（微电子学与固体电子学专业论文）单片电流型升压直流转换器设计研究.pdf

摘要 摘要 随着消费类电子、汽车电子和通信电子的不断发展，电源管理芯片的重要性 日益突出，在以电池为供电主体的便携式电子产品中更是如此。 本文根据与某境外上市公司的项目合作要求，分析、设计了一款高效电流型 升压直流转换器。该芯片采用o 6um 的b c d 工艺制程，其输入电压范围为2 6 v 5 5 v ，输出电压可在2 6 v 1 2 v 范围内任意调节；最高达1 2 z 的开关频率允许 使用较小的输出电容和输出电感，降低了成本，同时节省了p c b 面积；在轻负载 环境下，由脉宽调制模式变换为跳周期模式，以提高转换效率；静态工作电流为 o 2 m a ，关断电流仅为0 1 m ，最高转换效率达9 0 ；具有软启动功能，可防止芯 片启动时输出电感饱和：电流模式天然地具有了过流保护功能。 在电路设计中，首先阐述了升压型直流转换器的功率输出级的拓扑结构、基 本原理、小信号模型，然后分析了电流模式控制回路的稳定性及小信号模型，最 后根据应用要求进行了电路的总体架构设计，完成了每个子电路的各种参数的分 析、计算。 该芯片的设计是由小组成员共同完成，本人主要负责了总体电路的分析、联 合仿真验证及以下三个子电路的设计：1 、跨导放大器，详细分析了b a n d g a p 跨导 放大器输入级的动静态特性及其优缺点，并结合系统要求，设计了一种与c m 0 s 工 艺相兼容、可替代b a n d g a p 跨导放大器的低压共源共栅跨导放大器。2 、电压基准 源，详细分析了两管b r o k a w 带隙基准的动静态特性、环路增益及闭环稳定性，并 设计出了一种新颖的高阶温度补偿电压基准源。3 、电流基准源，结合电流电容型 振荡器的工作原理，说明了基准电流源的温度稳定性对振荡频率的影响，并给出 了一种新颖的高阶温度补偿电流基准源架构。 在完成系统原理分析、总体架构设计及予电路设计的基础之上，还应用h s p i c e 对各个子电路和整体电路进行了仿真验证，其中，整体仿真指标包括：软启动时 间、瞬态响应时间、转换效率、输出电压与负载的关系、输出电压纹波、开关波 形。仿真结果均达到或优于预定指标，表明本论文是设计理论与实践相结合的一 次有意义的尝试。 关键词：功率输出级，电流模式，跨导放大器，基准源 a b s 口r t a b s t 陷c t w i t ht h ed e v e l o p i n e n to ft h ec o n s u m e re l e c 仃o n i c s ，a u t o m o b i l ed 咖i c s 她d c 锄姗血c a t i o ne l e c 们n i c s ， p o w e rm 她a g e m e n ti c sh 8 v eb e e nm o r e锄dm ) r e i l n p o n 8 n l ，e s p e c i a l l yi n 吐l eb a n e 驴o p e r a _ c c dp 删a b l es y s t 咖s t h et o p i ca _ b o u tt h ct l l e s i si st h ec 唧o r a c i o n 、v i t l l 髓a b m a dc o m p 鼢y al l i g h e m c i e f l c y 删m o d e b o o s td c d cc o n v e r 嘧c i r c l l i t 戚n g0 6 啪b c dt e c l l i l o l o g yi s p r c s t c di n 吐l i sp 印比h i g l ls 耐t c h i n g 丘朝u c n c y ( 1 2 m h z ) a l l o w ss n l a l lo u 印u t c a p a c i t o r o u t p u ti n l u c t o r 趾ds m a l lp c ba r 阻t h ed e 、，i c ec 觚p r o d u a no l 卸u t v o l t a g e 麟l l i g h 船1 2 v 舶m 趾i n p u t 嚣l o w 觞2 6 vs o m 心毗i s p r o 驴m m e d 、v i t h 蚰 髓曲e m a lc a p a c i t o r ，w h i c hs e 把也ei i 耳赋删时e n tr 锄pr a t e 1 n 吐l u t d o w nm o d e ，c 1 1 r r e n t c o n s 咖叩t i o ni sr e d l 】c e dt 0o 1 ”a a tl i g h tl o a d s ，t h ea r c l l i t e c t l l r ea l l o w st h e 螂t o “d k i p ”c y d e st or e d l l c ep o w e rd i s s i p a t i o n i nt l l ec i r c u j td e s i g n ，也eb 鹤i cp r i n c i p l e 雏ds m a l ls i 掣l a 王m o d e lo f m eb o o s tp o w e r s t a g ea r c 垂v e na tf i r 瓯锄dt h e nt l l es t a b i l i t ya n ds m a l ls i g n a li n o d e lo f t h ec o m r o ll o o p a r ea l s o 曲| a l y z e d ，f m a l l 弘t h ew h o l ec h i p 删t e c t u r ea n ds u b - b 王0 c kp a 塌m e t c 瑙黜 p r e n t e d c o r d i n gt 0t h ea p p h c a t i o n 州r 。m e n l s t kc h i pi s c o m p 珏s h e di nm e 觚lc o o p 酬o nw i 也o t h e rt e 锄m e m b e r s ，血c a _ u m o rp a y sp a n i c i l l a ra t c 锄矗o nt ot h e 锄a l y s i so ft l l ew h o l ec h i p 盯出t e c t i j r ea n dt l l r e e 吼l b - b l o c kd e s i 阱：缸缸l s c o n l u c t a n c e 嫩坤u 丘c r ( o t a ) ，v o l t a g er e 如r e n c e 蛆d 讲l r 糟n t r e f 湘l c e b 船e do ne x i s t c dt e c h o l o 舀e s ，an e wl l i g ho r d c rt e m p 盱a t i l r ec o m p e n s a t e d v o l 协g e f h 印c e 距dac r e a t i v ec w r e mr e f e r e e 谢t hb i g ho r d e r 呻e r a t l l r e c o 删a t i o n a r cs h o w nr e s p e c t i v e l y n l e 砒n h o rs i m l a t e da l lt h e 乱i b - b l o c ka n dw h o l ec l l i pb yh s p i c e 1 kt y p i c a l p e r f b 如馏n c k 哦捌s t i c si n c l u d e ：l o a d 仃黜i e n tr e s p o n ，e m c i e n c y ，o u t p u tv o n a g e f i p p l e ，o l 啦m tv o l t a g ev s 1 0 a dc u r r e n t ，州谜n gw a v e f o n n ，a n ds o n - s t a n 矗m c t h c s i l n u l a t i o nr e s l l l t s 础c a t et l l a tt l 他1 ch 嬲a c h i e v e dm ee 】【p e c t a 缸0 1 1 ，b o t l l 缸1 c t i o nt a r g e t 蚰de l e c 仃i c a lc h m t e r i s t i c s a l 也o u g ht h e a r e 埘1 a v o i da _ b l ed i s a d v m m 喀e s0 ft h e p r d j e c t ，i ti saw o r t h 、砌l ea n dv 王d u a b 王ee x l ) e f i e n c e k e yw o r d s ：p o w 既。呻吡s 协g e ，c u 蝴1 tm o d e ，o t a ，r e f b 豫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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：上司- l 日期：加 年， 月z 咽 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名： 司兰 第一章引言 第一章引言 电源有如人体的心脏，是所有屯设备的动力。基础网络设各、无线基站、3 g 手机等便携式多媒体终端的巨大需求，以及笔记本电脑市场的稳步发展，都将促 进电源管理芯片的进步，另外，汽车内电子系统的增多，也越来越多的需要对功 率的流通进行管理与控制，所以，电源管理技术是电子产品中一个永恒的主题i “。 1 。1 电源管理技术的发展 2 0 0 5 年，在半导体应用领域，点击率最高的莫过于电源管理，便携式数码产 品是电源管理器件市场的一个主要推动力，便携产品体积日益缩小而对功能的要 求却越来越多，同时其在低功耗方面也有着更为苛刻的要求，这些因素都在向电 源技术提出新的挑战；另一方面，随着锂电池在便携式产品中的广泛应用，对锂 电池充电i c 的需求量将会持续增长，同时相关的充电管理和充电保护器件也会得 到更多的关注。中国作为世界经济增长最快的地区，无疑也会成为电源管理市场 的众多厂商争夺的焦点，预测，2 0 0 8 年全球电源管理芯片销售额将上升至2 9 5 亿美 元，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年的年复合增长率为1 2 7 ，其中，2 0 0 5 年销售额增长速度将会 放缓，而2 0 0 6 年则将停止增长，随后开始进入新的增长周期，在2 0 0 5 年全球半导 体市场进入调整期之时，得益于3 g 时代的到来、消费电子产品的快速增长，我国 电源管理芯片市场仍将保持较高的增长率【2 j 例。 由于电源管理器件“无所不在”的特性，它正伴随着电予产品应用范围的拓 展继续向人们生活的方方面面渗透，然而，这些旺盛的需求也对电源管理提出了 严峻的挑战，推动着电源管理技术的持续创新与进步。总的看来，目前电源管理 技术呈现下面四个发展趋势“j ： ( 1 ) 集成趋势 不论是便携式设备，还是p c 与网络通信设备，通常都需要多个电压轨为不同 的功能器件或板卡模块供电，但这些应用的扳级空闻却十分有限，为解决这一矛 盾，电源i c 开始从多路电压转换集成到单芯片封装内，有些则在电源管理单元( p m u ) 中集成了多个开关转换器和l d o ，集成之后的电源成为一个被密封起来的模块，可 以减少电源连线之间的电感、电磁干扰等，而且，由于电气连接点减少，焊点数 以减少电源连线之间的电感、电磁干扰等，而且，出于电气连接点减少，焊点数 旃子科技大学硬七学位论文 减少，从而使发生热损耗的地方减少，同时，卣于将多个器件结合在一起，能够 以最少的外部元件和墩低的成本实现耢密的嗡源控制。但集成度的提高也带采了 明显的缺点，大量的热集中在较小的范围内，容易引起温度过高，散热问题随之 凸现出来。 ( 2 ) 数字他控制 为了强识时多邀透豹管理，并动态控稍秘率( d ￥s ) 的转移，这矛争方式是遗囊妻一 个数字内核和嵌入式通信接口对多个电源转换模块和外部元件进行控制，经通信 总线，将楚理嚣昶转换器连液个阕环系统，它可瑷动态遗将电源电毯调整鸶疆常 工作所需的最小电平。由于处理器的功耗正比于其电聪的平方和工作频率，因此 魏鬃裂援泌s 秘频率调节技术，s p e p u 靛迄滚效率藏簸够褥爨大幅撵离。 ( 3 ) 日益提高的效率与精度 骜先，鬟舞邀漯管理夔效率，裁楚疆裹产箍夔系绫效辜，这不纹髂瑗在稳秀 的电源管理i c 可以使系统的用电得到优化上，对便携产品来说，提高电源管理的 效率体现在因榉懿电溅其毫受长约镬髑露阕，露对数爨大、黥糕毫鹣产品，粼镩 现在对电力的极大节约上；其次，很多产品的使用周期长，优秀的电源管理产品 可跌黪低产品系统瓣失效率，阏时减少系统避疑产生匏热量，跌 嚣降低燕量砖系 统性能的破坏；第三，所有的努力都成该在不提高系统总成本的前提下进行， 戈其是在多电题要求下，如挺蠢效、糙臻的必每令半移俸器 睾躐模块供瞧已成为 电源及电源管璁i c 的巨大挑战，集成电路的低电压趋势将使电压调节变得更加困 难，敷源管理i e 也必须透过生成更低秘受糖确瓣参考瞧压寒逶应叛敬变纯。 1 2 直流变换器的分类 电源管理技术主要分为四类：a c d c 称为整流( 包括拯流及鹬线式变换) ，d c a c 称为逆变，嘏一a c 称为交流一交流直接交频( 蔺耩寸也交箍) ，d c 一粥称为鸯流交换。鉴 于作者所做的工作，在本论文中，主要阐述d c d c 直流变换。 1 ，2 1 线性调整器( l d o ) 线性诱节器静电瓣结构黧溺l l 衔示，它爨由一个誓伟在线性嚣酶开关功率管 与负载串联构成，开关管相当予一个可变电阻，通过r l 和r 2 组成的分滕网络对输 盘电匿采样，弊爱谈到误差放大器反稻端与参考电压滋行皖鞍，最后，误差放大 器输出电压经输出级( b u f f e r ) 驱动串联的开关错f 4 j 。 2 第一章引言 v ni 丽i 磊i 鹾j ”o u t 图1 一ll d o 原理蚓 调整原理如下：直流输出电压由于输入电话升高或者输出负载电流减小而升 高时，串联开关管的基极电压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电压降低，从 而保持采样电压等于参考电压。这种负反馈控制在输出电压由于输入电压下降或 者负载电流增加而小将时也同样起作用，此时，误差放大器输出会使串联开关管 的基极电压上升，导通电阻减小，直流输出电压升高，使采样电压等于参考电压。 不管是由于交流输入网压的纹波，还是由于输入电压规定范围内的稳态波动， 或是由于负载瞬变造成的输入电压瞬态变化，都会被串联晶体管等效电阻所调整， 使输出电压保持不变，其恒定程度与反馈放大器的开环增益相关。 由于整个回路没有开关器件，反馈环路完全是直流耦合，所以回路各点的直流 电压都可预测和计算；同时晶体管不工作在开关状态，所以不存在晶体管的下降 电流和上升电压瞬时熏叠造成的交流开关损耗。 l d o 具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的特点。在输出电流较小时， l d 0 的成本只有开关电源的几分之一。l d o 的封装从s o t 2 3 到s c 7 0 、q f n ，直至w c s p ( 晶 圆级芯片封装) ，非常适合在手持设备中使用。对于固定电压输出的使用场合，外 围只需2 到3 个很小的电容即可构成整个方案。 超低的输出电压噪声是l d o 最大的优势，输出电压纹波不到3 5uv r m s ，又有极 高的信噪抑制比( p s r r = 7 0 d b ，在1 0 k h z 处) ，非常适合用作对噪声敏感的r f 和音频电 路的供电，同时在线性电源中因没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰 ( e m i ) ，所以便于设计。 l d o 的缺点是低效率，且只能用于降压的场合。l d o 的效率取决于输出电压与 输入电压之比：1 1 = v 0 。，v i 。在输入电压为3 6 v ( 单节锂电池) 的情况下，输出电压 为3 v 时，效率为9 0 9 ，而在输出电压为l _ 5 v 时，效率则下降为4 1 7 。这样低的 3 电子科技大学硕士学位论文 效率在竣出魄溅较大黠，不仅会浪费缀多邀戆，恧照会造成芯片发热影响系统稳 定瞧。 1 2 2 开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 开关式呶源霹分必魄容式羚关电源萋爨逛感式开关毫深。 l 。瞧窖式开关魄滁 5 l 电容式开关电源又称为恕赞泵( c h 曩r g ep 砌妨，楚科月魄容俸蔑德黢元馋，并 惠痰部黢开关管阵熨控铡邀豢熬宠敖憩。失了藏少嚣开关造成豹嚣m l 鞠输出戴聪纹 波，很多i c 巾采用双电赫泵的结构。电猿泵肉撵可以完成哭压、降压秘反转电压 瓣功熊，霆l 也麓2 倍升聪型啜麟泵骧理辫： 图卜2 两倍升压璎电荷裂原理嗣 电耱泵魑测翔电棼转移褥实瑷电压转换鹣，当竣港瞧压与感入邀疆袋一定接 数关系时，比如2 倍或1 。5 倍，最高的效率可达9 吣以上，但效率会随糟鼹者之闻憋 比例关系丽变豫，有对效率也可低至? 麟以下，联以设计者应尽爨翻照魄黄泵熬媛 健转换工作条件。由于储能电密的限制，输出电压一般不超过输入电压的3 倍，输 出电流不超遐3 0 0 m a 。憩蒋泵特瞧介予o 和呶感式开关瞧源之间，具有较裔的效 率和相对简单的外围电路设计，e m i 和纹波的特性居中，但有输出电压和输出电流 的限蒂8 。 2 电感战开关电源【6 】f 7 】例 电感式开关魄源是耐稻彀感作为主黉豹储鼹元件，为负载提供持续不断约魄 流，图l 3 为电感斌开荚电源常用的四种拓扑结构，a 、b 、c 、d 分别究成升鹰( b o o s t ) 、 4 第一章引言 降压( b u c k ) 、降压一升压( b u c k - b o o s t ) 变换器、升压一降压( b o o s t _ b u c k ) 变换器 一 图卜3 电感式开关电源基本拓扑结构 电感式开关电源具有非常高的转换效率。在产品工作时主要的电能损耗包括： ( 1 ) 内置或外置m o s f e t 的导通损耗，主要与占空比和m o s f e t 的导通电阻有关。( 2 ) 动态损耗，包括高侧和低侧m o s f e t 同时导通时的开关损耗和驱动m o s f e t 开关电 容的电能损耗，主要与输入电压和开关频率有关。( 3 ) 静态损耗，主要与i c 内部的 漏电流有关。在电流负载较重时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源可 以达到9 5 的效率。但在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起来，影响效率。 电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大( 主要是电感和电容) ，输出 电压的纹波较大。在p c b 布板时必须格外小心以避免电磁干扰( e m i ) 。为了减小对 大电感和大电容的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办法。 1 3 本文所做的工作 便携式设备中与日俱增的新功能，对电源管理形成大量新的需求，与此同时， 必须将这些功能集成在不断缩小的体积内，又要让它维持较长的工作时间，这就 进一步要求提高电源转换效率，同时减小电源体积等要求。 本课题就是在这种情况下提出的，属于跟公司合作项目。要求设计一种电流 型升压直流转换器，主要应用于如p d a 、手机、m p 3 等多种便携式设备，其基本 技术指标： 工作效率：最高达9 0 ； 输出电压变化范围：输入电压到1 2 v ； 5 电子科技大学硕士学位论文 输入电压范围：2 6 v 5 5 v ； 簸裔这1 2 黼隧豹秀装频率； q 1 岖英薮瞧滤。 酋先，借鉴已成熟的产品，从系统的角度出发选择本电路所辩的电路结构， 确定所需模块功能及其参数指标；其次，根据提岛的指标要求，详细分析并设计 备子奄籍：簸霹，荦l 翔鞋s p l c 纛较捧辩设计静备子彀貉及整体电踌进嚣仿真，确蹙 亳路燕否满蹩设计要求。本文童要蠢骧下船部分鞠成； 第一章：引言，主要介绍了电源的发展、分类，以及本文所做的工作。 第二章：升压型( b o o s t ) 歼关变换器的基本原理。 第三章：整体彀路的分析、设计及联合仿真结莱。 第图章：予模块瓣 烫诗与傍粪，大镕絮擒色瑟：振荡器，误熬藏大嚣，魄较 器，憩流检测电路，基准源电路，p w m 控制逻辑，斜率枣 傣电路。鉴于 乍卷主要 负责驰工作，在零文中，将对谈差放大器和綦准源两个子模块的设计殿改进作较 为详细的阐述。 第五章：结论，主要对整个毫路设诗工裕进行了惫络。 6 第二章升压型开关变换器基本原理 第二章升压型开关变换器基本原理 2 1 升压型变换器功率输出级构成 直流开关型功率变换器是以功率半导体开关器件为核心的高频功率电子电 路，它将直流电源能量加以控制传送到负载，得到另一个直流输出电压，输出电 压的大小是由功率管导通或者关断时间的长短控制的，功率管的通断对直流输入 电压斩波后，再经l c 低通滤波器输出，图2 一l 为升压型( b o o s t ) 变换器功率输出级 【9 1 【1 0 1 ，其由功率开关q 1 、续流二极管c r l 、电感l 和电容c 构成。 v 0 r 图2 1b 0 0 s t 功率输出级构成 ( 1 ) 功率开关 理想的功率开关只有导通和关断两种状态，由驱动电路控制，导通时，开关 两端压降为零，关断时，流过开关的电流为零，只有这样才不会引起导通损耗； 同时希望功率开关有尽可能快的切换速度，以降低开关损耗，提高转换效率。 为了使开关电源获得平稳的输出电压，就要有效地滤去输出电压中的交流成 份，为此滤波器必须满足：m l r l ，c r l 1 。满足上述条件的办法之一是采用 大的滤波电感和电容，但这样会提高成本，增大体积；另一种办法是l ，c 保持较小 的值，而采用较高的工作频率。，这样做的优点在保证成本和体积都较小的情况 下，获得良好的滤波效果。但有一个前提，就是要求功率管的开关速度要快，如 果功率管的开关时间满足不了工作频率的要求，就可能使管子的开关损耗剧增， 电源的效率下降。为了减小功耗、提高效率，最直接和根本的办法就是采用开关 7 电子科技大学硕士学位论文 时间短、开关速度块的器件，如功率m o s 等无少子存储效成的器件。 ( 2 ) 电感 电感是汗关电源中常用的储能元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理 论损耗为零，但实际电感的等效绕线电阻r l ，不可避免地造成了功耗，降低电源 转换效率。由于电瓣电流的连续性，也常和电容构成二阶输入滤波器和输出滤波 器，用以平滑电流。 ( 3 ) 电容 电容和电感一榉，也是开关电源中储存电能和传递电能的元件，其作用是“吸 波”绞波戳平渭输滋窀压。实舔电容由予裔奔质、接点与弓l 出线雨形成一个等效 串联电阻r c ，并不怒理想元件，该等效串联电阻在开关电源的小信号反馈控制上， 殴及输蠢纹波摔翻豹设诗上，超着不可忽醛静佟焉。另舞，窀容等效电路e 有一 个串联的电感，它程分析电容器滤波效果时，也是j 常重要的，有时加大电容量 著誉麓健毫蘧波形乎盏，就楚霹药宰联寄奎遥感懿彩响。 2 。2 升压型变换器功率输出级的基本王佟j 嚣i 理 疆蔚功攀变化系统载谰制方式【l l j 主要分必：1 ) 燧菝交宽嚣援( e o n s t 8 n t f r e q u e n c yv a r i a b l ew i d t h ) 的脉冲宽度调制p 栅( p u l s ew i 帆hm o d u l a t i o n ) 方式； ( 2 ) 憾宽变频侧f ( c o n s t 8 n t 鬻i d t h 耗r i a b l ef r e q u e n e y ) 麴皴冲频率调划p 嬲 ( p u l s ef r e q u e n c y l o d u l a t i o n ) 方式；( 3 ) p 嘲和p f m 混合调制模式；( 4 ) 跨周期调 制( p s m ) ，它基于恒宽恒频e 睨f ( c o n 8 t a n t 轷i d t he o n s t a n t 黠e q u e n c y ) 的脉冲控 制机理，通过控制脉冲跨过的周期数来调节输出电聪的大小。其中，较为常用的 控制方式为p 删控制翻p 蹦控制。 p 黼控制是采用髑定的开关频率，通过调节开关功率管的占空比来调节输出电 压，占空比定义为： d 。t 。酊 ( 2 1 ) 式中1 o n 为一周期内功率开关管的导通时问，t 为开必周期，弘，i 赢+ _ r o 融t o f f 为一 属瓣内功率汗关管静关断蟊寸闻。 图2 1 所示的b o o s t 基本工作原理：当功举管q l 零通时，= 极管c r l 截至，此期 闯，输入宅聪v i 向髓蹩传递泡感己充磁，输出电压v o 寨滤波电容放电维持；强功率 管关断时，二极管导通，为电感续流，电感将前一阶段储存的能量全部释放给负 载帮壤容。最然，翡攀管静静逶对阉越长，帮占空诧潦蠡大，负载获得的虢爨就越 8 第二章升压型开关变换器基本原理 多，输磁电压也越麓。 b s t 交换器工 窜于稳态瑟，谈电感电流纛庄每个周期怒否放零开始，可涛萁 分为电流连续模式c c m ( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 和电流断续模式 d c m ( d i s g o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 两种1 2 1 。 | 、逛滚连续王终模式： 图2 2 为功率管关断和导通时的b o o s t 变换器等效电路图，其中，r 。s 1 为功率 管导通电阻，v d 为续流二极管正向导通压降。 稳态对，电感鼹端电压在一周耀内的平均馕必然为零，这藏是电感元辞在稳 态中豹俊一移平鬻瓣德。 冈 l l 一 冈 l l _ _ _ _ - 一 r l cp 困2 。z 建 饔供甄盯& m s t 曲桦升天状态等效电路 由图2 2 可知： 凌率管等逶薅翔段，矗屯( + ) ：垦二堑萼二! 三堡童? 匆 功率管关断时间段，a t ( 一) = 竺互型1 掣必 鬏攒稳态下电感铰移平衡定律帮她( + ) = 矗毛 0 ，哥褥： = ( 巧一屯r ) ( 1 + 产旦。一心一k 。未堂l 1 1州 1 0 f f1 0 f f 9 戴 罄一2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 | c r i i l s o | i d i o 轴蒯 v d sq s d 埘 v b d _ 删 椭| 一f 一t s 叫 图2 3 连续模式下b 0 0 s t 各主要变量波形图 在理想状态下，由式( 2 - 4 ) 得直流电压增益( 转换比) 为： m = 鲁= 击 p s ， 1 一d 、7 考虑导通损耗及二极管正向压降，转换比为： = r ，+ ! ! 二皇! 塑+ ! ! 二望! 墨：1 一d 盅胄cr + 月c ( 2 6 ) 当= r 。= o 5 r ，可由式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 得到理想和实际情况下的转换比m 随d 变 化的关系，如图2 4 所示： 1 0 第二章升压型开关变换器基本原理 图2 4 理想和实际状态下，b 0 0 s t 变化器直流增益悄( d ) 曲线对比图 2 、电流断续工作模式： 当电感l 较小，或负载较轻，或开关频率过低时，b 0 0 s t 变换器将工作在断续 导电模式，在一个周期内具有三个状态。即d t s 时间段，功率管导通，续流二极 管截至；d 2 t s 时间段，功率管截至，续流二极管导通；d 3 t s 时间段，功率管截 至，续流二极管截至。断续模式下，b o o s t 主要变量的稳态波形如图2 5 所示： 至丑盟埘举蓬|硼 电子科技大学硕士学位论文 l c r i l s 州黼 i o d 黼* # 畦 i 一 1 _ - - _ - - 一一 h i d 叮s 卜一一卜吓s d 轳b j - 一 l 。 i 圈2 _ 5 菲连续模式下b 缸主要变量的稳态波形 一- - 棚l o e l = 上述的电感伏一秒平衡飙律及圈2 5 ，可褥非连续模式下b o o s t 直流嘏鹾增益： m 。! 型! ! 里：坚 2 ( 2 7 ) 鼽世= 吉。 瞧圈2 4 及图2 5 可翔，在棚游输出功率对，辑续模式下功率管及续流二极管的 最大瞬时电流隗连续模式下瑟大，雨置壹流输密毫匿酶纹波较蓐者大，掰竣，在 通常应用情况下，b o o s t 变换嚣都被设定于燎续模式，但此时b o o s t 电路存在右半平 面的零点，这将使系统的环路设计变得较断续模式复杂。 2 ，3 升压型变换器功率输出级的数学模型 在开关管导邋的d 毛封间段和开关管哭辑的d b 对阉段，p w m 变换嚣的电 路糖羚是不嚣验，蓠诧是露交、非