冲达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得 脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。在电压型控制电路中，检测电路对输 入电压的变化没有直接反应，要到输出电压发生一定变化后，一般要在数个周 期后才能响应输入电压的变化。 2 )逐脉冲控制，保护机制简化，控制环易于设计：如果需要实现过载或 短路等保护，电压型控制系统需要附加复杂的保护电路，这样电路的可靠性就 得不到保障；而电流型控制系统则具有天生的电流保护功能。在电流型开关电 源中，由于电流反馈环采用了直接的电感电流峰值检测技术，可以及时、灵敏 地检测出输出变压器或功率开关中的瞬态电流值，自然形成了逐个电流脉冲检 测电路，可以准确地限制流过功率管和变压器中的最大电流。从而在发生意外 导致输出过载或短路时，能保护功率管和变压器。因此，设计电流型开关电源 可不必给变压器和功率管留较大的余量，从而降低了开关电源成本。 3 ) 变压器的磁通平衡：在半桥、全桥和推挽变换器中，电压型控制不能 完全克服偏磁现象，功率管的饱和压降和存储时间不可能完全相同，而且电路 中还可能存在其他的不对称因素，这种不对称造成了相邻开关周期的不平衡伏 秒值，使开关变压器产生偏磁。铁心饱和，并产生过大的开关管电流，降低了 变流器效率，甚至烧毁开关管。电流型控制可以自动解决磁通不平衡的问题。 这是因为它的内部电流环能使电流脉冲宽度虽不同，但幅值肯定相同， 4 ) 回路稳定性好、负载响应快：电流型控制可以看作是一个受输出电压 控制的电流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为 电感中电流脉冲的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟 作用就没有了。 电流控制型和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点， 如电感峰值电流与平均电流有误差；直流开环负载调整率较差。这些问题绝大 部分可以采取适当措施后得到满意地解决这为电流型开关电源的普及和发展 创造了条件。 7 2 2 2 2 电流模式中的斜坡补偿 电流模式也有一些缺点【1 1 j ，如图2 3 所示： 丫 ( b ) 图2 3 ( a ) 占空比小于5 0 ；( b ) 占空比大于5 0 可知，当占空比小于5 0 时，电感电流的扰动在一定的周期后可以减小到零， 而当占空比大于5 0 时。则电感电流的扰动会引起振荡。 再如图2 4 不同峰值电流下的平均电流： 慕 、心掣窖 睦升 l 如 j l - 7 - - i a v l 图2 4 不同峰值电流f 的平均电流 平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素。而峰值电感电流的大小不能与 平均电感电流大小一一对应，因为在不同占空比的情况下，相同的峰值电感电 流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。 这些问题都可以通过斜坡补偿的方式来解决。如图2 5 、2 6 所示，通过在 误差信号上加上一个负的斜坡信号( 或是给电流信号上加一个正的斜坡信号) ， 可以很容易的解决上述两个问题： 图2 5 用斜坡补偿解决5 0 以上占空比时的振荡问题 图2 6 用斜坡补偿解决平均电流不等的问题 另外，通过斜坡补偿。还可以抑制次谐波振荡、抑制振铃电感电流、抑制 电感纹波电流对电路的影响以及去除输出轻载或空载时电源失控现象。 2 2 3 开关电源的系统稳定性和补偿 在一个闭环的开关电源转换器中，环路中的任何环节都可能引入噪声和干 扰，要使系统在任何条件下稳定工作，一般要采用反馈补偿改善频率响应。在 一个闭环的系统中，怎么判定环路的稳定性呢。以下将给出环路稳定性的判定 依据。 2 2 3 1 系统稳定性的判定依据 在开关电源的闭环系统中，如果干扰信号和反馈信号相位相同，转换器就 会不稳定，甚至出现振荡。假设反向端输入一个交流信号，负反馈引起1 3 0 ”相 移，这时反馈阻抗网络相移为1 8 0 9 ，增益超过l ，则输入信号消失后，还会有 一个输出信号，这样系统变得不稳定。一般情况需要尼奎斯特( n y q u i s t ) 测试 法来判断系统稳定性。然而有时可以使用尼奎斯特法则的推导形式，在实际的 工程应用中，经常用增益裕量( g a i nm a r g i n ) 和相位裕度( p h a s em a r g i n ) 来测试 系统的稳定性【1 2 】。 增益裕量( g a i nm a r g i n ) 的定义为：假设环路增益彳( 川f u w ) 相移为一1 8 0 0 时频率 为工，则 9 鼢肘鹕加冈赤丽 伢z 1 ， 相位裕度( p h a s em a r g i n ) 的定义为：假设环路增益爿( - 叻，u 叻为l 时交叉频 率为正，则 尸z 卯e f a r g 加= 1 8 0 0 + 爿，苫【钺j 叱) f ( ，k ) 】 ( 2 2 2 ) 在实际设计中，通常的设计规则是g a i nm a r g i n 至少6 d b ，p h a s em a r g i n 至少达到4 5 鲫。 2 2 3 2 补偿网络的分析 为了保证闭环反馈系统的稳定性，单位增益( u n i t yg a i n ) 时相位裕度应 该大于4 5 0 。d c d c 开关电源变换器中的误差放大器通常要采用补偿网络来改善 其频率响应。根据尼奎斯特采样定律，为了保证稳定单位增益交叉频率要低于 开关频率的一半。实际中一般选择开关频率的1 ，5 1 4 以保证输出电压的纹波 大小呻1 。同时增大单位增益交叉频率可以提高瞬态响应的速度【”l 。选定了单 位增益交叉频率，为了使环路增益为0 d b ，需要设计误差放大器及补偿网络的 频率特性。将在第3 章跨导运放的设计中详细分析。 反馈补偿的目的就是使频率特性满足稳定性要求，即在单位增益交叉频率 幅频波特图曲线下降为一2 0 d b ，相频特性波特图中有足够大的相位裕度【i “。 v f e f v v 图2 7 误差放大器补偿方式 如图2 7 ，为误差放大器补偿电路，补偿网络应用了一个电阻砰和一个电容 c c ，电容和放大器输出阻抗形成极点补偿，c c 和形成了零点补偿”。”。该 补偿网络属于单零点单极点补偿方式，c p m ( 峰值电流控制) 型b o o s t 一阶模型 传递函数则可以表示为”l ： 毒2 击志 2 2 d ( 1 + j 肇) 咫c c 。筚 ( 2 鲁4 ) l o 该零点可以补偿功率级的主极点，提高相位裕度。在本设计中根据式 ( 2 2 4 ) 和实际选用输出电容和负载范围，选用了疋和c 2 的值分别为： = 2 1 3 k q ，c c = 6 0 0 p f 。零点位置为z 酞d = l ，2 万c c = 6 2 尼眈。该补偿方 式也体现了峰值电流控制模式的优点，补偿网络简单，且实现了补偿器件内置， 减小了外部电路复杂程度 2 3 单片开关电源总体结构 为了达到在上一章中提出的功能要求，本电路将采用峰值电流模式p w m 控 制的b 0 0 s t 结构。如上章介绍，电流控制模式与电压控制模式相比具有更高的 效率、更好的负载调整率及线性调整率，而且由于是一阶闭环系统，具有更好 的稳定性及更简单的设计方法，是目前在单片开关电源系统中常见的控制方式， 广泛的应用于各种电源管理系统中。 2 3 1 单片开关电源总体结构 电路采用典型的电流模式p 删控制器的结构，其典型应用图州及其内部结构框 图2 ”分别如图2 8 、图2 9 所示： 图2 8 芯片典型应用图 2 3 1 1 外围元件l ，c ，r 参数的选定： 1 )电感的选择：电感的选择由输入电压，输出电压，最大电流，电感的 尺寸，及其开关电源的效率和纹波大小等决定。电感参数包括电感值l ，峰值 电流k ，及等效电阻也根据模拟电路折中的原则， 大小及成本有以下经验公式： 纠警m + 争 考虑到峰值电流，电感 ( 2 3 一1 ) 上：竖l 掣! ：! ! ! 竖坚二生! 掣2 1 ( 2 3 2 ) 叮2 三j 跫毛盯( 删) x 歹岛 其中，缸是振荡器频率( h z ) ，l 是电感值( h ) ，7 是开关电源转换效率 假设为o 8 5 ，是输入电压( v ) ，是输出电压( v ) ，k ( m ) 是最大输出 电流( a ) ，加1 是最小输入电压( v ) 。 l i r 是一个常数， 上正r ：! 丛些= ! = ! 丝些2 ：o 3 。o 5( 2 3 3 ) z d c k 为电感电流直流分量。 取l i r = 0 4 ，有： k = 碟毫) ( - + 等一，一 伢s 圳 取l i r = o 3 ，有。 上= j 挈兰i ；! ；： ；亏三姜 = 4 7 s 日 c z 一。一s ， 一 5 2 x o 3 x o 5 x 1 1 x 1 0 6 。， 。 根据可获得的电感值，和电感的体积，选定电感值为：三= 2 2 日。 2 ) 输入，输出电容选择：为提高瞬态特性和减小电磁干扰，该设计选用 的输入电容c 0 为1 0 ，的陶瓷电容。而输出电容c d 。大小的选取，主要由纹波 的要求决定。e s r ，为电容的等效串联电阻，假设e s r = o 时，有驯： 旷笺裂 协s 删 其中矿是最大允许输出纹波( v ) 。 由( 2 3 6 ) 式可以得出， c n 。、：坠g 墨：1 2 一。l o f ( 2 3 7 ) 。凹(