（物理电子学专业论文）一款高效率电流型pwm升压变换器的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子、通信电子、消费电子等电子产品的不断发展，电源管理芯片成为现 代电子设备中不可缺少的一部分，尤其体现在电池供电的便携式设备中。 论文基于标准c m o s 工艺，使用h s p i c e 仿真工具，设计了一款电流型p w m 电源 管理芯片。其内容包括芯片电路的设计、仿真和优化，芯片版图的设计和验证，最终流 片，并验证了所设计电路的正确性。 文中首先分析了开关电源的发展现状和趋势，并在阐述开关电源控制系统的基础 上，提出了所要设计的这款高效率电流型p w m 升压变换器，其设计指标为：输入电压 范围为3 v 巧v ，输出电压为稳定5 v ，工作频率为1 7 0 k h z ，基准电压为1 0 2 3 v ，典型系 统效率大于9 0 ，输出纹波电压小于1 。 其次，介绍了该芯片的基本电路结构，包括放大器电路、带隙基准电路、比较器电 路、控制和驱动电路、斜坡补偿电路、偏置电路以及振荡器电路等，并使用i - i s p i c e 对各 个电路模块进行了设计和仿真，仿真结果满足设计要求。并在不同输入电压和带载条件 下对整体芯片功能和性能进行了仿真测试，设计的变换器能够正常工作，并且性能良好， 输出电压纹波小于0 0 5 ，典型应用条件下系统转换效率高达9 2 3 3 。 接着，介绍了模拟版图设计的相关注意事项。文中使用插指技术和对称技术进行电 路各模块精确布局、减少失配，对敏感电路进行隔离，采用无锡上华0 5 # mn 阱d p t m 的标准c m o s 工艺完成了整体版图的设计，并进行了版图后续的d r c 和l v s 验证。 最后，文中所设计的芯片被送到无锡上华进行了代工制造。芯片的测试结果表明， 所设计的电流型p w m 升压电源管理芯片的性能达到了设计要求。 关键词：p w m ；高效率；升压变换器；带隙基准 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fa h i g he f f i c i e n c yc u r r e n tp w ms t e p - u pc o n v e r t e r a b s t r a c t w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i c s , c d n s u m e re l e c t r o n i c s ，p o w e rm a n a g e m e n tc h i p sp l a ya l li n d i s p e n s a b l er o l ei nt h em o d e m e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yi nt h ep o r t a b l eb a k e r y - p o w e r e dd e v i c e s i nt h i st h e s i s ，埘t ht h eh e l po fc o m m e r c i a ls o f t w a r ep a c k a g eh s p i c e , ac u r r e n tm o d e p w m s t e p u pp o w e rm a n a g e m e n tc h i pb a s e do nc m o st e c h n o l o g yh a sb e e nd e s i g n e d a s t h ek e yj o b so ft h i sp a p e r , a l lo ft h ec h i p sp r o d u c i n gf l o wh a v eb e e nf i n i s h e d , s u c ha sc i r c u i t d e s i g n ，l a y o u ts i m u l a t i o na n dc h i pp r o d u c e a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r yt e s t , r e s u l t sp r o v et h e v a l i d i t yo ft h es a m p l e f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ea c t u a ls t a t ea n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h es w i t c h i n g p o w e rs u p p l y b a s e do ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e mt h ec u r r e n tm o d ep w m s t e p - u pc o n v e r t e ri sb r i n gu pt od e s i g n t h em a i nd e s i g nt a r g e t si n c l u d ei n p u tr a n g e sf r o m3 v t o5 v , s t a b i l i t yo u t p u tv o l t a g e5 v , o p e r a t i n gf r e q u e n c y1 7 0 k h z , b a n d g a pr e f e r e n c e1 2 3 v ， h i g hc l a s s i c a le f f i c i e n c ym o r et h a n9 0p e r c e n ta n ds m a l lo u t p u tr i p p l ec o e f f i c i e n tl e s st h a n1 p e r c e n t s e c o n d l y ，t h eb a s i cc o n f i g u r a t i o no ft h ec h i pi si n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e sa m p l i f i e r s ， b a n d g a pr e f e r e n c e ，c o m p a r a t o r ，c o n t r o l l e ra n dd r i v e r , s l o p ec o m p e n s a t i o n ，b i a s ，a sw e l la s o s c i l l a t o rc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t sb yh s p i c e ，c h i pd e s i g nm e e t st h e r e q u i r e m e n t s f u r t h e r m o r e ，t h i sc o n v e r t e r h a sb e e ns i m u l a t e df u n c t i o n a l l yi nv a r i o u s c o n d i t i o n s ，w h i c hr e s u l t ss h o wp e r f e c te f f e c t t h eh i 【g hc l a s s i c a le f f i c i e n c yi sa sh i g l la s9 2 3 3 p e r c e n ta n do u t p u tr i p p l ei sl e s st h a n0 0 5p e r c e n t t h i r d l y ，t h eb a s i cr u l e so fl a y o u td e s i g na r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s f o rt h ep u r p o s eo f r e d u c i n gt h em i s m a t c hc i r c u i t ，t h e “m u l t i p l ef i n g e r s ”t e c h n o l o g ya n dt h e “c o m m o n c e n t r o i d t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h i st h e s i st op l a c et h em o d u l e sc a r e f u l l y ；t h ei n f l u e n c eo fb i g p o w e rd e v i c ea n dt h ec a p a c i t a n c eo nt h es e n s i t i v ec i r c u i t sa r er e d u c e db ys e p a r a t i n gt h e m a f t e rt h ew h o l el a y o u td e s i g nc o m p l e t e d ，t h ed r ca n dl v sv e r i f i c a t i o na r ea c h i e v e d i nt h i st h e s i st h ec h i pu s e s0 靴m ，n - w e l ld f l 2 v ls t a n d a r dc m o s p r o c e s st od e s i g n t h e t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u r r e n tm o d ep w ms t e p - u pp o w e r m a n a g e m e n tc h i pr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c u r r e n tm o d e ；h i g he f f i c i e n c y ：s t e p u pc o n v e r t e r ；b a n d g a pr e f e r e n c e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：二叁皇望生王型丝叠垄燮型 作者签名： 簟整 日期： 丝呈年丘月4 日 一款高效率电流型p 啊升压变换器的研制 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：= 监塑登垒i 盘重丝旦丝纽越望望塑 作者签名：刍鼍垫日期：坦壁年生月j l 日 导师签名： j2 圣丝，缸 日期：2 翌曼年隆月l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 电源管理芯片是电子设备的动力心脏，有巨大的市场需求，随着电子技术的高速发 展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切而电子设备都离不开可靠的电源【1 1 。 2 0 0 4 年，我国电源管理i c 市场加速增长，销售量和销售额增幅远远超过前两年，分别 达到2 8 3 和3 7 6 ，全年销售量为3 0 8 亿片，销售额达到1 6 5 2 亿元。在市场需求量 和产品升级这两个动力的推动下，在未来5 年，我国电源管理i c 市场将一直保持较高 的增长速度。2 0 0 6 2 0 0 7 年，我国电源管理i c 市场将进入一个加速发展的时期，销售 额增长率逐年增加；从2 0 0 8 年开始，随着全球电子整机产品生产向我国转移的速度逐 渐放缓，电源管理i c 市场进入稳定增长时期，其销售额依旧保持较高的增长速度，但 增幅逐年减小。预计2 0 0 6 - - 2 0 0 9 年，我国电源管理i c 市场的年复合增长率将高达2 8 7 ， 预计到2 0 0 9 年，市场规模将达到5 8 2 6 亿元。 从应用领域看，电源管理芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、计算机、 通讯和网络设备应用领域，同时工业设备和汽车电子对电源管理芯片的需求也呈上升趋 势，这些需求让电源管理芯片市场倍添活力。由于人们在生活和工作中的移动性越来越 强，对手机、数码相机、笔记本电脑、m p 3 播放器等便携式产品的需求将越来越大，这 些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。另外，由于便携式产品中彩屏、音视频、 g p s 等功能的日益多样化，对电源管理芯片的要求也日益提高，如便携式产品的板级空 间十分有限，这就要求电源管理芯片厂商把更多的功能集成在更小的封装内【2 1 。 1 1 开关电源的种类 开关电源可分为直流到直流( d c d c ) 和交流到直流( a c d c ) 两j ( 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已比较成熟和标准化，并已得用户 的认可；但a 叩c 变换器因其自身的特性，在模块化的进程中遇到较为复杂的技术和 工艺制造问题【3 j 。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 ( 1 ) a c d c 变换器 a 叩c 变换器是将交流电压变换为直流电压，其功率流流向可以是双向的，功率 流由电流源流向负载的称为“整流 ，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变。枷c 变换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器 是必不可少的，同时因遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及e m c 指令( 如i e c 、f c c 、c s a ) 的限制，交流输入则必须加e m c 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制a c d c 电源体积的小型化。另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决e m c 一款高效率电流型p 嘲升压变换器的研制 电磁兼容问题难度加大，对内部高密度安装电路设计提出了更高的要求，由于同样的原 因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，使a c d c 模块内部温度升高，增加 了系统的不稳定性，限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化 设计方法才能使其工作效率达到令人满意的程度。a c 徊c 变换按电路的接线方式可分 为半波电路和全波电路。 ( 2 ) d c d c 变换器 开关电源d c d c 变换器是将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电 压，也称为直流变换器，它利用无源磁性元件和电容元件的能量存储特性，从输入电压 源获取能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感中，或以电场的形式存储在电容器中， 然后将能量转换到负载，实现d c d c 变捌4 】。 便携式电子产品往往需要多种电压，如3 3 v 、5 v 、1 2 v 、2 4 v 等，但这些产品只能 由一组电池供电，因此所需的各种直流电压必须通过d c d c 变换器供给。根据输入电 路与输出电路的关系，d c d c 变换器可分为非隔离式d c d c 变换器( 在工作期间，输 入电源和输出负载共用一个电流通路) 和隔离式d c d c 变换器( 能量转换是用一个相 互耦合的磁性元件一变压器来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁路而不是共 有的电路) 。在便携式应用中，从体积等方面因素考虑，一般采用非隔离式d 印c 变 换器。本文采用的是非隔离式d c d c 变换器。 1 2 开关电源技术的发展趋势 目前开关电源发展有以下几个趋势【5 】= ( 1 ) 高效性 电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体 现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待 机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足 欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效 率尤为重要。 ( 2 ) 低功耗 随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐 渐成为关注的热点，电源管理芯片和电源控制芯片的市场成为整个半导体产业中最为活 跃的领域之一，所以降低电源管理芯片功耗这一需求，必将推动电源管理器件市场的稳 步发展。 ( 3 ) 大电流 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 d c d c 变换器在系统中实现的是能量转换功能，是将电池输入能量以不同的电平 转换到不同的部分。现在高速工作系统在瞬时需要传输很大的能量，所以d c d c 芯片 需要提供1 0 0 m a 甚至1 a 级的电流。这需要d o d c 芯片中主要能量传输通路能够承受 如此大的电流。特别是开关管，在目前电源管理的要求下，需要能够快速响应，在短时 间内从关断状态下转变为传输大电流，或在大电流条件下迅速关断。同时，需要解决功 率传输管的散热问题，因此在工艺上需要特殊处理。 ( 4 ) 高集成 便携式应用的板级空间是十分有限的，这就迫使电源工厂把更多功能集成到更小的 封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合 且小体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠 度。 ( 5 ) 高频化 为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善动态响应，小功率d c ；d c 变换器的开关频率已由现在的2 0 0 k h z 5 0 0 i ( i z 提高到1 m h z 以上，但高频化又会产 生新的问题，如开关和无源元件的损耗增大，以及高频寄生参数的影响以及高频电磁干 扰增大等。 1 3 设计指标设定 本课题是基于国家自然基金项目的一个子课题，采用了无锡上华0 5 m mn 阱d p t m 的标准c m o st 艺设计的一款电流模式p w m 升压芯片。该所设计的d c d c 升压芯片 要求具有如下性能： ( 1 ) 输入电压( v d d ) 的范围：3 o v 5 0 v ： ( 2 ) 输出电压( v - 眦。) ：5 v ； ( 3 ) 9 0 以上的典型效率； ( 4 ) 开关频率为1 7 0 k h z ； ( 5 ) 0 c 7 0 的工作范围； ( 6 ) 输出电流为1 2 0 m a ； 纹波电压小于1 。 1 4 本文的主要工作和论文结构 本文的主要工作是分析、设计一款电流模式d c d c 升压芯片。具体内容包括：( 1 ) 所有电路的设计及仿真；( 2 ) 版图的设计；( 3 ) 芯片测试工作。 本文主要由以下几个部分构成： 一款高效率电流型p 喇升压变换器的研制 第一章：绪论。介绍开关电源的背景和发展方向，并确定了本文设计的基本性能指 标。 第二章：开关电源的分类及芯片结构分析。介绍开关电源芯片的分类和开关电源的 工作模式，以及本文所设计芯片的整体以及各个模块工作的基本原理。 第三章：模块电路设计及仿真。在介绍各个模块原理的同时，使用c a n d e n c e 对模 块电路进行设计和分析，并用h s p i c e 完成所设计电路的仿真验证及优化。 第四章：整体电路仿真与版图设计。首先在典型应用条件下，对整体电路进行了仿 真；并在介绍版图设计的一般规则的基础上，完成了整体版图的布局和设计以及各个模 块的版图设计。 第五章：芯片测试。介绍了对流片和封装后本文所设计芯片的测试情况。并总结本 文所做的工作。 1 5 本文设计的工作环境 ( 1 ) 硬件环境：s u n 工作站。 ( 2 ) 软件环境：s o l a r i s 操作系统，c a d e n c e 软件。 ( 3 ) 开发工具：电路编辑工具c o m p o s e r ，仿真软件h s p i c e ，版图绘制工具v i r t u o s o ， 验证工具d r a c u l a 。 ( 4 ) 流片工艺：无锡上华半导体( c s m c ) 公司多晶圆项目o 5 md p t m 标准c m o s 工艺。 ( 5 ) 测试环境：电压源a g l i e n t e 3 6 4 1 a 、示波器t e k t r o n i x - t d s l 0 1 2 、万用表等。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 开关电源的分类及芯片结构分析 d c d c 变换器是将直流电压变换为其它直流电压的设备，又被称为直流斩波器， 是开关电源的核心。d c d c 变换器按照工作原理可以分为三类：线性集成稳压器( u ) o ) 、 电荷泵和开关电源。 l d o 因其内部调整管与负载相串联且调整管工作在线性区而得名。其优点是稳态 性好，输出电压纹波小，电路简单，成本低廉。但是它的缺点是调整管的电压降较大， 功耗高，导致稳压电源的转换效率比较低，一般为4 5 左右。 电荷泵电路主要用于电压方向器，即输入正电压，输出为负电压，它可以在便携式 设备中省去一组电源，由于工作频率多采用m h z 频段，因此外界电容容量较小，不仅 提高了效率，降低了噪声，而且减小了电源空间。 开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现在已经成为稳压 电源的主流产品。开关电源内部调整管工作在高频的开关状态，其等效电阻小，当流过 大电流时，消耗在调整管上的能量很小，并且由于开关电源的功率损耗大部分都是消耗 在调整管上，所以开关电源效率可以达到8 0 - - 一9 0 ，比普通线性集成稳压电源提高近 一倍。所以开关电源芯片成为各个厂商关注的焦点。 2 1 开关电源的电路拓扑结构 开关功率变换器按照主回路拓扑可以分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变换器、 b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器。 汴“ 2 1 1b u c k 变换器 b u c k 变换器也称降压( s t e p d o w r l l ) 变换器【6 j 。如图2 1 所示，在工作过程中，当开关 s 图2 1b u c k 变换器 f i g 2 1 b u c kc o n v e r t e r 一5 一 r 一款高效率电流型p 聊升压变换器的研制 s 导通时，电容c 开始充电，输出电压v o 加载到负载r 上两端，电感l 上的电流逐渐 增加，储存的磁场能量也逐渐增加。此时二极管d 因反相偏置截止。经过时间t o n ( 导 通时间) 后，开关s 关断时，l 上的电流逐渐减小，l 两端产生的感应电势使得二极管 d 导通，l 上储存的能量通过二极管d 传递到负载r 。当负载电压低于电容c 两端的电 压时，c 便向负载放电。经过时间k ( 关断时间) 后，开关s 又导通，上述过程便重 复发生。 2 1 2b o o s t 变换器 b o o s t 变换器也称为升压( s t e p u p ) 姗, t 7 1 。如图2 2 所示，当开关s 导通时，电感 l 上的电流逐渐增加，存储能量逐渐增加，二极管d 因反相偏置而截止，负载通过电容 c 提供能量。经过时间t o n 后，开关s 关断，电感l 上电流不能突变，它产生的感应电 势使得二极管d 导通，电感上储存的能量经由二极管d ，给负载供电，同时给电容c 充电。经过时间t 0 竹后，开关s 又导通，上述过程便重复发生。 图2 2b o o s t 变换器 f i g 2 2 b o o s tc o n v e r t e r r 2 1 3b u c k - b o o s t 变换器 b u c k 变换器是降压型变换器，b o o s t 变换器是升压型变换器，它们输出电压和输入 电压的极性相同。b u c k b o o s t 变换器是升降压型变换器，既能够升压，也能够降压，在 给定的输出电压下，容许输入电压在较宽范围内变化均能工作，它的输出电压和输入电 压的极性相反【8 j 。 如图2 3 所示，在开关s 开通过程中，能量从电源v i 流入，并存储在电感l 中，l 上的电压上正下负，此时二极管d 因反相偏置而截止，负载电流由电容c 提供。经过 时间t 0 n 后，开关s 关断，由于电感上的电流不能突变，它产生的感应电动势使得二极 管d 导通，l 上存储的能量通过二极管传递给负载，同时给电容c 充电。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 3b u c k - b o o s t 变换器 f i g 2 3 b u c k b o o s tc o n v e r t e r r 2 1 4c u k 变换器 c u k 型变换器能够提供一个反极性不隔离的输出电压【9 】，输出电压可以高于或低于 输入电压，而且其输入、输出电流都是连续的。这些特点使得c u k 变换器有着广阔的前 景，它是近年来脱颖而出的一种新型变换器。 如图2 4 所示，在t o n 导通期间，开关s 导通，l 1 储能，二极管d 不导通，c 1 ， l 2 ，c 2 向r 释放能量，并向l 2 ，c 2 储能。在k 期间，开关s 关断，l 1 上电能突变， 感应电势使得二极管d 导通，u 给c 1 充电，同时l 2 向负载释放能量。 f 了还 d _ 。木i r s 1 一 图2 4c u k 变换器 f i g 2 4 c u kc o n v e r t e r r 2 2 开关电源的控制方式 开关电源电路的调制方式主要有：p w m 、p f m 、p s m 三种调制方式。脉冲宽度调 制( p w m ) 方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电 能的控制，称之为“定频调宽 ；脉冲频率调制( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调 节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频 ；脉冲跨周期调 带t j ( p s m ) 方式，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节电能输出。 一7 一 一款高效率电流型p w y 升压变换器的研制 2 2 1 p w m 控制方式 p w m 是指保持工作频率恒定即工作周期不变，通过改变功率开关的导通时间或截 止时间来改变占空比。其特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导通模式，是 目前应用最为广泛的一种控制方式。 工作原理：首先对被控输出电压进行检测，得到反馈电压，将其加至运放的同相输 入端，另一个精确的基准参考电压加至运放的反相输入端。反馈电压与基准电压比较放 大后输出直流误差电压，加至p w m 比较器的反相输入端，另一固定频率振荡器产生锯 齿波信号加至比较器的同相输入端，两者经p w m 比较器，输出一方波信号，此方波信 号的占空比随着误差电压变化而变化，这样就实现了脉宽调制。其基本原理如图2 5 所 示。 图2 5p 咖调制 f i g 2 5p w mm o d e p w m 控制的实质就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路 通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关管的导通时间( 即导 通脉冲宽度) ，保持脉冲的周期不变来达到稳定输出电压的目的。p w m 反馈控制模式 主要有五种：电压模式控制p w m ；峰值电流模式控制p w m ；平均电流模式控制p w m ； 滞环电流模式控制p w m ；相加模式控制p w m l l o l 。 p w m 控制的缺点就是在轻负载时，效率相对较低。 2 2 2p f m 控制方式 p f m 是指保持方波宽度不变，调节开关元件的截止时间，通过改变脉冲频率来稳 定输出电压。其特点是：输出取样值控制频率控制器，占空比变化范围大，效率高、功 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 耗低，输出电压的可调范围比p w m 方式大，并且在负载变化范围大的情况下，可得到 较高的效率【1 。但是，滤波电感为了能适应较宽的频段，其体积和重量必定要增大。 工作原理：取自输出端的反馈电压加在误差放大器的反相输入端，另一个精确的基 准电压加在误差放大器的同相输入端，二者之间的压差被放大后去控制可变频率控制 器。可变频率控制器是一个电压控制的频率变换器，提高输入电压就能提高输出脉冲的 频率。输出电压就是通过改变电路开关频率而得到调整的。其基本原理如图2 6 所示。 图2 6p f 8 调制 f i g 2 6 p f mm o d e p f m 控制的实质就是在轻负载情况下，变换器只有比较稀的脉冲群，在脉冲群与脉 冲群之间两个功率管都关断，电路空闲不工作，电感电流为零。在这个过程中，输出电 容为负载提供电流。当输出电容放电，使电压低于基准电压时，变换器重新工作再产生 一些脉冲群，使得输出电容被充电。显然，电路中与负载无关的损耗下降了，随着负载 电流减小，空闲时间增加了。 p f m 控制模式的缺点：开关周期成为负载的函数，使得变换器显得比较无序，并且 开关噪声无法预测，不太适合于无线通信领域。 2 2 3p s m 控制方式 p s m 是通过改变有效工作频率来改变输出功率的控制方式。其开关损耗与输出功 成正比，效率几乎与负载无关。 工作原理：控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期内输出的电压低于定 值，则这个时钟周期内开关管导通，否则开关管截止。这样就可以使输出电压稳在额定 值左右。p s m 通过控制开关管在一个周期内是否导通来调节输出功率，在达到稳定后， 开关管的平均工作频率，即有效频率厂c 由负载决定。如果负载足够大，开关管将在每个 周期内均导通，此时有效频率达到最大工作频率厶，a1 t 。在一般情况下，开关管只 一9 一 一款高效率电流型p w m 升压变换器的研制 在部分周期内导通，此时有效频率f c 将小于丘。定义调制系数：k 一1 一 ，x ( o ，1 ) ，眦 调制系数k 越大，被跳过的周期越多【1 2 1 。 基于上述分析，通过综合考虑，本文所设计的d c m c 变换器部分采用p w m 工作 方式，即通过调节主电路开关管的导通脉冲宽度，来达到稳定输出电压的目的。 2 3 开关电源控制模式 开关电源按控制模式大致可以分为电压控制模式和电流控制模式两种【1 3 j 。 2 3 1 电压型控制模式 图2 8 为电压控制模式开关电源的结构图。电压型p w m 控制的基本原理是：电源 输出的反馈电压v f b 与参考电压v r e f 比较放大，得到误差信号v e ，v e 又和锯齿波信号 比较后，p w m 比较器输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度随误差信号v e 的变化而变化， 而这些脉冲宽度决定了输出能量的大小。当输出电压增大时，增大，导致v e 输出减 v n v m , 图2 8 电压反馈控制模式原理图 f i g 2 8v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r a lm o d e r o rl 小，脉冲宽度减小，使得储存的能量减小，传输的能量减小，导致输出电压v 0 降低， 从而保持输出电压恒定。电压控制模式是2 0 世纪6 0 年代后期开关电源刚刚开始发展时 所采用的第一种控制方法。这种电压控制开关电源只需要一个反馈信号，用于实现整个 电路的负反馈而维持输出恒定。在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制 系统。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容c 及 电感l 相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压 大连理工大学硕士研究生学位论文 误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至p w m 比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后 作用是电压模式响应慢的主要原因。 电压模式的优点有：p w m 三角波幅值较大，脉冲宽度调节具有较好的抗噪声裕量； 单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载变化有较好的响应调节。缺点有： 对输入电压的变化动态响应较慢，稳定性不好【1 4 】；输出l c 滤波器给控制环路增加了双 极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿， 增加了电路的复杂度。 2 3 2 电流控制模式 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。电流控制型 开关变换器正是在传统的电压控制型的基础上，增加了一个内环一电流反馈环，使其成 为一个双环控制系统1 1 5 1 。图2 9 所示为电流型控制的结构图。v f a 为反馈电压，与参考 电压v l 四相比较输出误差电压v e ，v s 为取样电阻上的电压，当v s 上升到v e 的幅值时， v 耶 v 脚 图2 9 电流反馈控制模式原理图 f i g 2 9 c u r r e n tf e e d b a c kc o n t r a lm o d e v o r l p w m 比较器输出状态翻转，关闭开关管n 1 。当输出电压v 0 增大时，反馈电压v m 增 大，误差电压v e 减小，则促使比较器翻转的v s 的幅值减小，也就说明电感l 中电流减 小，储存的能量减小，导致输出电压降低，从而稳定输出电压。电流控制模式p w m 是 双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。 功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中， 一款高效率电流型p 删升压变换器的研制 电流环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制其他l c 储能电路。 电流型控制模式的优点【1 6 l ： ( 1 ) 线性调整率好，因为当输入电压的变化立即反映为电感电流的变化，无须经过 误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加上输出电压到误差放大器的控制， 使得电压调整率更好。由于对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应快，故适合 于负载快速变化时对响应速度要求较高的场所【1 7 1 。 ( 劲电源的l - c 滤波电路为二阶电路，增加了电流内环控制后，当误差电压发生变 化时，会导致电感电流发生变化。即误差电压决定电感电流上升的程度，进而决定功率 开关的占空比。因此，可看作是一个电流源，电感电流与负载电流之间有了一定的约束 关系，使电感电流不再是独立变量，整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路 与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得以 提高并且改善了频响，具有更大的增益带宽乘积【1 8 j 。 ( 3 ) 具有瞬时峰值电流限流功能，当功率管电流峰值上升到设定值时，会使p w m 停止输出，因此电流型自身具有固有的逐个脉冲限流功能，减少了限流保护电路；而且 这种峰值电感电流检测技术可以较精确地限制最大电流，从而使开关电源中的开关管不 必有较大的冗余，就能保证可靠工作。 ( 4 ) 采用电流型控制，峰值电感电流提供自动的磁通平衡功能，避免了变压器的磁 饱和，可以有效地减少或消除直流偏磁，增强了开关电源的稳定性。 ( 5 ) 电流型控制，简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计， 减少了元器件的数量和成本。 依据上述分类本电路采用的是电流模式p w m 控制方式设计。 2 4 芯片的基本原理 本文中采用电流模式p w m 变换器，其核心是一个c m o s 比较器，用来比较电压和 电流两个反馈回路的电压信号，其中电压反馈回路是由误差放大器和基准电压源组成， 其工作原理是将经过电阻分压的输出电压和基准电压做为误差放大器的两个输入端，由 放大器对反馈信号进行放大，之后将电压信号送到p w m 比较器的反相输入端；而另一 个电流回路是由电流回路放大器、采样电路和斜坡补偿电路组成。其工作原理为：首先 大连理工大学硕士研究生学位论文 采样电路对功率管上通过的电流进行采样，然后将斜坡补偿电路产生的补偿电流叠加到 采样电流上，保证了在占空比大于5 0 时整个芯片也处于稳定性状态，最后通过电流回 路的放大器将补偿好的信号放大后送到p w m 比较器的正相端。p w m 比较器产生的信 号将和内部时钟一起通过数字逻辑模块来控制功率管的开关。达到要求的5 v 输出电压。 其结构框图如图2 1 0 所示。 输 图2 1 0 芯片的总体原理图 f i g 2 1 0 t h et o t a ls c h e m a t i co ft h ec h i p 2 5 电路的组成模块及其功能 由图2 1 0 所示，该电源管理芯片是由电压基准电路、误差比较器电路、振荡器电路、 p w m 比较器电路、电流取样电路、斜坡补偿电路、控制与驱动电路、偏置电路、过流 保护电路以及软启动电路等1 0 个主要模块组成，其中电感l 、稳压管d 及负载电容c 为芯片外部分立器件。 下面就芯片的各组成部分的功能分别加以简要的说明： ( 1 ) 电压基准电路 电压基准电路产生了一个幅值为1 2 3v 的基准电压，其作用是为误差放大器提供基 准电压，以便误差放大器对反馈回来的电压信号进行误差放大。 一款高效率电流型p 哪升压变换器的研制 ( 2 ) 误差放大器电路 本文所设计的误差放大器用于对采样电阻检测的反馈电压与基准电压1 2 3 v 进行比 较放大，输出信号反映了输出电压与额定值的误差。从而使输出脉冲宽度随误差放大器 的输出电平的高低而变化，来调节输出脉冲的占空比。 ( 3 ) 振荡器电路 本文所设计振荡器电路产生了一个频率为1 7 0 k h z 的时钟信号，采用通过对电容充 放电来产生时钟信号，为整个芯片提供了正常工作频率。 ( 4 ) 比较器电路 p w m 比较器用来比较来自电流取样信号和误差放大器的输出信号，输出信号来控 制r s 触发器，调节p w m 控制电路的输出脉宽，用来控制开关管在每一个工作周期内 的开断状态，并通过开关管控制电感对电容充放电。 ( 5 ) 电流取样电路 在时钟信号的控制下，对功率管上电流进行采样，为电流放大器提供采样信号。 ( 6 ) 斜坡发生器 斜坡补偿信号是由振荡器电路产生的方波通过斜坡发生电路产生斜坡信号，用来对 采样信号进行补偿，防止由于占空比大于5 0 而造成系统不稳定的情况。 控制与驱动电路 控制与驱动逻辑是由r s 触法器和驱动电路组成。驱动功率管开启并完成电路的逻 辑控制。 ( 8 ) 偏置电路 使用自偏置共源共栅电流源，抑制偏置电压随电源电压的变化，偏执电路的输出为 内部系统提供稳定的偏置电压。 ( 9 ) 过流保护电路 由放大器以及控制电路组成，对输出功率管电流进行采样，防止芯片因电流过大而 烧毁。 ( 1 0 ) 软启动电路 在刚上电时利用电容的充电过程，减小内部电涌现象，增加芯片的可靠性和稳定性。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 6 芯片引脚及封装设计 通过上面的分析，在本文所设计的芯片需要1 0 个输出引脚，所以在刚开始设计时 选择了的1 0 d i p 封装，如图2 1 1 所示： s m 膳 v 珊 n 优 0 2 r i n y o a t l x 国西 0 s c 图2 1 1 芯片的引脚图 f i g 2 1 1 t h ep i no ft h ec h i p ( 1 ) s h d n ：芯片外部控制引脚； ( 2 ) v r e f ：芯片内部1 2 3 v 基准电压源的输出引脚； ( 3 ) v b ：偏置电路的输出引脚； ( 4 ) c c ：补偿电容输入和反馈电压测试引脚； 固0 2 ：电流回路测试引脚； ( 6 ) o s c ：振荡器测试引脚； g n d ：芯片接地输入引脚； ( 8 ) l x ：芯片内部m o s 功率开关管的漏极引出引脚； ( 9 ) v o u t ：输出电压引脚； ( 1 0 ) ：芯片电源电压输入引脚。 一款高效率电流型p w m 升压变换器的研制 3 模块电路设计及仿真 3 1电压基准电路 在开关电源电路中基准电压源是一个非常重要的模块，一个性能良好的基准电压源 输出的电压值在一定的范围内基本上与电源电压、工艺参数及温度的变化无关。基准源 种类很多，其中，带隙基准电压源凭借其低温度系数、高电源抑制比、低基准电压以及 长期稳定等优点得到了广泛的应用。在c m o s 技术迅速发展的今天，带隙基准电压源 技术也获得了飞速发展，并在开关电源尤其是d c d c 变换器、a c d c 变换器、l d o 中 得到了广泛的应用，而且其精度和稳定性直接影响整个电路系统的精度和稳定性。所以 在本文设计的d c d c 芯片中，基准电压是设计的核心部分，是影响芯片整体性能的主 要因素【1 9 】。 3 1 1 带隙基准的基本原理 带隙基准电压源是指输出电压几乎不受温度变化、工艺变化、电源电压波动等因素 影响的电路。这就要求我们在带隙基准电路中加入具有负温度系数的二极管以及正温度 系数的热电压v t ，将这两部分电压加权相加后，可得到如下所示的输出电压： = + 珥 ( 3 1 ) 将上式对温度微分，得n - - 极管电压在室温时的温度系数为2 2 m v ，而热电压v 个 ( 巧一k t q ) 在室温时的温度系数为+ 0 0 8 5 m w 。c ，再将这两个温度系数代入式3 1 ，可 求得基准电压具有零温度系数时k 的值【2 0 】。 如图3 1 所示，两个电阻r ，和r ，的一端与输出端相连，另一端则分别接在运放的 两个输入端，运算放大器的作用是在电路处于深度负反馈的情况下。使a 、b 两点的电 压相等。在r ，的阻值远小于r 。和r ：时，我们认为支路的电流只由r 。和r ：决定。如图 3 1 所示，r = ，氓时，r ，支路的