（电路与系统专业论文）高集成度快速响应降压型变换器的设计.pdf

摘要 随着电子技术的高速发展，降压型( b u c k ) 开关电源变换器越来越广泛地运 用于便携式电子设备和仪器。高集成度是未来开关电源变换器发展的一大趋势。 随着现代半导体工艺的不断发展，更多的外围器件实现了片内集成，减少了芯片 的引脚数，极大地方便了应用。本论文就针对这种发展趋势和要求，提出了一种 新型高集成度快速响应的降压型控制器的设计。 在高集成度方面，主要做了三方面的改进设计。针对传统软启动设计中大电 容外接的情况，采用数字控制的方法实现了片上软启动，省去片外引脚，而且启 动更平缓。针对功率器件和驱动电路外接问题，采用同步整流，功率管驱动电路 片内集成，减少了外接器件，并运用并联功率管的方法，实现了片上电流无损检 测。针对传统b u c k 变换器的频率补偿网络设计中补偿电容大的问题，提出片上电 容倍增技术，使补偿网络实现片上集成，方便了应用。 在快速响应方面，针对传统电压模式的特性，做了两方面的改进设计。利用 前馈控制原理，使锯齿波峰峰值比例于输入电压值，从而提高了系统的线性调整 率。利用系统工作带宽调整技术，设计负载跳变检测电路使系统在跳变发生的前 段时间调整补偿网络中频段增益，从而提高了系统的负载调整率，负载跳变响应 时间缩短为原来的一半。 针对上述原理，论文分析比较了多种电路实现方法，并根据设计要求进行改 进。所设计的系统和模块在b c d l 5 u m 工艺下进行仿真验证，结果显示各方面性能 均达到了预期目标。 关键词：降压型变换器高集成度快速响应无损电流检测数控软启动 a b s t r a c t w i mm ef 瓠td e v e l o p m e n to fe l e c 协o m ct e c i l i l 0 1 0 9 y s w i t c h i n gm o d ep o w e r s u p p l y ( s m p s ) b u c kc o n v e r t e ri sm o r e 谢d e l yu s e di nt h ep a l m s i z e dd e 圻c e sa 1 1 d i n s e n t s h i g hi n t e 黟a t i o ni so n e0 fm em a i n 仃e n d so ft h e 如t u r eo nc 1 1 i ps m p s c o n v e r t e r s t h a n l ( st om ed e v e l o p m e i l to fm o d 锄s e i i l i c o n d u c t o rp r o c e s s ，m o r e o f b c h i pc o m p o n e n t sa r ei n t e 伊a t e di i l t ot h ec m pf o rm i i l i m i z i n ge x t e n l a lp i i l s 锄d m a k i n gi te 弱yt ou s e t om e e tm ed e i n a i l d so fm o d e n lo n - c h i ps m p s ，an 0 v e lh i 曲 i n t e 伊a t i o n 肌df 瓠tr e s p o n s eb u c kc o n v e n e rw a sp r e s e i l t e di nt h i st h e s i s t h r e ei m p r o v e m e n t sw e r em a d ew i t l lr e s p e c tt oh i 曲i n t e 伊a t i o n f i r s t l y ，t oa v o i d l eu s eo fb 噜c a p a c i t o r sr e q u e s t e db yt l l ec o n v e n t i o n a ls o r - s t a r tm e c h a n i s m ，ad i 舀t a l c o n 仃0 1 1 e ds o 舡s t a nm e t h o dw a sa d o p t e d 砌c he l i m i n a t e st h ee x t 锄a lc 印a c i t o ra i l d a d d i t i o n a lp i i l 锄dm a k e sm es t 耐i n gm o r eg e n y s e c o n d l 弘n l ee x t e m a 】p o w e r s w i t c h e sa n d 嘶v c rw e r ei n t e 缪a t e di n t om ec _ h i pw i t ht l l es y n c h r 0 i l i z a t i o nr e c t i f 弧n g t e c l l l l o l o g yi nm i sd e s i g n a n dt h el o s s l e s s 觇l 撇l td e t e c t i o n 向n c t i o nw a sr e a l i z e db y p a r a l l e l c o i l i l e c t i o np r o p o n i o n a lp o w e rm o s f e t m o s ti m p o r t a n t l mac 印a c i t o r m u l t i p l i e rt e c h n i q u ew a sp r o p o s o dt 0i i l l p l e m e n tab u c kc o n v e r t e rw i mo n c h i p c o m p e n s a t i o nn e t 、) i r o r kf e 抓j r i n gh i 曲p e r f o n l l a i l c ea 1 1 dm i n i m i z e de x t e n l a lp i n sm a t a r ef a v o r a b l ef o rd e s i 髓e r st ou s e m e a i l w l l i l e ，铆oi i i l p r o v e m e n t sw e r em a d ef o rv o l t a g em o d ec o n 臼的l t or a i s et l l e r e s p o l l s eo fc o n v e n 既f i r s t l y ，t h ef e e d - f o 州a r dt e c h n i q u ew a su t i l i z e dt om a k et h e p e a l ( - p e a l 【v o l t a g ep r o p o n i o n a lt ot 1 1 ei n p u tv 0 1 t a g et oi n c r e a s ei t sl i n e a r 聪g u l a t i o n a st 0l o a dr e g u l a t i o i l ，t l l er e s p o n s et i m eo fs y s t e l l lw a sa d 印t i v e l ym o d i f i e df o r d ) ，1 1 锄i c a l l yc h a i l 舀n gt h ec r o s s o v e rf i 嘲u e l l c yw h e i l1 0 a ds t 印o c c u 玎e d a c c o r d i i l gt 0 t h ed e s i 朗p r i n c i p l e sm e n t i o n e da b o v e ，s e v e r a lc i r c u i t sw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d w r l l a t sm o r e ，i m p r o v e m e n t sw e r em a d et om e e tt h ed e s i 印 s p e c i f i c a t i o n t h es y s t e mw a ss i m u l a t e da i l dv 嘶f i e di na1 5 啪b c dp r o c e s sa i l dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e da l lp 柏肌a n c c sw e r cs a t i s f i e dw i t h l e a i l t i c i p a t i v eg o a l k e yw o r d s ：b u c k c o n v e n e r h i 曲i l t e 铲a t i o n 缸te s p o i l s e l o s s l e s sc u r r e n td e t e c t i o n d i 垂t a lc o n t r 0 1 1 e ds o f t s t a r t 图目录 图1 1d c d c 降压转换器外围s 图2 1b u c k 变换器拓扑7 图2 2b u c k 变换器稳态波形图7 图2 3 峰值电流模式控制图9 图2 4 电压模式控制框图9 图2 5b u c k 系统结构框图1 0 图2 6b u c k 系统框图1 1 图2 7 未加软启动的输出电压电流。1 1 图2 8 加入软启动后的输出电压电流。1 1 图2 9 电流检测时各点波形1 2 图2 1 0 电流检测方法实例1 1 4 图2 1 1 电流检测方法实例2 1 5 图2 1 2 电压控制模式结构1 6 图2 1 3d c d c 变换器闭环控制模型1 6 图2 1 4 t y pe i i 补偿网络示意图。1 7 图2 1 5t y pe | l 补偿网络波特图1 8 图2 1 6 原系统补偿网络补偿后系统波特图1 9 图2 1 7m a t i a b 系统函数频响特性1 9 图2 1 8p i d 补偿网络。2 0 图2 1 9 电压模式电容倍增器原理图2 1 图2 2 0 电流模式电容倍增器原理图2 2 图2 2 1n 型电流模式电容倍增器结构2 2 图2 2 2 常用的n 型电流模式电容倍增器电路结构2 3 图2 2 3p 型电流模式电容倍增器电路结构2 3 图2 2 4 专利中电压跟随器设计方案2 4 图2 2 s 论文中电压跟随器设计方案2 4 v 图2 2 6 前馈控制示意图2 5 图2 2 7 快速响应示意图2 6 图3 1 数字编码软启动电路结构2 7 图3 2 软启动波形示意图。2 8 图3 3 六分频电路结构2 8 图3 4d a c 结构图2 9 图3 5 软启动仿真波形2 9 图3 6 并联检测管的片上电流检测电路结构3 0 图3 7 并联检测管的片上电流检测电路小信号图3 0 图3 8 镜像电流检测仿真波形3 1 图3 9 误差放大器电路结构3 2 图3 1 0 误差放大器局部3 3 图3 1 1 误差放大器的输入失调3 4 图3 1 2 误差放大器的频率响应3 4 图3 1 3 误差放大器的输入共模3 5 图3 1 4 误差放大器的输出摆幅3 5 图3 1 5 传统t y pe i l 补偿原理图3 6 图3 1 6 电流模式电容倍增器t y pe i i 补偿原理图3 7 图3 1 7 电压跟随器电路结构3 7 图3 1 8 电压跟随器频响特性曲线3 8 图3 1 9 电压跟随器的闭环频率特性3 8 图3 2 0 电压跟随器的输入共模电平3 9 图3 2 1 电压跟随器的输出摆幅3 9 图3 2 2 电压跟随器的摆率4 0 图3 2 3 运用传统t y p e i i 补偿网络的理想运放运用传统t y p e ii 补偿网络 z i ( ) 图3 2 4 三种电路结构在r 1 为6 0 k 时的频率响应4 1 图3 2 5 三种电路结构在r 1 为2o k 时的频率响应4 1 图3 2 6 负载跳变检测电路4 2 图3 2 7 单次触发电路结构图4 3 图3 2 8 高性能比较器4 3 图3 2 9 比较器的增益4 4 图3 3 0 比较器的延时4 4 图3 3 1 载跳变检测电路系统仿真4 5 图3 3 2 锯齿波发生器结构图4 6 图3 3 3 当v i n 变化时锯齿波产生波形4 7 图3 3 4 电流比较器示意图4 7 图3 3 5 一种欠压锁定电路4 8 图3 3 6 外部迟滞实现的欠压锁定电路4 8 图3 3 7 欠压锁定电路图4 9 图3 3 8u v l 0 开启关断电压4 9 图3 3 9 电源供电开启时序5 0 图3 4 05 v 的稳定电压源5 0 图3 4 1 不同供电电压下的负载调整率5 1 图3 4 2 不同v i n 时的负载调整率5 1 图3 4 3 不同供电电压下的温度系数5 2 图3 4 4 零温度系数电流基准电路结构5 2 图3 4 5 零温度系数产生器的原理图5 3 图3 4 6p t a t 电流源的温度系数5 3 图3 4 7 单电容充放电型示意图5 4 图3 4 8 单电容充放电型结构示意图。5 4 图3 4 9 双电容充放电型示意图5 5 图3 5 0 双电容充放电型电路结构图5 5 图3 s 1 双电容充放电型仿真波形。5 6 图3 5 2 死区时间原理s 7 图3 5 3 驱动电路结构5 7 图3 5 4 供电范围驱动情况5 8 图3 5 5 防电流穿透死区时间仿真5 8 图3 5 6 防止误触发5 9 图3 5 7 过压比较器结构图5 9 图3 5 8 过压比较器的滞回窗口6 0 图3 5 9 过流比较器的滞回窗口6 1 图4 1 降压型d c d c 转换器6 2 图4 2 软启动仿真波形6 4 图4 31 a 负载时仿真波形。6 5 图4 41o o m a 负载时仿真波形6 5 图4 5 电流检测仿真波形6 6 图4 6 未使用快速响应技术的系统负载跳变时的仿真波形6 7 图4 7 未使用快速响应技术的系统负载发生1 a 到1 0 0 m a 的跳变6 7 图4 8 未使用快速响应技术的系统负载发生lo o m a 到1 a 的跳变6 8 图4 9 使用快速响应技术的系统负载跳变时的仿真波形6 8 图4 1 0 使用快速响应技术的系统负载发生1 a 到10 0 m a 的跳变6 9 图4 1 1 使用快速响应技术的系统负载发生1 0 0 m a 到1 a 的跳变6 9 图4 1 2v i n 从2 5 到1 8 v 变化时仿真波形7 0 图4 1 3v i n 从1 8 到2 5 v 变化时仿真波形7 0 v i 表目录 表1 1 三类电源管理芯片特性分析n 1 1 表2 1 各种电流检测方法性能比”1 1 3 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，也不包含为获得逝婆本鲎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：签字同期：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江盘鲎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。本人授权逝江盘堂 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 致谢 非常庆幸自己当初做出的正确选择，保送到超大所进行研究生阶段的学习。 这是我一生中非常难忘的学习时光。在这两年半时间中，得到了超大所各位老师 和师兄师姐的帮助和指导，使我在科研上收获颇多。 首先，我要感谢我的导师吴晓波教授。他给了我进入超大所学习的机会，并 带着我进入了模拟集成电路设计的殿堂。他严谨的治学态度和一丝不苟的工作作 风给我们留下了深刻的印象，也深深的影响着我们。而且，他非常关心实验室每 位同学的学习，像一位和蔼的长辈一样呵护着他的学生们。在此谨致以的崇高的 敬意和诚挚的感谢! 感谢赵梦恋老师在我研究生期间给予的帮助和指导。感谢实验室的大师兄陈 海博士。我进入实验室的第一个项目就是跟陈海师兄组的，他踏实认真的学习态 度非常值得我学习。他真正做到了言传身教，经常与我们分享他的研究心得，告 诉我们一些学习的方法和渠道。他是我非常尊敬的一位师兄。 感谢项目组合作的同学，吕婧，王朗园，沈旭真，张宏杰，张杰，张强，孙 亮，与你们共同参与课题研究的经历使我受益颇丰。感谢实验室的每一位同学对 我的关心和帮助。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 1 1 电源管理芯片研究背景 随着电子技术的快速进步和电子产业的蓬勃发展，便携式和节能环保概念的 倡导，电源管理类芯片的市场需求越来越大，发挥着积极而巨大的作用。电源管 理类芯片涵盖了很多方面，包括线形调整器、d c d c 、a c d c 转换器、电池充放电 器、功率因数校正等等。 常用电源管理芯片可以分为如下六类川： 1 线性稳压器 2 基于电感器储能的d c d cc o n v e r t e r s ，包括b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 等 多种拓扑 3 基于电容器储能的电荷泵 4 电源管理单元p m u 5 电池充电器 6 锂电池保护 对于前三大类的各种性能进行列表比较 表1 1 三类电源管理芯片特性分析n 特性线性稳压器电荷泵开关稳压器 设计复杂性低 中 中到高 成本低中中 噪声最低低 低到中 效率低到中等 中到高高 ，、j l 二l j l差到中好 最好 输出电流 中低 大 磁性元件不需要不需要需要 局限性只能降压 vi n v o u t布局考蕊 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 综合上面的比较，可以看到开关稳压器综合性能均优于其他类型电源管理产 品，具有广泛的应用背景，是稳压电源的主流产品。 当输入与输出的电压差较大时，开关型电源转换器比线性稳压器显示出更大 的优势。它通过使用低导通电阻开关和l c 存储单元实现了高效率，而且开关频率 越高，d c d c 转换器外围电感和电容越小。开关转换器也存在一定的缺点，如电 感频率外泄干扰问题。 近年来，电源管理类芯片朝着下述几个方向不断发展。 ( 1 ) 芯片高度集成化发展d “引。对开关电源的控制电路实现集成化，表现为 补偿电路，保护电路，软启动电路等的内部集成。此外，对中小功率开关电源实 现单片集成化，被称作电源管理单元( p m u ) 。主要是将开关管，电感等功率级器 件内部集成，甚至是不同功能模块统一封装内置，这样，选用产品更为方便，使 用面积更小、使用成本更低，而且性能优异。 ( 2 ) 追求更高的电源转换效率h 1 。随着能源问题的日益突出，世界各国纷 纷出台了节能高效的电源标准，对电源产品提出了更高的要求。如何降低能耗， 特别是减少轻载情况下较大的开关损耗，已成为开关电源产品所需要解决的问题。 已有产品采用多模式控制等方法达到全负载段的高效率。 ( 3 ) 优良的抗干扰和低噪音性能h 5 1 。开关电源的工作频率升高，虽然可以 使外围电感电容减小，但带来的问题是开关噪声增大。通过采用新型拓扑结构和 新型控制策略可以改善系统噪声性能。另外，对于多芯片系统如p m u ，也有采用 可编程控制的睡眠工作模式来降低开关噪声。 1 2 高集成度发展趋势的产业背景 1 2 1 集成化d c d c 转换器的优势 当前电源管理芯片产品呈现多样化发展趋势h 1 ，例如，低功耗化、数字化电 源管理、高效率以及低噪声等，其中，集成化是半导体产品发展的重要发展趋势。 在传统电源管理类产品的应用设计中，需要根据系统指标选择多个外围器件， 如：输入输出电容、二极管、开关管、电感、采样、补偿器件等分立元件，这对 应用工程师提出了较高的要求，对整体的可靠性设计需要有一定的了解，而且工 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 作量比较大。尤其是对于电感，选择合适的磁芯和绕线是比较复杂的。 而高集成度的开关电源芯片不仅需要极少的外部器件，而且同一个芯片集成 了多种功能，极大方便了应用。此外，还可以改善电源的电磁兼容性能，降低制 作成本。一般考虑从三个方面腼1 来实现片上集成。 1 功率管集成 异步整流仅具有一个开关，且在低位通路中需要一个外接的续流二极管，而 同步整流具有两个开关，需要考虑驱动电路的设计，控制其驱动时间，以免出现 两个开关直通现象。考虑将两个开关管与驱动电路集成，不仅表现出良好的e m i 性能，而且在高温及其他环境影响条件下得到保护。但是也存在不足之处，即电 流和散热问题，这是在工艺和版图布局上需要考虑的问题拍1 。 此外，还需要考虑选择p 沟道m o s f e t 还是n 沟道m o s f e t 作为主功率管。流过相 同的电流n m o s f e t 所占的面积小于p m o s f e t ，但要开启n m o s f e t ，栅极电压需要高 于装置的输入电压，这就需要电荷泵等技术且增加片外引脚，增加成本。 2 环路补偿集成 内部补偿顾名思义就是将补偿网络集成在芯片内部玷，这样就可以使引脚和 外部器件数量减少，为应用工程师省去元件选择等麻烦，简化了p c b 设计。其缺点 就是灵活性较差，通常输出滤波器的选择受限于内部补偿网络。 3 保护功能集成 为了增强系统保护能力，抵御瞬态电流过充尖峰等的影响，需要加入一些无 损检测保护功能，而且可以集成在片内。当采用高边功率p 沟道功率管集成的芯 片时，实现片上峰值电流监测变得非常简单。而如果采用外接功率管感应电流时， 常会引入额外的损耗，同时会增加电路复杂度和成本。 1 2 2 高集成度电源举例 高集成表现为更少的外部器件和芯片引脚数，这样带来的好处是电源连线之 间的电感，电磁干扰等大大减少，从而提高电源性能盯1 。对于应用工程师来说， 减少外部器件数量，能方便其设计，并带来更高的可靠性。各大芯片公司相继推 出了多款集成度高使用简单的开关电源芯片。 设计内置开关式控制器省去了挑选外置功率管的步骤。p o w e ri n t e g r a t i o n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 公司推出开关电源专用集成电路t o p s w it c h i i 。它将高压开关管及驱动电路集 成在片内，可大大减少外围电路，降低成本，提高可靠性，且具有完善的保护功 能。 如果把环路补偿集成到i c 中，电源设计的一个主要顾虑也自然消除。美国 国家半导体注册了s i m p l es w i t c h e r 一1 ，除了实现功率管内部集成外，通过设定 s i m p l es w i t c h e r 调节器的内部补偿，使设计的电路能够在规格范围内保持稳定。 这将消除应用过程中由于补偿设置不当带来的风险。同样，i n t e r si l 推出 i s l 8 0 1 2 ，i s l 8 0 1 3 和i s l 8 0 1 4 。这一系列同步降压d c d c 转换器提供了紧凑有效 的电源解决方案n 们。除集成了一对低导通电阻开关外还将电流模式补偿网络片内 集成，减少了外部器件的数量。t i 公司倍受市场青睐的集成s w i f t 系列d c d c 转换器产品中t p s 5 4 1 0 2 0 3 0 系列异步降压转换器也整合了主功率管、异步整流 器、补偿网络及前馈控制。外部器件只有输出滤波器和低位路径上的s c h o tt k y 二极管。 目前已有很多公司推出了集成开关管和二极管的控制芯片，减少了设计工作 量，但是电感的集成还是跨时代的。已有报道新产品将d c d c 变换器利用m e m s 技术制造的5 n h 电感器封装实现片内集成。此外，也有报道说利用薄膜技术在硅 片上形成2 5 n h 平面电感器的实验正在进行中。 另一个高集成度发展的表现为将传统分立的若干类电源管理器件整合在单 个的封装之内，这种被称为电源管理单元( p m u ) 已经成为电源管理企业关注的 焦点。凌特公司推出了一款1 0 a 降压型d c d c 转换器一“m o d u l el t m 4 6 0 0 。与分 立型d c d c 转换器不同的是，m o d u l e 是将d c d c 控制器芯片、功率开关、电 阻、电感和旁路电容等封装在同一衬底上n ，从而使设计简单，p c b 简洁。另外， 它外型扁薄缩减了整个系统的高度，改善了散热条件，还可以提高系统可靠性。 1 3 研究内容和主要创新点 1 3 1 研究内容 传统的d c d c 转换器系统环路补偿和软启动设计中都需要比较大的电容难以 片上集成，且增多了外部引脚。本论文目的是要设计片上集成软启动，功率管， 4 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 系统补偿且实现快速响应的d c d c 同步降压型控制器，控制器在恒定的开关频率 下工作，采用p w m 电压模式且具有前馈控制。芯片只有五个引脚，v i n 为外部电压 输入端，e n a 为芯片使能端，g n d 为芯片接地端，s w 为主功率管和同步管相连处， f b 为输出电压的分压反馈端。 主要有以下一些设计目标： 输入电压范围是1 8 v 到2 5 v 输出反馈电压基准是1 2 2 v ，输出电压1 2 v 转换器的最大输出负载电流是1 a 工作频率固有频率5 0 0 k h z 软启动电路、补偿电路、功率管和同步管都内部集成化，无需外接肖特基 二极管，减少片外引脚 具有优秀的线性调整率和负载调整率 根据上述主要设计目标，预期设计d c d c 降压转换器如图1 1 所示。 1 3 2 主要创新点 图1 1d c d c 降压转换器外围 本论文提出的系统较传统电压模式b u c k 变换器优势体现在两个方面：系统集 成度高和系统响应速度改善。 在系统集成度方面，运用多种新颖的方法，实现了软启动、电流检测、补偿 网络的内部集成，最终系统设计的芯片引脚数缩减为五个。运用数字控制的方法 实现了片上软启动，避免了传统设计的大电容外接的情况。运用并联功率管的方 法实现了片上电流无损检测，将驱动电路和功率管都集成在片内，减少了外接器 件。针对传统b u c k 变换器的频率补偿网络设计中补偿电容大的问题，提出片上电 容倍增技术，使补偿网络实现片上集成，工程师不必头疼补偿网络器件的选择， 与 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 方便了应用。 在系统响应速度方面，针对传统电压模式较电流模式的劣势，做了两方面的 改进设计。利用前馈控制原理，提高了系统的线性调整率，对输入电压变化响应 加快。利用系统工作带宽调整技术，设计负载跳变检测电路使系统在跳变发生的 前段时间调整补偿网络中频段增益，提高了系统的负载调整率。 1 4 论文结构和章节安排 本论文主要研究基于b u c k 拓扑的电压型高集成度快速响应技术，论文的组织 结构如下： 第一章：研究背景介绍。主要从电源管理类芯片产业化发展入手，探讨了高 集成度发展趋势的必然性，并结合几款公司产品，总结了几种常用的集成方法。 在此基础上提出了本毕业设计的主要创新点。 第二章：从简单介绍b u c k 拓扑及控制模式切入，探讨了系统设计的几个要点。 在此基础上，比较讨论了软启动，电流检测，片内补偿的几种方法，并提出快速 响应的技术。 第三章：具体分析了模块电路的设计。根据系统要求，给出各模块设计规格， 提出合理的电路结构。在此基础上对电路进行大小信号分析，并进行仿真验证。 第四章：明确系统设计指标，进行系统级仿真，在各种输入，负载条件下进 行仿真验证，使系统设计满足设计要求。 第五章：对本毕业设计进行了总结，并对研究工作的延续性进行了展望。 浙江大学硕上学位论文 第二章高集成度快速响应技术研究 高集成度快速响应技术研究 2 1 系统工作原理 2 1 1b u c k 拓扑工作原理 b u c k 变换器是一种降低直流电压的变换电路，其拓扑结构如图2 1 所示，由 开关，电感，电容，负载组成。v 。，和i 。各状态周期的波形图如图2 2 。 当主功率管s 1 开通，s 2 关断，v i n 向负载传递能量，电感电流i 。升高，当s 1 关断，由于电感电流i 。不能突变，i 。通过s 2 续流，电感上的能量传递给负载r l ， 电感电流i 。降低。这样，就完成一个开关周期。稳定工作状态下，电感电流在 周期始末保持一致。 根据电感伏秒平衡和电容充电平衡，可以推导得到占空比d = 虬。关于 此拓扑的分析计算可见文献n 刀。 图2 1b u c k 变换器拓扑 图2 2b u c k 变换器稳态波形图 l f 浙江大学硕士学位论文 第- 二章高集成度快速响应技术研究 这里需要指出的是采用了同步整流技术。它是将整流二极管用功率m o s 管来 替代。它比肖特基二极管的正向压降小，有效地提高了转换器的效率。而且在工 艺条件下，可以实现片上集成，方便应用。 但是，同步整流技术有穿透电流问题，需要设计相关的电路来避免。主功率 管和同步管的驱动延时可能引起同时导通，从而引入很大的穿透电流，对开关管 造成损坏。所以在设计驱动电路时需要加入死区控制时间，以保证一个开关管完 全关断后再打开另一个开关管。 2 1 2 系统控制模式 d c d c 转换器可以以电压模式或电流模式进行控制。 电流模式具有优秀的线性调整率、实时电流限制、系统补偿简单等优点。可 以分为峰值电流模式，平均电流模式和滞环电流模式等几种。下面以峰值电路模 式为例对控制原理进行说明。 峰值电流模式是通过输出电压和电感电流两个反馈信号来实现控制的，层双 环控制n 孔。系统对输出电压进行采样后与基准电压进行比较，通过误差放大器 输出，j 比为电压外环控制。系统对电感电流进行采样后与电压环中误差放大器的 输出信号进行比较，当电感电流峰值达到输出信号时控制功率开关关断，此为电 流内环控制，如图2 3 所示。由此可见，峰值电流模式可以对电感电流进行实时 限流，而且对输入及负载变化响应快。电流模式的系统控制模型中只有一个低频 极点，因此系统补偿变得非常简单。峰值电流模式有一定的缺点，当b u c k 系统占 空比大于5 0 时会产生次谐波振荡，需要设计斜坡补偿电路防止这种情况的发生。 8 浙江人学硕士学位论文第二章高集成度快速响应技术研究 图2 3 峰值电流模式控制图 电压控制模式如图2 4 所示。它是一个单环自动调节系统，简单，稳定、易于 设计，有广泛的应用背景。电压模式主电路由功率开关和低通滤波网络组成，控 制部分包括误差放大器和p w m 比较器。系统对输出电压进行采样后与基准电压进 行比较，将误差放大器的输出电压与固定频率和峰峰值的锯齿波信号比较，通过 p w m 比较器产生开关控制信号。在电压模式中没有次谐波振荡问题，因此不需要 设计斜率补偿电路。在这种传统的电压模式控制中，可以发现它的缺点是动态响 应速度不高，所以需要引入一定的技术进行改善。此外，对电压模式进行建模，会 发现功率级存在两个低频的共轭极点，设计系统补偿网络较为复杂。这两方面的 改进实现方法都会在2 3 部分重点论述。 图2 4 电压模式控制框图 9 浙江大学硕十学位论文 第二章高集成度快速响应技术研究 2 1 3 系统结构设计 v i n l 一一一j 图2 5b u c k 系统结构框图 图2 5 所示为所设计的b u c k 系统结构框图。虚线外面为芯片外部及所接的外 围器件。虚线内部为芯片内部控制系统。芯片共五个引脚。v i n 为外部电压输入 端，e n a 为芯片使能端，g n d 为芯片接地端，s w 为主功率管和同步管相连处，f b 为输出电压的分压端。 不同与传统电压控制型电路，系统补偿，软启动，功率管驱动电路实现了片 内集成。概括来讲，可以分成三个部分。一是控制部分，包括误差放大器，p w m 比较器，开关控制逻辑及驱动电路，振荡器，锯齿波发生器等。二是供电部分， 包括u v l o ，电流源，基准电压等。三是保护部分，包括软启动，过压保护，电流 检测及过流保护。下面将分别对主要部分设计方法进行探讨。 浙江大学硕七学位论文第_ 二章高集成度快速响应技术研究 2 2 软启动原理及多种设计方法 如图2 6 所示，b u c k 型d c d c 转换器在启动初始阶段，输出电压很小，反馈电 压v n 与基准电压比较通过误差放大器( e a ) 输出为饱和高电平，再经过p w m 比较器 后得到满占空比，这样就会在输出端引入很大的浪涌电流，对器件造成破坏1 。 图2 6b u c k 系统框图 w 。 l 、厂 v t ot l 图2 7 未加软启动的输出电压电流 v ，j 镪t l 图2 8 加入软启动后的输出电压电流 因此需要设计软启动电路使输出电压或者电流缓慢上升，防止芯片上电瞬 间产生过冲。未加软启动时系统的输出电压如图2 7 所示，加入软启动后的输出电 1 1 浙江人学硕上学位论文 第二章高集成度快速响心技术研究 压如图2 8 所示。 常用的软启动方法可以分为三种。一种是直接控制输出电压。即在系统启 动时以恒定且较小的电流对大电容充电，当输出电压达到正常工作值时，关断充 电电流，使系统平稳工作n5 1 。另外两种都是通过控制限制误差放大器的电压值， 调制启动时的占空比来实现的。可以直接限制输出电压，使其缓慢上升；也可以 控制误差放大器基准端的电压上升速度，结果也是使误差放大器的输出缓慢上升。 这些方法较为简单常用，但是需要一个很大的软启动电容来控制软启动时间。该 电容只能外接，增加了应用成本和芯片引脚数。 为了便于芯片集成，提高软启动过程平稳度，还有采用数字控制的方法n 7 1 。 其优点是不需要外接软启动电容，从而减少了芯片引脚。 2 3 电流检测原理及多种检测方法 电流检测电路在开关电源中应用很广泛。它可以用于检测过流状态，从而起 到保护芯片和减小功耗的作用。也可以用在电流模式控制中，实时检测电感电流。 图2 9 为峰值电流模式中电流检测时各点的波形。 1 _ _ i | _ _ _ 一一 t o nt o f f 图2 9 电流检测时各点波形 以传统的检测方法为例。即在开关管前串联一个电阻，检测电阻上的电压值 n 引考虑到检测精度要求，电阻值通常为几百毫欧，这会引起很大的导通损耗， 而且电阻的温度系数会对检测精度造成影响。国内外文献还提出了许多无损电流 检测技术，包括利用功率管的导通电阻、并联检测管以及对电感的电流积分等 乜町乜1 2 2 1 。下面通过列表的方式将它们的优缺点逐一进行比较。 浙江大学硕上学位论文第_ 二章高集成度快速响应技术研究 表2 1 各种电流检测方法性能比”1 类型 损耗 精度开关噪声影响开关集成度 串联检测电阻有损最好无片外或片上 基于开关导通电阻 无损最差 有片外或片上 并接检测开关管 无损好 有片上 滤波匹配无损差 无 片外或片上 平均电流无损差无片外或片上 基于开关导通电阻进行检测的工作原理n0 1 如下：当功率管打开的时候，工 作在线性区，可等效为一个小电阻，通过检测两端压降就可以得到电流，但需要知 道功率管等效电阻值，才可以得到电流值。这种方法虽然可以实现片上集成，但精 度极差，不做考虑。 并联检测管进行检测是较好一种实现片上电流检测的方法。 有一种检测方法如下图所示，将检测m s e n s e 与m p o w e r 并联，利用流过两路 的比例电流在线性区相同比例m 0 s 管上的电压相同，设置过流阈值点。当m p o w e r 上电流过大时，使比较器跳变，从而实现过流检测。m p o w e r 和m s e n s e 片上集成， 保证工艺一致，从而电流可以准确镜像。m s e n s e 上的偏置电流需要准确t r i 衄i n g 以保证v s e t 精确代表过流阈值电压。当流过m p o w e r 上的电流超过阈值时，即p h 点 电压低于v s e t ，比较器输出翻转。这种电路只能单纯作为过流保护用，而不能用于 电流模式的控制，实际上它是通过检测电压来检测电流。 浙江人学硕l ：学位论文第一二章高集成度快速响应技术研究 、，i 图2 1 0 电流检测方法实例1 下面这种将功率管和检测管并联的方法，镜像检测出功率管上的电流，这样 既可以作为过流保护，也可以为电流控制模式提供电流检测。 如图2 1 1 所示，这种片上电流检测是将与主功率管匹配的p m o s 管并联接入 功率级。它的宽长比例于且远小于主功率管的宽长，保证同样工作于线性区。 从而使检测电流比例于电感电流。运放的特性保证了v a 和v b 相等。这样检测电路 i s 比例且远小于电感电流。通过检测电阻的电流为流过m 2 的电流与电流源电流的 差。这样就要求偏置电流源电流远小于检测电流。 再对运放的设计进行考虑，运放用于保证m 1 和m 2 的v d s 相等。所以要求该运放 具有高增益来提高检测精度。而且在运放输出点上有两个v g s 及is e n s e r s e n s e 的 压降。这样运放的输出摆幅就要做到使m r s 和m c s5 都工作在饱和区。在设计这样 一个高性能运放时，还要考虑零级点分布及补偿问题。 此外，检测精度也是设计的一个重要指标。在这个设计中，检测精度取决于电 流镜m 1 m 2 的匹配度，运放性能和片上电阻r s e n s e 的精度。m 1 m 2 的匹配度主要由工 艺因素决定，比如：迁移率u 、氧化层电容c o x 、阈值电压v t h 。这样，在版图设计 的时候就有有所考虑，应该尽量减小工艺因素的影响，选择对称匹配性能最好的 布局方法。 浙江大学硕十学位论文第二章商集成度快速响应技术研究 图2 1 1 电流检测方法实例2 2 4