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浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 摘要 随着便携式、消费类电子产品的普及，基于反激式拓扑的开关电源控制芯片 有了广泛的市场需求。同时，在电源数字化潮流中，数字控制开关电源应运而生， 并因其高可靠性、高集成度以及高灵活性逐渐成为电源发展的重要方向。 本文提出一款针对反激式结构的数字电源控制芯片。根据系统设计流程，首 先介绍数字控制系统的基本结构，并细化到关键模块，详细阐述了包括数字补偿 器、模数转换器及数字脉冲宽度调制器的设计方案。 接着，文中给出了数字控制系统完整的理论设计过程，针对其中的一些关键 问题，进行了深刻的探讨：研究应用准谐振控制技术提高系统效率的方案；建模 分析数字控制系统中量化效应及极限环振荡现象的产生原因及规避方法；提出全 新的数字补偿器的概念，并给出完整的设计过程。 最后，介绍了系统中模拟模块，包括偏置、基准、l d 0 、振荡器的设计过程 及仿真结果。 控制芯片采用c s m co 1 8um2 5 vb c d 工艺，设计完成并通过了仿真验证。 关键词：数字控制开关电源，数字补偿器，数字脉冲宽度调制，极限环振荡 1 1 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 a b s t r a c t w i t l lt h ep o p u l a r i t yo fp o r t a b l ec o n s u m e re l e c t r o n i c s s w i t c h e dm o d ep o w e r s u p p l i e sb a s e do nt h ef l y b a c kt o p o l o g yh a v eg a i n e dm o r ea n dm o r em a r k e td e m a n d m e a n w h i l e ，州t l lt h ed i g i t i z a t i o nt r e n do fp o w e ri n d u s t r y , d i g i t a lc o n t r o lo fs w i t c h e d m o d ep o w e rs u p p l yc a m ei n t ob e i n g ，a n db e c a m eh o tt o p i co fp o w e rs u p p l i e sb e c a u s e o fi t sh i 曲r e l i a b i l i t y , h i g hi n t e g r a t i o na n dh i g hf l e x i b i l i t y an o v e ld i g i t a lc o n t r o lc h i pf o rf l y b a c kt o p o l o g yi sp r o p o s e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt od e s i g np r o c e d u r e s ，f i r s tt h eb a s i cs t r u c t u r eo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw a s i n t r o d u c e d ，a l o n g 谢t l lt h ed e t a i ld e s i g ns c h e m eo fk e ym o d u l e s ，w h i c ha led i g i t a l c o m p e n s a t o r , a n a l o g - - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ra n dd i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t o r c o m p l e t et h e o r e t i c a ld e s i g np r o c e s si sp r e s e n t e df o rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m , a l o n g w i t l ld e e pd i s c u s s i o no fk e yi s s u e s ：t h e o r e t i c a la n a l y s i so fq u a s i - r e s o n a n tc o n t r o l s c h e m ei ns y s t e me f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ；m o d e l i n ga n a l y s i so fq u a n t i z a t i o ne f f e c t s a n dl i m i tc y c l eo s c i l l a t i o np h e n o m e n o nb r o u g h tb yd i g i t a lc o n t r o l ；s t e p - b y - s t e p a n a l y s i so fd i g i t a lc o m p e n s a t i o nd e s i g n f i n a l l y , a n a l o gm o d u l e si nt h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec u r r e n tb i a sc i r c u i t ，t h ev o l t a g e r e f e r e n c ec i r c u i t l d oa n do s c i l l a t o ra r ep r o p o s e d 、析n 1w h o l ed e s i g np r o c e s sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec h i pi s d e s i g n e di nc s m c0 18 l am2 5 vb c d p r o c e s sa n dv e r i f i e db y s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a lc o n t r o lo fs w i t c h e dp o w e rs u p p l i e s ，d i g i t a lc o m p e n s a t o r , d i g i t a l p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n , l i m i tc y c l eo s c i l l a t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 致谢 本论文结束之际，我的研究生生涯也开始倒计时，此刻我感触良多，这次我 的论文能成功完成，离不开周围老师、同学的关心和帮助，我希望能借此机会向 他们表达我的感激之情。 首先，要特别感谢我的老师何乐年教授。在做毕业设计初期，我对自己的研 究方向和研究内容还很模糊，长期处于彷徨期，是何老师次次帮我理清思路，明 确方向，使我的研究步入正轨。此后，何老师也时刻关注我的研究进度，热心帮 助我排忧解难。两年半的相处时间，何老师不仅教会了我正确的治学态度和研究 方法，他开阔的思路、敏锐的科学思维、忘我的工作精神、踏实的工作作风更让 我懂得了如何做人、做学问，让我受益匪浅。 感谢吴晓波老师、史铮老师、王维维老师、竺红卫老师、沈海斌老师在我读 研期间给予我的指导和帮助，使我有一个完善的知识体系，为之后的研究打下基 础。 感谢项目组的师兄邱建平，他总是不厌其烦地帮助我，而且始终支持我，给 我信心。正是你的努力和支持，我才能顺利完成项目。 感谢叶益迭师姐、张鲁师兄、宁志华师兄、柯徐刚师兄，诸剑慧师兄、董玲 玲师姐，邵亚丽师姐在我入学之初，给予我悉心的指导和帮助，让我的研究生生 涯有一个良好的开端。 感谢在一起愉快地度过研究生生活的沈亚丹、刘国家、汤骁、徐碧野、王煊、 付大伟、陈帅，有了你们的帮助和陪伴，我才能克服学习上的各种困难，不断前 进。 感谢在这段时间陪伴在我身边的同学，特别是我的室友陈一和吕华芬，是他 们让我感受了学术之余不一样的精彩生活。 在毕业设计的过程中，我参阅了许多书籍，论文以及互联网上的文章，在此 对这些书籍和文章的作者一并表示感谢! 最后要感谢我的父母。是他们的辛勤劳动养育了现在的我，是他们谆谆教诲 促成了现在的我。我将在未来的道路上不断努力，来回报他们。 感谢浙江大学，感谢超大所给我施展才华的舞台。 浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 开关电源及其电源管理芯片 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能直接影响电子设备的技术 指标及可靠性。目前常用的电源包括线性电源和开关电源两大类。 线性电源( l m e 甜p o w e rs u p p l y ，l p s ) ，其电路结构简单、稳压性能好、输 出纹波小，但是必须依赖庞大的工频变压器与电网进行隔离，而且调整管上的功 率损耗很大，逐渐不能满足小型、便携式电子产品轻便、集成、低功耗的要求。 开关电源( s w i s h i n gp o w e rs u p p l y , s p s ) ，是利用现代电力电子技术，控制 功率管导通和关断比率，稳定输出电压及电流的一种电源，因电源中起调整控制 功能的器件始终以开关方式工作而得名。开关电源的变压器工作范围可以从 5 0 k h z 到1 m h z ，理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感、电容的 体积和重量和供电频率平方根成反比，因此，随着频率的增大，开关电源的体积 和重量大幅度缩小；此外，由于器件工作在开关状态，本身消耗能量很低，开关 电源效率可以达到9 0 以上，比普通线性电源提高近一倍。2 0 世纪8 0 年代后期， 成本和控制电路问题等技术难关被攻克，开关电源以其高精度、高效率、高可靠 性等优势迅速取代传统的线性电源，成长为电源中的主流产品，在电子设备中得 到广泛应用。根据国际知名调查机构d a t a b e a n s 统计数据，从2 0 0 4 年至2 0 1 0 年全球每年开关电源市场销售额保持平均1 5 左右的增长幅度；并在2 0 1 0 年达 到约1 2 0 亿美元的销售额，其中消费电子类电源、通讯领域电源和工业领域电源 的市场份额分别排名前三位，其市场规模分别为3 5 亿美元、3 4 亿美元、2 5 亿 美元。【1 】 开关电源主要包括电源控制芯片及外部拓扑结构。开关变换器常见的拓扑结 构有1 4 种之多。每种结构都有自己的特点及适用场合。应用最广泛的结构有b u c k 型、b o o m 型、b u c k b o o m 型，如图1 1 所示，以及后来出现的正激型( f o r w a u r d ) 和反激型( f l y b a c k ) 。 b u c k 型变换器，是一种降压型变换器，最大的优点是损耗低、效率高。b o o m 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 变换器是一种升压型变换器，通常用于低功率场合( 小于1 0 w ) 。b u c k b o o s t 型 电源变换器又称为升降压变换器，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入 电压。 ( a ) b u c k ( b ) b o o s t ( c ) b u c k - b o o s t 图1 1 常见开关电源的拓扑结构 上面三种开关电源的拓扑结构有一个显著的缺点，那就是输入回路与输出回 路共地，不能实现多路输出。现在使用最广泛的推挽、正激变换器以及反激变换 器利用变压器把能量传递到负载，由于输入回路与输出回路不共地，可以实现多 路输出。其中反激式变换器具有效率高、功耗低、电路简单、输入输出隔离、成 本低等优点，在庞大的开关电源家族中，反激式开关电源是电源适配器、离线式 电池充电器，传真等中小功率设备的首选。【3 ，4 1 反激变换器的工作原理将在下一 节展开介绍。 电源控制i c 是开关电源的核心，从控制方法上分为：时间比控制和瞬时控 2 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 制。从反馈量的类型又可以分为：电压模式( v o l t a g em o d e ) 控制，电流模式( c u r r e n t m o d e ) 控制。【5 】 时间比控制是电源变换器中采用最多的一种控制方式，它通过改变开关导 通、关断时间连续控制输出电压的大小，输出是一个由占空比控制的量。时间控 制又有以下几种实现方式：脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) ，脉 冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n , p f m ) ，谐振调制( r e s o n a n tm o d u l a t i o n , r m ) 。p w m 模式下，开关频率固定，通过改变导通时间f 0 。实现占空比的变化， 从而控制输出电压平均值的大小。由于频率固定，这种控制方式为消除开关频率 谐波的滤波器设计提供了便利；固定，改变开关周期来改变占空比的控制方 式，即p f m 模式，这种方式实现电路简单，但由于变频，增加了滤波器设计的 难度，常用于轻载情况下，降低开关功耗，提高变换器转换效率；谐振控制是既 改变开关导通时间，又改变开关周期的一种控制方式，同样应用于低功耗设计， 降低开关导通损耗。嗍 瞬时值控制是恒值( 恒压或恒流) 控制或波形控制中，常见的控制方式。此 方法将期望值或波形作为参考值矿，规定一个控制误差s ，当实际输出瞬时值达 到规定上限矿+ s 时，开关关断；当输出达到规定值下限矿s 时，开关打开， 从而获得限制在参考值矿附近五误差范围内的实际输出。 从反馈量的类型分类，电源控制i c 又可以分为电压模式和电流模式。 电压型p w m 控制是最早采用的控制模式，采样输出电压作为反馈环的输入 信号，控制结构简单，如图1 2 ( a ) 所示，反馈信号与基准电压比较的结果经过 误差放大器后成为误差信号瞻，将其与锯齿波信号v s a w 比较后生成固定占空比 的脉冲波形，该占空比和误差量线性相关。该脉冲波形经过锁存器和驱动电路控 制功率开关，从而调节输出电压。 电压控制模式只检测输出电压这一个变量，因此只有一个控制环路，结构简 单，调试也比较容易；由于锯齿波的幅值较大，脉冲宽度调制时有较好的抗噪声 裕量；但是输出l c 滤波电路给控制环路增加了双极点，加大了补偿网络设计的 复杂度；另外，输入输出变化需要被检测到，然后通过环路反馈进行纠正，响应 速度较慢；由于对输出电流没有限制，电压型控制需要额外的电路来限制输出电 流。图1 2 ( b ) 是电压型控制电路中主要的波形。 3 浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 v s v e v p 广 广 广 ；个i 企i ( a ) 控制电路( b ) 主要波形 图1 2 电压模式控制 z7 仁而 ( a ) 控制电路( b ) 主要波形 图1 3 电流模式控制 电流型控制电路，如图1 3 ( a ) 所示，在比较器的正输入端用反馈电流量( 通 常为流过开关管的电流) 在电阻上产生的压降代替固定的锯齿波。在每个周期开 始的时候，时钟信号使锁存器复位，开关电流尽线性增加，因此检测电阻r s 上 的电压蚝也线性增大，当v s 达到e a 的输出魄时，比较器翻转，锁存器输出低 电平，关断功率管直到下一个时钟周期到来。图1 3 ( b ) 是电流控制型电路中的 主要波形。 电流模式控制相对于电压模式控制有更快的响应速度，且自身具有限流的功 能，易实现过流保护。但是电流型控制电路在占空比大于5 0 时会产生次谐波振 荡，影响系统的稳定。通常需要额外的斜坡补偿电路来消除，此外，也可以采用 控制更复杂的平均电流模式代替图1 3 所示的峰值电流模式。 1 1 2 基于f l y b a c k 的a c d c 控制芯片 随着手机、p d a 、数码相机及其他消费类电子产品的普及，基于a c d c 的 电源适配器、电池充电器在人们的生活中有了广泛的应用。充电器的输入输出必 须隔离，否则会存在安全问题。常用的隔离变换器包括单端反激变换器、单端正 4 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 激变换器、推挽变换器、半桥变换器及全桥变换器。从电路器件来看，推挽变换 器和半桥变换器都采用2 个主开关管，全桥电路更是需要4 个开关管，功率器件 数量较多，更适合于功率较大的应用场合。相比之下，单管反激变换器和单管正 激变换器更适用于类似充电器这种小功率应用场合。比较两种单管隔离电路，可 以看到，单端反激变换器的结构更为简单，其输出端无需额外增加滤波电感，变 压器可同时完成变压器和电感两种功能；除此之外，反激变换器还不需要专门增 加变压器磁复位电路，可直接通过输出电路完成：比较两种单管结构的输入输出 关系，还可以发现，单端反激变换器的输入输出呈非线性关系，相比于正激变换 器更适合于充电器宽输入的应用场合。【7 ，8 ，9 1 总而言之，反激式电源具有效率高、功耗低、电路简单、输入输出隔离、成 本低等优点，在庞大的开关电源家族中，反激式开关电源是电源适配器、离线式 电池充电器，传真等中小功率设备的首选。因此，对反激式a c d c 电源控制芯 片进行研究，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。【1 0 。1 1 】 反激式变换器是一种间接转换能量的开关变换器，其特点是在开关导通阶 段，能量全部存储在中间级变压器上，并在开关关断后传递到输出端。 反激式变换器是在b u c k b o o s t 变换器的基础上推演并加隔离变压器而来的。 对图1 1 ( c ) 的电感进行分析可以发现，如果用1 ：l 的耦合电感代替电路中的单 个电感，不会对电路运行产生任何影响。把耦合电感分开并重新组合，用l ：l 的 变压器代替1 ：1 的耦合电感，即得到反激式变换器。将变压器的匝比改为任意比 值，则得到通用反激式变换器，如图1 4 所示。【1 2 】 图l 。4 反激变换器 除了用一个变压器代替电感作为能量中间级外，反激式变换器的工作方式和 5 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 b u c k b o o s t 型变换器类似。但是，反激式变换器可以通过改变输出电路与副边绕 组相连的相位，调整输出电压的极性；简单的通过调整变压器匝比来调整输出电 压幅值；还可以通过多个副边绕组得到一组不同的输出电压，实现多路输出，这 些都是反激式变换器的显著特点。 根据电流是否连续，反激式变换器的工作模式分为连续导通模式( c c m ) 、 边界导通模式( b c m ) 和断续导通模式( d c m ) 。所谓的电流连续是指在整个开 关周期内，变压器耦合绕组的总磁通中不为零，而电流断续时总磁通在开关管关 断期间有一段时间为零。【1 3 】 i 连续导通模式 在连续导通模式( c c m ) 下，当开关导通时，变压器的磁感应从非零电流 开始，并且变压器在每个周期存储能量。c c m 是工作于固定频率的反激式变换 器的一种典型工作模式。如图1 5 ( a ) 所示每个周期，副边电流没有归零就开始 存储能量，这就需要变压器中的能量跨周期存储。所以当负载电流变化时，相应 的存储在变压器中的能量也相应的变化。例如，如果从输出拉高负载电流，每个 周期控制器都会保证变压器提供该电流。传到负载的能量最大为j 牡，2 。 i ( a ) 连续导通模式( b ) 续断导通模式 图1 5 反激变换器主要工作模式 i i 断续导通模式 断续导通模式( d c m ) 下，每个周期传输的能量和电流都从零开始增加并 且回归到零，变压器存储能量没有跨周期存储。也就是说，在开关导通期间原边 存储的能量在开关关断期间完全传输到副边。开关关断并且没有能量传输到负载 6 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设汁 的这段时间被称为死区时间。图1 5 ( b ) 为是d c m 运行曲线。 i i i 边界导通模式 边界导通模式( b c m ) 这个名字源于控制器正好工作在c c m 和d c m 的边 界上这个事实。换句话说，开关开启期间，存储的电荷正好补偿开关关断时负载 消耗的电荷。死区时间必须足够小，理想状态是为零。 开关导通点就是副边电流归零点，也是原边电流开始上升点。根据负载和输 入电压的不同，原边电流必须达到相应的值以保证输出调节。由于开关动作发生 在所有能量都转换完以后，所以运行频率视应用条件而定。 1 1 3 数字控制开关电源管理芯片 数字化技术正在成为电源控制芯片设计中的潮流，当数字控制加入电源管理 系统后，数字开关电源应运而生。数字电源实现了数字和模拟技术的融合，提供 了更强的适应性、灵活性和可靠性，使性能得到进一步优化。【1 4 。1 5 】 1 高可靠性。数字电源对参数变化不敏感，不存在模拟电源中常见的误差、老 化、温漂等问题，可靠性更佳。数字电源还可以通过远程诊断以确保持续的 系统可靠性，实现故障管理、过流( 压) 保护、自动冗余等功能。 2 高集成度。数字电源的集成度很高，系统的复杂性并不随功能的增加而显著 增加；外部器件很少，减小了占板面积，简化了设计制造流程；同时随着数 字集成电路制造工艺及设计自动化的快速发展，数字控制器也将更加容易的 集成到更小的芯片上。 3 高灵活性。数字控制器的在线编程和通信功能极大提高了系统方案的灵活 性、可移植性和可扩展性，减小了开发成本和开发周期。 4 性能优化。相对于模拟控制技术，数字技术的独特优势还包括更先进的控制 算法、更智能的控制模式、更好的效率优化、优秀的系统管理和互联功能。 例如，在数字控制电源中，亚阈值控制、自动模式切换和自适应死区时间控 制等先进控制技术都可以用来进一步提升系统整体效率；目前，可识别、自 适应和非线性的数字开关电源控制技术的广泛研究也展露了进一步提升系 统性能( 包括诊断、可测试性和大信号响应等) 的可能性。【1 6 j 随着数字电源的发展，越来越多的方案供应商进入到数字电源领域，器件进 7 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 一步发展，产品开发速度进一步加快，产品方案也越来越成熟，系统稳定性会进 一步加强，产品性能也会得到大幅度提升；与此同时，越来越多的电子工程师进 入数字电源领域，方案会越来越多，分工也更加细化，使得方案的开发模块化速 度加快，这样推动各个厂家把最新的技术应用到产品中，从而推动产品的市场化； 其他行业的成熟开发方案和先进的理念被引入到数字电源行业，使得数字电源的 开发成本大幅度降低，再加上产品的规模化生成，产品的价格将随着产品的普及 降低到合理的水平。数字电源产品将逐渐成为开关电源的主流产品。 1 2 研究内容和论文结构 论文的第一章为绪论，介绍论文的研究背景。首先对开关电源、尤其是开关 电源控制芯片的基础理论、发展状况做一个简单的回顾；然后针对便携式设备用 开关电源这一主流市场需求，提出了基于f l y b a c k 拓扑的电源管理i c 的研究方 向：进而，针对学术界对开关电源数字化的研究热点，对数字控制开关电源管理 芯片的相关理论及可行性进行了探讨。章节的末尾给出了论文的组织和安排。 论文的第二章提出了数字控制开关电源结构、区别于模拟方案产生的新问 题，并在此基础上探讨了数字控制开关电源关键模块：数字补偿器、模数转换器 以及数字脉冲宽度调制器的设计要求及常见的实现方法。 论文的第三章针对反激式数字电源的关键问题进行了理论研究和设计验证。 首先提出对反激式拓扑进行准谐振控制，从而提高系统效率；然后，重点探讨引 入数字控制后产生的量化效应和极限环振荡问题，内容包括原理介绍、建模分析、 及实验结果验证；最后提出了全新的数字补偿器的概念，并提出了完整的设计过 程。 论文第四章给出控制芯片整体设计方案，涵盖了芯片功能、工作原理、具体 应用方案等相关内容。 论文第五章为芯片中主要的模拟模块的设计与仿真结构。包括启动、电压预 调整、偏置和基准和振荡器等系统主要模块。 论文第六章为全文内容的总结和对未来的展望。 8 浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 第二章数字控制开关电源结构 传统的模拟控制开关电源，以典型的电压型b u c k 开关电源为例，基本电路 如图2 1 ( a ) 所示。该控制器利用误差放大器( e r r o r a m p l i f i e r , e a ) 对输出电压 进行采样和补偿，然后与芯片内部产生的斜坡信号进行比较得到脉宽调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) 信号，控制功率开关，从而调节输出电压。 ( a )模拟控制 ( b ) 数字控制 图2 1 电压型开关电源结构 将控制部分作如图2 1 ( b ) 处理，则得到数字控制脉宽调制控制器。关键模 块包括模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r , a d c ) 、数字补偿器( 也称数字 e a ) 及数字脉冲宽度调制器( d i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t o r , d p w m ) 。a d c 对输 出电压或电流进行采样，数字补偿器对环路提供内部补偿，d p w m 将计算得到 的数字占空比信号转化为模拟量控制功率级电路。 与传统的模拟方案不同，上述模块均会引入延时，使得系统模型发生变化。 此外由于a d c ，d p w m ( 作用相当于d a c ) 的量化效应，将对系统引入的量化 误差；而其非线性特性又会在环路中产生极限环振荡( l i m i tc y c l eo s c i l l a t i o n , l c o ) 。因此，接下来我们探讨数v - 控制p w m 转换器的关键模块设计。 9 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 2 1 数字补偿器 数字补偿器是采用数字计算方式实现补偿算法的模块，其作用相当于模拟方 案里的误差放大器( e a ) ：通过添加零、极点或改变增益的方式对环路进行补偿， 满足系统对于稳定性的要求。数字补偿器的实现采用数字电路设计方案，可以一 步到位地完成设计及最后的版图综合，也可以简易地实现各种复杂的算法。 2 1 1 设计方法 设计离散补偿器常见有两种方式：一种是基于模拟控制器模型；一种是基于 全数字控制转换器模型。【1 7 】 r ( s r a d i t ( z ) ( a ) 模拟补偿器 y 国 a d ( b ) 连续控制系统 y 国 ( c ) 离散控制系统 图2 2 补偿器设计方法 第一种方式是基于连续控制系统设计数字补偿器。如图2 2 ( b ) 所示，该方 式下模拟补偿器被数字补偿器及a d 、d a 、采样保持等相关结构取代。补偿器 首先在s 域设计，然后再通过离散化方法转化到z 域。 第二种方式是基于离散控制系统设计数字补偿器。如图2 2 ( c ) 所示，首先 将s 域上的连续模型全部转化到z 域，然后直接在z 域上推导数字补偿器c ( z ) 。 由于历史原因，模拟设计工程师对连续域的补偿器设计更熟悉，因而第一种 方法更加常用。文中采用的也是第一种方法，具体实现过程将在第三章节介绍。 l o 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 2 1 2 常用结构 通过上述任一方式得到z 域的数字补偿器表达式) 后，经过z 变换的反变 换得到对应离散时刻数字占空比的表达式，即控制定理。例如，主流的p i d ( p r o p o r t i o n i n t e g r a l d e r i v a t i v e ) 补偿器，离散化后得到的z 域表达式为 q 。，= 器2 等攀 协。 对应的离散时刻控制定理表达式为 d n 】= d n l 】+ 口e 【刀】+ b e n - 1 + c e n 一2 】 ( 2 2 ) 其中，d 为数字占空比信号，e 为数字误差量，方括号内为相应的时刻。 控制定理的电路实现也有两种方式。 1 基于加法器和乘法器，这也是最直接的处理方式，如图所示。通常乘法器的 结构较为复杂，所占面积大：而且一个乘法的执行需要多个时钟，若要加快 计算速度，则需要提高时钟频率，但同时功耗也加大了。当然也可以对算法 进行优化，选择2 或者1 2 的倍数作为表达式的系数，这样就可以用简单的 移位寄存器代替乘法器，但这种方式可能会限制算法的性能。【1 7 】 2 查表法，通过查表的方式代替乘法运算，减小控制算法的复杂度。 d i n f - l l l 庀 勋6 如a l a * e n - l il it一譬 e l n 图2 3 控制算法的查表法实现 方法：查找表的输出为预先存储的数字误差量和各系数的乘积项，如图 2 3 中的矿p 【行】，当前误差量( p ，z 】) 和之前存储的误差量( “刀- 1 】和e n - 2 】) 作为地址查表，当前周期的数字补偿器输出( a n 】) 为上一周期的数字 数字补偿器输出( a n 1 】) 与查找表输出之和。 可行性：若反馈环路工作正常，输出电压和基准电压很接近，差值用几 蘸 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 个数字量就可以覆盖，所以相对的查表的入口很少，具体实现面积减小； 同时，计算过程可在一个或者几个时钟周期完成，所以对时钟频率要求 也降低了。 特点：可编程。查找表可从外部存储器加载，也可以通过接口对其他系 统组件编程得到。通过编程可以实现不同的控制方法，简单的，复杂的， 线性的，非线性的( 这也是数字控制区别于模拟控制的优点之一) 。这个 特点也意味着同一个控制器核可适用不同的功率级结构，适应不同的参 数调整，且不需要外部无源器件来调整补偿器响应。【1 8 】 2 2 模数转换器 2 2 1 设计要求 首先，可以根据系统性能要求确定a d 模块的设计指标。 1 高转换速率。a d 模块的延时会产生相移，降低相位裕度，从而影响系统稳 定性。具体相位裕度偏移量可通过下式估算 a g t a z 3 6 0 * ( 2 3 ) 其中，t d 环路总延时，石为系统截止频率。 2 高分辨率。通常系统对静态和动态输出电压调整率有很高的要求。动态输出 电压调整率要求输出电压是围绕v r e f 一定范围内的有限值( 包含线电压及负 载跳变情况) ：从v r r f ( av o ) m a x 2 到v r e f ( av o ) m a x 2 。静态输出电压调整 率则要求在稳态情况下直流输出等于参考电压v r e f ，只允许很小的偏差：v r e f 2 。为了达到这些要求，a d 的最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 对应的模拟量必须小于，而a d 的转换范围只包含围绕v p e f 的很小范 围即( av o ) m x 。事实上，由于和( av o ) m a x 的限制，只有很少的值被用 表示误差量v p e f v o 。简而言之动态输出电压调整率决定a d 输入范围，而 静态电压调整率决定a d 的分辨率。为了提高输出精度，要求高分辨率的 a d 。 3 对噪声不敏感。因为转换器输出包含开关噪声，所以不适用于类似f l a s h a d c 这种对噪声敏感的a d 。 1 2 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 2 2 2常用结构 在常用的a d c 结构中，由于积分型a d c 的转换速度非常慢，在这里不予 讨论。主流的a d c 结构有并行的闪速式( f l a s h ) 结构、逐次逼近寄存式( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o n r e g i s t e r e d ，s a r ) 结构、多个f l a s h 电路级的流水线( p i p e l i n e ) 结 构和延时线型( d e l a yl i n e ) a d c 结构。【1 9 】 1 f l a s h - a d c ，见图2 4 ，利用矛1 个比较器直接以甩位的分辨率测量模拟信号。 f l a s h 结构速度非常快，转换过程可以在一个时钟周期内完成。它的主要缺 点是结构复杂，需要较多的比较器，例如一个行位a d c 需要铲1 比较器。 图2 4f l a s h - a d c 结构 2 s a r - a d c ，见图2 5 ，使用一个比较器在多个周期内逐位完成转换过程。s a r 结构只需一个比较器和一个力位d a c 就能实现高分辨率的a d c ，但它需要 珂个比较周期才能达到刀位的分辨率，转换过程较长，会在反馈环路中引入 很大的相位延迟。 图2 5s a r a d c 结构 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 3 p i p e l i n e a d c ，见图2 6 ，具有介于f l a s h a d c 和s a r a d c 之间的性能。管 道式转换器将转换任务分成p 个连续的阶段，每一阶段都是由采样保持电路、 k 位f l a s h a d c 和k 位d a c 组成，其总体分辨率为，z 印事后位，总共需要p ( 2 k - 1 ) 个比较器。例如，一个1 0 位、2 段管道式转换器只需要6 2 个比较器( 同样 1 0 位的f l a s h 需要1 0 2 3 个比较器) ，并且转换过程只需2 个时钟周期( 1 0 位 s a r 的转换周期需要1 0 个时钟周期) 。 d l g i t a io u t p u t 图2 6 p i p e l i n e - a d c 结构 4 延时线a d c ，见图2 7 ，延迟线a d c 由延迟链、寄存器组和译码电路组成， 具有结构简单、功耗小等特点。利用标准c m o s 工艺下逻辑门的传输延时随 栅极驱动电压下降而增加的原理。不需要很高精度的模拟器件，整个系统由 标准的逻辑门组成，可通过硬件描述语言( h d l ) 实现，同时结构整体规模 随工艺发展按比例缩小，在亚微米工艺也很容易实现高采样频率。另外采样 过程延续了近一个周期，输入信号得到有效平均，因此a d c 输出不受输入 信号噪声尖峰的影响。缺点是受工艺、温度等影响大。 ( a ) 框图 i n p u t i ( b ) 延时单元 图2 7 异步延时线a d c 结构 1 4 o 浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 2 3 数字脉冲宽度调制器 标准的模拟脉冲宽度调制器( p w m ) 将其输入电压与给定的载波相比较， 以提供电压值到时间值的转换。通常情况下，载波是线性的锯齿波，输入电压与 输出脉宽之间呈线性关系。 数字脉宽调制器( d p w m ) 的输入信号是数字信号，因此它用于数字信号到 时间信号的转换。具体实现过程中，先通过时间量化环节将一个开关周期量化成 许多时间槽，然后根据输入的数字信号d i n 来选取合适的时间槽，以给出所需的 脉冲宽度，从而实现从数字信号到占空比的转换。 2 3 1 设计要求 同样，根据系统性能确定可以d p w m 的设计指标。 1 高分辨率。数字占空比控制信号研，z 的量化精度，及通过它最终确定的输出 电压的量化精度直接取决于d p w m 的分辨率；如果d p w m 的分辨率不够高， 最终得到的输出电压值没有落到基准电压周围v o ( 输出电压静态调整率， 决定a d c 的l s b 的量) 范围内，则在稳态情况下，数字占空比控制信号会 在两个或者几个数字量间振荡，也就是我们所说的极限环振荡。 2 高速，和a d c 模块类似，d p w m 的延时也会叠加到环路延时上，产生相移， 降低相位裕度，从而影响系统性能。 2 3 2 常用结构 1 基于计数器d p w m 具体实现比较简单，只需要一个快速时钟计数器和一个数字比较器。在 每个开关周期的开始时刻，功率管导通；每过一个时钟周期，计数器加一； 当比较器检测到这个计数器输出与饥刀 相等时，d p w m 输出翻转，使功率管 关断，从而实现对时间槽的选取。该结构输出的占空比分辨率为 a d = f o , o c k 厶t c h ( 2 4 ) 其中向i t l l 为功率级的开关频率，石1 0 c k 为控制器的系统时钟。以b u c k 转换器 为例，则输出精度为 浙江大学硕士学位论文反激变换器控制芯片设计 v o = 圪a d ( 2 5 ) 为了提高输出精度，必须提高d 。显然，基于计数器结构的d p w m 并不适 用于高开关频率转换器结构，以3 0 0 k h z 开关频率为例，为了实现8 b i t 的开 关分辨率，需要超过g h z 的时钟频率，实际情况下很难实现。 2 基于延时线d p w m 针对基于计数器的d p w m 对时钟频率要求过高这一缺点，有学者提出 了基于延迟线( d e l a y 1 i n e ) 的d p w m 结构，如图2 8 所示。由一组串接的延 迟单元组成延迟线，利用外部输入的时钟脉冲信号在延迟线上均匀的传播速 度实现对时间的均匀量化。占空比直接取决于对接受到输入信号的延迟单元 个数的选择，这个选择可以通过由数字占空比信息研明控制的多路选择器的 控制来实现从2 1 1 个时间分格中选出研明所需要的时间分格。这样，时钟频率 只需达到开关频率即可，大大缓解了对时钟频率的要求。在设计时，延迟线 的最大延迟应与最大占空比相对应，其每个单元的延迟与占空比的分辨率相 对应，它取决于延迟单元的供电电压和单元内逻辑门的数量。 图2 8 基于延时线d p w m 结构 采用延时线结构很容易实现d p w m 的高分辨率、低功耗要求，但是由 于需要一个多路选择器，可能会消耗更多的芯片面积。 图2 8 中这种开环d p w m 结构被称为异步延时线d p w m 。其他基于延 时线的d p w m 结构还包括同步延时线d p w m 、二进制加权延时线d p w m 、 分段延时线d p w m 和混合式d p w m 。其中结合计数器和延时线结构组成的 混合式d p w m ，充分利用了两个结构的优点，在时钟频率和电路复杂度方面 得到了改善，在高频、高性能的系统中倍受青睐。 1 6 浙江大学硕士学位论文 反激变换器控制芯片设计 3 基于数字高频振动( d i g i t a ld i t h e r ) 技术的d p w m 同样为了降低高频时对时钟频率的要求，新的研究提出了一种基于高频 振动技术的d p w m 。数字振动技术的原理是在几个时钟周期内变化一个 l s b ，从而平均后的占空比会是两个相邻占空比的中间分量。平均的过程通 过l c 滤波电路实现。振动过程如图2 9 ( a ) ，图中d c l 和d c l 是d p w m 输 出的两个相邻的占空比，珧2 = d c l + i l s b 。交替使用d c l 和d c 2 ，则平均后的 占空l 七为( d c l 4 - d c 2 ) 2 = d o + ( 1 2 ) l s b 。这样，我们就得到了一个小于l s b 的 中间量( i 2 ) l s b ，将等效分辨率提高了1 位。使用相同的原理，在四个时钟 周期内平均，如图2 9 ( b ) 可得到中间量( i 4 ) l s b 和( 3 4 ) l s b ，将等效分辨 率提高了2 位。由此，我们可以推导，在2 m 个时钟跨度内使用振动技术， 则等效分辨率将提升m b i t ，即 帆c f r = d p 砌+ m ( 2 6 ) 其中，d p 咖是原d p w m 分辨率，d p w 玑c f r 是振动技术后的有效分辨率。 这种方法容易实现高分辨率，但是抖动的占空比信号引入了低频谐波分 量，产生额外的输出纹波。 叫t m v 卜 翟= 厂 广1n n ：- 一 抛f踟f融f踟， 姻8 卜一 等= 。n 同n 门： o酣oc2d c l 凸醴 等二nnnn ：_。 纰纰凇a 蓝 由* 怕r a 9 ea t ye y d e ： d c l 伪- r 由旧嘈i 剖i ( i ) c l + d e 2 垤 = d c l + 1 璧l s b 瑾悖dl e w f l j d c 2 = d c l + l s b ( h a r d w a r ei e v k ) ( a ) f 1 2 ) l s b 实现过程 “mp m 飑r a g ed t y o d e ： hhn 几：一d 。i r ，nn 芊高一d c + i m l s b r nn 门冈： “” 耄j 吼一。| 气篇怒 薹1 r 门几n ：一l ：= 了 ， 引眦j 飞勰 【一八1 i _ u d e l + 3 4 l , s b n 门n 门：。d c 2 2 d c i + l s b ( b ) ( 1 4 ) l s b 、( 1 4 ) l s b 实现过程 图2 9 数字振动技术提高等效占空比过程 1 7 浙江大学硕士学位论文 反激交换器控制芯片设计 第三章反激式数字电源关键问题研究及设计 3 1 准谐振控制 3 1 1 准谐振工作原理 现代开关电源的一个重要发展方向是开关高频化，因为高频化可以使开关变 换器体积、重量大大减少，从而提高变换器的功率密度。实现高频化，必须降低 开关损耗，软开关是减少开关损耗的重要方法之一。它应用准谐振控制原理，使 开关管在两端电压自然过零时导通，实现零开关损耗。同时，由于较低的咖d j d t ， 系统的e 性能也可以得到改善。【2 0 ，2 1 】 反激变换器准谐振控制原理如图3 1 ，其中厶。为变压器原边电感，厶为变 压器原边漏感，电容c d 包括开关管寄生电容、变压器的匝间电容以及其他一些 杂散电容。r p 包括变压器原边绕组的电阻以及线电阻。 卜- v d - - 一 。f ， l 。 5 - l 。丰 l! r ：【r i k 音 l i n = r _