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浙江人学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c ，d c 控制器 摘要 近年来，随着消费电子产品强劲的需求，它们对于电源模块的要求也越 来越高。电源模块通常为功能模块提供恒定的电压或恒定的电流，以保证它 们稳定的工作。恒压或恒流输出应用较为广泛，如电池充电经历恒流充电和 恒压充电过程等。 交流一直流( a c d c ) 开关电源转换器是一种利用半导体功率器件作开关， 通过控制开关的开通与关断，将交流电能转变成直流电能的电路。它具有转 化效率高、功耗低、小型化以及宽输入范围等优点，符合电子产品对电源模 块的要求。而a c d c 控制器是a c d c 开关电源转换器的核心，设计时需要兼 顾转换效率、面积、功耗和稳定性等方面的考虑。 本文基于恒压或恒流输出应用提出了离线式、高稳定性a c d c 转换器的 设计，并在此基础上设计了核心的a c d c 控制器芯片。该芯片采用t s m c 公 司4 0 vc m o s 高压混合工艺来设计和实现。控制器驱动外部n p n 晶体管的射 极，并与变压器串联构成反激式拓扑，系统通过变压器和光耦实现离线式的 要求。控制器芯片采用一个控制逻辑电路来实现重载时p w m ( p u ls e 州i d t h m o d u l a ti o n ) 工作模式和轻载时p s m ( p u ls e s k ip p i n gm o d u latio n ) 工作模 式，在不增加额外电路开销的基础上提高转换效率。同时，控制器电路采用 频率抖动技术来减小e m i 和斜坡补偿来稳定开环。通过系统建模与仿真，验 证了控制器能在两种模式下实现5 o v 恒压和1 o a 恒流输出的要求。 关键词：a c d c 控制器；恒压或恒流输出；p w m 或p s m ；斜坡补偿 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 a b st r a c t r e c e n t l y ， t h e s t r o n g d e m a n do fc o n s u m e re l e c t r o n i c p r o d u c t sr e q u i r e h i g h 一1 e v e lp o w e rs u p p l ym o d u l e s t h e s em o d u l e sp r o v i d ec o n s t a n tc u r r e n to r c o n s t a n tv o l t a g ef o rt h ee l e c t r o n i cp r o d u c t st og u a r a n t e et h e mw o r ks t a b l y t h e r e i saw i d e印p l i c a t i o no fc o n s t a n tc u r r e n to rc o n s t a n t v o l t a g ep o w e rs u p p l y m o d u l e s ，l i k eb a t t e 巧c h a r g i n gp r o c e s sm a i n l ye x p e r i e n c e sc o n s t a n tc u r r e n t ( c c ) a n dc o n s t a n tv o l t a g e ( c v ) p h a s e s a c d cs w i t c h i n gp o w e rc o n v e r t e ri sac i r c u i tw h i c ht a k e sp o w e rt r a n s i s t o r a sas w i t c ht oc o r l t r o lo ns t a t ea n d0 f fs t a t er e a l i z i n ga ct od cc o n v e r s i o n i t h a sa na d v a n t a g eo fh i 曲c o n v e r s i o ne f h e n c y ， l o wp o w e rl o s s ，s m a l ls i z e ，a n d w i d ei n p u tr a n g e ，w h i c hi ss u i t e a b l et oa p p l yi nm o d e me l e c t r o n i cd e c i v e s a c d c c o n t r 0 1 l e ri st h eh e 矾o fa c d cc o n v e r t e r ，a n di t s d e s i g ns h o u l dt a k et h i n g s b e l o wi n t oc o n s i d e r a t i o n ：c o n v e r s i o ne f j f i e n c y ， s i z e ， p o w e rd i s s i p a t i o n a n d s t a b i l i 够 i n “sp a p e r ，ad e s i g nm e t h o do fo 用i n e 、h i 曲s t a b i l i t ya c d cc o n v e r t e r u s e di nc o n s t a n tv o l t a g eo rc o n s t a n tc u r r e n to u t p u ta p p l i l c a t i o ni sp r o p o s e d t h e n w ep r o p o s e dt h ed e s i g no ft h eh e a no ft h i sc o n v e r t e r ：a c d cc o n t r 0 1 l e r t h e c o n t r o l l e rc h i pi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e du s i n gt s m c 7 so 6u mc m o s h i g h v o l t a g em i x e dp r o c e s s i td r i v e st h ee m i t t e ro fa ne x t e m a ln p nt r a n s i s t o r ， a n ds e r i e sw i t ht r a 【n s f o 册e rt oc o n s i s taf l y b a c kt o p 0 1 0 9 y t h es y s t e mi so f n i n e t h r o u 曲t h eu s eo ft r a n s f o 彻e r sa n do p t o c o u p l e rt r a n s i s t o r ac o n t r o ll o g i c m o d u l ei s i n t e g r a t e d t or e a l i z et h a tt h ec o n v e r t e rw o r k so n p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p v 矿m ) m o d ea th e a v yl o a da n dp u l s e s k i p p i n gm o d u l a t i o n ( p s m ) i v 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 m o d ea tl i g h tl o a d ，t o a c h i e v eh i g he 硒e n c yc o n v e r s i o no nl o wc i r c u i ts p e n d m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o l l e ri n t r o d u c e s 厅e q u e n c yj i t t e rt e c h n i q u et or e d u c et h ee m i a n ds l o p ec o m p e n s a t i o nt om a k et h eo p e nl o o ps t a b l e a r e rs y s t e ml e v e l m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nw e r em a d e ，t h ed e s i g nr e s u l t si n d i c a t e d ：t h ec h i pc a n r e a l i z e5 0 vc o n s t a n tv o l t a g ea n d1 o ac o n s t a n tc u r r e n to u t p u ts t a b l yb a s e do n 觚oo p e r a t i o nm o d e s k e y w o r d s ：a c d cc o n t r o l l e r ；c o n s t a n tv o l t a g e ( c v ) a n dc o n s t a l l tc u l l r e n t ( c c ) o u t p u t ；p ，1 、，僵p s m ；s l o p ec o m p e n s a t i o n v 浙江大学硕士学位论文 恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 插图 图1 1 图1 2 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2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 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 图一3 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 插图与附表 电源管理产品市场销售额1 手机集成电源管理系统4 b u c k 转换器原理图8 b u c k 转换器c c m 模式波形图9 b u c k 转换器d c m 模式波形图1 0 b o o st 转换器原理图1 1 b o o s t 转换器c c m 模式波形图1 1 b o o s t 转换器d c m 模式波形图1 2 b u c k b o o s t 转换器原理图1 3 b u c k b o o s t 转换器c c m 模式波形图1 3 b u c k b o o s t 转换器d c m 模式波形图1 4 反激式转换器原理图1 4 反激式转换器c c m 模式波形图1 5 反激式转换器d c m 模式波形图1 6 正激式转换器原理图1 7 正激式转换器c c m 模式波形图1 8 正激式转换器d c m 模式波形图1 8 电压模式控制环路1 9 峰值电流模式控制环路2 0 平均电流模式控制环路2 1 迟滞型控制环路2 2 a c d c 转换器原理图2 4 a c d c 转换器系统结构图2 7 c a s c o d e 结构示意图2 9 反馈环路示意图3 2 t l 4 3 1 符号和片内框图3 3 斜坡补偿示意图- 3 4 系统工作模式转换图3 5 p w m 和p s m 工作模式示意图3 6 p w m 工作模式波形图3 7 p s m 工作模式波形图3 8 反激式变压器模型3 9 两种工作模式( a ) p w m 模式( b ) p s m 模式4 0 恒流恒压输出( a ) 8 5 v 输入电压( b ) 2 6 4 v 输入电压4 1 a c d c 控制器系统结构4 2 时钟电路结构示意图4 3 时钟电路波形图4 4 充放电控制模块电路图4 4 时钟电路的仿真波形图4 5 基准浮动机制电路图4 6 浮动基准波形图4 7 斜坡电流产生电路4 8 v i 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 图4 9带隙电压基准5 0 图4 10电压基准各工艺角下仿真图5 1 图4 1 1电流基准电路5 2 图4 1 2g m 跨导放大器5 3 图4 13g m i d 在不同栅源电压条件下情况5 5 图4 1 4驱动电路5 6 图4 1 5v d d 电源模块5 6 图4 1 6v d d 电源模块仿真波形图5 8 图4 17电压预调整电路5 9 图4 1 8电压预调整电路仿真波形图6 0 图4 1 9短路打嗝保护电路6 0 图4 2 0短路打嗝保护电路仿真波形图6 1 图4 2 1a c d c 控制器版图6 2 附表 表1 1低压差线性稳压器、开关电源交流一直流转换器以及l e d 驱动器比较6 表4 1各时序条件下基准浮动情况4 7 表4 2a c d c 控制器仿真结果总结6 1 v i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈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。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过的 研究成果，也不包含为获得逝鎏盘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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年 月日签字日期： 年月 日 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 致谢 光阴荏苒，当毕业的钟声越来越临近时，我慢慢回想起过往求学的美好 时光，一种莫名的感觉油然而生。十八载的岁月，十八载的苦读，铸就了十 八载的成长，从一个懵懂初醒的少年，到一个意气奋发的大学生，到一个能 为社会做出贡献的合格公民，我要感谢的人太多太多。 首先要感谢的是我的导师锕乐年教授，他渊博的理论知识，严谨的科 研作风和认真的治学态度深深的影响着我。在科研项目过程中，何教授不仅 悉心指导、给与我们充分的信任，还提供给各种锻炼自己、开阔眼界的机会。 在生活中，何老师儒雅的作风和周到的光怀，让我有动力去克服种种的困难， 出色的完成任务。 感谢陈琛师姐、王忆师兄和张鲁师兄。在项目过程中，陈琛师姐给于了 认真的指导，她的科研方法和态度给了我很大的启发。感谢王忆师兄在论文 书写时的修改和指导，也感谢张鲁师兄在我设计中遇到困难时的帮助和点 拨，让我掌握了很多学习方法和设计方法，使我受益匪浅。 感谢我的好同学好兄弟金津、孙亮和赵百鸣，在硕士过程中一起学习、 一起生活，相互交流思想和彼此提高，我想，我们以后还会相互帮助和鼓励， 实现各自远大的理想。感谢苑婷、陈俊晓、叶益迭和朱丽芳，在和她们的讨 论中，我得到了很大的提高。 感谢师弟师妹宁志华、诸剑慧、董玲玲、王逭、陆艳锋、胡博宇、邵亚 利、侣宏伟等，与你们一起相处的日子，让我学习了很多。 最后我要感谢我的父母，是她们养育了我，培养我、支持我，在我最困 难的时候给我最大的帮助和鼓励。你们的帮助和鼓励是我奋发和进步不竭的 动如。 t i 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 1 引言 本章首先概述电源管理芯片的应用背景和发展状况，总结了线性电源、开关电源管 理芯片的特点和市场背景。然后针对开关电源展开论述，介绍开关电源转换器的拓扑结 构和控制模式。最后还总结了交流直流( a c d cc o n v e n e r ) 变换器的特点以及其应用环 境和市场前景。 1 1 电源管理芯片市场前景 近年来，旺盛的消费电子产品的需求拉动了电子产业慢慢走出低谷。而这些便携式 电子产品，需要电源管理模块甚至是电源管理系统为其提供充放电管理、稳定的电压输 出、稳定的电流输出以及显示等。根据d a t a b e a n s 的数据显示，如图1 1 所示，电源 管理产品的销售额每年以1 5 的速度增长，估计到2 0 1 0 年底，电源管理市场将达到1 2 0 亿美元的销售额，这将占整个模拟器件市场的4 0 。 图1 1电源管理产品市场销售额 电源管理芯片主要可以划分为两大类：一类是分立的电源管理器件如功率场效应管 ( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅场效应管( i g b t ) 以及门控晶闸管( m c t ) 等；另一类是集 成的电源管理模块i c 。这些电源管理i c 从功能上主要可以分为：线性稳压器l d o ，包 括单通道、多通道和低压降等不同的类型；直流直流变换器( d c d cc o n v e r t e r ) ，有升 压式( b o o s t ) 、降压式( b u c k ) 以及升降压式( b u c k b o o s t ) 等拓扑结构；交流直流变 换器( a c d cc o n v e n e r ) 有隔离式和非隔离式等不同的类型；照明解决方案如w l e d 驱 动器、o l e d l c d c c f l 背光驱动器；电池管理芯片包括电量检测、充放电管理芯片以 -l=oo：o价co一|i芝 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 及锂电池保护芯片等。根据电源应用领域来划分，市场份额在前三位的分别为消费电子 类、通讯类和工业电子。消费电子类大概为3 5 亿美元，通讯类为3 4 亿美元而工业电子 大概为2 5 亿美元。 随着全球电子整机市场向中国转移以及世界金融危机的影响，电源市场增长进入一 个稳定的增长期。世界各大半导体厂商根据新兴市场对电源管理芯片的需求，利用现代 先进的电子设计技术和半导体工艺制造技术，推出适合于便携式电子产品的电源管理i c 。 德州仪器公司推出的t p s 6 5 系列集成电源管理系统是电源管理芯片的集大成者，其中集 成了电池充电多输出通道d c d c 转换器、多输出通道l d o 线性稳压器、l e d 驱动显 示模块以及i i c 数字接口。此外，还有凌特( l i n e a rt e c h n o l o g y ) 的l 1 系列，美信( m a x i m ) 的m a x l 6 0 系列和m a x 8 6 系列，意法半导体( s t ) 的l 4 9 系列等。 1 2 电源管理芯片分类 根据不同的工作原理，电源i c 主要可以分为线性稳压器和开关电源稳转换器。开关 电源稳压器根据不同的应用，有d c d c 变换器、a c d c 变换器以及l e d 驱动器等。下 边分别加以介绍。 线性稳压器一般是指其稳压器芯片内部的大功率m o s 管工作在较大的线性范围，通 过负反馈来调节输出电压稳定的电路。由于输入电压变化范围较大而输出电压稳定，因 此输入输出的压差可以在较大的范围内变化，这使得大功率m o s 管上的损耗在大压差下 消耗较多的功耗，转换效率低。近年来开发的新型低压差线性稳压器芯片( l d o ) ，通过降 低芯片的静态电流，降低调整管的压差来提高转换效率。如输出电流达到3 0 0 m a 时，其 压差在1 0 0 m v 左右。而在输出电压较小时，其压差为几十毫伏。调整管压差的损耗降低， 效率得到了大大的提升。线性稳压器由于外围所需的器件少、输出噪声低、成本较低， 系统结构简单、环路分析较为成熟，因而得到了广泛的应用。 低压差线性稳压器( l d o ) 根据不同的需求，也可分为低功耗l d o 、无片外电容 ( c a p a c i t o rf r e e ) l d o 以及高p s i 冰的l d o 。低功耗的l d o 主要应用在对效率要求比 较高、节能的电子产品中，如手机、m p 4 等。由于l d o 内部的误差放大器和带隙电压基 准( b a n d g 印r e f e r e n c e ) 是消耗静态电流的主要模块，因此降低静态条件下的偏置电流， 从而降低在这两个模块中的偏置电流进而降低芯片的静态电流是低功耗l d o 的设计途 径之一低静态偏置电流可以通过使其中两个m o s 管工作在亚阈值的条件下来实现。而 2 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输i i ：应用的离线式a c d c 控制器 无片外电容的l d o 具有广泛的应用场合和深刻的意义，对于给数字模块供电的电源模 块，数字模块供电电流的突变会造成供电电压的瞬间上升和下降，这对于关键的数字模 块来说，可能是致命的。因此，无片外电容的l d o 可以解决这个问题。一般来说，任何 检测片外电压变化来调节调整管的方案都具有一定的滞后意义，我们只能在一定程度上 降低电压突变的上限或下限值。通过增加一个微分电路检测外部电压的变化，控制调整 管栅极的电压来控制输出电流的方法是可行的，但是微分电路输出驱动电流的大小和调 整管栅极电容的大小需要很好的计算以达到要求的性能。而高p s i 冰的低压差线性稳压 器无论对研究来说还是工业应用都是不可或缺的。对于对电源电压敏感的电子产品，如 微处理器、数据转换器等，需要高p s r r 的l d o 来稳压。当调整管工作在线性区时，调 整管相当于一个有源电阻，电源的噪声将直接耦合到l d o 的输出端，因此，调整管需始 终工作在饱和区。通过对l d o 系统的噪声分析，带隙基准和误差放大器对于噪声的影响 较大，因此在带隙基准模块中采用预调整电路进一步提高噪声抑制，在误差放大器中采 用共源共栅( c a s c o d e ) 结构等都是较好的方法。 与线性电源稳压器不同，开关电源转换器至少包含一个或几个功率开关管( 一般为 m o s f e t ) ，通过控制功率开关的开通和关断来调节输出电压和电流，并通过负反馈来稳 定其输出的一种电路。利用开关电源的原理，通常有交流直流转换器、直流一直流转换器、 电荷泵转换器( c h a r g ep 啪p ) 、功率因素校正器( p f c ) 和l e d 驱动器等。下面将分别 加以介绍。 交流直流转换器( a c d cc o n v e n e r ) 是将交流电( 如5 0 h z 工频电压) 变成直流电 的电路。通常整流和滤波的线性转换器也能完成交流到直流的转换，但由于其精度较低、 体积和重量都很大、效率极低以及难以在较宽的输出电压范围达到稳定的输出等问题， 很难符合现代电子产品对于高效率、小型化、宽输入电压范围以及高输出精度的要求。 而开关电源交流直流转换器是符合电子产品的这些要求，根据输入和输出是否隔离，可 分为离线式和非离线式；根据调节端的不同，可分成原级调节和次级调节；同时也可分 为各种不同的拓扑应用。 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 电池管理功率转换负载管理 r 鬈口咩匝 i 射频模块 i i电池充电i l l d o 稳压 l i电池保护i l 开关电容稳压l l 音频模块 l i 电感式开关稳压li 基频模块 l r 1 1 升压 i 处理器和内存i l 开关电容稳压l l l e d 背光和显示l i 由县i 黼l l 电感式开关稳压i i 感应器 i 图1 2 手机集成电源管理系统 直流直流转换器( d c d cc o n v e i r t e r ) 是将输入直流电转换为输出直流电的电路。根 据输入输出电压的不同，有升压式、降压式、升降压式等不同类型。直流直流转换器通 常具有较高的输出精度和较高的转换效率。通常可以集成在电源管理系统中，如图1 2 所示，升压式的直流直流变换器为背光的键盘l e d 、白光l e d 供电，而降压式的直流 直流变换器以及串接的l d o 为音频、射频、基频模块和内存模块供电。 电荷泵转换器( c h a r g ep u m p ) 也叫开关电容直流直流转换器，利用开关和电容电荷 的充电、放电转移来完成倍压、反转电压等功能。它的输出可以是输入电压相应的负电 压，也可以是输入电压转换成几倍。电荷泵转换器相对于上面所述的直流直流转换器具 有外接器件少，电路简单，特别是无需外接电感等特点。此外，电荷泵转换器具有较高 的转换效率，且静态电流较低，因此在消费电子产品中有较广的应用。 功率因素校正器( p f c ) 主要是为了提高电子产品对电能的利用效率。功率因素越 高，说明电能的利用效率也越高。p f c 有主动式( a c t i v e ) 和被动式( p a s s i v e ) 之分。被动 式p f c 结构较为简单，主要是由一颗硅钢片电感制成，利用电感线圈内部电流不能突变 的原理调节电压和电流的相位差，使电流以趋向于正弦化以提高功率因素角。通常功率 因素角较低，为7 0 左右。而开关电源p f c 是一种有源的p f c ，利用电感、电容、功率 开关管、控制器i c 等组成，通过控制器i c 去调节电流的波形，对电压和电流之间的相 位差进行补偿。通常情况，主动式p f c 功率因素可以达到9 8 以上，并且它具有尺寸小、 重量轻、输入电压范围宽等优点，但其成本较高，主要应用于中高端的电源产品。 4 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 l e d 驱动器( l e dd r i v e r ) 是一种专门为l e d 提供恒定的电流驱动的电路。它利用 p w m 控制器、功率m o s f e t 、外围的电感和电容元件构建不同的拓扑结构，为l e d 串 或l e d 阵列提供多通道恒定电流。根据驱动电流的不同，有大电流的白光l e d 照明的 驱动器，也有小电流的l e d 背光和显示驱动器。通常，较高的电流匹配( 典型值士0 7 ) 能确保一致的亮度，较高的调光比( 如3 0 0 0 ：1 ) 可以是色彩显示更加逼真，这可以通过 p w m 调光或者线性调光两种不同的调光方式来实现。 1 3 电源管理芯片性能要求 根据不同的应用环境，选择合适的转换器为其供电是电源管理系统设计的核心。射 频和基频模块的压控振荡器( v c o ) 和锁相环( p l l ) 需要低噪声和高电源抑制的电源 供电，以提供一个低噪声的恒定电压。而手提式电脑中的磁盘驱动器、刻录机和键盘驱 动需要一个较高的电源电压，对电源噪声要求不苛刻，因此可以通过交流直流变换器和 直流直流变换器来实现。而大型l e d 显示器的背光驱动以及l e d 显示模块通常需要一 个恒定的直流电流，这通常可以由p w m 控制的开关电源变换器来实现。消费电子产品 电源管理i c 种类较多，而较高的输出精度、高转换效率、高稳定性、较快的响应速度、 低静态电流、低工作电压、保护功能完善以及较小的尺寸和重量通常是这类电源管理i c 的共有特点。这不仅能延长电池使用时间、提高整机性能，同时安全性能好、占有的空 间小。这些共有特点归纳如下： ( 1 ) 高输出精度 一般来说，电压输出精度在2 4 左右，交流直流转换器输出精度最差可以为5 左 右。但新型直流直流变换器也有1 以下的，而线性稳压器l d o 的精度则更高，可以到 0 0 5 0 1 ，有的甚至到0 0 l 以下。通常输出电压或者电流的温度系数也要求较小， l d o 输出电压一般为士o 3 m v 士o 5 m v ，而l e d 电流精度在整个温度范围一般为4 左右。线性调整率一般可以达到o 1 ，而负载调整率一般为o 3 0 5 m a 。 ( 2 ) 高转换效率 对于电池供电的转换器，提高转换效率有利于提高电池的运行时间，延长设备的工 作时长。d c d c 转换器转换效率最高可达9 7 ，而l d o 在低静态电流和低压差的条件 下也能达到较高的转换效率。而对于市电供电的a c d c 转换器转换效率最高为8 0 左 右，这是由于电感、电容、功率开关管以及外围分立元件的非理想所造成的。 浙江大学硕七学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 ( 3 ) 高稳定性 电源转换器或稳压器的稳定性直接决定了电子产品工作的稳定性。特别是当负载发 生较大变化时，或者当电源电压降低时，转换器也能持续的提供稳定的电压或者电流输 出，不会产生较大的纹波。还有，在极端恶劣的条件下，如超高温高压等，电源转换器 或稳压器也能正常的工作。 ( 4 ) 较快的响应速度 当输入电压或负载发生变化后，输出电压或电流恢复所需的时间越快，则响应速度 越快，响应时间越短。在开关电源转换器中，也有增加电源电压检测模块来实现快环路 调节占空比，进而调节输出电压的前馈通路机制。在线性电源转换器l d 0 中也有通过检 测负载的变化来迅速调节调整管的栅压来提高响应速度的。 ( 5 ) 低静态电流 对于开关电源转换器来说，控制器i c 的静态电流对输出电流来说较小，因此，对静 态电流要求不是很严格，但对功率m o s f e t 的导通电阻要求则是越小越好。而对于线性 稳压器l d o 来说，低静态电流将会非常重要，特别是应用在电池供电的便携式电子产品 中。 ( 6 ) 完善的保护功能 新型的电源管理芯片都需具备异常保护功能，如：输出端短路保护、过流保护、过 温保护、极性反接保护以及输入电压的钳位保护等，这使得电子产品不会受到损坏。 ( 7 ) 尺寸小和重量轻 对于消费电子产品来说，较大的尺寸和过重的体重可能会使其失去市场竞争力。采 用较小的分装形式，如s o t - 2 3 、“m a x 和最小尺寸的分装s m d 等，使得电源占用的空 间越来越小。 表1 1低压差线性稳压器、开关电源交流一直流转换器以及l e d 驱动器比较 低压差线性稳压器开关电源交流直流转换器l e d 驱动器 ( l d o )( a c d cc o n v e r t e r ) ( l e dd r i v e r ) 输出 恒定电压输出恒定电压或者恒定电流 恒定电流输出 且只能降压输出 转换效率 低中等，压差和静态电流转换效率较低转换效率较高 较小时，效率可以提高一般小于8 0 i可以大于9 0 外围器件 少，只需要电容较多中等 隔离武转换器需要变压器但需要电感和电容等 纹波 纹波很小纹波较大中等 噪声低( 2 4 精度范围)( 4 精度范围) 6 浙江大学硕士学位论文 恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 尺寸 小较大小一中等 需要散热体时较大带整流和滤波电路电感较大时较大 消耗热量 压差较大时中等小一中等 消耗热量大功率管在内部时稍大功率管在内部时稍大 总体成本 成本较低成本较高中等 应用于对电源噪声要求比交流市电转换为直流电要求恒定电流供电 较敏感的电子产品中对纹波要求不苛刻的场合的场合 应用场合 如射频模块，处理器等如充电器，适配器 表1 1 比较了低压差线性稳压器、开关电源交流直流转换器和l e d 驱动器的各方面 特点和应用场合。消费电子产品对于电源i c 的要求因具体的应用场合而不同，对于l e d 串和l e d 点阵需要恒定电流驱动器进行供电，且对电流的精度有较高的要求。l e d 驱动 器还需要支持较高的调光比以完成全彩色的显示，因而需要支持线性调光或者p w m 调 光。低压差线性稳压器( l d o ) 则应用于恒定电压供电的场合，根据对电源噪声、是否 可以外接电容以及对效率要求是否苛刻，可以分别选择不同类型的l d o 。而交流直流开 关电源转换器( a c d cc o n v e n e r ) 既可以支持恒定电压的输出，也可以实现恒定电流的 输出，因此具有较广泛的应用场合。锂电池充电过程需要经历三个过程，分别是小电流 预充电、恒定大电流充电和恒压小电流充电，对于设计合理的a c d c 转换器可以完成上 述的功能，且可以通过检测负载的电压和充电电流来完成恒压到恒流的平衡过渡。 开关电源比线性电源具有较高的转换效率，可以完成升、降压全电压范围的变换以 及恒流的输出，虽然外围的元件较多，尺寸和重量较大，但是随着现代电子设计技术和 不断发展的工艺制造技术的发展，这些问题会逐渐的合理的得到解决，这也将为开关电 源技术的发展带来前所未有的机遇和挑战。 本论文a c d c 转换器以及a c d c 控制器的设计是基于恒流或者恒压的输出应用环境的 需要，在完成了科研项目离线式、高稳定性a c d c 控制器设计后撰写的，项目组由两 个人共同完成，本文作者和苑婷，本文作者侧重于系统的建模和分析、a c d c 控制器的系 统分析和关键模块振荡器模块、逻辑模块的设计和仿真，这在第3 章和第4 章分别加以介 绍。 7 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 2 开关电源原理 开关电源技术在2 0 世纪9 0 年代以后，由于在电子、电气设备和家电领域得到了很 好的应用，进入一个快速发展期。由于其不需要体积很大且很笨重的工频变压器和很大 的滤波器，以及散热片，因此开关电源转换器在尺寸、效率和成本上都具有较大的优势。 下面将分别介绍开关电源的拓扑结构和控制环路。 2 1 开关电源拓扑结构 2 1 1 b u c k 转换器 m n 图2 1b u c k 转换器原理图 图2 1 是b u c k 转换器的原理图。k 。为输出电压，通常接外部电源。q 1 和q 2 是功 率开关管，它们通常是具有很大的宽长比的m o s f e t ( 对应于同步控制模式) 。而q 2 也 可以由大功率肖特基二极管来实现( 对应于异步控制模式) 。它们由驱动电路完成控制和 驱动，为了不使q 1 和q 2 同时导通，产生较大的穿通损耗( s h o o t t h r o u 曲l o s s ) ，在q 1 和q 2 的转换时，需要有一段死区时间控制( d e a d t i m ec o n t r 0 1 ) 。在b u c k 转换器正常 工作时，q l 和q 2 以一定的时间轮流导通，其中q l 管的导通时间而n 占整个开关周期丁 的比率被称为开通占空比，用d o n 表示，而q 2 管的导通时间也就是q 1 管的关断时间( 死 去时间很小，与开关周期比较，可以忽略) 乃f r 占整个开关周期丁的比率被称为关断占 空比，用d o f r 表示。其中珧n + d o 肛l 。 下面分析b u c k 转换器的工作过程。假设q l 和q 2 的导通电阻r o n 很小，视作理想 开关。s w 点的电压地w 和电感电流凡如图2 2 所示。当电感电流在一个开关周期内， 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 电流都不会为零，即电感电流上升时间和电感电流下降时间之和为开关周期时，称之为 电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u l l r e n tm o d e ，c c m ) 。 醚t f 图2 2b u c k 转换器c c m 模式波形图 在一个开关周期丁的肚乃n 时间内，q l 导通，q 2 关断。电源通过q l 向电感、电 容和负载供电。此时s w 端的电压近似为所n ，电感两端电压近似固定，电感电流按照一 定的斜率上升，其斜率为勋n = ( 阳n u t ) 厄。而在而n 丁的时间内，q 1 关断，q 2 开通。 此时电感和电容上的能量转移到输出负载，电感电流按照一定的斜率下降，其斜率为 勋肛蜘u t 亿。在一个周期内，s w 点的电压平均值为d 所n 。由于在s w 点具有较多的高 频和噪声分量，所以输出加的l c 滤波使得输出电压稳定。电感电流的变化值和输出电 压可以表示为： 他= 等( 丁吲 圪埘= d d 力圪 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 上面的分析是基于电感电流在一个周期内不会为零的基础上的，而当电感较小、输 出电流比较小或者开关周期比较长的时候，当电感电流下降为零而新的开关周期还没有 开始，这种工作模式被称为电感电流断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u n - e n tm o d e ，d c m ) 。在 d c m 模式，s w 点的电压和电感电流的变化如图2 3 所示。 同c c m 模式一样，在一个开关周期r 的0 而n 时间内，q 1 导通，q 2 关断。电源 通过q l 想电感、电容以及负载供电，电感上的电流线性上升，与c c m 不同的是，电感 电流在每一个周期都从零开始上升。而在乃n ，如仃的时间内，q l 关断，q 2 开通。电感 o 浙江火学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 上和电容上储存的能量向负载释放，这段时间电感电流也以一定的斜率线性下降。当时 间到达一个周期的乃f f 时，电感上的电流下降为零，此时电感相当于一根导线( 假设电 感理想) ，s w 端的电压等于输出电压，电感电流保持为零直到周期结束。在这段时间内， 两个功率开关管都处于关断状态。电感电压的变化值和输出电压可以表示为： 厂一堡丁 ( 2 3 ) 上= 半 2 去 ( 2 4 ) 图2 3b u c k 转换器d c m 模式波形图 由上述分析可知，无论b u c k 转换器处在c c m 模式还是d c m 模式，输出电压都小 于输入电压，因此这种转换器也被称为降压式转换器( s t e p d o w nc o n v e r t e r ) 。 2 1 2 b o o s t 转换器 m n 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 图2 4b o o s t 转换器原理图 图2 4 为b o o s t 转换器的原理图。所n 为输入电压，通常来说也为外部的电源供电电压， 如各种电池或者其他直流电源等。q l 和q 2 为功率m o s 管，通常也具有较大的宽长比也满 足走大电流的需求。根据不同的控制需求，q 2 可以集成到片内或这选用片外的分立m o s 管，也可以用大功率的肖特基二极管来代替q 2 ，同b u c k 一样，这通常为称为异步控制模 式( 区别于m 0 s 管的同步控制模式) 。正常工作的时候，q l 和q 2 以一定的时间轮流开通， 其中q 1 的开通时间t o n 占整个开关周期的比率为开通占空比，即d o n 。q 2 管开通时间也 即q l 管的关断时间( c c m 模式) 占整个开关周期的比率为关断占空比，即d o 行。 同b u c k 转换器一样，b o o s t 转换器也有两种工作模式：c c m 和d c m 。当电感电流 在整个开关周期内都不为零，也印t o n 和t o f r 之和为开关周期，b o o s t 转换器工作在c c m 模式。而在每个开关周期，电感电流都从零开始上升，且在下一个周期到来之前，电感 电流已经为零，则b 0 0 s t 工作在d c m 模式。在0 乃n 时间内，电感电流线性上升，斜率 为所以，此时，负载上的电流完全有输出电容c o u t 提供。而在乃i 卜乃行的时间内，电源 和电感同时向输出电容和负载电阻提供电能。此时，电感电流以( 踟u t 一所n ) 厄下降。 醚l 图2 5b o o s t 转换器c c m 模式波形图 c c m 模式b o o s t 转换器电感电流上升和下降的变化图如图2 5 所示。与b u c k 转换器 不同的是上升和下降的斜率。根据电感伏秒平衡原理，电感电流的变化值和输出电压分 别为： 舻毕砀 5 。每 6 浙江大学硕士学位论文恒流或恒压输出应用的离线式a c d c 控制器 在d c m 模式。fb o o s t 转抉器的电感电流曲线图如图2 6 所不。电感电流在每一个周 期都从零开始，在周期结束前，又下降到零。这通常是由于电感较小，周期过长或者输 出电流比较小的情况下发生的。在这种模式下电感电流变化值和输出电压为： 虬：鼍墨 7 ) = 警 ( 2 8 ) 图2