（微电子学与固体电子学专业论文）一种降压型dcdc转换器设计.pdf

一种降压型d c d c 转换器设计 摘要 单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、性能优 越等优点，非常适合便携式电子产品的应用要求，已广泛应用于通讯、电子计算 机、消费类电子产品等领域。本文设计了一种应用于便携式电子产品的降压型 d c d c 转换器。 论文首先介绍降压开关电源的工作原理、系统结构，建立系统的小信号模 型，分析系统的稳定性以及采用斜率补偿方法改善系统稳定性的原理。然后设 计了一种新型峰值电流p w m 控制的降压型d c - d c 转换器；系统采用同步整流驱动 电路、同步整流和软开关技术的结合、p w m p f m 多工作模式等技术，能够有效地 减小了转换器功率损耗，提高转换效率。 在实际电路的设计中，采用0 5 l m c m o s 工艺，利用c a d e n c ee d a 集成电路设 计工具包，对系统内的重点模块包括基准电压电路、误差放大电路、振荡发生 电路、p w m 比较电路、软启动电路、p w l 慵p f m 自动切换模块等进行了具体的设计、 仿真和分析。最后，基于同步整流降压d c - d c 转换器系统确定电路参数和外围元 件类型；s p e c t r e 仿真结果表明，该系统性能稳定，满足设计要求。 关键词：同步整流脉宽脉频调制软开关技术降压型d c - d c 转换器 l i i d e s i g no fb u c kd c d cc o n v e r t e r a b s t r a c t s i n g l e - c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p s m i c s ) h a v em a n yv i r t u e ss u c ha sh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，m o s tc o s te f f e c t i v e ，l o w e s t c o m p o n e n tc o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ，a n dh i g hp e r f o r m a n c e a sa d a p t e db yt h e d e m a n do fp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s ，i n t e g r a t e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p1i e sh a v eb e e n w i d e l yu s e di nc o m p u t e r s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，e t c a b u c kd c - d cc o n v e r t e rw h i c hc a nb eu s e di np o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t sh a sb e e n d e s i g n e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds y s t e ms t r u c t u r ei nb u c kd c - d cc o n v e r t e r w e r e i n t r o d u c e d a n dt h e s m a l l s i g n a lm o d e l s f o rt h e s w i t c h i n gc o n v e r t e r s w i t h c u r r e n t - m o d ep w mc o n t r o lw e r ed e d u c e d s t a b i l i t ya n dt h ep r i n c i p l eo fs l o p e c o m p e n s a t i o nu s e dt oi m p r o v es t a b i l i t yw e r ea l s od i s c u s s e d t h e nan e wt y p eb u c k b a s e do nc u r r e n t - m o d ep w mc o n t r o lw a sd e s i g n e d s o m ea d v a n c e dt e c h n i q u e s ， s u c ha s s y n c h r o n o u sr e c t i f y i n g ，s o f t - s w i t c h i n g a n d p u l s ew i d t h f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，w e r eu s e di nt h ed e s i g n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s es w i t c h i n g l o s s a n dg r e a t l yi n c r e a s et h ec o n v e r t e r sc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y i nt h ep r a c t i c a ld e s i g n ，w i t h0 5 i ，t m c m o sp r o c e s s ，u s i n gt o o l so fc a d e n c e e d a ，t h em a i ns u b c i r c u i t si nt h es y s t e mw e r ec a r e f u l l yd e s i g n e d ，s i m u l a t e da n d a n a l y z e di n c l u d i n gv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t ，e r r o ra m p l i f i e r , o s cg e n e r a t o r , p w m c o m p a r a t o r , s o f ta c t i v a t i o nc i r c u i t ，p u l s ew i d t h f r e q u e n c ya u t o m a t i cs w i t c h i n g m o d u l a t i o n a tl a s t ，b a s e do nt h es t e p d o w nd c d cc o n v e r t e rw i t hs y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ，c u r c u i tp a r a m e t e r sa n ds e l e c t i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e sw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fs p e c t r es i m u l a t i o n ，t h es y s t e mi ss t a b l ea n dt h e p e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n sr e q u i r e da r ea t t a i n e d k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ；p u l s ew i d t h f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ；s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e s ；b u c kd c d cc o n v e r t e r 插图清单 图卜l 中国电源管理芯片市场应用图1 图2 1d c d c 开关电源类型及电压转换率：a b u c k ，b b o o s t ，c b u c k - b o o s t5 图2 2c c m 电感电压和电感电流波形6 图2 - 3c c m 电容电流和电容电压纹波7 图2 - 4d c m 模式电感两端电压波形8 图2 5 稳定状态下d c m 模式降压型开关电源电感电流波形图8 图2 - 6 稳定状态下降压型开关电源输出节点电流图9 图2 7 降压型d c d c 开关电源直流传输模型9 图2 - 8 峰值电流p w m 控制降压型开关电源原理图1 1 图3 一l 电感电流添加斜坡补偿后动态变化图1 3 图3 - 2 电流内环三信号关系图1 4 图3 - 3 峰值电流模p w m 控制数学模型简图1 5 图3 4 降压型d c d c 开关电源c c m 的交流小信号精确模型1 6 图3 5 降压型d c d c 开关电源的无损电阻模型1 8 图3 6d c m 时电感电压、开关管和整流管电压波形1 8 图3 7d c m 时电感电流、开关管和整流管电流波形1 9 图3 8 降压型d c d c 开关电源电流不连续导通模式精确交流小信号模型2 0 图4 1 峰值电流模式p w m 控制降压型d c - d c 开关电源管理芯片原理框图2 3 图4 - 2 具有输出缓冲级高性能基准电压源电路原理图2 4 图4 - 3 室温时基准电压与电源电压关系图2 4 图4 - 4 基准电压与温度变化曲线2 5 图4 - 5 误差放大器电路2 6 图4 6 整个降压型d c d c 开关电源的频率特性图2 7 图4 - 7 电流求和电路原理图2 8 图4 - 8 电流求和电路仿真图2 8 图4 - 9o s c 振荡器设计2 9 图4 - 1 0 振荡器脉冲图2 9 图4 1 l 降压型d c - d c 开关电源死区时间控制原理3 0 图4 一1 2 死区时间与转换效率关系3 0 图4 1 3 软驱动电路原理图3 1 图4 一1 4 驱动延时电路图3 l 图4 一1 5pd r i v e r 和nd r i v e r 输出波形3 2 图4 一1 6p w m 电压比较器电路设计3 3 图4 17 不同分辨率时电压比较器的转换速率和传播延时3 5 图4 一1 8 在1 m h z 系统时p w m 电压比较器仿真波形图3 6 图4 1 9 跳周期加限流获得p f m 控制模式3 6 图4 - 2 0 电压过低比较器3 8 图4 - 2 1 睡眠比较器3 8 图4 - 2 2 零电平检测比较器3 8 图4 - 2 3 电压过高比较器3 9 图4 2 4 多种工作模式控制电路。3 9 v i i i 图4 2 5p w m p f m 模式参考电流修正量s u m 4 0 图4 2 6 导通损耗和驱动损耗与功率管栅宽关系4 0 图5 1 系统典型测试图和封装后电路引脚图4 3 图5 - 2 降压型d c - d c 开关电源管理芯片的输出电压“4 4 图5 3 降压型d c - d c 开关电源管理芯片的瞬态响应特性4 5 图5 - 4 降压型d c - d c 开关电源管理芯片的输出电流4 5 i x 表3 一l 表3 - 2 表4 - 1 表5 一l 表5 - 2 表格清单 x 0 0 2 3 6 2 2 2 4 4 数数一一 一系系数述一 源源参描一 流流标能性电电目功特入出计脚学输输设管电 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金e 巴工些太堂 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。 学位论文作者签字：彩昭乃巴侈签字日期：多咖年乒且彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：诼船移 签字日期：口年弘月多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i 导师签名： 碧。玄 签字日期：小l 。年午月ji ，日 电话： 邮编： 致谢 时间转眼即逝，马上就要完成研究生阶段学业，本论文是在合肥工业大学梁 齐副教授的悉心指导下完成的。梁老师学识渊博、治学严谨、循循善诱，尤以 他平易近人的工作作风和温文尔雅之学术风范，给我留下了深刻的印象。感谢 导师对我研究生期间的谆谆教诲! 本课题研究工作是在无锡无双科技有限公司( u t i ) 完成的。在课题研究 期间，公司为我提供了良好的软硬件环境和良好的学术氛围。在公司期间，受 到了章伟教授、黄胜明博士、魏鲜副总、张怀东经理的支持和关照，在此向他 们表示我由衷的感谢。还要感谢李伟华、沈勇、魏胜涛、段闻勇同学，感谢你 们对我的帮助和学术交流；感谢王维松、杨玉才等同学在大学生活上给予的支 持和关心；感谢徐兴建、夏丹、王守明等同学一起走过了快乐的大学生活。 最后，感谢所有所有关心、帮助、教育我的师长、同学和朋友。感谢父母、 兄妹对我生活的关心，对我学习和工作的支持。 v 作者：谢观福 2 0 10 年0 4 月1 0 日 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义及国内外动态 1ll 电源管理芯片市场概况 与全球相比，电源管理芯片在中国市场一直保持着较高的增长速度，明显 高于牟球增长平均水平“1 。中国市场的良好表现得益于下游整机产品制造对电 源管理芯片产品需求的快速增长，特别是消费电予、笔记本电脑、通信等便携 式产品产量的大幅度增长。最近i o 年以来，p c 、笔记本电脑、手机、d v d 、彩 电等整机在中国均实现了较大幅度增长，从而大大带动了相关上游市场的发展。 电源管理芯片的应用无处不在，从计算机、家电、便携设备，到工业控制、照 明、宇航、军事等领域，其市场极为广阔。近年来笔记奉电脑产量一直保持了 高增长率，3 g 网络应用的推广，将会使电源管理芯片在网络通信类市场得到新 的增长点“。 工业控制娄 8 j 紫瑟 i e 费娄 网错通信娄 2 8t t 图卜1 中囱电源管理芯片市场应爿j 图 电源管理苍片主要集中在低压差线性稳压器l d o 、d c d c 转换器等，低压差 线性稳压器占市场份额的2 0 左右，d c d c 转换器占市场份额的4 0 左右。低压 差线性稳压器l d o 由于设计门槛低，主要集中在小电流，转换效率不高的应用 场合，已经基本没有利润空闻，国内稍大的设计公司已经逐步放弃这块市场： 现在逐渐对d c - d c 丌关电源管理芯片的转换效率要求在提高传统的开关电源 管理芯片只有8 0 左右的产品已经推出市场舞台代替他们的是更高性能转换 效率超过9 0 的产品，目前，大电流、高转换效率降压型d c d c 开关电源管理 芯片非常受市场欢迎而转换效率介于9 2 - - 9 5 的产品因性价比高、应用场合 多具有较高的市场份额，有较好的市场情景和利润水平。 现在国内微电子设计公司正在经历一个洗牌的过程，从一些权威机构的调 查看，近些年国内增减丁不少设计公司，也产生一些实力强劲的设计企业，但 主要还是从事电管管理i c 低端产品设计；众多中小厂商在电源管理芯片领域的 连年拼搏，随着中低端电源管理芯片技术逐步开放成熟咀及各种成本的不断增 加，许多中低端电源管理芯片产品利润空间已经严重压缩，成为了微利的鸡肋 刍 皑“苴 业务；国外厂商已经逐步退出中低端产品业务。但是中高端领域产品的市场一 直由国外著名厂商( t i 、n s 、i r 、m a x i m 等) 控制，设计门槛高技术复杂、其市 场份额和利润水平非常诱人；因此，开发出具有高性能水平的电源管理芯片是 改变现在市场现状的唯一途径。 近年来各种原材料价格的迅速上涨，各国对环保问题日益重视，节能和成 本问题已经受到厂商、消费者和各国政府的广泛关注。这些都给电源管理芯片 带来了新机遇和挑战，也给中国本土企业发展带来新契机。电源管理芯片的发 展趋势将围绕小体积、高集成、低功耗、低成本、高性能进行。市场对低功耗、 低电压、高精度、低噪声等高性能电源管理芯片产品的需求不断增加，高效节 能电源产品设计正在改变传统的电源设计方法成为电子产品关键设计技术。 1 1 2d c - d c 开关电源管理芯片发展概况 d c d c 开关电源管理芯片属于d c - d c 转换器的范畴，为了满足便携式产品的 应用要求，d c d c 转换器从原来电力电子的大体积、隔离、低效率经过几十年的 不断发展完善，逐渐产生了d c d c 开关电源稳压器。而d c - d c 开关电源管理芯片 是d c d c 开关电源稳压器中最重要的组成部分，主要致力于便携式电子产品的电 源应用要求，其主要特点是集成度高、转换效率高、控制精度高和体积小重量 轻。非常适合现在消费性电子产品的应用要求。 d c d c 转换器从以前的变压器的隔离型起始，经历多代设计工程师和理论基 础研究，出现许多不同类型的产品：根据工艺分类，有双极工艺、双极和c m o s 混合工艺、标准c m o s 工艺；根据输入输出地隔离分类：有隔离型、非隔离型； 根据功能不同分类，有升压型、降压型和反极性型等等。d c d c 转换器朝着降低 功耗、控制精度高、转换效率的方向不断发展前进。 目前d c d c 开关电源管理芯片设计理念和工艺技术基本成熟，应用于便携式 产片的d c - d c 电源管理芯片设计原理已经比较完备，但是设计实现还有待提高。 为了满足消费便携式产品的快速需求的需要，d c - d c 开关电源管理芯片必须具备 优越性能，因此在d c d c 集成电路设计中出现了许多新技术，主要有如下几种： 3 - 6 1 ：l 、同步整流技术，为满足低电源低功耗大电流的应用要求，采用p m o s 管作 开关管、n m o s 管作整流管代替传统功率管作开关管、二极管作整流管；2 、软开 关驱动控制技术，为进一步提高电源转换效率，进一步消除p m o s 开关管和n m o s 整流管引起的电源到地短路电流、寄生电容充放电和寄生二极管导通带来的功 率损耗；3 、p w m p f m 相结合控制技术，为了获得d c - d c 开关电源管理芯片在全负 载范围内都具有较高的电源转换效率而逐步发展而来的；4 、p m u 技术，要求单 片d e - d e 开关电源管理芯片具备对整个整机系统进行多路、不同类型供电而发展 起来的。 1 1 3 研究目的和意义 d c - d c 开关电源管理芯片是d c - d c 电压转换器的一个分支，为满足体积小、 2 质量轻、集成度高的要求而发展起来的。d c d c 开关电源一直以来以其具备较高 的电源转换效率而著称，但是其缺点纹波电压也不容忽视；而低电压差线性调 整器l d o 以其高精度和高稳定性而著称，其缺点是电源转换效率低下不超过8 5 。 所以在采用电池供电的许多便携式电子产品，供电电压3 3 y ，输出电压 1 2 v 1 8 v ，特点是负载变化大的场合 1 ，只能选取d c - d c 开关电源管理芯片。 因此要求d c d c 开关电源管理芯片具有特征阳呻1 ：整个负载变化范围内保持高转 换效率。低电压差线性调整器l d o f 氐转换效率无法满足使用要求，为了满足现代 延长电池使用寿命以及得到波动小的直流电压的需求，效率高、体积小、重量 轻的低电源电压d c d c 开关电源管理芯片得到迅猛发展。 目前，随着消费电子产业的蓬勃发展，d c - d c 开关电源管理芯片得到了非常 广泛的应用，有广阔的市场前景，要求性能也越来越高。国内外对中小功率低 电压、大电流输出d c d c 开关电源管理芯片的研究已取得了较大进展。单输入电 源单输出芯片作为d c d c 开关电源管理芯片的基础电路，升压型、降压型d c - d c 可以根据实际需要组合成不功月一m d c - d c 开关电源管理芯片，例如单电源两路输 出，一路升压，另一路降压。虽然国内电源管理芯片的价格战，使现在市场非 常混乱；但是对单输入单输出开关电源管理芯片的很多关键技术进行了切实有 效的研究及技术储备，能够对将来研究复杂的具有拓补结构的d c - d c 开关电源管 理芯片具有重大的指导意义；也为将来在中高端领域与国内外知名厂商竞争时 打下扎实的基础。 1 2 论文主要工作 本课题来源于无锡市5 3 0 项目、无锡无双电子科技有限公司( u t i ) 电源管 理芯片项目，关于低电压低功耗高性n 9 6 0 0 m a 同步整流降压型d c - d c 开关电源管 理芯片设计，课题重点是应用于消费性便携式电子产品的降压型d c - d c 开关电源 管理芯片设计。 消费性便携式电子产品对电池使用寿命提出挑战，减小功耗提高芯片转换 效率成为此类芯片设计的一个关键目标。改进芯片控制模式是降低功耗的有力 手段。针对提高电源效率，本芯片使用同步整流技术、自适应动态死区时间控 制技术和p f m p w m 混合控制技术，确保在全负载范围内具有较高转换效率；构建 了一个降压型d c d c 开关电源管理芯片系统，在0 5 9 m 标准c m o s - f 艺基础上，利 用s p e c t r e 软件进行模拟仿真验证，系统主要性能较高。 论文结构如下： 第一章是绪论，介绍了中国电源管理芯片当前市场状况，d c - d c 开关电源管 理芯片发展趋势，从而提出了本课题的研究目的、意义。 第二章是降压型d c d c 开关电源理论基础，阐述了降压型d c - d c 开关电源的 基本结构、工作原理及峰值电流模p w m 负反馈控制方法，为后面的系统交流小信 号模型打下理论基础。 第三章是峰值电流模p w m 控制降压型d c - d c 开关电源系统建模，直流大信号 基础上进行分析，将详细推导峰值电流模式p w m 控制降压型d c - d c 开关电源的交 流小信号模型。讨论峰值电流模式p w m 控$ 1 j d c - d c 开关电源系统稳定性问题；输 出电压交流小信号变量与输入电压交流小信号变量、电感电流交流小信号变量 之间的关系表达式。 第四章是系统子模块电路设计，着重阐述了降压型d c - d c 开关电源管理芯片 的各子模块电路设计过程，重点选取同步整流驱动电路、p w m p f m 混合控制电路、 o s c 振荡器、高速高精度p w m 电压比较器、高精度误差放大器、电流求和电路、 基准电压源、软开关驱动电路等子模块电路进行设计，提出了这些电路设计方 案及参数选择原则，在0 5 1 a m 标准c m o s z 艺基础上，利用s p e c t r e 软件进行模拟 仿真。 第五章是系统设计与仿真分析，首先介绍系统版图设计中几个重点关注的 原则，然后结合前章所设计的关键子模块电路构建了一个降压型d c - d c 开关电源 管理芯片系统。针对产品要求选取外围器件、构建了降压型d c - d c 开关电源管理 芯片仿真系统，在0 5 9 m 标准c m o s 工艺下，采用s p e c t r e 软件进行模拟仿真验证， 系统性能较高，能够满足应用要求，电源转换效率不低于9 2 。 第六章是总结和展望，对本文研究工作进行总结及提出今后重点关注的研 究内容。 4 第二章降压型d c d c 开关电源理论基础 d c d c 开关电源又名d c d c 转换器；b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 型是d c d c 开 关电源中三种最基本的结构，也是目前应用最多的三种结构。图2 1 分别表示降 压型、升压型及升降压型d c d c 转换器工作原理图及其电压转换率( 其中d 表示 一个周期内开关1 闭合、开关2 断开的占空比) 。所有的d c - d c 开关电源稳压器都 是由这三种基本型中的一种或者几种组合而成的。降压型d c - d c 开关电源管理芯 片属于降压型d c - d c 转换器的范畴，因此，其基本理论基础和降压型d c d c 转换 器别无二致，分析降压型d c - d c 转换器的工作理论就等同于降压型d c d c 开关电 源管理芯片的工作理论，只是考虑应用领域设计时电学参数侧重点不同而已。 如无特殊说明，本章只分析理想状态、系统稳定工作时下，d c d c 开关电源的理 论基础。本章简要介绍降压型d c d c 开关电源分别在电流连续导通模式、电流不 连续导通模式的基本理论；从而引出其基本基本方法，最后重点分析峰值电流 模p w m 控制原理。 ( 量) v 皇 v 暑 v t s +4 套3 v 2 i o oo 2 0 40 60 8l 力 o o 一2 o 4o 6 0 8l 口 o l 黩一2 一3 - 4 5 口 0 0 20 ，40 60 8l 图2 - id c - d c 开关电源类型及电压转换率：a b u c k ，b b o o s t ，c b u c k b o o s t 2 1 降压型d c - d c 开关电源基本原理 图2 - 1 ( a ) 是降压型d c - d c 开关电源的工作原理图。v 。是电源电压，理想时 l 8 6 4 2 o 仉m 乱饥 翁篇 + y 一 开关l 、2 无损耗，但实际上功率开关l 、2 存在不容忽视的功率损耗。d c d c 开关 电源按照电感工作电流是否连续可以分为两种工作模式0 1 ：一种是电流连续导 通模式，另一种是电流不连续导通模式。 2 1 1 电流连续导通模式 电感电流i 。( t ) 在整个系统工作过程中必须一直大于o 。由于滤波电容c 的瞬 态特性，在电感电流i 。( t ) 大于负载电流i 。的时间段内，电源通过电感对电容 充电，而在电感电流i 。( t ) 小于负载电流i 。的时间段内，电容放电保持输出电 压稳定；由于电感l 特性，当电感两端电压反向时，也必须维持电感电流i 。的连 续性。降压型d c - d c 开关电源在电流连续导通模式下工作过程1 ：当开关1 闭合、 开关2 断开时( d t s 时间内) ，电感两端电压为正，电感存储能量；当开关1 断开、 开关2 闭合时( ( 1 一d ) t s 时间内) ，电感两端电压为负，电感代替电源对负载进 行供电；整个电路系统不断循环重复以上两种开关状态，维持输出电压稳定。 一v 蚕耋 - l 2 j - 位置 i i - ( t i t ( o彳 乏一上一 罨箩 vf i 一l i l 图2 - 2c c m 电感电压和电感电流波形。 c c m 模式降压型d c - d c 开关电源电感电压和电感电流波形如2 2 所示。系统稳 定时i 。( t s ) = i 。( 0 ) ，可以计算电感纹波电流么i 。值。另外根据电感秒伏平衡原 理，我们可以推导出降压型d c - d c 开关电源的电压转换率以及电感纹波电压，得： 2 i l = 竖l 。t s ( 2 1 ) i l = v 8 2 - _ _ l z v 。t s 锄产i 1 土- v 1l ( t ) a t 寺半d t s 挚- d ) 聃。 暇。v ) d t s v x ( 1 一d ) t s = 0 v = d v g ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 从前面描述电路工作状态，可以知电感电流直观地分为直流分量i 和交流 分量1i 。两部分；其中直流分量可以近似等于负载电流i o u t ，交流分量1i 。会 直接注入电容用来补偿电容交流分量1i 。因此，我们可以么i l ( t ) = 1i 。( t ) 。 6 因此，我们很容易得到c c m 模式降压型d c - d c 开关电源系统的电容纹波电压和 电容纹波电流波形，如图2 3 所示。 i c “) o v c ( t ) v l 、 茏匆谬狐。1ai t 弋 r s 2 i 7 d 1 ，一n 、- j - - 一，一，i o - 一、t 上- l 二v 、 t 图2 - 3c c m 电容电流和电容电压纹波 从图2 - 3 可以获得以下结果：电容电流i 。( t ) 大于0 时，电容充电，电容吸收 电感纹波电流，电容两端纹波电压v 。( t ) 逐渐变大；电容电流i 。( t ) 小于o 时，电 容放电，电容纹波电流和电感纹波电流相互叠加共同维持负载电流电压不变， 电容两端纹波电压v 。( t ) 逐渐变小；从数学理论，可以看出电容电流i 。( t ) = o 的 两个零点，必定存在两个最值，因此电容两端纹波电压波形是具有相位延时的 频率t s 的正弦波，其峰峰值变化2 么v 。依据电容两端纹波电压变化和电容纹波 电流的关系，电容上电荷累积总量q 关系： q = c ( 2 a v c ) ( 2 - 6 ) q ：丢a i l 了t s ( 2 - 7 ) 综合整理，可得： a v ，、：( v g - v ) d t s 2 ( 2 8 ) 。 1 6 l c 因此，通过电容纹波电压就是可以获得输出纹波电压。 2 1 2 电流不连续导通模式 根据上节所述，近似认为通过电感的电流直流分量等于输出负载电流。我 们认为当通过电感的电流直流分量即负载电流i 小于电感纹波电流么i 。时降压 型d c - d c 开关电源进入电流不连续导通模式( d c m ) ，即： i ：d v s ( v , - v ) d t s( 2 9 ) r2 l 舱嵩趣咖( 2 - 1 0 ) k 。最如_ k ci(2-11) 7 式( 2 1 0 ) 、式( 2 11 ) 可以作为降压型d c - d c 开关电源工作于电流连续导 通模式和电流不连续导通模式的临界点判定依据。 降压型d c d c 开关电源在电流不连续导通模式下工作过程：当开关1 处于 闭合、开关2 处于断开状态时( d i t s 内) ，电感两端的电压为v g v ，电源v g 输入 电流等于电感电流i 。( t ) ，负载电阻两端的输出电压v 为v ( t ) ，i 。( t ) 会从0 按照斜 率( v g v ) l 线性增加。开关l 处于断开、开关2 处于闭合状态时( d 。t s 内) ，电 感两端的电压为一v ，电感电流从峰值i 。( d 。t s ) 以斜率- v l 线性下降到0 ；开关1 、 2 均处于断开状态时( d 。t s 内) ，电感两端电压为0 ，电感电流也为0 ( d ，+ d 。+ d j _ 1 ) ， 整个电路系统不断循环重复以上三种开关状态1 。 i l ( t 图2 4d c m 模式电感两端电压波形 卜。- t g 。d 斗。d s - 图2 - 5 稳定状态下d c m 模式降压型开关电源电感电流波形图 同理，稳定状态下电流不连续导通模式电感电压波形如图2 - 4 所示，得： ( v g v ) d l + ( 一v ) d 2 + o d 3 = o ( 2 1 2 ) v = 矗v g ( 2 - 1 3 ) 另外，我们可以通过电容在一周期区间内的电荷特性关系式：通过电容的 平均电流必须为0 ，求出未知量d ：表达式。依据图2 - 6 ，稳定状态下降压型开关 电源的输出节点的节点电流图，得到输出节点基尔霍夫电流方程： “t ) = i c ( t ) + 警( 2 - 1 4 ) ：一v1 5 ) 2一r(9-15) = 告阻t ) d t ( 2 - 1 6 ) i t s i l ( t ) d t = i i ( d l t s + d 2 t s ) ( 2 - 1 7 ) i p k = 丁v , - v 。l t s ( 2 - 1 8 ) 善： ( 2 - 1 9 ) v 1 + 筹 k ：里 ( 2 2 0 ) r t s 理想情况下，任何开关电源开关电源都包括三个端口：一个电源输入端口， 一个电压输出端口，和一个控制输入端口。电源输入端口受到控制输入端口， 才得到相应的电压输出。因此，我们认为无功率耗损，电源转换效率1 0 0 ，得： v g i g = v i ( 2 2 1 ) 因此，在直流大信号情况下，三个端口的关系已经非常清晰：电感和电容只进行 能量存储和释放。输入功率等于输出功率，可以得知： i 。= d i ( 2 2 2 ) 我们可以利用变压器传输模型表示理想状态下降压型d c - d c 开关电源的传输模 型，如图2 7 所示。 i g t ：d l l 图2 7 降压型d c - d c 开关电源直流传输模型 9 本小节简单叙述了在理想情况下电流连续导通模式和电流不连续导通模式 的工作原理；利用均值法导出了降压型d c - d c 开关电源直流传输模型。 2 2 控制方法基础 如何控制开关 1 、2 的导通和关断时间，调整占空比，获得所设计需要的功 能，是控制电路需要解决的问题。本节将简要讨论控制方法发展历程和峰值电 流模p w m 控制的基础性原理。 2 2 1 发展历程 近几十年来，开关电源控制方法不断增多，控制精度不断提高；但是到目 前为止控制开关管、调整管的控制技术都可以概括为以下三种基本方法n 2 1 ：1 、 p f m 调制；每次导通时间一定，调节频率获得不同工作占空比；因此，容易认 识到轻载时频率低，重载时频率高，而开关电源控制电路功耗随着频率越高而 越高，系统在轻载时转换效率较高；2 、p w m 调制，频率一定，调节每次导通时 间获得不同工作占空比；因此，轻载时因频率高而转换效率低，重载时有较高 的转换效率；3 、p s m 混合调制，可以根据不同负载情况选择p f m 调制或者p w m 调制；在重载时采用p w m 调制、在轻载时采用p f m 调制，因此能够有效继承p w m 、 p f m 的优点，同时规避其缺点。结合峰值电流模式控制技术容易将p w m 调制技 术转换为p f m 调制技术，这样使开关电源在全负载范围内获得高转换效率，广 泛应用于电流模式p w m 控制的开关电源系统。 2 2 2 峰值电流模式p w m 负反馈控制技术 在一个d c d c 开关电源系统中控制技术只有结合负反馈技术相结合，才能得 到所需要的输出特性。 p w m 负反馈控制技术基本工作原理就是在输入电压、内部参数、外接负载等 参数发生变化情况下，选择当中某个或者某几个参数作为负反馈信号，参与系 统工作占空比调节u 3 1 引。p w m 闭环负反馈控制技术系统经过几十年的不断发展和 完善，先后出现了五种具有代表性技术n 钉：电压模式p w m 控制技术、均值电流 模式p w m 控制技术、峰值电流模式p w m 控制技术、滞环电流模式p w m 控制技术、相 加模式p w m 控制技术。 电压模式p w m 控制技术是采用电压外环的单环控制技术，是最早出现的控制 技术，虽有众多缺点，但设计调试简单，非常适合用于低端开关电源产品。平 均电流模式p w m 控制，控制精度高、跟随性好，但双闭环放大器带宽、增益等配 合参数设计调试复杂；设计成本过高，只适合用于非常高端开关电源产品。峰 值电流模式p w m 控制技术，能够有效弥补两者缺点而兼顾两者优点，使得峰值电 流模式p w m 控制技术在d c d c 开关电源集成电路中迅速推广应用。 峰值电流模式p w m 控制通过引入电流内环和电压外环的双环控制系统，能够 非常有效改善电压模式p w m 控制的主要缺点：对输入电压的变化动态响应较慢， 存在两个延时滞后。峰值电流模式p w m 控制基本控制原理：总体来说，峰值电流 l o 模式p w m 控制方法是时钟周期信号上升沿使开关管导通、整流管关断状态，达到 峰值电流后开关管关断、整流管导通状态；输出端的反馈电压与基准电压v 州 的差值经过误差放大器e a 、得到的误差电压放大信号v 。作为参考电压送至p w m 电压比较器，将电感峰值电流检测信号送入p w m 电压比较器的另一端、与参考电 压v 。比较获得调节占空比的输出信号；直到由被检测的电感电流信号大于参考 电压，p w m 电压比较器翻转输出高电平，开关管处于截止状态；下一个周期开始 复位开关管导通、整流管关断。 图2 - 8 峰值电流p w m 控制降压型开关电源原理图 峰值电流模式p w m 控制拥有众多优点，主要有：( a ) 双环控制具有良好瞬态 特性；( b ) 频率补偿简单、环路易设计，与负载无关。但是，和平均电流模式 p w m 控制相比性能有些差距，最大的缺点是：占空比大于5 0 时容易引起系统不 稳定，必须加入斜坡补偿，才能使峰值电流模式和平均电流模式一致。设计时， 必须详细地分析论证系统稳定性能。但是综合考虑设计成本与复杂性，峰值电 流模式p w m 控制备受广大电源电路设计师的青睐，能够设计出高性价比的开关电 源管理芯片，应用于中高端场合。 第三章峰值电流模p w m 控n d c - d c 开关电源系统建模 本章在第二章理论的直流大信号基础上进行分析，将详细推导峰值电流模 式p w m 控制降压型d c d c 开关电源的交流小信号模型。首先讨论峰值电流模式p w m 控制d c d c 开关电源系统稳定性问题。然后，分别讨论电流连续导通模式和电流 不连续导通模式的交流小信号参数：输出电压交流小信号变量与输入电压交流 小信号变量、电感电流交流小信号变量之间的关系表达式，建立峰值电流模式 p w m 控制降压型d c d c 开关电源交流小信号模型和数学表达式。 3 1 斜坡补偿 通过第二章介绍可以得知，交流小信号容易引起峰值电流模式p w m 控制系统 不稳定性，必须对系统进行频率补偿和电感电流斜坡补偿，这里先介绍电感电 流斜坡补偿，频率补偿将在具体电路设计部分阐述。 因为峰值电流模式p w m 控制是固定时间导通、峰值电流关断的控制技术，所 以在开关管关断后，电流采样电路采样值无效，每个时钟周期开始时电感电流 峰值必须重新进行采样，可以认为是离散采样n6 】。在任意完整的周期内，如图 3 一l 实线s n 部分所示，能够确定： k 玉： 坠 ( 3 一1 ) d i ； l ! 咝二：y o u t ( 3 2 ) ( 1 一d ) t s l 整理式( 3 一1 ) ，式( 3 - 2 ) 可得： i “= 半。t s 一导”。) t s ( 3 - 3 ) i n + - 七丧，i nq 一鼍一半 4 ， 电感电流存在交流小信号时线性化处理，得： 6 i n + i ( 啬) 6 i 。枷i 。 ( 3 - 5 ) 设计时，交流小信号必须收敛，保证系统能够稳定工作。由式( 3 - 5 ) 可知， 只有d 0 5 时，满足一1 九 0 5 时，任何交流小信号都容易 引起系统不稳定，因此设计时必须额外增加电感电流斜坡补偿电路，使系统在所有占 空比d 都能够保持稳定。 、 i r e f 卜d t s _ ， t i j t 一 - - 图3 1 电感电流添加斜坡补偿后动态变化图 如图3 - i 虚线所示的就是斜坡补偿电流加入后参考电流i 变化图。因此， 加入斜坡补偿电流后，电流关系式可以表达为： ! 噬二璺；里玉二! kx 二 d t s l ! 醚二兰里圣二五：监 ( 1 一d ) t s l ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 整理式( 3 6 ) ，式( 3 7 ) 司得： i n + 2 瓦l 州s , - 叫v o u t p i l l4 盘一半 净8 ， 因此，要使系统在所有占空比d 都能够保持稳定，必须使线性项 一1 兰兰二坐 1 ，解得： l s 。+ ( 1 一d ) v 。 d 一1 + l s e( 3 - 9 ) 2 、。 式( 3 - 9 ) 推导出，s e 0 5 s f 时，能够使降压型d c - d c 开关电源系统在有电 感电流交流小信号时收敛，整个系统稳定工作；考虑到实际应用场合占空比d 变化范围不太大，采用s e = 0 5 s f 基本满足设计需求。 3 2 峰值电流模式p w m 控制的c c m 交流小信号模型 第二章得出的降压型d c d c 开关电源直流传输特性和模型不在适合于交流 小信号，因此本小节将推导峰值电流模式p w m 控制的