（微电子学与固体电子学专业论文）电流型白光led驱动芯片设计与电路优化.pdf

电流型白光l e d 驱动芯片设计与电路优化 摘要 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。本文设计实现了d c m c p m 型的升压开关电源芯片，其输出电压和驱 动能力满足设计要求。 在d c m c p m 型开关电源电路设计中，本文结合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。重点分析了电压基准源电路和跨导运算放大器( o t a ) ，简 要介绍了其他模块的电路结构和仿真波形。提出将遗传算法引入电路设计中， 程序运算结果和仿真结果基本吻合，实现典型结构的模拟电路的电路级自动生 成。该芯片采用标准的c s m co 6 t i mc m o s 工艺，输入电压范围为2 6 v 5 v ， 输出电流为1 6 m a 。芯片设计了温度性能良好的电压基准源电路，工作温度范 围为4 0 至1 0 0 ( 2 ，温度系数为4 p p m 。 在完成电路结构设计的基础之上，应用e d a 软件c a d e n c es p e c t r e 对各个 子电路模块和整体电路进行了仿真，仿真结果均达到或优于预定指标，验证了 设计理论。 关键词：开关电源峰值电流控制模式遗传算法自动设计 d e s i g no fc u r r e n tm o d el e d d r i v e ra n dc i r c u i t o p t i m i z a t i o n a b s t r a c t p o w e rm a n a g ep r o d u c t sa r ew i d e l yu s e di nt h ew h o l ee l e c t r o n i ci n d u s t r ya n d t h e ya r et h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe l e c t r o n i cp r o d u c t s t h i sp a p e rc a r r i e so u ta d c m c p mb o o s td c - d cc o n v e r t e rw h i c hm e e t st h es p e c i f i c a t i o n i nt h ed e s i g n i n go ft h ed c m - c p mb o o s td c d cc o n v e r t e r ，t h i sp a p e r p r e s e n t s ac i r c u i td e s i g nb a s e do nt h et h e o r yo fp w mc o n t r o lm o d ea n d p e a k - c u r r e u tc o n t r o lm o d e ，t h e nt h ea n a l y s i so ft h ew h o l ec h i ps t r u c t u r ea n d s u b c i r c u i t si sp r e s e n t e di nw h i c hv o l t a g er e f e r e n c ea n do t as u b - c i r c u i t sa r e e m p h a s i z e do n g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) h a sb e e ni n t r o d u c e di n t oa n a l o gc i r c u i t d e s i g n ，w h i c ha u t o m a t e st h ea n a l o gc i r c u i td e s i g n t h ec h i pa d o p t ss t a n d a r dc s m c o 6g mc m o sp r o c e s s 。t h ei n p u tv o l t a g er a n g e sf r o m2 6 vt o5 va n dt h eo u t p u t c u r r e n ti s16 m a t h ec h i pc o n t a i n sav o l t a g er e f e r e n c ew h i c hh a sh i g ht e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t e sf r o m 4 0 ct o1 0 0 cw i t h t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t 4 p p m c f o l l o w e dt h ed e s i g no fc i r c u i ts t r u c t u r e ，e a c hm o d u l ea n dt h ew h o l ec i r c u i ti n t o pl e v e lh a v eb e e ns i m u l a t e di nc a d e n c es p e c t r es i m u l a t o ra n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sm e e tt h es p e c i f i c a t i o nw h i c hv a l i d a t et h et h e o r y k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r ，p e a kc u r r e n tc o n t r o lm o d e ，g a ，a u t o m a t i cd e s i g n 插图清单 图1 1白光l e d 发光光谱分布图2 图l - 2 白光l e d 正向电流一色度特性3 图1 - 3 一组自光l e d 电压和电流关系曲线3 图1 4 电容式电荷泵结构4 图1 - 5d c d c 变换器基本拓扑结构 图2 - 1 开关电源的基本构成。6 图2 - 2 开关电源电路的实现形式，7 图2 - 3b o o s t 变换器原理图 图2 - 4 电感特性与电容特性的比较9 图2 - 5 电感电流不连续模式下电压电流波形1 0 图2 - 6 电压增益曲线 图2 - 7 开关网络等效电路图1 4 图2 - 8 d c m - - b o o s t 变换器的p s p i c em o d e l 代码1 5 图2 - 9c a p t u r e 界面中电路形式 图2 1 0 环路增益频率特性曲线1 6 图2 1 1 环路相位移动频率特性曲线1 6 图2 1 2 控制环路结构图1 7 图3 - 1 两极运放结构图2 2 图3 2 单点交叉原理2 4 图3 3 变异策略原理图2 4 图3 4 遗传算法程序设计主界面2 6 图3 51 号运放开环频率特性图2 7 图3 - 6 适应度进化曲线图2 8 图3 72 号运放开环频率特性图2 9 图3 8 适应度进化曲线图2 9 图4 一l 基准电压源原理图：3 l 图4 2 传统带隙基准电压源电路3 2 图4 - 3 低压基准源原理图3 3 图4 4 低压基准源整体电路图。 图4 - 5 基准源基准电压温度特性曲线图3 4 图4 - 6 基准源开启特性3 5 图4 7 基准电压直流仿真特性3 5 图4 _ 8 环形振荡器整体电路图3 6 图4 9 环形振荡器电流偏置电路3 7 图4 - 1 0 振荡器仿真波形3 8 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 1 图4 2 2 图4 - 2 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 _ 4 图5 5 图5 6 p w m 比较器4 0 p w m 比较器仿真波形图4 0 过流保护比较器一4 1 过流保护比较器仿真曲线。4 2 有直流电源的运算放大器电路符号4 3 运算放大器的开环和闭环幅频特性。4 4 电流检测运算放大器电路图4 5 频率补偿原理图” 4 5 反馈环路小信号等效模型。4 6 电流检测运算放大嚣频率特性曲线 误差放大器电路图4 8 误差放大器频率特性4 8 数字逻辑电路4 9 芯片上电启动仿真波形图。5 0 电路各主要节点波形5 i 线性调整特性一5 l 负载调整特性5 2 输出电流与开关管信号对比5 3 关断特性仿真图5 3 表清单 表3 - 1 仿真结果和设计结果的比较( 1 号运放) 2 7 表3 2 仿真结果和设计结果的比较( 2 号运放) 2 8 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。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， 也不包含为获得合肥工业大学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。 学位论文作者签字；肖瞻签字日期：弦口7 年，- n 3b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、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。本人授权合肥工业大 学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 瓿蛇 签字日期：弘口7 年i t 月) ，日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：多于年p 月多日 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! 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，对我 在研究生阶段的学习提供了很大的帮助。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，在今后的学习和生活中，我要以此为榜样。 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。 感谢我的同学杨珂、张昌璇、汪明亮、张晓明、邹和仕，他们给我的论文 撰写提供了无私的帮助，感谢陈跃飞，王坚良在v b 编程时给我提供的帮助，帮 我克服了许多困难，陪我度过了美好的校园时光。 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l 作者：肖晗 2 0 0 7 年1 2 月1 4 日 第一章绪论 1 1 引言 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。电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长，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。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，未来有利于集成电路产 业发展的政策还将继续推出。另外，笔记本、l c d 显示器和数字电视等产品的 快速增长，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，而且，随着国内产品结构的升级，新应用带来新需求，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。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，而随 着具备显著节能效益与技术潜力的高效率白光l e d 逐渐发展成为新时代的照 明主流j ，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【2 1 。 发光二极管( l e d ) 是p n 结型半导体，它具有小型、抗震、坚固、寿命长、 不易发热、低耗电量且功能稳定等特性。随着高亮度、高功率白光l e d 的实用 化，l e d 的应用范围日益广泛，在照明市场上的发展潜力很大。功率可达数瓦 的高功率白光l e d 与传统的白炽灯泡或荧光灯相比，具有体积小、耗电少、发 热量低、使用寿命长及环保等优点，成为照明灯的新秀。而高亮度白光l e d 的 应用目前以手机、p d a 和数码相机为主，手机与p d a 的彩色液晶显示屏的背 光源以及照相功能手机上配备的闪光灯都在使用白光l e d 。目前有两种基本的 l c d 技术来显示彩色，分别采用超扭曲向列( s t n ) 或薄膜晶体管( t f t ) 显示，这 两种方式都需要白光背光照明。因为白光光谱包含了所有颜色，而显示器的滤 色镜会从白光光谱中挑选所需的颜色，如果光谱不是完全白光，色彩便会失真 扭曲，显示也会变得混浊【”。 1 2 白光l e d 特性 由于目前使用白光l e d 作液晶电视背光源成本相当高，且蓝光加黄色荧光 粉的白光l e d 背光源对红色的表现力明显不佳，目前仍普遍采用分离的红、绿、 蓝三色l e d 作背光源。实际上单波长的l e d 不能发白光，白光至少是由两种 波长光或三种波长光相混合的结果。目前最常见的发光模式是在蓝光l e d i n g a n 材料的芯片上加上受蓝光照射产生与蓝光互补的5 5 5 n m 波长的黄色荧光 材料( y a g 黄色荧光粉) ，再利用透镜原理将黄、蓝光混合，视觉上产生白光效 果。另一种是无机紫外光芯片加红、绿、蓝三色荧光粉的三波长光模式。显然， 白光不存在固定波长，图1 1 是蓝光l e d 加黄色荧光所得白光l e d 的发光波 长( 图1 - 1 中实线) ，它包含了蓝光和黄光区域的峰值，图中虚线是肉眼的相对 光灵敏度。白光l e d 的彩色由色坐标x 、y 定义，x 、y 坐标值是根据国际光照 委员会( c i e ) 的1 5 2 规范计算得出的。 图1 1 白光l e d 发光光谱分布l 墨i 现在市场上广泛使用的白光l e d 基本上是以单晶型白光l e d 为主，白光 l e d 的正向压降比一般的有色l e d 要高。红光一黄光的l e d 驱动电压只要 i v 2 v 左右，而白光l e d 的正向电流为2 0 m a 的情况下，正向电压一般为3 v 4 v 之间。不仅如此，在同一正向电压下，流过白光l e d 的电流也有很大的离散性， 对于不同白光l e d 生产商的产品，即使是同一个产商的产品之问，在采用相同 电压驱动时，正向电流也会有偏差。白光l e d 在正向导通后其正向电压的微小 变化将引起l e d 电流的很大变化，并且环境温度，l e d 老化时间等因素也将 影响l e d 的电气性能。而l e d 的光输出直接与l e d 电流相关，所以l e d 驱 动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能稳定l e d 电流 的大小。否则，l e d 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。若由电 池直接供电时，电池放电过程中，l e d 正向电压随之改变，导致正向电流变化， 会引起色彩变化。图1 2 中x 、y 为色坐标值，x 、y 值的改变意味着色彩的改 变。 2 图1 2 白光l e d 正向电流一色度特性o j 此外，即便是相同的l e d ，它们之间的电流电压特性曲线也是不同的。图 1 - 3 为一组随机挑选的白光l e d 的电流电压曲线，当正向电压3 3 v 时，正 向电流之最小者为2 m a ，最大者为5 m a ，它们会产生不同的白色光，正向电流 在这一区间的变化引起色坐标图上y 坐标值的较大变化，使得色彩失真。 图1 - 3 一组白光l e d 电压和电流关系曲线 1 3 白光l e d 驱动方式 ( 1 ) 按照l e d 连接方式来划分，可以分为：串联驱动、并联驱动和混联驱动。 串联驱动可以保证流过每个l e d 电流相等，使得每个l e d 的亮度是一致的； 并联驱动应用在电源电压较为有限的场合；混联驱动用在驱动数量较多的l e d 时，这种配置所需的外部元件最少。 ( 2 ) 从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：第一，由电池供电，电压一般 低于5 v ，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光l e d ，它主要 采用升压式d c d c 转换器或升压式( 或升降压式) 电荷泵转换器，少数采用l d o 电路的驱动器；第二，由稳压电源或电瓶供电，如6 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v ( 或更高) ， 它主要用降压式或升降式d c d c 转换器，主要驱动l e d 灯；第三，直接由市 电供电( 1 1 0 v 。或2 2 0 v 。) 或相应的高压直流电，主要用于驱动大功率白光l e d 灯，采用降压式d c d c 转换器。 ( 3 ) 按照电路的拓扑结构来划分，可以分为：线性结构( l d o ) 、电容式开关 结构和电感式开关结构。白光l e d 驱动电路的最佳的解决方案是采用l d o 、 电荷泵和电感升压型d c d c 变换器。 l d o 优点在于成本低、封装小、外围器件少和低噪声输出。l d o 的输出 噪声非常小，这是由于一方面l d o 属于线性结构，相对于开关式非线性的解决 方案，不存在开、关时大电流所引起的电磁干扰；另一方面，l d o 本身属于一 个低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ) ，对于高频噪声有抑制作用。l d o 的缺点在于某 些应用条件下的低效率特性，由于电路结构的限制只能完成降压的功能，若选 择低压差结构，就要尽量使其工作在高效率工作区，即工作在较小的d r o p o u t 电压下。 电荷泵( c h a r g e p u m p ) 是采用“泵式”电容器作为储能器件来实现d c d c 转 换功能的电压转换器。电荷泵有两大类型，分为无调整电容式电荷泵、可调整 电容式电荷泵。电容式电荷泵的拓扑结构如图1 4 所示，这是最基本的倍压电 荷泵。 图l - 4 电容式电荷泵结构 电容式电荷泵通过开关阵列、振荡器、逻辑电路、比较器来实现d c d c 电压转换。电荷泵无需电感器件，只以电容为储能器件。通过改变电荷泵电路 拓扑结构可以实现升压、降压、反转电压的功能。虽然电荷泵结构可实现高达 9 0 的效率，但是电荷泵结构的输出电压一般不超过输入电压的3 倍，而输出 电流不超过3 0 0 m a 。电荷泵特性介于l d o 和电感式开关电源之间，具有较高 的效率和相对简单的外围电路设计，抗电磁干扰( e m i ) 和纹波的特性居中，但是 缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。 当驱动并联l e d 时选用电荷泵结构较好，因为电荷泵在升压比( 输出电压 与输入电压的比) 较低时可获得较高的效率，但它只能提供有限的输出电压范 围，绝大多数电荷泵输出电压不超过输入电压的两倍；若驱动所需电压较高的串 联白光l e d ，大多数设计采用电感升压型d c d c 开关电源变换器。 开关电源d c d c 交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， 4 即开关时间周期o s5 1 0 n 州o ”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 e f r e q u e n c y m 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i q 【6 】。电感式开关结构利用电感作为储能器件， 为负载提供持续的电流，基于不同的外围拓扑结构，可以实现降压升压反转 电压输出的功能，对于电路结构稍加调整，即可以完成恒流输出的功能，因此 电感式结构具备多种灵活的解决方案。由于理论上电感不消耗能量，因此电感 式结构的转换效率理想情况下为1 0 0 考虑到各种非理想因素，仍可以实现最 高9 5 左右的转换效率。电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大 ( 主要是电感和电容) 。输出电压的纹波较大，且电路内部结构复杂。在p c b 布 板时要小心避免电磁干扰( ( e m t ) 。为了减小对大电感和大电容的需要以及减小 纹波。提高开关频率是非常有效的办法。电感式开关结构主要有b u l k 降压型、 b o o s t 升压型和b u l k b o o s t 反转型。如图1 5 所示： ( i ) d t i c k ( b ) b o o s t ( c ) b u c k - b o o n 图1 5d c d c 变换器基本拓扑结构 1 4 本文研究的工作简介 本论文研究了l e d 驱动电路的结构形式和指标要求，并建立了d c m 模式 下的开关电源模型，并在p s p i c e 里仿真了其小信号传输特性。在详细分析设计 各子电路并进行仿真验证后，对整个系统电路进行功能验证和性能仿真，并对 模拟电路的电路级自动设计进行了初步探索。 本文主要由以下几部分构成： 第一章：绪论 第二章：b o o s t 驱动电路的开关网络分析 第三章：遗传算法在电路设计中的应用 第四章：电路各模块的设计及仿真 第五章：电路总体性能仿真 第六章：结论 第二章b o o s t 驱动电路的开关网络分析 2 1 开关电源 开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳 压电源的主流产品。开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子 产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压 较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。电子装置小型轻量化的关键是 供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的 调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提 高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的 损耗，也随频率的提高而增加。 目前，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十 千赫；采用m o s f e t 的开关电源转换频率可达几百千赫，为提高开关频率必须 采用高速开关器件。对于兆赫兹级以上开关频率的电源则可利用谐振电路，这 种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，且原理上开关损 耗为零，噪声也很小。这是提高开关电源工作频率的一种方式。 2 1 1 开关电源的基本构成 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制 开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图z 一1 所示： 图2 - 1 开关电源的基本构成 其中d c d c 变换器可进行功率转换。是开关电源的核心部分，此外还有 启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路r l 与r 2 检测输出电 压变化，与u 。进行比较，误差电压经过放大及脉宽调制( p w m ) 电路。再经 过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2 2 是一种开关电源电路的实现形式。 6 图2 2 开关电源电路的实现形式 开关电源的核心部分变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的 变换器，以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。对于串联线性稳压电源， 输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关电源， 输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大 器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。 2 1 2 开关电源的分类 开关电源的电路结构有多种，通常按以下方式进行分类。 ( 1 ) 驱动方式 开关电源按驱动方式分为自励式和他励式 ( 2 ) 工作方式 开关电源按d c d c 变换器的工作方式可分为： 单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等； 降压型、升压型和反转电压型等。 ( 3 ) 电路组成 开关电源按电路组成可分为谐振型和非谐振型。 ( 4 ) 控制方式 开关电源按控制方式可分为： 脉冲宽度调制( p w m ) 式； 脉冲频率调制( p f m ) 式； p w m 与p f m 混合式。 ( 5 ) 隔离和信号耦合方式 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式，开关电源可分为隔离式、非隔 离式和变压器耦合式、光电耦合式等。 以上这些方式的组合可构成多种方式的开关电源。因此设计者需根据各种 方式的特征进行有效地组合，制作出满足实际需要的高质量开关电源。 2 2b o o s t 电路升压原理 开关变换器的拓扑结构指的是，能用于转换、控制和调节输入电压的功率 开关元件和储能元件的不同配置。开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型， 即非隔离型( 在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路) 和隔离 7 型( 能量转换是用一个相互耦合磁性元件变压器来实现的，而且从源到负载的 耦合是借助于磁通而不是共同的电流回路) 。变换器拓扑结构是根据系统造价、 性能指标和输入输出负载特性诸因素选定的。 2 2 1b o o s t 变换器 b o o s t 变换器又称为升压变换器，基本的升压型d c d c 变换器原理图如图 2 3 所示： v 扣 图2 - 3b o o s t 变换器原理图 n m o s 器件由p w m 信号控制，电感是开关电源中常用的元件，由于它的电 流、电压相位不同，因此理论损耗为零。电感为储能元件，也常与电容公用在 输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过 其上的电流有“很大的惯性”。电感有如下特点： 1 在电感l 中有电流i 流过时，储存有0 5 * l 1 2 的能量。 2 当电感l 两端的电压v 不变时，忽略内阻r 时，电感电流变化率为v l ， 表明电感电流线性增加。 正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回 路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边保持相同 的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。就像电容器有充、放电流一样， 电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分( 称为安秒值) 成正比， 电感上的电流与电压的积分( 称为伏秒值) 成正比，如图2 - 4 所示。只要电感器 电压变化，其电流斜率也变化；正向电压使电流从零线性上升；反向电压使电 流线性下降。根据能量守恒原理在电感器正负( 伏秒) 值相等的某一时间点上， 线性变化的电流重新降到零。 电容也是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能 的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑 电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引 出线，形成一个等效串联内电阻e s r 。这种等效串联内电阻在开关电源中小信 号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽略的作用。另外电容 等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时非常重要。有时加 大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。 蕾 y l 图2 - 4 电感特性与电容特性的比较 当p w m 信号为高电平时，n m o s 管导通，此时n m o s 管漏端被拉到很低的 电位，电源对电感充电，由于续流二极管的单向导通性，i a = 0 ，所以所有电流 从n m o s 管流过，i i = i s ，此时电容对负载放电，电容电压下降。当p w m 信号 为低电平时，n m o s 管截止，由于电感内储存的能量不能突变，电感电流是不 能突变的，电感将产生一个很大的反冲电压，n m o s 管漏端电压将被抬高到很 大的值，在二极管导通后，输出电压近似等于n m o s 漏端电压，此时电感对电 容充电，电容电压上升。各点电压电流的变化过程如图2 5 所示： 9 1 三i 习三i 芸夸l 。 t 一 l iii ： r ； ；i 。 【 一i 一一il - b 伞、： 一- 一，。少j、jl l 吒 厂 l ”一“ !i 。 7 z 。 jj 一一一一 一 ! 一 ir ! 一 | | 图2 5 电感电流不连续模式下电压电流波形 2 2 2 电流控制型的原理 电流模式控制是一种固定时钟开启峰值电流关断的控制方法，因为峰值电 感电流容易复制，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，因为在占空比不同的情况 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。而平均电 感电流大小才是惟一决定输出电压大小的因素。电流控制型正是针对电压控制 型的缺点而发展起来的，它除保留了电压控制型的输出电压反馈外，又增加了 一个电流反馈环节。所谓电流控制型，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样 信号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 出的峰值电流跟随误差电压变化。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，则电流增长变快，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，降低了变压器效率，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。 b o o s t 型变换器的电压增益总是大于1 ，图如2 - 6 所示： 图2 - 6 电压增益曲线 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。 2 3 开关网络平均模型法 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1 p k ，及等效电 阻屯。根据模拟电路折衷的原则，考虑到峰值电流，电感大小及成本有以下经 验公式【7 】： 2 警川h 争 协， ：竖! 型2 2 兰! 兰! 兰坚二鱼! 型立 v o u r 2x l i r x 乇州m ) x f s o c ( 2 2 ) 其中，一是振荡器频率( h z ) ，l 是电感值( h ) ，野是开关电源转换效率假 设为0 8 5 ，是输入电压( v ) ，是输出e g 玉, ( v ) ，d w ( m ) 是最大输出 电流( a ) ，t 一，是最小输入电压( v ) 。根据可获得的电感值和电感的体积， 选定电感值为：26 8 z h 。 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为l o f l f 的陶 瓷电容。而输出电容。o u t 大小的选取主要有纹波的要求决定。e s r ，为电容 的等效串联电阻，假设e s r = 0 时，有“”： 旷若掣 像， 其中矿是最大允许输出纹波( v ) 。选定电容值为：c 5 l g f 2 3 1d c m - - b o o s t 型开关变换器建模。 d c d c 变换器中由于存在开关元件，变换器中引入了非线性特性，为了建 立小信号交流模型，采用对开关网络的端口变量求平均的方法【8 】。开关网络平 均模型法的特点是不改变电路结构的基础上，直接对开关网络的端口变量进行 操作，不再抽象地处理各种解析表达式，得到的等效电路模型物理意义更加明 确，有助于更好地理解变换器的稳态和动态特性。 当电感值l 较小，负载电阻值r 较大，或开关周期t s 较大时，会出现电 感电流已经下降至零，而下一开关周期却尚未开始的情形。于是当新的周期 到时，电感电流将从零开始线性增加，此时电路工作在d c m 模式。由于d c d c 变换器在d c m 工作下的特殊性，使开关网络呈现出无损性。设非连续电流工 作模式( d c m ) 时，n m o s 管的导通时间占空比为d l ，二极管的导通占空比为d 2 。 ( 1 ) 状态1 时，n m o s 管导通，二极管截止，忽略n m o s 管压降的前提下， “归i 毕r 0 。 ( 2 - 4 ) 1 2 砭( f ) = g o v l ( t ) = 0 1 2 ( t ) = 0 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 ) 状态2 时，n m o s 管截止，二极管导通，忽略二极管压降的前提下， ( f ) = 0 驰，= 了竿攀 k ( f ) = g o 砭( f ) = 0 ( 3 ) 状态3 时，n r n o s 管截止，二檄雷也截止。 ( f ) = 1 2 ( t ) ( f ) = 圪 巧( f ) = v g ( t ) 1 2 ( t ) = 0 于是可以得到各端1 3 的平均值为： k ( f ) = d 2 木圪+ ( 1 一d l d 2 ) 。 v 2 ( t ) = d 1 木v o + ( 1 一d 1 一d 2 ) 乖( g o 一名( f ) ) 莉= 丢+ 互1 + d l 正+ 。= 鲁丽 丽= 长1 嘲 警丽 由电感电流的伏秒平衡原理： 日木名( f ) = 砬宰【圪( f ) 一名( f ) 】 1 3 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 将( 2 - 2 0 ) 式代入( 2 - 1 6 ) 到( 2 1 9 ) 得： k ( f ) = v gc t ) v 2 ( t ) = v o ( t ) v c t ) 莉= 鲁丽 厕= 鲁需 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 如( 2 - 2 3 ) 式可知，可以用电阻模型模拟输入端口的特性： 莉2 器 协：。， 其中： r 鹪) 2 器 ( 2 - 1 9 ) 式变形为： 丽木丽= 焉= 雨 如图2 - 7 所示： ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 图2 7 开关网络等效电路图 图中，开关网络输入端口的电流和电压成正比，r e 是等效电阻，但它并不 消耗能量，开关网络从输入端口吸收的功率等于输出端口发出的功率，p ( t ) 就是 开关网络传递能量的功率，网络本身不消耗功率。 由b o o s t 变换器的直流等效电路可得： 生： 矿g 2 1 4 ( 2 - 2 8 ) j 2 3 2d c m - - b o o s t 变换器的p s p i c e 仿真 在众多的计算机辅助设计( c a d ) t 具软件中【9 】，s p i c e 程序是精度最高、最 受欢迎的软件工具，许多e d a 系统软件的电路模拟部分都是用s p i c e 程序来完 成的。s p i c e 可以将一些功能级电路做成模块，并用一系列的输入输出传递函数 来描述模块的功能，因此在使用c a d e n c e 电路仿真工具对电路进行设计之前， 先使用p s p i c c 软件对电路的系统级进行构建和仿真，则可以较早预测电路的性 能，例如环路增益，相位裕度，增益裕度等重要的指标。在满足这些指标的前 提下确定出各个模块的最佳的传递函数，这将大大减少电路的重复设计。 d c m - - b o o s t 变换器的p s p i c em o d e l 子电路的名称是d c m ，有5 个端口， e u 代表开关网络的占空比，在这里用一个电压量来表征。e t 是一个电压控制电 压源，表示输入端口的平均特性。g d 是一个电流控制电流源，表示输出端口的 平均特性。 s u b c k 七d c 功12 3q5p a r a 鹏：l = 6 6 uf s = 1 2 e 6 e c1 2v 8 1 u e z 1 1 一v l u ) ) o v l 3 ，4 ) 、rc u ) 6 dq3v 8 1 u e - c 1 - v i u i ( e c i vc u ” g0av a l u e z i l i t xc ic e c i ，0 l v aab r ab01 k e uu0v 8 1 u e - 1 1 c 1 + 2 l f s ic v 邑i ( vc 3 ，4j vc 5 i v 1 5 ) i i e n d s 图2 - 8d c m - - b o o s t 变换器的p s p i c em o d e l 代码 在c a p t u r e 界面中，输入电路形式如下图所示： 图2 - 9 c a p t u r e 界面中电路形式 v 3 提供的电压的取值范围是1 ( 在实际中可能是0 1 0 8 ) ，其数值是 由反馈控制回路决定的。在v 3 上叠加一个交流电源，用于模拟v d 到v 。的小 信号增益。n o d e s e t 工具用于设置节点上的静态电压可能值，用于使程序在迭代 求静态工作点时更加精确，避免出现算法不收敛的问题。电压变换器的小信号 仿真结果如下图所示： 1 5 i ：i 、 弋 x 。i j 甜i t e 。( 口c 乃i e v e d ) k = 1 ( 3 8 ) s “豇( 口c j i z f p v p d ) =