（电路与系统专业论文）多模式高效同步buck型dcdc转换器的设计与实现.pdf

摘要 本论文的设计工作来源于西安电子科技大学电路c a d 所科研项目“电源管理 类集成电路关键技术理论研究与设计”，主要研究b i c m o s 工艺下d c d c 转换器 的设计与实现。论文从电特性指标要求出发，通过系统设计、电路设计、版图设 计和性能仿真验证，设计了多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器x d 9 0 3 3 。 本文全面而系统地研究了降压型d c d c 转换器的基本工作原理，为x d 9 0 3 3 的设计与实现提供了理论指导。设计采用电流摸脉宽调制控制方案，提高了芯片 电源电压和负载变化的瞬态响应性能；利用分段线性斜坡补偿电路以消除电流模 d c d c 转换器中占空比大于5 0 时出现的开环不稳定、亚谐波振荡、响应不够理 想及对噪声敏感等缺点；另外将锁相环技术应用于芯片内部，实现了开关频率外 同步的功能，减小了分布式电源系统中其他电源对该芯片造成的影响，频率捕获 范围为1 1 1 9 m h z ；可以根据应用环境选择芯片工作在脉冲跳跃模式或是突发模 式，此外芯片还集成了过流和过温保护等多种功能。 论文还对开关转换器版图设计进行了深入的分析和研究，诠释了模拟i c 版图 设计要考虑的关键因素。最后基于国外某公司的o 6 州mb i c m o s 工艺设计了 x d 9 0 3 3 的版图，并通过了d r c 、l v s 验证，对l p e 结果进行了后级仿真。结果 显示效率高达9 6 ，芯片工作期间静态电流仅为1 0 m a ，而关断模式下则降到l p a 。 工作频率稳定，其它各项指标也均满足设计要求，已经在国外某工艺线上投片， 现正在测试中。 关键宇：转换器电流模控制斜坡补偿锁相环 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h e p r o j e c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n dd e s i g no fk e y t e c h n i q u e f o r p o w e rm a n a g e m e n ti c ”，a n d i t m a i n l y s t u d i e st h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fb i c m o sd c d cc o n v e r t e r s t h r o u g hs y s t e m a t i cd e s i g n ，c i r c u i t d e s i g n ，l a y o u td e s i g na n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ，am u l t i - m o d eh i g h e f f i c i e n c yb u c k c o n v e r t e r , n a m e dx d 9 0 3 3 ，i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fb u c kd c d cc o n v e r t e r w h i c hi st h et h e o r yg u i d a n c eo ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fx d 9 0 3 3 a sar e s u l t o fa d o p t i o no fc u r r e n t m o d ec o n t r o l ，t h et r a n s i e n tr e s p o n s es p e e do ft h es u p p l yv o l t a g e a n dt h el o a dv a r i e t yb e c o m ef a s t e r ；i no r d e rt oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e so f c u r r e n t m o d ec o n t r o lw h e nt h ed u t yc y c l ei s g r e a t e rt h a n0 5 ，s u c ha si n s t a b i l i t yo f o p e n l o o p ，s u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n ，n o n i d e a ll o o pr e s p o n s e a n da ni n c r e a s e d s e n s i t i v i t y t on o i s e ，a p i e c e w i s e l i n e a r s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t i s d e s i g n e d ； f u r t h e r m o r ea p p l y i n gap h a s e - l o c k l o o pt o t h e c h i pr e a l i z e st h ef u n c t i o no fo u t e r s y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hi sh e l p f u lt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ef r o mo t h e rp o w e rs u p p l i e s i nt h ed i s t r i b u t e d p o w e rs y s t e m ，t h ef r e q u e n c yc a p t u r er a n g ei sf r o m1 1 m h zt o 1 9 m h z ；p u l s es k i p p i n gm o d eo rb u r s tm o d ec a nb es e l e c t e da c c o r d i n gt o t h e c i r c u m s t a n c e ，i na d d i t i o n ，t o t so fp r o t e c t i o nc i r c u i t sa r ei n t e g r a t e di nt h ec h i p ，s u c ha s o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n ，t h e r m a ls h u t d o w n ，a n ds oo n a l s o ，t h i sp a p e rd e e p l y a n a l y s e sa n ds t u d i e st h el a y o u td e s i g no fs w i t c h i n g c o n v e r t e ra n da n n o t a t e st h ek e yf a c t o r st h a ts h o u l db ec o n s i d e r e di nl a y o u td e s i g n a t l a s t ，t h el a y o u to fx d 9 0 3 3i ss c h e m e do u tb a s e do no 6 a mb i c m o sp r o c e s s a n di t p a s s e st h ed r ca n dl v sv e r i f i c a t i o n t h e nt h ep o s ts i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta n dt h e r e s u l t ss h o wt h a ta l lo ft h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc a nm e e tt h es p e c i f i c a t i o n s f o r i n s t a n c e ，t h ee f f i c i e n c yi su pt o9 6 ，t h eq u i e s c e n tc u r r e n to ft h i sc h i pi so n l y1 0 “a d u r i n go p e r a t i o n ，a n dd r o p sb e l o w1 1 ai ns h u t d o w nm o d e t h ed e s i g np r o j e c th a s p a s s e dt h ea c c e p t a n c ec h e c ka n dt a p e do u t ，n o wt h ec h i pi sb e i n gt e s t e d k e y w o r d ：c o n v e r t e r c u r r e n t - m o d e s l o p ec o m p e n s a t i o n p h a s e l o c kl o o p 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：苤圭堂r 期：竺z ! ：主7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：苤耋釜 导师签名 f _ 1 期：1 2 ： ： 日期：兰7 ：互，2 - _ _ 第一章绪论 第一章绪论 随着微电子学技术和b i p o l a r 、c m o s 、b i c m o s 、b c d 等工艺以及其他边沿 技术学科的不断改进和飞速发展，人们对于微功耗、节能型、智能化产品的需求 量不断增长。政府部门对净化电网、节约能源和电磁兼容等方面的规范以及相关 法规越来越多，越来越严格和完善，需要低电压大电流供电的c p u 、p c m c i a 、 d s p 、a s i c 、f p g a 等也越来越多，这也促使d c d c 开关转换器技术有了突破性 的进展，并成为一个极其热门的研究方向1 1 j 。 1 1 开关电源概述 电源是一切电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性， 而开关电源更为如此，越来越受到人们的重视。d c 仍c 开关电源以其独有的体积 小、重量轻、效率高、输出形式多样、稳压范围宽等特点已经渗透到了与电有关 的各个领域。在这些领域中，以前通常使用的晶体管串联调整稳压电源是连续控 制的线性稳压电源1 2 1 ，具有稳定性好，输出纹波电压小，使用可靠等优点，但其通 常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积、重量都很大的滤波器。由于调整管 工作在线性放大区，为了保证输出电压稳定，其集电极和发射极之间必须承受较 大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率低，一般只有4 5 左右。另外由于 调整管上消耗较大的功率，需要采用较大功率调整管和体积很大的散热器，很难 满足现代电子设备发展的要求。2 0 世纪5 0 年代，美国宇航局以小型化重量轻为目 标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因其 体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等特点逐渐取代了传统技术制造 的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。2 0 世纪8 0 年代，计算机全面 实现开关电源化，率先完成电源换代。2 0 世纪9 0 年代，开关电源相继进入各种电 子和电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都 已广泛地使用了开关电源，更加促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和m o s f e t 构成【3 】。以功率晶体管为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接 近零：当开关管截止时，集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达7 0 9 5 。 功耗减小使得散热器也随之减小，因此开关电源具有重量轻，体积小等优点。另 外由于功耗小，机内温升小，提高了整机的稳定性和可靠性。开关电源和低压降 2 多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 线性电源( l d o ) 相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率 各异，低压降线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力 电子技术的发展和创新，这一成本反转点，将使得开关电源技术不断地创新，并 且这一成本反转点日益向低输出电力端移动，为开关电源提供了广泛的发展空间。 1 2 开关电源现状和发展趋势 目前，中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国、全球最大的移动 电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二大半导体市场。2 0 0 5 年 无线多媒体通信与计算机市场的迅猛发展为全球半导体市场增长做出了主要贡 献，同时也为全球电源以及电源管理芯片市场的发展注入了一股强劲的增长动力。 电源供应和电源管理i c 作为信息产品、设备的供电系统，与其在数量上有着1 ：1 的关系。2 0 0 5 年，中国电源管理芯片市场仍保持较快速度发展，如图1 1 所示， 市场规模达到2 1 0 6 亿元，与2 0 0 4 年的销售额相比增长了2 7 5 ，明显高于全球 8 9 的增长水平。同时，据美国权威市场研究机构i s u p p l i 顾问公司公布的报告显 示，在中国进行的芯片设计，或者部分设计的半导体芯片已经占据了全球1 4 8 的 销量，中国也由此成为世界第三大芯片设计国。到2 0 0 7 年，中国设计的半导体芯 片的销量预计将超过日本，成为世界第二大半导体设计国。 图1 12 0 0 2 2 0 0 5 年中国电源管理芯片市场销售额增长情况 开关电源发展的趋势是为了满足市场对电源性能不断提高的需求，d c y d c 模 块电源开始向高效率、高功率密度、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以及 宽输入范围等方向发展，薄型化、模块化、标准化并以积木的方式进行组合的电 路拓扑结构得到了日益广泛的应用【4 l 。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率 密度达到1 8 8 w ，i l l 3 ，比传统的电源功率密度增大不止一倍，效率可超过9 8 。随 着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压也从以前的5 v 降到了现在的2 6 v 甚至1 - 8 v ，业界预测，电源输出电压还将降到1 v 以下1 5 1 ，与此同时，集成电路所 第一章绪论3 需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。业界普遍认为近几年电池技 术不会发生大的飞跃，因而多数厂商把注意力集中在包括以下几个方面的电源设 计技术革新【6 j 上。 1 、提高集成度。早期的开关电源系统以分立元件构成为主，9 0 年代中、后期， 出现了由控制芯片、功率管和电感电容元件组成的功率集成电路( p o w e ri c ) 。由于 方便地实现了功率调节、远程控制等功能，以及体积、重量的大幅度降低，功率 集成电路顺应了现代便携式电子设备对电源的需求，并因此得到了广泛应用和快 速发展。集成开关电源在通信行业、工业自动化、汽车制造业、航空航天技术等 领域中成为电源设计的主流，代表着稳压电源的发展方向，被誉为高效节能电源。 发展到今天，功率集成电路控制芯片把控制电路和功率开关集成到一起，外部仅 需少量的电感、电容元件就可方便地构成开关电源。可以展望，随着电感元件在 芯片上集成技术的日渐成熟，开关电源系统的集成度会更高。 2 、提高电源转换效率。提高电源的转换效率意味着降低电源的损耗，开关电 源的损耗主要包括两种：开关元件导通时，电流流经开关的导通电阻，产生导通 损耗；开关元件在导通、截止间转换时，由开关管的栅源电容充放电引起的开关 损耗。针对减少这两项损耗，分别发展了同步整流技术同和软开关拓扑结构1 8 i 。 同步整流技术采用m o s f e t 代替整流二极管，由于m o s f e t 的导通电阻很低， 只有几十毫欧，整流元件的导通损耗大大降低，提高了转换效率。同步整流技术 尤其适用于低电压、大电流的场合。 软开关拓扑结构在功率开关导通、关断的瞬间，利用辅助开关使主开关管零 电压导通或零电流关断，而在非开关时间电路仍以p w m 方式工作，因此主电路电 压、电流幅值仍与传统p w m 转换器相同。这种技术的另一个优点是它的零电压、 零电流开关条件不受输入电压和负载变化的影响，电压、电流变换过程中也没有 波形交叠，使开关损耗近似为零，从而提高系统的电源转换效率。软开关技术适 用于开关频率较高的场合。 此外，还有低功耗待机、远程关断、跳过周期、轻载时自动降低开关频率等 提高电源转换效率的措施【9 1 0 3 、提高控制精度。控制方式由初期的电压单环反馈控制发展到电压、电流双 环或多环等反馈控制1 1 0 l ，其中基于平均电流控制的p w m 控制技术能实现对电感 电流平均值的精确控制，己成功应用在功率因素校j e ( p f c ) 电路中。此外，还出现 了电荷控制技术i l l j 等。 4 、小型轻量化。随着集成度的提高，开关电源所需要的外围元件越来越少， 而开关频率的提高，也使系统所需要的电感、电容元件值降低，电感、电容元件 占用的体积减小。另外通过并联或串连方式可以使一个电源输入实现多路电源输 出【1 2 l ，采用这种拓扑结构能有效减少整机体积，实现整机综合性能优化。 4 多模式高效同步b u c k 型d c 巾c 转换器的设计与实现 目前，国内外许多大公司都投入很大精力开发开关电源管理芯片系列产品， 比如m a x l m 、德州仪器f r o 、凌特( i j n e 缸t e e h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 、n a t i o n a l s e m l c o n d u c t o r 、m l c r e l 、p h i l i p s 、a d i 、奥地利微电子、美国半导体公司 ( n s ) 、台湾r i c h t e k 等。德州仪器最近推出的两款高效率双通道输出d c d c 升 压转换器t p s 6 1 1 4 0 和t p s 6 1 1 5 0 ，可实现3 v 到6 v 的输入电压与高达0 7 a 的输 出电流，能够在较宽泛的负载范围内实现高效率，也可以通过选择引脚上采用 p w m 信号或采用模拟电压的方法来减少输出电流，以实现对白光l e d 的p w m 调 光。a d i 公司推出的恒定频率、电流模式、降压d c d c 控制器a d p l 8 6 4 比同类 i c 节省成本4 0 ，该器件的1 4 v 输入范围提高了设计灵活性，所以非常适合于低 成本的1 2 v 砖块电源或需要1 0 v 以上输入电压的系统。其内置基准电压源的精度 比最接近的同类器件高3 倍，而且近l m v a 的负载调整率是同类器件的两倍。奥 地利微电子新近推出的集成了同步整流的高效升压d c d c 转换器a s l 3 2 5 效率高 达9 6 ，输出电压为3 3 v 时，该器件可提供1 5 v 至3 3 v 的供电电压。在输出电 压为5 0 v 时，可提供1 5 v 至5 0 v 的供电电压；输入电压低于2 v ，输出电压为 5 0 v 时，能够提供3 0 0 m a 的输出电流。另外该芯片具备电流降到m a 以下时的 关断模式，为确保集成的上电复位电路稳定工作，在加电后可对任何一种微处理 器进行复位，从而保证所有设备的稳定启动。此外，还有凌特公司双输出3 6 v ， 高达2 m h z 的降压型d c d c 转换器i t c 3 4 7 5 系列，美国半导体公司的固定频率、 电流模式升压d c d c 转换器l m 3 5 5 1 系列，德州仪器采用微型封装、具有3 k v 隔 离功能的1 w 非稳定d c d c 转换器d c h 0 1 系列插入式电源模块等等1 1 3 , 1 4 j 。 开关电源技术的不断发展和推陈出新，不仅使便携式电子产品成为电子行业 中增长速度最快的一个分支，也使得选择电源方案的优先级不断地发生变化1 1 ”。 1 3 开关电源分类与比较 开关电源可以根据不同类型分类：按实现功能可分为a c d c 和d c d c 两个 大类【1 6 14 ”。d c d c 转换器已经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已 成熟和标准化，并得到用户的认可，但a c d c 因其自身的特性使得在模块化的进 程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。根据控制模式可分为电流模式和电 压模式两大类1 1 8 1 ，电流模式是以电流作为电路中的信号变量，通过处理电流变量 来决定电路功能，而电压模式是以电压作为电路中的信号变量，通过处理电压变 量来决定电路功能。电路中的电压信号和电流信号总是彼此关联，相互作用的， 任何处理电流信号的电路必然会产生内部电压信号摆幅。因此，两种控制模式的 选择一定要结合考虑具体开关电源的输入输出电压要求、主电路拓扑及器件选择、 开关频率的大小和占空比变化范围等。 第一章绪论 1 4 论文主要工作和章节介绍 基于电源管理芯片的这种市场发展前景，本课题的研究目的就是设计一个开 关电源控制芯片，使之可广泛用于低电压大电流高效率输出的应用场合如手机、 无线电话、数码相机等。采用目前应用较多的p w m 控制方式以及电流模式控制， 另外为满足现代电子产品对轻载或无载情况下的省电要求，所设计的电源转换器 将尽可能的降低功耗。 论文简单地介绍了各种开关转换器的拓扑结构并重点对b u c k 型开关转换器 的工作原理和稳定性进行了详细地分析，然后重点讨论了峰值电流脉冲宽度调制 技术及分段线性斜坡补偿方法。最后基于国外某公司0 缸mb i c m o s 工艺，使用 v i e w l o g i c 、c a d e n c e 和h s p i c e 等e d a 软件，设计了一款电流模高效同步降压型开 关转换器x d 9 0 3 3 ，并完成其版图设计和后仿真验证。该芯片采用模拟为主的数模 混合集成电路实现，规模约为2 3 0 0 多个器件，仿真验证表明电路功能够完全得以 实现，各项性能指标符合设计要求。该芯片突出特点是通过内部特有的锁相环电 路可以在很宽的范围内同步外部时钟信号，有利于减小分布式电源系统中其他电 源对该芯片造成的影响。此外可以根据负载大小人为地选择脉冲跳跃工作模式和 突发工作模式，并且具有极低的静态电流，保证在各种负载条件下效率达到最高。 目前该芯片的设计数据已经交付合同方，已在国外某工艺线上准备流片。 论文共分为五章，第一章简要介绍开关电源的国内外现状和发展趋势、开关 电源的分类以及论文的主要工作和章节安排；第二章对本芯片中所采用的各项关 键技术进行了详细的分析和论证；第三章对x d 9 0 3 3 进行了系统设计，介绍其工 作原理，并对外围器件的选择进行了讨论；第四章根据设计要求，对x d 9 0 3 3 转 换器的关键模块电路进行详细的设计和介绍；第五章给出了芯片的整体仿真结果， 并完成了x d 9 0 3 3 的版图设计和验证；最后是结束语。 6多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 第二章b u c k 型d c d c 转换器的理论分析与研究 根据输入电路与输出电路的关系，d c d c 转换器可分为非隔离式d c d c 转换 器和隔离式d c d c 转换器【1 9 1 。可应用于非隔离式标准d c d c 开关转换器的拓扑 结构有四种：降压型( b u c k ) 转换器、升压型( b o o s t ) 转换器、降压升压型( b u c k b o o s 0 转换器和c u k 型转换器，这些拓扑结构工作时输入电源和输出负载共有一个电流 通路。隔离式开关转换器的拓扑结构有许多种，然而在现代模块化d c d c 转换器 中应用的只有三种：反向( f l y b a c k ) 转换器、正i 句( f o r w a r d ) 转换器和推挽式( p u s h p u l l ) 转换器【2 0 0 1 盈】，这些拓扑结构工作时输入电源和输出负载的能量转换都是通过相互 耦合的磁性元件来实现的。 2 1b u c k 型转换器的稳态分析 b u c k 型转换器的拓扑由电压源、串联开关和电流负载组合而成，也称为串 联开关转换器或三端开关型转换器。其拓扑结构如图2 1 所示，其中图2 1 ( a ) 是由 单刀双掷开关s 、电感l 和电容c 组成的示意图，图2 1 ( b ) 是由以占空比d 工作 的晶体管t k 、续流二极管d 1 、电感l 、电容c 组成的b u c k 型转换器电路图。 + v ， + 、 l v + 、 8 了 图2 1 ( a ) b u c k 型转换器示意图 图2 1 ( b ) b u c k 型转换器电路图 开关转换器根据电感电流i l 在一个开关周期起始时是否从零开始，可分为连 续导通模式( c c m ) 和非连续导通模式( d c m ) 田】。在转换器的主开关导通期间，电 感中的电流上升；在转换器的主开关截止期间，电感电流下降。如果在转换器的 主开关截止期间，电感中的电流降到零，则在截止期间的剩余时间内电感中存储 的能量将为零，转换器工作于非连续导通模式；否则转换器工作于连续导通模式。 由于在这两种模式下开关电源的频率相位变化十分显著，所以希望在所有预期的 工作条件下，开关电源都只处于一种工作模式i 刎。下面我们对b u c k 型转换器的 两种工作模式进行分析和讨论，以便于我们进行系统设计。 2 1 1c c m 模式的稳态分析 对b u c k 型转换器连续导通模式下稳态分析的主要目的是得出b u c k 型开关 转换器的电压转换关系。这个结果十分重要，因为它表现了输出电压如何依赖于 第二章b u c k 犁d c d c 转换器的理论分析与研究7 占空比和输入电压：或者相反地，根据输出电压和输入电压，如何计算占空比。 稳态意味着输入电压、输出电压、输出负载电流和占空比是固定不变的。 在工作过程中，当控制信号使开关导通之后，电感l 中的电流逐渐增加，存 储的磁场能量也逐渐增加。当电感l 中的电流小于负载电流时，电容c 放电以维 持输出电流，一旦电感l 中的电流增大到大于负载电流，多余的电流给电容c 充 电，电容c 上的电压开始上升，这段时间续流二极管d 1 一直因反向偏置而截止。 经过t o n 时间以后，控制信号使开关截止，电感l 中的电流减小，其两端产生的感 应电势使续流二极管d 1 导通，电感l 中存储的磁场能量便通过续流二极管d 1 通 路给负载供电。当电感l 中的电流降低到小于负载电流时，电容c 开始放电以维 持输出电流。经过时间t 0 h 后，控制信号又使开关导通，上述过程重复发生。 主开关一般使用双极晶体管和m o s f e t 晶体管，因为m o s f e t 晶体管开关速 度较快，控制逻辑相对简单，故m o s f e t 开关得到了大量的使用。根据晶体管的 开关特性，在管子的栅极加入控制信号就能控制它的导通和截止。对于n m o s f e t 来说，当栅极加入正向信号时，管子导通且处于线性电阻区。在线性电阻区， m o s f e t 的导通电阻很小，故v d s 压降很小，基本可以忽略不计。当n m o s f e t 的栅极加入反向信号时，管子截止，m o s f e t 的电阻近似无穷大。 当控制信号使主开关导通时，电感l 中的电流从最小值k l l i n 增大到最大值 i l m 。；当控制信号使主开关截止时，电感l 中的电流又从最大值减小到最小值。 假设主开关具有理想的开关特性，其导通压降可以忽略不计，那么 屹一k v o 。工! ( 2 1 ) 由此可得 t - 分以一咖一半呲m ( 2 - 2 ) 开关导通状态终止，即t _ t o n 时电感l 中的电流到达最大值，得出 ，。蔓生o + 毛。( 2 - 3 ) 在主开关截止期间，电感l 中的电流经续流二极管d 1 向负载释放能量，假如忽略 d 1 的正向压降，则可得出下列方程： 圪- 一竺( 2 4 ) 由此可得 t t 一言彤出l 一詈+ 一 ( 2 - 5 ) 主开关截止状态终止，即卢h 时电感l 中的电流下降到最小值，得出 8多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 ，i l 如。孚f 啊+ i l 。 ( 2 - 6 ) 由式( 2 3 ) 和( 2 6 ) 可得到 v o - k 南。k 争- d v , ( 2 - 7 ) 式中k 一开关导通时间，t o f r 一开关截止时间，t 一主开关工作周期，f 一主开关工 作频率，d 一占空比。式( 2 7 ) 即为d c d c 转换器工作于连续导通模式时输入电压 和输出电压之间的直流关系。 由式( 2 7 ) 可知，输出电压v o 与主开关的占空比d 成正比，所以通过改变主开 关的占空比可以控制输出平均电压的大小。由于占空比d 总是小于1 ，所以v 。总 是小于v i ，故常成为降压型串联转换器。 改变占空比的方法有如下几种，第一，保持开关周期不变，调整导通时间t o n ， 常称为脉冲宽度调制型；第二，保持导通时间t o n 不变，改变开关周期，即改变开 关频率，常称为调频型；第三，宽度和频率同时改变，使占空比得到改变，则称 为混合型。 假如输入电压变化或者负载发生变化时，通过控制回路调节主开关的占空比， 就能使转换器的输出电压稳定。由于流过电感的电流平均值等于负载电流，故 生呼兰堂。i o ( 2 8 ) 流过主开关的电流平均值为 扣半等；d i o ( 2 - 9 ) 由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) ，消去h 脚i 。，可得 i l 一刊一轰t o g ( 2 - 1 0 ) 接着考虑一下输出电压的交流波动分量，当电感中电流大于负载电流时，电 容开始充电，输出电压开始升高；当电感电流小于负载电流时，电容开始放电， 输出电压开始下降。流过电容的电流可以表示为 f c - i t - l o ( 2 - 1 1 ) 假设t = 0 时，主开关导通，电容放电电流开始减小，在经过t o n 2 之后，电容的放 电电流等于零，此时输出电压具有最小值；然后电容开始充电，输出电压开始上 升，电容的充电将一直持续到电容充电电流再次变为零时为止。在t o i 以到t o n + t o l d 2 时间段之间电容上的电压增量，就可算出输出电压的纹波值，即 第二章b u c k 型d c d c 转换器的理论分析与研究 9 岈越粤渺氇出+ 雎叫 弘- 刁 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 1 ) ，得到导通期问电容电流的表示式 y y i 。一- i 。- i l 。m + 孚t 一o ( 2 1 3 ) 由此求出式( 2 - 1 2 ) 的第- - 项积分 霹f c 出一也。) 等+ ；半k 2t 仉。一l ) 等+ i 3 i v o “面( 2 - 1 4 ) 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 1 1 ) ，得到主开关截止期间电容电流的表示式 t = i l 一。卅l 一一专t - 1 0 ( 2 - 1 5 ) 矿 由此求出式( 2 - 1 2 ) 的第二项积分。为了便于计算，把积分下限移动到坐标原点，得 出 警=一一了togfo i c d t ( i l i o ) 专等 ( 2 - 1 0 2 = 一一了一詈手 ( 2 根据式( 2 3 ) 、( 2 - 6 ) 并f l ( 2 8 ) ，可将( i l m i n 1 0 ) 和( i i j l l u 分别改写为 k l 一警。( 2 - 1 7 ) i i 一一。2 矗t 靖( 2 - 1 8 ) 将式( 2 1 4 ) 、( 2 - 1 0 、( 2 - 1 7 ) 雨q ( 2 - 1 8 ) 代入式( 2 1 2 ) ，经过基本的数学变换，就可以得 到输出电压的纹波分量v o 的计算公式 a 圪一v 8 0 t l t _ _ c 笪( 2 - 1 9 ) 将式( 2 7 ) 经过适当的数学计算后，式( 2 1 9 ) 最后可以变换为 岍专悖) 亿z 式( 2 - 2 0 ) 为b u c k 型转换器工作于连续导通模式时输出纹波与输a 输出电压、 电感电容和系统工作频率之间的关系。在d c d c 转换器中输出电压的纹波特性是 最重要的性能指标之一，在输出纹波指标、输入输出电压已确定的情况下，需要 综合考虑工作频率和功率级电感电容的取值。同时由上式也可以看出输出纹波的 大小同系统工作频率的平方成反比，即在输入输出电压、电感电容确定的情凋下。 1 0 多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 工作频率越高，系统的输出纹波越小，由此可知当今d c d c 转换器的趋势之一是 高频化。 以上是对工作在连续导通模式下的b u c k 型开关转换器的分析。下一部分是对 非连续导通模式的稳态工作分析，主要目的是推导非连续导通模式下b u c k 型开关 转换器的电压转换关系。 2 1 2d c m 模式的稳态分析 在开关截止后，如果经过时间t 栅电感中的电流减小到零，电感中没有能量存 储，这时只能完全靠电容c 对负载放电，那么续流二极管d 1 因反向偏置而截止， 电感中也不会出现反向电流。再经过时间t 。彪后，控制信号又重新使开关导通，此 时b u c k 型开关转换器工作于非连续导通模式下。 考虑电感l 上的能量变化，根据能量守恒定律【2 5 1 ，f l 拭( 2 1 ) 署1 1 ( 2 4 1 可得 以一圪k k 锄， ( 2 2 1 ) 则 导：j ( 2 - 2 2 ) kt o + l 、7 由式( 2 2 2 ) 可得 驴k 即) p 2 3 ， 在非连续导通模式中 k = r 一锄l 一锄2 ( 2 - 2 4 ) 式中t o n 一开关导通时间，t 主开关工作周期，1 一电感中电流下降到零所用时 间，t 。也一电感中没有能量的时间，则将式( 2 2 3 ) 代入上式可得 。4 r 一。( 毒一) 一，：。鲁仿一r z ) c z - z 5 ， 由式( 2 - 3 ) p - d 得 a ，l 毕o ( 2 - 2 6 ) 将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 1 ) 口7 得 a ，。v o t j ，z ( 2 - 2 7 ) 输出电流可表示为 第二章b u c k 型d c d c 转换器的理论分析与研究1 1 j 口三k ) 毛掣 s ) r 。i v o 。酮2 l ( 2 - 2 9 ) l ot 呵& m + t 四1 1 、。 f 。o l 尺+ 1 2 r 一2 ( 2 3 0 ) t a # 1 2 + 一詈一o ( 2 3 1 ) 从而可以解得 。 o 2 8 l 锄。兰筚t 2 0 1 , ( 2 - 3 2 ) 将式( 2 3 2 ) 代入式( 2 - 2 2 ) 可得 鲁一上 k t 。+ t 扛2 8 l 。 如果将式( 2 3 3 ) 中的主开关导通时间t o n 用占空比d 来代替，则 毒- 寺2 8 1 ( 2 - s 4 ) k 。+ ： 。 上式即为d c d c 转换器工作于非连续导通模式下时输入电压和输出电压之间的直 流关系。 当转换器的负载电流变小时，导通时间t o 降低，电感电流在h l 时会降低到 零，形成电流的非连续。连续导通模式和非连续导通模式之间边界的负载电流为 。掣 ( 2 - 3 5 )。 形f l 7 需要注意的是，在正常情况下，b u c k 型开关转换器很少工作在非连续导通模 2 2b u c k 型转换器的动态分析 开关电源转换器的工作比较复杂，要预见其动态特性也不容易。作动态分析 主要是考察以下几个方面：开关电源转换器系统的稳定裕度、输入电源扰动引起 1 2 多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 的瞬态响应和输出负载扰动引起的瞬态响应。对系统进行动态分析可以帮助我们 预见开关电源转换器的动态过程，减少试验成本，缩短设计周期。建模和分析是 紧密相连的，通过建立电路模型，抽象出数学模型，再进行数学分析。现有分析 方法可以分为两类：一是数字仿真法，这种方法的核心是用适合的某一种算法求 转换器特性的数字解，利用s p i c e 等仿真软件，在计算机上仿真。它的优点是准确 度高，可以得到小信号扰动和大信号激励时的响应特性及波形，但是物理意义不 鲜明，不便于设计；二是解析建模法，这种方法的核心是用解析理论求转换器特 性的解析表达式。由于使用解析表达式，物理意义明确，设计时可据此来调整参 数，控制特性的变化，因此应用较广。 我们采用的是r d m i d d l e b r o o k 等人提出并完善之后的状态空间平均法1 2 ”，这 种方法是从p w m 型d c d c 转换器各个拓扑的状态方程出发，通过利用开关占空比 加权对时间进行平均处理而得到统一的状态方程，再经小信号扰动和线性化处理， 得到统一的等效电路模型。最后从状态空间平均法的结果得出开关电源转换器的 传输函数，通过传输函数对开关电源转换器进行动态分析。 2 2 1c c m 模式的小信号分析 为了更完整地进行分析，将图2 1 中电感和电容的寄生电阻加上后的电路拓扑 见图2 2 所示。由于晶体管和二极管工作在导通和截止两个状态，是一个强非线性 系统，分析时将忽略它们的正向导通压降和反向电流，同时认为状态转换是瞬间 完成的。其中p w m 开关见图2 3 ，三个端口分别标记为a 、p 和c 。 图2 2b u c k 型转换器电路拓扑图图2 3p w m 开关 对输入输出电压v j 和v o 施加扰动，进行动态小信号分析。文献【船】给出了c c m 模式下网络各端口电流电压稳态分量和瞬态分量之间的相互表达式： - 巩+ 缸( 2 3 6 ) 岛一d + d 其中，d 表示系统稳定状态下的占空比，d 为d 的扰动量。各大写电压、 号表示稳态分量，小写电压、电流符号表示瞬态分量。 f 2 3 7 ) 电流符 由此导出p w m 开关在c c m 模式下的线性等效电路如图2 4 。这个等效电路 可以替代图2 2b u c k 型开关转换器中的1 r 和d 1 ，最终得到完整的线性等效电路 第二章b u c k 型d c d c 转换器的理论分析与研究 如图2 5 所示。 1 、五( s ) 对输出电压吃( s ) 的传递函数g v d ( s ) ，令t ( s ) = 0 ，可求得 吼o ) - 鬻一面雨历面i 币五( s 面r c c 死+ 1 瓦) e 砑甬历再丽 景葫。罴葫8 ) 肌r m 亭刊毒) h r ，+ 击+ 一 2 、输出阻抗z o ( s ) ，令t ( s ) = o ，孑( s ) = o ，可求得 z 。( s ) = 再再面面云石瓦( s 万r c c 瓦+ 石1 ) ( s 面l + 历r 0 面瓦面污丽 兹群景掣s 霄p 3 9 )肌r 亭刊毒) 2 肌r ，+ 瓦付 卜叫 3 、输入阻抗z i ( s ) ， ( s ) = o ，可求得 驯j 垫巡坠兹嵩嚣滞型 尼+ r d 2 见+ r d 。 4 、输入电压e ( s ) 对输出电压吃( s ) 的传递函数a ( s ) ，令0 ( s ) = o ，可求得 雄) 一鬻= 再甬万而瓦面话d 石( s 万r c c 瓦+ 1 丽) 面石画鬲沥雨 ( 2 4 0 ) 1 4 多模式高效同步b u c k 型d c d c 转换器的设计与实现 肌r - + 笃刊笥肌月- + 击+ 2 一 哝i ju i 式中，转角频率- 蕊拿乏釜石，阻尼比亭一墨兰是 笔警甜，品质因 数q一12手-篇篇燃喁一去嘞一生坤；瓣1c c - i - r l r 。c4 - lcl 。 2 亭尼r + 脚 “ 忍“ 。 l r + 尼j c 令s = o ，得到小信号特性的低频渐近线：g 。( 0 ) 一丽r e ，z o ( o ) 一告， z i ( o ) 一气笋，爿( o ) - 丽d r 。可见，小信号特性的低频渐进线都与电感支路中 g 。( m ) - o ，z 。( m ) - 鲁，互( * ) ，* ，爿( m ) = 。 2 2 2d c m 模式的小信号分析 对输入输出电压v i uv o s y j n 扰动，进行动态小信号分析。文献l 驯给出了d c m 模式下网络各端口电流电压稳态分量和瞬态分量之间的相互表达式： 乏。i d 2 t 屯+ 掣：，。：( 2 4 2 ) d g v a + k i dk 。丁v ”+ - 4fc o - 葛乞+ 去屯一去- 等+ 詈。一去屯一g ，吒一一g 。( 2 4 3 ) + k o d ( 2 4 3 )o 。瓦k + 瓦一瓦。丙+ 百d 一瓦”。g ，”“ 一g 。”m 式中卵去一d 2 2 r ，t 一鲁一d v l c _ _ r t