（微电子学与固体电子学专业论文）真关断高效率的lcd升压变换器设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 开关稳压电源简称开关电源，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式 工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出 电压稳定的一种电源。 本论文首先对开关电源的基本原理和架构做了研究，并在此基础上采用0 6 i _ t m3 0 v b c d 工艺设计了一款真关断高效率的l c d 升压变换器。该芯片供电电压范围为 2 7 v - 5 5 v ，输出1 5 v 的电压。内部集成了n 沟道m o s 管主开关和p 沟道m o s 管输出 隔离开关。它采用限制电流最小关断时间控制原理，工作于非连续模式。变换器工作时， p 沟道m o s 管开关将v c c 接至电感提供功率，变换器关断时该开关将输入电源与电感 断开。在关断期间，电源电流降低至0 0 5 峭，消除了输出端从输入端吸入功率，达到 真关断的目的，延长了电池的寿命。 芯片内部不仅包含了带参考电压源的误差放大器、电感峰值电流检测模块、单稳态 触发器等核心模块而且集成了过温保护、欠压锁定等保护电路以保证芯片能稳定工作。 在完成电路原理分析与电路设计的基础上，还应用e d a 软件h s p i c e 对各个模块及整 体电路进行仿真，结果表明芯片的线性调整率为0 1 n ，负载调节率为0 0 3 m a ，证 明芯片在较宽的输入电压和负载范围内具有稳定的输出电压，从而验证了设计的正确 性。 关键词：升压变换器；非连续模式；过温保护；线性调整率 真关断高效率l c d 升压变换器设计 t h ed e sig no fl c ds t e p 。u pc o n v e r t e rw it ht r u es h u t d o w na n dhig h e f fi0ie n c y a b s t r a c t s w i t c h i n gr e g u l a t e dp o w e rs u p p l yi sc a l l e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o rs h o r t t h e d e v i c e su s e df o rr e g u l a t i n gt h ef u n c t i o no fr e g u l a t e dv o l t a g ec o n t r o lw o r ki nt h ew a yo f s w i t c h i n gm o d ea l lt h et i m ei nt h ep o w e rs u p p l y u t i l i z i n gt h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， i ts u p p l i e sc o n s t a n tv o l t a g et h r o u g hc o n t r o l l i n gt h er a t i oo ft h ec o n d u c t i o nt i m ea n dt h e s h u t o f f t i m eo f t r a n s i s t o r i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya r es t u d i e df i r s t b a s e do nt h es t u d y ，al c ds t e p u pc o n v e r t e rw i t ht r u es h u t d o w na n dh i g he f f i c i e n c yi s d e s i g n e du s i n g0 6 p , m3 0 vb c dt e c h n o l o g y t h ei n p u tv o l t a g eo ft h ec h i pr a n g e sf r o m2 7 v t o5 5 v a n dt h eo u t p u tv o l t a g ei sm a i n t a i n e dt o15 v as w i t c h i n gn m o st r a n s i s t o ra n da s w i t c h i n gp m o st r a n s i s t o ra r ei n t e g r a t e di nt h ec h i p b yl i m i t i n gt h em i n i m u ms h u t o f ft i m e o ft h ec u r r e n t ，i tw o r k si nt h ed i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ( d c m ) w h e nt h ec h i pw o r k s ，t h e p m o st r a n s i s t o rc o n n e c t st h ev c ct ot h ei n d u c t i o n ，o t h e r w i s et h ep m o st r a n s i s t o ri so 鼠 d u r i n gt h es h u t o f ft i m e , t h ec u r r e n ti sr e d u c e dt oo 0 5 “a ，a v o i d i n gt h eo u t p u td r a w i n gp o w e r f r o mt h ei n p u t i nt h i sw a y ，t h et r u es h u t o f fi sr e a l i z e da n dt h eb a t t e r yl i f ei se x p a n d e d ， t h ec h i pc o n t a i n se r r o ra m p ，t h ed e t e c t o ro ft h ei n d u c t i o np e a kc u r r e n t , t h em o n o s t a b l e t r i g g e r - a c t i o nc i r c u i t ，o v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ( o t p ) ，a n du n d e rv o l t a g el o c k o u tw h i c h p r o t e c tt h ec h i ps e l f ss e c u r i t y b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，t h es y s t e ma n di t ss u b c i r c u i t sa r e s i m u l a t e db ye d at o o l sh s p i c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h el i n e a ra d j u s t m e n tr a t ei s o i va n dt h el o a da d j u s t m e n tr a t ei so 0 3 m a ，w h i c hr e a c ht h er e q u e s t sa n dv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so f t h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n k e yw o r d s ：s t e p - u pc o n v e r t e r ；d c m ；o t p ；l i n e a ra d j u s t m e n tr a t e _ i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：缸螂日期：幽：巨：兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盔噍鼬 作者签名：垒堕型 导师签名：彳# 缶互莩舡 丝! 多年b 月2 日矽口g 年月2 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越 来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的 电源，它们对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压 纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都 很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与 发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有 4 5 左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体 积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要 开关稳压电源简称开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) ，因电源中起调整稳压控制 功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管 通断的时问比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率 高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性、广泛应用在诸如计算机、彩 色电视机、程控交换机、摄像机、v c d 、电子游戏机等电子设备上。随着电力电子技术 的发展，特别是大功率器件i g b t 和m o s f e t 的迅速发展，将开关电源的工作频率提高 到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性，因此，开关电源将逐渐取代使 用工频变压器的线性稳压电源【l 】。 1 2 仿真工具介绍 模拟电路由于其在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可 靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美 国加利福尼亚大学伯克利分校开发的通用电路模拟程序s p i c e 。目前享有盛誉的公司 e d a 的模拟电路仿真工具，都是以s p i c e 为基础实现的。其中以美国原m e t as o i l w a r e 公司的h s p i c e 和公司m i c r os i m 的p s i c e 最为流行。 h s p i c e 是m e t a 软件公司推出的工业级电路分析产品，它能提供电路在稳态、瞬态 及频域状态下所进行的模拟仿真，包括直流工作点和直流传输特性分析、交流小信号分 析、噪声分析、瞬态分析、傅立叶分析、灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析以及蒙 特卡罗分析等等。采用h s p i c e 可从直流到大于1 0 0 g h z 的微波范围内对电路作精确的 模拟、分析和优化。 真关断高效率l c d 升压变换器设计 1 3 性能指标 在实际制作电路芯片时，需要测试电路是否能达到一定的指标，同样在h s p i c e 的 软件环境下，对电路的仿真也需要达到一定的性能指标。本论文的仿真性能指标是能达 到期望的电压和电流稳态输出、电压和电流的纹波范围、瞬态响应时间、线性调整率和 负载调整率。 大连理工大学硕士学位论文 2l c d 升压变换器的原理与控制模式 2 1d c - d c 变换器常见的结构 在众多的开关电源中，d c d c 变换器是开关电源的主要组成部分，目前在开关电 源中应用的变换器都是由基本变换器拓扑和衍生出来的，了解基本变换器的结构和工作 原理，对开关电源的研究有着铺垫作用。本章就基本的d c d c 变换器详细地介绍了它 们的工作原理，并建立了简化模型。 d c d c 变换器常见的拓扑结构是b u c k 型、b o o s t 型和b u c k - b o o s t 型三种基本结构， 如图2 1 所示，其中b u c k 型变换器为降压式变换器，b o o s t 型为升压式变换器， b u c k - b o o s t 型变换器也成为升降压式交换器，其输出电压既可高于输入电压也可低于输 入电压，输出电压的极性与输入相反。 轴) 酗 图2 1 开关电源的基本架构： ( a ) b u c k 型( b ) b o o s t 型( c ) b u c k - b o o s t 型 f i g 2 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f s w i t c h i n gp o w e r s u p p l y ： ( a ) b u c k ( b ) b o o s t ( c ) b u c k - b o o s t 由于本论文研究的是升压式开关电源变换器，因此本章只是讨论了升压式变换器的 工作原理，其他两种结构可以参考文献【4 ，5 】 2 2b o o s t 变换器工作原理哺1 如图2 2 所示， b o o s t 变换器电路主要由功率开关管q l 、电感l 、续流二极管d 1 、 输出滤波电容c 以及负载r o 组成。其中电阻r l 是电感的直流电阻，r c 是负载电容的 等效串联电阻。当功率开关管q 1 导通时，由于其导通电阻r d s ( ) 艮小，续流二极管d l 、 输出滤波电容c 以及负载i b 被短路，电源与电感和功率开关管组成闭合回路，随着放 电时间的增加，流过电感的电流也增加，电能转化为磁能储存在电感中，电容c 给负载 l b 供电；当功率开关管q l 截止后，由于流过电感的电流不能突变，在开关管截止瞬时 真关断高效率l c d 升压变换器设计 电感两端的电压反相，使续流二极管d i 导通，电感通过续流二极管d l 通过电容和负载 释放能量，部分磁能转化成电能储存在滤波电容上。 l d i v o ( o 图2 2b o o s t 开关燹换器架构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f b o o s tc o n v e r t e r 根据在一个开关周期里电感电流是否连续，开关变换器通常工作在两种模式，分别 是电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u r r e mm o d e ，c c m ) 和电流断续模式( d i s c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ，d c m ) 。在c c m 模式情况下，变换器在整个开关周期中电感的电流是连 续变化的；在d c m 模式下，开关管截止后，电感电流在开关管下次导通之前会下降到 零。 2 2 1 连续模式c 伽的稳态特性 连续工作模式，b o o s t 开关变换器每个周期有两个工作状态：第一个状态是功率开 关管0 1 导通阶段；第二个状态是功率开关管q l 关断阶段。设开关周期为t s ，闭合时 间为t o n ，断开时间为t o f f = 髓一t o n 。 i ) 当o t t o n 时，功率开关管o l 处于导通阶段。电源、电感与开关管组成闭合回路。 由于开关管q l 的导通电阻r d s ( o n f l 艮d ，故续流二极管d l 截止，其等效电路图如图2 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 v r l l + v o ( o - 图2 3b o o s t 型变换器开关导通等效电路图( o t t 州) f i g 2 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fb o o s tc o n v e r t e rc o n d u c t i n g ( 0 t t o n ) 此时电感曲瑞的电雎降为： 圪：型：形一r l k q ) 一 (21)dt “ 、 由于v d s 和r e 上的电压都很小，故忽略不计，可以认为电感电流是线性增加，在 功率开关管q 1 导通的时间t o n 内的增量为： 州= 暑 ( 2 2 ) 在此阶段内，负载电流l o - v o ，i o 由滤波c 提供，故 o = - 乙= 惫 ( 2 3 ) 2 ) 当t o n t t s 时，功率开关管q l 处于截止状态。电源、电感与滤波电容和负载 组成，故此时主回路的等效电路如图2 4 所示。 图2 4b o o s t 型变换器开关截止等效电路图( t 嘣 t t s ) f i g 2 4 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fb o o s tc o n v e n e rs h u t d o w n 真关断高效率l c d 升压变换器设计 此时电感连接电源端的电位仍为巧- r 。，l ，电感另一端的电位为v o + 。，其中v m 为续流二极管d l 的正向电压降。所以电感电流从电源流经续流二极管d l ，不仅为负载 提供电流，还为滤波c 充电，补偿滤波电容c 在功率开关管q l 导通阶段为负载提供输 出电流损失的能量。故有： 掣卟卅以吩圪 ( 2 4 ) 必( - ) _ 一拿k 半 ( 2 5 ) 2 r ，：f + 堡 l r o ( 2 6 ) 其中t o f f = t s t o n ，稳定状态下电感电流在一个开关周期里面的净增量为零，即 虬( + ) = 她( 一) 。否则，电感电流在每一个开关周期都有净增量或减量，不满足在稳定 状态的要求。可以得到输出与输入及占空比的关系为 堡： 塾：j 二 巧 五一即 1 一d ( 2 7 ) 凼为在一个开关周剜里流过电晷的电流平均值为零，即有 ( 一也一砻= 。 ( 2 8 ) 可以得到电感电流的平均值 l = 尚= 而i o ( 2 9 ) 1 一d 1 一d 、7 在开关管导通阶段里，负载电容为负载提供电流，忽略负载电容的等效电阻对输出 电压的纹波的影响，负载电容纹波电压为： v 愀2 石1 肌p = - 专l o r o , , 2 1 z o _ 2 c _ d ( 2 1 0 ) 由于输出纹波电压等于负载电容纹波电压，所以可以通过增大负载电容或者提高开 关频率来减小输出纹波电压。图2 5 是开关变换器工作在连续模式下的功率开关管的电 流电压波形。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 i dl l l s t a i d t od r a i n e d v o s - q 1s o l i d v od r a i n e d讧工土七虹 确t 抖坼1 图2 5 连续模式下开关管电流电压波形 f i g 2 5 t h ev o l t a g ea n dt h ec u i t e l l tw a v eo i lt h ec c mm o d e 2 2 2 断续模式d c m 的稳态特性 当电感l 较小，负载电阻较大或者t s 较大时将出现电感电流已下降到零，新的周 期还没有开始的情况。当新的周期开始时，电感电流从零开始线性增加。这种工作方式 称为电感电流非连续工作模式，其电感电流如图2 6 所示。 i = l s o l i d t od a s h e d o 图2 6 断续模式下电感电流波形图 f i g 2 6 t h ei n d u c t i o nc u r r e n tw a v eo nt h ed c mm o d e 工作在断续电流模式下的变换器在每个开关周期内有三个工作状态，前两个状态主 回路的等效电路与连续电流模式稳态下的等效电路一样，而第三个状态的等效电路则如 图2 7 所示。 真关断高效率l c d 升压变换器设计 耽 l 图2 7 断续模式第三个状态主回路的等效电路图 f i g 2 7 t h ec i r c u i to f t h et h i r dd c mm o d e 设2 葫= o r s ，k = d 2 五，瓦一一= 3 3 五则在功率开关管q 1 导通阶断 0 f s ，电感电流线性增加，其增量为： 矿矿 虬( + ) = 等= 等d 五= k ( 2 1 1 ) 在开关截止阶段t o n l v 或v o 1 2 2 v 时 表5 1 2v 叫t = 1 5 v 时m i n i m u ml x0 f f - t i m e 的仿真结果表 t a b 5 1 2s i m u l a t i o no f m i n i m u ml xo f f - t i m ew h e n v o u t = 1 5 v h c a d s l o w c o m m o n c o m m o n 淤 st y p i c a l p e a k y t e m p u c a c h e f r c q m o d e 拌lm o d e 拌2 4 01 1o 40 61 91 20 9 0 1 o0 40 51 81 1 0 8 2 51 00 4o 51 81 10 8 5 0 1 0o 4o 51 71 1 0 8 8 51 oo 4o 51 71 1o 9 1 1 、s h d n bl o wl e v e l ( e l l ) ( 1 ) 参数意义：s h d n b 逻辑“0 ”电位即当电源电压变化时，s h d n b 端为逻辑“0 的最高电压。 ( 2 ) 仿真图线： v o l t a g tx o ，o 蝎 图5 1 lt y p i c a l 模型下t = 2 5 。c 时s h d n bl o wl e v e l ( v i l ) 的仿真图线 f i g 5 11 s i m u l a t i o no ft h es h d n bl o wl e v e lo nt h et y p i c a lm o d e la tt = 2 5 。c ( 2 ) 仿真结果表： 一4 9 - 真关断高效率l c d 升压变换器设计 表5 1 3s h d n bl o wl e v e l ( v i l ) 的仿真结果表 t a b 5 1 3 s i m u l a t i o no f t h es h d n bl o wl e v e