（电路与系统专业论文）高效率降压型dcdc控制器的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路产业的发展，各类电子设备和系统也对开关电源提出了更高 的要求，包括要求开关电源的体积更小、功率密度更高、转换效率更高以及可 靠性更好。论文针对现代开关电源技术发展的要求，尤其是待机状况下的功耗 问题，提出一种高效率降压型d c 】) c 控制器的设计。 首先，根据开关电源的国内外研究现状和趋势，给出研究内容和设计目标。 其次，根据研究内容和设计目标，论文从提高转换效率、减小芯片外围电 路、低压电路设计、可靠性、纹波与效率问题以及环路补偿设计等多方面内容 提出了系统的综合设计方案。 论文的重点是提高不同负载条件下的效率。一般来说。大部分开关电源在 中载和重载下效率都比较高，但是在轻载下效率比较低。因此，本设计引入了 b u r s t 模式和p s m 模式来提高轻载下的效率。其中，b u r s t 模式效率高但纹波较 大，而p s m 模式效率相对较低但纹波小，所以可以根据不同的应用要求来使能 相应的模式。 再次，按照系统的设计方案，设计了包括误差放大器、电流比较器、基准 电压源、锁相环以及保护电路等多个电路模块，并对这些电路模块进行了原理 分析和性能仿真。 最后，结合系统结构和电路模块，构建了整个实际的控制器系统，并对控 制器的主要性能参数进行了仿真和结果分析。系统仿真结果表明系统工作正常， 预期设计目标均已实现。 关键词：降压型p w m 模式b u r s t 模式p s m 模式效率纹波 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e d c i r c u i t0 0i n d u s t r y , h i g l l e r p e r f o r m a n c e so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya r er e q u e s t e db ym o d e r ne l e c t r o n i c a p p a r a t u sa n ds y s t e m s , w h i c hi n c l u d es m a l l e rv o l u m e , l l i g h e rp o w e rd e n s i t y , h i g h e r e f f i c i e n c y , h i g h e l r e l i a b i l i t y , a n ds oo i l a c c o r d i n gt ot h e s er e q u i r e m e n t s ，e s p e c i a l l y t h a to fr e d u c i n gl o wp o w e rd i s s i p a t i o na ts t a n d - b ys t a t u s , as t e p - d o w nd c d c c o n t r o l l e rw i t l lh i g he f f i c i e n c yw a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s a tf i r s t , w i t l io v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , t h e t a r g e t o f t h e c o n t r o l l e r w a s p r e s e n t e d t h e n ，b a s e do nt h ed e s i g nt a r g e to fc h i ps y s t e m ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo ft h e c o n t r o l l e rw a sp r o p o s e d t h ee f f o r t sw e r ef o c u s e do ni t se f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t , p o r i p h e r a lc o m p o n e n t sr e d u c t i o n ，l o wv o l t a g ec i r c u i td e s i g n ，s y s t e mr e l i a b i l i t y , l o o p c o m p e n s a t i o na n dt r a d e o f f b e t w e e no u t p u tv o l t a g er i p p l ea n de f f i c i e n c y t h ec o r eo ft h et h e s i sw a se f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t r e c e n t l y , i ti sac o m m o n s i t u a t i o nt h a tm o s to fs w i t c hp o w e rs u p p l i e sh a v eh i 曲e f f i c i e n c yw h i l eo p e r a t i n ga t i l i g ha n dm i d d l el o a d 。b u th a v el o wo n ea tl i g h tl o a d ，t h u s ，b u r s tm o d ea n dp u l s e s k i pm o d e ( p s m ) a r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya tl i g h tl o a d b u r s tm o d e h a sh i 【g h e re f f i c i e n c yb u tb i g g e rr i p p l ev o l t a g ea n dp s mm o d eh a sl o w e re f f i c i e n c y b u ts m a l l e rr i p p l ev o l t a g e i nt h ep r o p o s e ds y s t e m , d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sc o u l d c h o o s ee n a b l e dm o d e a f t e rc o m p l e t i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e , s o m ek e ym o d u l e sl i k ee r r o ra m # i f i e r , c u r r e n tc o m p a r a t o r , r e f e r e n c ev o l t a g e ，p h a s e - l o c k e dl o o p sa n ds o m eo t h e rp r o t e c t i o n c i r c u i t sw e r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e di n1 5 山nb c dt e c h n o l o g y t h ec o n t r o l l e rc h i p w a sc o m p l e t e db a s e do nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc i r c u i tm o d u l e s s o m et y p i c a l e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r es i m u l a t e da n t ia n a l y z e d t h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e da l ls p e c i f i c a t i o n so f t h ec o n t r o l l e rw e r es u c c e s s f u l l ya c h i e v e d k e yw o r d s ：s t e p - d o w n p 、mb u s r tp s m e f f i c i e n c yr i p p l e 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，也不包含为获得迸望盘茎或其他教育机 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。 学位论文作者签名券访q 签钿飙冲名月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸垄盘堂有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸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，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) 学位论文作糍：盖园叼 签字日期：7 却年占月矿日 导师签名： 签字日期：占月貊 工作单位：袭毋彩锄涨许么司( 上筠仅乏刽、)电话；序g 彰莎7 _ 7 多 通讯地址：上溺堋法滋j 殇在够丢地为幻坜邮编：即p z 浙江大学硬士学位论文 1 1 综述 第一章绪论 电源有如人体的心脏，是所有用电设备的动力，是现代通信、航空航天、生 物技术、计算机等高科技领域内电子设备的动力支撑。没有安全良好的动力，质 量和可靠性就无从谈起。电源管理芯片占有模拟集成电路市场的最大份额，它应 用新技术，立足高起点，正在迅猛向前发展嗍。 电源一般可以分为线性电源和开关电源两大类。但是线性电源的功率晶体管 一直工作于导通状态，所以效率比较低，只有3 0 4 0 ，在发生世界性能源危机 的年代，这引起了人们的广泛关注。而p w m 开关电源采用脉冲宽度调制，使功 率管工作在开关状态，效率可达6 5 7 0 。最早出现的是串联型开关电源，其主 电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。后来脉宽调制( p w m ) 控制技术有了发展，研究出了工作频率为2 0 k h z 的p w m 开关电源替代，可大幅度 节约能源，在电源技术发展史上誉为2 0 噼命。自从出现了开关电源，它开始 在越来越多的领域替代线性电源 1 2 】。 开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界。 随着现代电子技术设备对开关电源需求的不断提高，开关电源的性能也越来越 高。除常规性能指标以外，要求开关电源的体积越来越小、功率密度越来越高以 及转换效率也要越来越高，同时，还要求开关电源的平均无故障工作时间越来越 长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低 成本和更高性能的d c 厨c 转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的 目标【6 】【7 】。 1 2 国内外研究背景、现状和趋势 随着许多电器电子产品的尺寸不断减小，人们在降低开关电源的体积、提 高效率和功率密度等方面做了很多工作。2 0 世纪8 0 年代，随着半导体技术的 发展，能够将功率器件与驱动、控制等电路集成封装，这可快速为客户提供产 品，显著降低成本，提高可靠性。2 0 世纪9 0 年代，功率半导体器件有了许多 浙江大学硕士学位论文 新的进展，使实现开关电源的高频化有了可能。同步整流技术的开发为研制高 效率或低输出电压的开关电源创造了条件。2 0 世纪末，软开关技术为p w m 开 关电源高频化后开关损耗大的问题提供了解决方案。电流型控制以及多环技术 已在开关电源中得到较广的应用。电荷控制、一周期控制和d s p 控制等技术的 开发及相应专用集成控制芯片的研究，使开关电源的动态性能有很大的提高， 电路也有大幅度的简化。而一些新的控制方法，如白适应、模糊控制，神经网 络控制，以及各种调制策略在开关电源中的应用，已引起人们的注意。另外各 种电源智能化技术也已在国内外比较成熟 1 2 1 3 1 。 根据应用需求，开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化 的开关电源是当今和未来的主要设计目标。 ( 1 ) 提高开关电源的工作效率和可靠性。随着开关电源越来越多的器件集成在芯 片内部，可靠性和效率得到不断的提高。电容、光电耦合器以及功率m o s 等元 器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成 度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、散热容易，从而达到高 功率密度、高可靠性。 ( 2 ) 开关电源的小型化、轻量化和高频化。开关电源的体积、重量主要由储能元 件( 磁性元件和电容) 决定，因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能 元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以 及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化 是开关电源的主要发展方向。 ( 3 ) 低噪声和良好的动态相应。开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化， 噪声也会随之增大。采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低 噪声。各种新型拓扑结构和优秀控制器的研制开发都有效地改善了开关电源的 动态响应。采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高， 并可实现远程控制等功能，是世界电源的发展趋势【l l 】。 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，现己成为稳 压电源的主流产品。当今消费类电子，便携式手持设备盛行，电源紧张的问题也 很突出。目前的摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累积工作 时间。目前广泛使用的，以通话为主要功能的2 g 移动电话待机时间一般为数天 2 浙江大学硬士学位论文 至一周，相对于几年前手机必须每天充电的情况己有大幅改善，但这种改善并不 足够。下一代2 5 g 或3 g 移动电话将拥有的网站浏览、视音频以及电子邮件与个 人信息管理等功能将使功耗增加l o 倍。日本的一些3 g 电话在密集使用下不到一 小时就没电了，而国内新推出的某些具有p d a 等多种功能的智能电话在密集使用 下也只能维持半天。另一方面，由于高集成度，开关电源已经能够集成到s o c 芯 片中，而开关电源的噪声对周边电路产生了很大的影响。随着开关频率的提高， d 沮问题变的日益严重。所以如何提高效率，减小静态功耗以及减小d m 噪声是 当今开关电源设计的重大挑战。旨在向业界推广低待机功耗理念、介绍最新技术 和解决方案，推动节能创新技术的研发和应用，由中标认证中心主办、安森美半 导体协办的首届中国“1 w 论坛”已在上海举行。国内外主流开关电源控制器芯片 厂商如m a x i m ，l i n e a rt e c h n o l o g y , n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r , o ns e m i c o n d u c t o 礴也大 力推行绿色能源的概念，相继推出了低功耗、高效率、低噪声的产品。 1 3 本设计的研究内容及其意义 开关电源的核心就是控制器芯片的设计。根据对电源电压的变换情况，可功 能性地分为三种，即降压型，升压型和升降压型。随着v l s i 和s o c 技术的发展， 为了降低电源功耗，电源电压越来越低，所以降压型控制器的设计也变得越来越 重要。 根据控制芯片不同的工作模式，可以分为p w m 电压模式和p w m 电流模式。 无论电压模式还是电流模式控制，都采用输出电压反馈。不同的是，电压模式控 制中，仅有一个电压反馈控制环；而电流模式控制系统中，除电压反馈控制环外， 还存在电流控制内环。 电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来一个革命性的飞跃。电流模 式控制有以下几个优点。首先，系统的稳定性增强，稳定域扩大。其次，系统的 动态性能改善。这一点主要体现在对输入电压扰动的抵抗能力的提高。电源的输 入电压中，通常包含交流输入电压纹波，如果采用p w m 电压模式控制，由于电 压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除干净。而采用电流模式控制后，输出电 压中由输入电压引入的低频纹波几乎可以被完全滤除。最后，具有快速限制电流 的能力。由于有了电流控制环，通过对电流给定信号的限幅，可以很容易地限制 3 浙江大学硬士学位论文 电路中的电流，从而有效地降低开关器件、变压器和电感等元件受到的电流冲击， 这对很容易受大电流损坏的高频电力电子器件十分有益 1 5 1 。 目前，电流模式控制还可以分为峰值电流模式控制，平均电流模式控制和电 荷控制等。本毕业设计是要设计d c d c 同步降压控制芯片，采用峰值电流模式控 制。研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 提高开关电源转换效率。减少耗电量的好处就是可以延长电池使用时间， 因此节能技术将为便携产品带来明显的、用户可切实感受到的竞争优势。由于 电子产品大部分时间都工作在待机状态，所以如何提高开关电源在轻负载时的 效率成为一个设计重点。如何提高转换效率也是目前学术界和工业晃的研究热 点。 ( 2 ) 减小芯片面积和外围电路体积。随着电路系统的小型化，对芯片的体积和 外围电路的要求也越来越高。片上系统概念的提出更进一步催化了这一发展趋 势。如何减小芯片面积、减小成本和减小外围电路的复杂性和体积已经成为开 关电源设计的一大挑战。 ( 3 ) 低压电路设计。随着便携式设备处理器工作电压不断降低，电源管理也面 临着新的挑战。亚微米的c m o s 制造工艺，把c p u 和d s p 电压降至i v 以 下。这要求新一代电源转换集成电路的电压输入必须很低，而且提供的输出电 压也要低于i v ，同时还要具有相适应的输出电流、高转换效率、低噪声以及 扁平紧凑的引脚，这就也对电源管理芯片提出了新的挑战。低输入电压就意味 着要设计低工作电压电路。 ( 4 ) 过流保护、过压保护和过熟保护等。评价开关电源的质量指标应该是以安 全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使 电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路， 比如防浪涌电流的软启动电路、过压、过热和过流等保护电路。 ( 5 ) 纹波和效率的矛盾。一般来说，纹波大，纹波频率低，则开关损耗小，效 率高。反之纹波小。则效率低。这就需要如何优化设计系统，使控制器能很好 地满足客户不同的要求。 ( 6 ) 系统环路稳定性问题。对控制器来说，稳定性是一个重要的设计内容。由 于电流控制模式有两个负反馈回路，根据负反馈的原理，要使系统稳定，这两 4 浙江大学硕士学位论文 个环路都必须稳定。 1 4 设计目标 根据上述研究内容，本毕业设计要设计高效率d c i ) c 同步降压控制器，控制 器在恒定的开关频率下工作，采用p w m 峰值电流模式，输出电压可以根据外接 分压电阻可调，主要有以下一些设计目标： 输入电压范围是2 v 到5 5 v 输出反馈电压基准是0 6 1 3 v ，输出电压可以根据这个电压调节反馈电阻比 例进行调节 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 工作频率可选内部固有频率1 7 m h z 或2 6 m h z ，还可以同步外界输出时钟， 同步范围是1 m h z 到3 m h z 重载时工作在p w m 模式，轻载时可由外部选择决定工作在b u r s t 模式或 p s m 模式，其中b u r s t 模式时工作电流只有1 6 0 i j a 片外控制信号可关断转换器，关断状态时功耗小于6 a 转换器的最大输出负载电流是6 0 0 m a ，最高转换效率可达9 5 电流模式工作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 4 1 所示。 v w v , us w r r一 吻 - l r 毒一lrj t r u n 每t u 1 v h m o d e s y n cg n d 图1 4 1d c d c 降压转换器 控制器芯片有7 个引脚。v 是电源输入引脚，给芯片和输出电压供电； r u n 是控制信号，当r u n 是低电平时，芯片被关断，当r u n 变高电平时芯片 5 浙江大学硕士学位论文 才正常工作；m o d e 是用来选择轻载时的工作模式的，低电平时选b u r s t 模 式工作，高电平时选p s m 模式；s y n c 是用来选择工作的频率的，高电平时选 择2 6 m h z ，低电平时选择1 7 m h z ，当s y n c 是i m h z 到3 m h z 的时钟信号时， 内部时钟则与s y n c 同步；s w 是主功率管和同步管的输出，接电感；v v e 是输 出电压通过反馈电阻的反馈电压，进入芯片与基准电压0 6 1 3 v 比较；g n d 是 芯片的接地引脚。 1 5 本设计的结构 本设计根据上述研究内容可分为以下几个部分： 第一章绪论部分，主要介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，以及本设计的 研究内容和设计目标 第二章介绍降压型d c d c 控制器的工作原理以及系统设计。 第三章介绍降压型d c d c 控制器各模块电路原理、具体电路和功能仿真。 第四章介绍降压型d c m c 控制器的功能仿真以及分析。 第五章总结本设计的研究成果。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章系统工作原理与系统设计 2 1 系统工作原理 d c d c 转换器主要可以分为两大类，即电压型和电流型。由于电流模式具 有优秀的线性调整率、简单的补偿电路和实时电流限制等优点，所以越来越多 的d c d c 转换器采用电流模式。而电流模式还可以根据对电感电流检测方法的 不同分为平均电流模式控制、滞环电流模式控制和峰值电流模式三种。峰值电 路模式控制则是电源设计者最经常使用的控制方式。 降压型转换器用途广泛，它的主要拓扑结构见图2 1 1 。 图2 1 1降压型转换器拓扑 图2 1 1 中，当开关打在1 时，根据电感电流的特性可得： 一。= 厶鲁 开关在l 的时同为d t ，所以： 出，：坠二监! 丝( 2 ) 。 上 当开关打在2 时同理可得： 一乩等 ( 3 ) 垃：- v o v r ( l - d ) t( 4 ) 。 l 由于电感电流的连续性，所以( 2 ) 式和( 4 ) 式中的t 相等，因此可得： ( v z r - v o u r ) d t ：- v o v r ( 1 - d ) t ( 5 ) 三三 。 化简( 5 ) 式可得： 7 浙江大学硕士学位论文 = d ( 6 ) 其中是输入电压，v o 。是输出电压，工是电感，t 是电感电流，缸是电感 电流的纹波，d 是占空比。式( 6 ) 是设计降压型d c d c 控制器的理论基础， 通过调节占空比d 就可以得到相应的输出电压。 根据上述降压控制器的原理，结合电流模式的工作特点，可设计p w m 峰 值电流模式的降压转换器框图如图2 1 2 所示。 误差放大器 图2 1 ，2p w m 峰值电流模式的降压转换器框图 图2 1 2 中，当时钟信号一来到，r s 触发器被置位，主功率管被打开，电 感电流开始上升，所以v s e n s e 开始下降。当电流检测电压v s 蹦s e 下降到与 v c 啾电压相等时，电流比较器翻转，r s 触发器被复位，主功率管被关断， 同步管被打开。主功率管在下一个时钟来到时重新被打开，具体过程见图2 1 j 3 。 由于电感电流上升的斜率直接决定了功率管的占空比，所以当输入电压变化时， 占空比能迅速调整，这就是电流模式具有优秀线性调整率的原因。另外，由于 电感的峰值电流被v c o s t a o l 限制，所以可以对电感电流每个周期都进行检测和 限制。 其中v c o m r o l 是由外部电压环产生的。输出电压v o t r r 经过检测电路和一 个基准电压v 跹f 通过误差放大器产生误差信号，再经过补偿网络产生v c o n t r o l 信号。所以这个负反馈电路主要使d c d c 转换器在不同的负载电流情况下稳定 输出电压。 8 浙江大学硕士学位论文 l v ： t o n j 饼f c l o c k o t 图2 , 1 3 电流模式工作过程 2 2 系统结构设计 。根据绪论中的研究内容，本设计也主要从以下几个方面来提高控制器的性 能： ( 1 ) 减少芯片引脚和外围电路体积。提高工作频率，不仅可以减小外围滤波 器的体积，还减小补偿电路的体积，使补偿电路内部集成化，这就减小了外围 电路。另外，采用同步整流技术，将同步整流管和主功率管都集成在控制器内 部，这进一步减小了外围电路和芯片引脚。 ( 2 ) 低压电路设计。注重电路级设计，使芯片中的电路模块都能在较低的电 源电压下正常工作，这有利于d c d c 转换器最大限度地利用电源，如锂电池等。 ( 3 ) 软启动，过流保护、过压保护和过热保护。在系统中加入多个保护电路， 保证芯片工作的可靠性。 ( 4 ) 纹波和效率的问题。效率和纹波就是一个矛盾。在轻载情况下，纹波大， 效率高；而纹波小，则效率低。根据这两种情况设计相应的工作模式，根据实 际需要选择一种。 ( 5 ) 系统环路稳定性问题。电流控制模式有两个负反馈回路，根据稳定理论， 要使系统稳定，这两个环路都必须稳定。在补偿设计时，要首先稳定电流内环， 再稳定电压外环。 ( 6 ) - 提高开关电源转换效率本芯片设计的重点所在。本芯片采用三种不同的工 作模式，即p w m 、b u r s t 模式或p s m 模式，在不同的负载情况下来减小损耗 9 浙江大学硬士学位论文 以提高效率。这三种模式的工作原理会在本章的第三节进行详细分析。本章的 第四节将针对提高效率的原理以及效率与纹波的折中作详细的分析。 根据电流模式的工作原理，结合设计目标和上述设计考虑，提出芯片的系 统框图如图2 2 1 所示。 m d d e 月“ 图2 2 1 系统框图 其中基准电压电流部分给整个芯片提供基准电压和电流；r u n 信号通过 关断基准电压电流源来关断整个芯片；系统的时钟和斜坡补偿都由锁相环，振荡 器产生；过压比较器是用来限制最大过冲电压的，即过冲时关断主功率管；过 流比较器o c 是限制最大电感峰值电流，即过流时关断主功率管；过热保护是 防止芯片过热的，即过热时关断主功率管；电流反向比较器是防止电感电流反 向的，即电感电流反向时关断同步管；驱动电路是用来驱动开关管的，为了防 止主功率管和同步管同时处于导通状态，驱动电路中有死区控制时间；当主功 率管导通瞬间，由于s w 点的放电，主功率管会通过很大的电流，这个电流会 使r s 触发器误复位而导致系统不能正常工作，所以在主功率管导通瞬问加入 屏蔽时间b l a n k i n g t i m e 使电流比较器在这段时间内不工作。 以上提到的电路模块及其功能将在第三章电路级设计中详细分析和仿真。 l o 浙江大学硕士学位论文 2 3 系统三种工作模式原理分析与设计 2 3 1p w m 模式原理与设计 p w m 电流模式是d c d c 转换器的负载处于中载和重载时的工作模式。在 图2 2 ，1 中，r s 触发器在每个时钟周期到来时被置位，主功率管被打开。随着 电感电流的上升，电流比较器输出信号使k s 触发器复位，主功率管被关断。 而电流比较器何时输出复位信号是由误差放大器的输出电压决定的。其中v 阳 是转换器输出电压通过电阻分压的反馈电压。当负载电流增大时，、，i m 略微降 低，导致误差放大器的输出电压上升，直到平均电感电流等于负载电流。当主 功率管被关断时，同步管被打开。当下一个时钟周期来到或者电流反向比较器 显示电感电流反向时，同步管才被关断。 在误差放大器中的基准端引入了软启动。如果没有软启动电路，在电路刚 开始工作时，转换器的输出电压很低，而误差放大器的输出电压会很高，这就 导致电感电流的峰值高和上升斜率大，从而形成很大的浪涌电流和过冲电压， 这就会影响系统正常工作。当引入软启动电路后，基准端缓慢上升，误差放大 器的输出也缓慢上升，这就有效地防止了浪涌电流和过冲电压，见图2 3 1 。 功率管电流 图2 3 1 软启动 p w m 峰值电流模式一个缺点就是电流比较器对检测电阻上的电流噪声敏 感。当主功率管导通瞬间，由于同步管的寄生二极管和寄生电容的作用会引起 瞬间大电流流过检测电阻。而这个瞬间大电流会导致电流比较器输出复位信号 给r s 触发器，使主功率管被关断，从而导致误操作。所以在主功率管导通瞬 间，要加入屏蔽信号使电流比较器在这段时间内不工作，等电感电流恢复正常 后才工作，见图2 3 2 。当屏蔽信号是高电平时，电流比较器无效。 浙江大学硕士学位论文 i 。i ； j u 露i u 蠢t i i n h 兰簋 - 哺 i v 屏赴时同a j 2 3 2b u r s t 模式原理与设计 图2 3 2 屏蔽信号 b u r s t 模式的主要是通过对电感电流峰值最小值的钳位来实现的。使能 b u r s t 模式要将m o d e 接低电平，让b u r s t 信号通过选择器到s l e e p ，见 图2 3 3 中红线标记部分。 m o d i g 图2 3 3b u r s t 工作原理 当负载电流较大时，负载检测误差电压钳位模块不会起作用，让v c o m p 浙江大学硕士学位论文 电压直接输出至ve r r o r 。随着负载电流的下降，误差放大器的输出vc o m p 也随之下将，当下降到一定值的时候，误差电压钳位电路对ve r j i r 钳位， 使电感电流峰值被钳位在2 0 0 m a ，而且这个峰值不会随负载电流的下降而下降。 同时当ve r r o r 被钳位时，负载检测输出轻载标志信号打开传输门使b u r s t 信号通过。 b u r s t 模式的具体工作过程见图2 3 4 。在轻载时，主功率管对负载是过 充的，电感充向负载的电流大于负载电流，多余的电流就流向输出大电容，这 导致输出电压的升高。v m 的升高到b u r s t 迟滞比较器的高值时，输出b u s r t 信号翻转，传输至s l e e p 信号，关断主功率管，等电感电流反向时关断同步管， 同时还关断系统中其他的大部分电路，使静态功耗降低。当主功率管被关断， 负载电流由输出滤波电容提供，所以输出电压下降，当降到b u r s t 迟滞比较 器的低值时，b u s r t 信号使能主功率管，系统重新进入峰值电流钳位状态工作。 h y s t e r e s i sh i g h h y s t e r e s i sl o w s w 嗍上圳舢 图2 3 4b u r s t 模式工作过程 2 3 3p s m 模式原理与设计 p s m 模式主要是根据误差放大器的输出和负载检测来工作。使能p s m 模 式要将m o d e 接高电平，让l i g h t l o a d 信号通过选择器到s l e e p , 见图2 3 5 中蓝线标记部分。 浙江大学硕士学位论文 图2 3 5p s m 工作模式 当负载是轻载时，转换器的输出电压升高，误差放大器的输出v _ - c o m p 降低，负载检测电路输出p s m 信号，通过选择器到s l e e p 信号，关断主功率 管。主功率管被关断时，负载仅由输出滤波电容供电，所以输出电压降低， vc o m p 上升，p s m 信号翻转，使能主功率管，ve r r o r 电压等于v _ c o m a 电压。所以电感电流以vc o m a 为峰值工作，随着对负载的充电，由于过充， 输出电压又上升，vc o m p 又下降，当负载检测的输出p s m 信号翻转时主功 率管又被关断。所以p s m 模式就是以误差放大器的输出电压来输出p s m 信号 控制主功率管工作。具体工作过程见图2 3 6 。 l i p s m ve t o r lm o s e f e t s w 一土一邶 _ 一岫 图2 , 3 6p s m 模式工作过程 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 4 效率与纹波的分析 上述系统的三种工作模式在效率和输出电压纹波上都有各自的特点。对于 f w m 模式来说，当输出滤波器一定时，纹波主要跟工作频率有关，即： a v ：坠二鳖监鳗丁( 1 ) 8 l c v 其中和c 是输出滤波器的电感和电容，t 是开关周期。所以工作频率越高， 纹波越小。 转换器的效率是输出功率与输入功率的比值，即； pp 玎= 丝匹1 0 0 = 一二旦竖一1 0 0 ( 2 ) 岛+ 最。 一般来说，圪。主要由芯片的静态损耗，导通损耗，开关损耗和驱动损耗等 组成。其中静态损耗是指电源给芯片内部模块的正常供电功耗。导通损耗与开 关管的导通电阻有关，损耗为，飧，其中，是流过开关管的电流，r 是导通电 阻。开关损耗，即开关管在导通和关断瞬间的损耗，主要与工作频率有关，频 率越高，开关损耗越大。驱动损耗是电源驱动开关管栅极时的损耗，损耗为 声p 岔，其中，是开关频率，c 是开关管栅极等效电容，是电源电压。所以 驱动损耗也与工作频率有关，频率越高，驱动损耗越大。因此，损耗可以表示 为； 只n 留= f & 矧+ 晰+ f 删增+ 只锄 ( 3 ) 所以对p w m 模式来说，工作频率越高，纹波越小，但相对来说效率就降 低了。在重载和中载时，即以p w m 模式工作时，负载电流大，导通损耗，礓是 主要损耗。在重载和中载时负载功率昂。较大，相对来说导通损耗较小，所以 效率较高。 但是在轻载时，导通损耗变小，若芯片还工作在p w m 模式下，开关损耗 和驱动损耗占主要功耗。这时负载功耗变小，损耗相对较大，效率就会很低。 所以在轻载时要转换工作模式，减小开关管的工作频率以减小开关损耗和驱动 损耗。但是由于稳定性等原因，直接减小芯片的工作频率是不可行的。 浙江大学硕士学位论文 因此本设计中的b u r s t 模式和p s m 模式就是针对提高效率而提出的。从 图2 3 4 和图2 3 6 可以看出，在轻载时，不管是b u r s t 模式还是p s m 模式， 在当s l e e p 有效时，主功率管和同步管都是被关断的。这就相当于减小了开关 管的平均工作频率，从而减小了开关损耗和驱动损耗，提高了轻载时的效率。 其中在b u r s t 模式工作时，输出电压的纹波直接由b u r s t 迟滞比较器的 迟滞窗口决定。根据对b u r s t 工作原理和波形的分析可以得出；在一定的负 载电流下，输出电压纹波越大，开关管被关断的时间就越长，也就是开关管的 平均工作频率就越低。由于在b u r s t 模式工作时系统中部分模块电路也被关 断，因此平均静态功耗、开关损耗和驱动损耗都得到减小，这就有效地提高了 效率。 在p s m 模式工作时，系统没有直接控制输出电压的纹波，而是根据误差放 大器的输出变化来控制开关管。由于误差放大器有较大的增益，所以输出电压 较小的变化就会引起误差放大器的输出有很大的波动。因此在p s m 模式工作 时，输出电压的纹波比较小。由于误差放大器的输出电压比较敏感，所以开关 管关断的时间也很短，这就相当于开关管的平均工作频率相对b u r s t 模式来 说要高一点。另外由于其他模块也没有被关断，所以p s m 模式的效率没有 b u r s t 模式高，但是比轻载时采用p w m 模式高。 所以通过对上述三种工作的分析，可以看出效率和纹波的矛盾关系。因此， 可以根据实际的应用，效率的要求更高时选择b u r s t 工作模式，而当纹波的 要求更高时选择p s m 模式。 2 5 同步整流技术的应用 在过去的d c d c 降压转换器中都采用功率二极管来整流，见图2 5 1 。一 般来说，肖特基二极管的正向压降约为0 4 加6 v ，甚至大1 v 。特别在大电流时 功耗很大，当输出电压低3 v 的开关转换器中的损耗中占主要比重，例如大于 5 ( p , 4 。另外功率二极管很难集成到控制芯片中。所以，随着各类电子产品的工 作电压不断降低，功率二极管整流已经不符合要求了。 f l r r 江大学硬士学位论文 图2 5 1 功率二极管型降压转换器 从2 0 世纪8 0 年代开始，国际电源界研究开发同步整流技术，采用导通损 耗低的功率m o s 管代替功率二极管，见图2 5 2 。相对功率二极管来说，同步 整流管具有正向压降小，阻断电压高和反向电流小等优点，有效地提高了转换 器的效率。随着i c 工艺的发展，现在已经能够把主功率管和同步整流管一起集 成在控制器中，这就大大地减小了成本和芯片的外围电路，这也就是本设计中 所采用的技术。 图2 5 2 同步整流型降压转换器 但是，正如图2 5 2 所示，同步整流技术有两大缺点大穿透电流问题和电感 电流反向问题。本系统根据同步整流技术的这两个缺点设计了相关的防护电路。 主功率管和同步管的同时导通现象是由于驱动延时造成的。主功率管的关 断和同步管的打开是一个栅极电压冲放电的过程，所以在主功率管关断和同步 管导通过程中，这两个管子存在着同时导通的时间区域，这时就会形成大穿透 电流。这个现象不仅消耗了功耗，还有可能导致主功率管和同步管的毁坏。同 理，在主功率管打开和同步管关断过程中也会发生相同的现象。所以在设计驱 动电路时要加入反穿透电流电路，即在主功率管和同步管的驱动信号之间加入 1 7 浙江大学硕士学位论文 死区时间，等其中的一个开关管完全关断后才打开另一个开关管，这就避免了 大穿透电流，见图2 5 3 。 o o 1 氍 。y o n 一 一 t 1 l v 同步臂( 死监阿周 图2 5 3 驱动电路的死区时间控制 当负载减小，在同步管导通时间内，电感电流会出现反向现象，如图2 5 4 0 ) 所示。电感电流反向会造成同步管上的导通损耗，从而降低了效率。但是在采 用功率二极管的降压电路中，由于二极管的特性，电感电流不会出现反向。所 以在同步整流技术中要加入电流反向比较器来防止电感电流反向，见图2 2 1 。 当电感电流反向时，电流反向比较器输出控制信号关断同步管，这就阻止了反 向的发生，提高了效率，见图2 5 4 ( b ) 。 ( a ) 图2 5 4 电感电流反向 1 8 浙江大学硕士学位论文 2 6 系统建模与环路补偿 d c c 降压转换器是一个电压调整器系统，它必须满足一些电气特性，比 如瞬态响应、稳定性、抗干扰能力等。因为这些性能直接与控制器中设计的参 数有关，所以必须先对系统进行建模。根据p w m 峰值电流模式的工作原理以 及结构框图2 6 1 。 说左放大器 2 6 1p w m 峰值电流模式的结构框图 其中的基准电压和反馈电压进行误差放大，再通过补偿网络口( j ) 产生控 制电压。，然后这个控制电压作为电感电流的峰值基准，经过电流比较器 和r s 触发器形成占空比信号d 。占空比信号形成电感电流j l ，电感电流再通 过检测电阻反馈回电流比较器的一个输入端，从而形成电流负反馈回路。另外， 电感电流流向输出滤波器和负载形成输出电压，输出电压再反馈回误差放大器， 从而形成了电压负反馈回路。输入电压和输出负载的变化也会影响输出电压。 因此，根据上述过程，对系统建模如2 6 2 所示。由此可见系统有两个负反馈回 路。根据稳定性理论，要使系统稳定，首先要使电流内环稳定，再使电压外环 稳定。 首先，如果电流环不稳定，就会引起电感电流的次谐波振荡问题。一般来 说，电流环都采用斜坡补偿电路来稳定，其中斜坡系数是： 1 9 浙江大学硕士学位论文 口= 一m 2 - r n 口 玛+ 呢 ( 1 ) 图2 6 2 峰值电流模式降压转换器的系统建模 当l a l l ，这时需要加入 斜坡补偿。一般取= 妻或= 就能保证电流环在所有占空比下稳定 电压环路比较复杂，为了能使电压环稳定，需要加入补偿网络g ( d 。根 据图2 6 2 ，可得控制电压和电感电流的关系： 三盟：厶鱼盟 ( 3 ) 屹l + 声a ( s ) 1 - 1 ： 其岈古，瓯2 v o 。i 妻+ s + r ，c 磊鸺妒一分别 是负载电阻，滤波电感和电容，是检测电阻。由于 2 0 浙江大学硕士学位论文 e 倪i 一= 嘉素 1 ，所以可以近似认为芝嚣= 瓦三从直观上就是 说，当电感电流的纹波比较小而且可以忽略时，控制电压变化吃，就会使电感 电流变化= ! l 。所以电压环的环路传递函数是： 1 弋雹、i j 零 ( 4 ) 其中鼠输出电压分压反馈网络，l i p h , ( s ) = 瓷等= 丽r 2，瓯o ) = 而r ， 用和r 2 是分压电阻。所以代入上述参数，整理( 4 ) 式，得： ( 5 ) 从( 5 ) 式中可以看出，要提高输出电压的精确性，根据负反馈理论，必须要提 高开环增益。所以在本系统中引入误差放大器和补偿电路来提高增益和补偿系 统，见图2 j 6 3 。所以可得g ；( s ) = 看糍。 v o r 1 r 2 图2 6 3 误差放大器及其补偿电路 由此可得图2 6 2 中电压环的环路增益是： 砌自一：l 塑墨鱼! l _ 墨一 ( 6 ) 鲫愧q 2 r i + r 2 l + 3 s ( r o + 2 r c ) 。c 。c r i + s r c 6 要使系统稳定，必须要使式( 6 ) 有良好的相位裕度。其中补偿网络引入一个主 寒 器 慕 蓊溯 浙江大学硕士学位论文 极点1 ( r o + 咫) 巴，还引入一个左零点l 恐c c 来