（微电子学与固体电子学专业论文）基于bcd工艺的高压高效率dcdc转换器设计.pdf

摘要 摘要 随着电源技术不断向高频化、集成化发展，高频开关电源更是电源技术领域 的新课题，因此新型的开关电源控制转换器也就成为研究的重点。 本文基于0 5 u m2 0 vb c d 工艺，设计了一款高压高效率的降压型开关电源转 换器，所设计的转换器采用降压d c d c 拓扑结构，采用脉冲宽度调制即p w m 控制 方式，可达9 5 的转换效率。 本文首先介绍了d c d c 转换器的工作原理，详细分析了降压型电流控制模式 的p w m 开关电源的主要拓扑结构。再根据p w m 开关电源的原理和特点，合理的 设计了各个模块电路，其中包括：带隙基准源、过温保护模块、电压误差放大器、 电流检测放大器、p w m 比较器、振荡器、驱动部分和自举电路等。根据每个子电 路的特殊需求，详细地分析了它们的功能如何实现，并采用c a d e n c e 进行了功能仿 真，仿真结果显示基本达到了设计要求。 该转换器输入电压范围4 5 v 到2 4 v ，输出电压范围0 8 l v 到1 5 v ，峰值输出电 流为1 2 a 。转换器固定工作频率为1 4 m h z ，当输出电压低于一定值时，内部振荡 器频率会降为4 6 0 k h z 。电流模的工作模式提供了快速瞬态响应，而且提供了很好 的环路稳定性。该转换器可广泛应用于分布式电源系统、电池充电器、l e d 驱动 等。 关键词：开关电源p w m电流型模式d c d cb c d 工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gt oh i g hf r e q u e n c ya n d l l i 曲i n t e g r a t i o n ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb e c a m eah o t s p o ti nt h ef i e l do fp o w e r e l e c t r o n i c s t h en e wt y p e so fp w mc o n t r o l l e ra ret h em o s ti m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，ab u c kd c d cs w i t c h i n gc o n v e r t e ri sd e s i g n e du s i n g0 5 u m2 0 v b c d p r o c e s s t h ec o n v e r t e ru s e sb u c kd c d ct o p o l o g ya n dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n c o n t r o l l e r i th a sav e r yh i g he f f i c i e n c y , u pt o9 5 i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l ed c d cs w i t c h i n gc o n v e r t e ri si n t r o d u c e d , a n dt o p o l o g yo ft h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fc u r r e n tm o d ep w mc o n t r o l l e ri sf u r t h e r a n a l y z e di nd e t a i l s t h e ne v e r ys u b c i r c u i ti sd e s i g n e dr e a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e ro fp w ms w i t c h i n g c o n v e r t e r , s u c ha s ：b a n d g a p ，o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c tc i r c u i t ，e r r o ra m p l i f i e r ( e a ) ，p w mc o m p a r a t o r , o s c i l l a t o r , o u t p u t s t a g e ，b o o t s t r a pc i r c u i ta n ds oo n i ti sa n a l y z e di nd e t a i lt h a th o w t or e a l i z ee v e r y s u b c i r c u i t s f u n c t i o n sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d s t h e n ，t h ep a p e ru s e dt h et o o lo f c a d e n c e ，f i n i s h e dc i r c u i t sd e s i g ni nt r a n s i s t o rl e v e la n df u n c t i o n a ls i m u l a t i o n t h e s e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h ec i r c u i td e s i g na c c o r d i n gw i t ht h er e q u i r e m e n t t h ec o n v e r t e rh a saw i d e4 5 vt o2 4 vo p e r a t i n gi n p u tr a n g ea n do u t p u tr a n g e a d j u s t a b l ef r o m0 8 1vt o15 v i th a s1 2 ap e a ko u t p u tc u r r e n t t h ec o n v e r t e rh a sa f i x e d1 4 m h zf r e q u e n c y , w h e nt h eo u t p u tv o l t a g ef a l l sb e l o wac e r t a i nv a l u e ，t h e f r e q u e n c yo ft h eo s c i l l a t o rw i l lb er e d u c e dt o4 6 0 k h z c u r r e n tm o d eo p e r a t i o n p r o v i d e sf a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ea n de a s e sl o o ps t a b i l i z a t i o n i tc a nb ew i d e l yu s e di n t h ef i e l do fd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m s ，b a t t e r yc h a r g e r , l e dd r i v e r sa n ds oo n k e y w o r d s ：s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l i e s ( s m p s ) c u r r e n tm o d e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc o n t r o l l e rd c d cb c dp r o c e s s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，论文中不包含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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：三4 卑 西安电子科技大学 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攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：壶l 摊 剔磁辄桁 日期五也：! ! ! 日期而础枷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源概述 电源技术是与现代控制理论、微电子技术、材料科学等许多领域密切相关的 一门多学科互相渗透的综合性技术。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用 领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电源是一切电子设备的动力心脏【l 】， 其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标，它对现代通讯、电子 仪器、计算机、及某些高新技术起着非常关键作用。 电源可分为线性电源( l i n e a rp o w e rs u p p l y ) 和开关电源( s w i t c h i n gp o w e r s u p p l y ) 两种，从线性电源到开关电源是电源发展史上的一个质的飞跃【l 】。 其中，线性稳压电源的调整管工作在线性放大区，输出电流是连续的，纹波 较小，但调整管上损耗的功率较大，效率较低。而开关电源内部的关键元器件工 作在高频开关状态，由于开关频率高( 几十至几兆赫兹) ，去掉了变压器和低频滤波 电感，从而达到减小整机体积和重量、提高工作效率的目的。因为内部电路工作 在高频开关状态下，所以自身消耗的能量很低，电源效率高。 所谓开关式电源，就是利用现代电力电子技术与微电子技术，控制半导体功 率开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它通过用电 子线路组成开关式( 方波) 电路来达到对电能的转换。开关电源是电力电子技术与微 电子技术紧密结合的一种技术。只有电力电子技术和微电子技术同步发展，开关 电源才能得到发展。开关电源一般由控制信号产生电路、功率半导体器件和滤波 电路构成。其中的核心部分是控制电路。开关电源中的功率管工作在截止区和饱 和区。功率管截止时，相当于机械开关的断开，功率管饱和时，相当于机械开关 闭合，这种起开关作用的功率管就叫开关管。开关电源按电力电子的习惯称谓， 分为交流到直流( a c d c ，即整流) ，直流到交流( d c a c ，即逆变) ，交流到交流 ( a c a c ) ，直流到直流( d c f d c ) 。本论文中讨论的是直流到直流转换的d c d c 型 开关电源。 电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。开关电源 的特点比采用调整管的线性电源和相控电源相比有两个明显的优点： ( 1 ) 效率高。采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换 而没有损耗。但实际上，电路中的开关器件存在通态压降，断态漏电流及开关损 耗等非理想因素，所以存在功耗。但电路的总效率仍能达到8 5 - - 9 8 ，远远高 于靠通态电阻调节的线性电源，通常比相控电源的效率要高些。 2基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 ( 2 ) 体积小、重量轻。开关电源采用较高的开关频率，因此电路中的电感、电 容等滤波元件和变压器都大大减小。而线性电源和相控电源通常都需采用很大的 滤波元件和笨重庞大的变压器。所以在同等功率条件下，开关电源的体积和重量 仅为线性电源和相控电源的十分之一。 因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。由于其明显的优 点，已经引起社会各方面的重视而得到迅速推广。当然，开关电源也有它的缺点。 由于在开关稳压电源中，功率调整管工作在开关状态，因此存在较大的输出纹波 电压和开关噪声干扰。另外，电路结构复杂、成本高、可靠性低等缺点也限制了 开关电源的普及与发展。 随着计算机，通信设备以及便携式产品的不断增长，对d c d c 开关电源的需 求不断增长。由于目前的计算机设备和各种高效便携式电子产品发展趋于小型化， 其功耗都比较大，要求与之配套的电池供电系统体积更小、重量更轻、效率更高， 必须采用高效率的d c d c 开关稳压电源。因此，必须实现直流开关型转换器的集 成化，提高直流开关型转换器的工作频率。因为在d c d c 转换器中，由于输入电 压或输出端负载可能出现波动，应保持平均直流输出电压应能够控制在所要求的 幅值偏差范围内，这是对d c d c 转换器最基本的控制功能要求。要实现能量从电 源到负载的变换，需要复杂的控制技术【2 j 。现在大多数采用p w m ( 脉冲宽度调制) 技术，于是各种p w m 控制结构的研究就成为研究的热点。 1 2 1 稳压电源的发展历史 1 2 开关电源的发展 稳压电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期： ( 1 ) 电子管稳压电源时期( 1 9 5 0 年代) 。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交 流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。 ( 2 ) 晶体管稳压电源时期( 1 9 6 0 年代、1 9 7 0 年代中期) 。随着晶体管技术的发展， 晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。 ( 3 ) 低性能稳压电源时期( 1 9 7 0 年代、1 9 8 0 年代末期) 。出现了晶体管自激式开关 稳压电源，工作频率在2 0 k h z 以下，工作效率6 0 左右。压控功率器件的出现促进 了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代目前仍在使 用的需要强迫换流的晶闸管。功率m o s f e t 的出现，促进了高频电力电子技术的 发展，其开关频率可达1 0 0 k h z 以上，并且可并联大电流输出。 ( 4 ) 高性能的开关稳压电源时期( 1 9 9 0 年代至今) 。随着新型功率器件和p w m 电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高 第一章绪论 效率、高可靠性的混合集成d c d c 电源。 由于开关电源功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、 不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低( 一般低于5 0 ) ，并且电压转换 形式单一( 只有降压) 等缺点，如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因 为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、线性电源a d d a 和取样保持 电路中，线性电源仍然无法被开关电源取代【3 】。 单片开关电源的主要应用领域有： ( 1 ) 通用开关电源：各种通用开关电源、开关电源模块、精密开关电源模块和 智能化开关电源模块等； ( 2 ) 专用开关电源：微机电源、u s b 接口电源、彩电、录像机等家用待机电源、 手机电池充电器、调制解调器电源、电子仪器仪表电源等： ( 3 ) 特种开关电源：恒压恒流型开关电源、恒功率输出型开关电源等。 1 2 2 开关电源的发展趋势 近年来世界半导体产品的销售量呈明显上升态势，电源管理i c 更是其中的主 力。市场的扩大刺激了电源管理i c 的发展和创新。总的来说，现阶段电源管理朝 以下几个方面进行发展m ： 第一，小型化、轻便化、高频化发展。开关稳压器的体积、重量主要是由储 能元件( 磁性元件和电容) 决定的。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压 器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。开关电源转换器的小型 化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，提高开关频率， 不仅能有效地减小电容、电感的尺寸，而且还能抑制电磁干扰，改善系统的动态 性能。高频化的基础是开关电源的两个关键元器件 7 1 ，一个是开关电源用的高频开 关功率场效应管；另一个就是开关电源专用集成电路中开关集成稳压器和控制器。 第二，提高可靠性。要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成 度，增加电路的保护功能，提高平均无故障时间，并简化电路。 第三，降低噪声。单纯追求高频化，会引起很大的噪声。电子信息设备用量 的激增使得电磁干扰( e m i ) i h - j 题日益突出，而开关操作时产生的浪涌和噪声则是开 关电源转换器的固有缺陷。目前一般采用z v s ( 零电压开关) 和z c s ( 零电流开关) 等 软开关技术作为抑制浪涌发生的常规方法。尽可能降低噪声影响成为开关电源转 换器的又一发展方向。 第四，开发新型半导体器件。集成稳压器的发展与半导体器件的发展关系紧 密。高频化开关电源转换器的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高 频电磁元件。发展功率m o s f e t 、i g b t 等新型高速器件，开发用于高频领域的低 4基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 损耗磁性材料，改进电磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容的介电常数及降 低其等效串联电阻( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ，e s r ) 等，对于开关电源转换器的 小型化始终起着巨大的推动作用。 自1 9 5 8 年集成电路问世以来，半导体技术的发展可谓一日千里，电源管理技 术也在集成化的道路上飞速前进。经过几十年来的不断发展，开关电源技术有了 重大进步和突破。在市场需求的推动下，我们可以看到，高效率、小型化、集成 化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。 1 3b c d 工艺技术概述 b c d 是一种单片集成工艺技术。1 9 8 6 年由意法半导体( s t ) 公司率先研制成 功，这种技术能够在同一芯片上制作双极管b i p o l a r ，c m o s 和d m o s 器件，称为b c d 工艺。 1 3 1b c d 工艺特点及应用 由于d m o s 器件具有高输入阻抗、电压控制、驱动功率小、多子器件、无存储 效应、开关特性好、速度高、负的温度特性、不易产生热击穿、易于单元并联实 现大的电流容量等特点。在同一芯片上实现兼容双极管，c m o s 和d m o s 器件，称 为b c d i 艺。了解b c d 工艺的特点，需要先了解双极管，c m o s 和d m o s 器件这三 种器件的特点，详见表1 1 。 器件类别 器件特点应用 双极器件 两种载流子都参加导电，驱动能力模拟电路对性能要求较高部分( 高速、 强，工作频率高，集成度低 强驱动、高精度) c m o s 器件 集成度高，功耗低适合做逻辑处理，一些输入，也可以做 输出驱动 d m o s 器件高压大电流驱动( 器件结构决定漏模拟电路和驱动，尤其是高压功率部 端能承受高压，高集成度可在小面分，不适合做逻辑处理。 积内做超大w l ) b c d i 艺把双极器件和c m o s 器件同时制作在同一芯片上。它综合了双极器件 高跨导、强负载驱动能力和c m o s 集成度高、低功耗的优点，使其互相取长补短， 发挥各自的优点。更为重要的是，它集成了d m o s 功率器件，d m o s 可以在开关模 式下工作，功耗极低。不需要昂贵的封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载。 低功耗是b c d i 艺的一个主要优点之一。整合过的b c d i 艺制程，可大幅降低功 第一章绪论 率耗损，提高系统性能，节省电路的封装费用，并具有更好的可靠性。 b c d i 艺技术的发展不像标准c m o s 工艺那样，一直遵循m o o r e 定律向更小线 宽、更快的速度方向发展。b c d i 艺朝着三个方向分化发展：高压、高功率、高 密度。 b c d i 艺是一种先进的单片集成工艺技术，是电源管理、显示驱动、汽车电 子等i c 制造工艺的上佳选择，具有广阔的市场前景。今后，b c d 工艺仍将朝着高 压、高功率、高密度三个方向分化发展。其中b c d 技术与s o i 技术相结合，是一个 非常重要的技术趋势。 近年来，在市场的强劲驱动下，b c d 技术倍受国内外业界所关注。尽管b c d 工艺复杂，技术门槛较高，但是，随着国内微电子产业链的日臻完善，国内微电 子企业在此领域加大投入、增强合作，一定会大有作为。 1 3 2d m o s 器件的结构、工作原理与特点1 1 功率输出级d m o s 管是此类电路的核心，往往占据整个芯片面积的1 2 2 3 ， 它是整个集成电路的关键。d m o s 与c m o s 器件结构类似，也有源、漏、栅等电极， 但是漏端击穿电压高。d m o s 主要有两种类型，垂直双扩散金属氧化物半导体场效 应管v d m o s f e t ( v e r t i c a ld o u b l e - d i f f u s e dm o s f e t ) 和横向双扩散金属氧化物半导 体场效应管l d m o s f e t ( 1 a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 。 l d m o s 由于更容易与c m o s 工艺兼容而被广泛采用。l d m o s 器件结构如图 1 1 所示，l d m o s 是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源漏区域 注入两次，一次注入浓度较大( 典型注入剂量1 0 ”c m 。2 ) 的砷( a s ) ，另一次注入浓度 较小( 典型剂量1 0 1 3 c m 也) 的硼( b ) 。注入之后再进行一个高温推进过程，由于硼扩散 比砷快，所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远( 图中p 阱) ，形成一个有浓度梯度 的沟道，它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压， 在有源区和漏区之间有一个漂移区。l d m o s 中的漂移区是该类器件设计的关键， 漂移区的杂质浓度比较低，因此，当l d m o s 接高压时，漂移区由于是高阻，能够 承受更高的电压。图1 1 所示l d m o s 的多晶扩展到漂移区的场氧上面，充当场极板， 会弱化漂移区的表面电场，有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的 长度密切相判堙】。要使场极板能充分发挥作用，一要设计好s i 0 2 层的厚度，二要 设计好场极板的长度。 基于b c d 【：艺的高乐高效率d c d c 转换器设计 型”e 图iil d m o s 结构图 d m o s 器件是出成百上千的单一结构的d m o s 单元所组成的。这些单元的数目 是根据个芯片所需要的驱动能力所决定的d m o s 的性能直接决定了芯片的驱动 能力和芯片面积。对于一个由多个基本单元结构组成的l d m o s 器件，其中一个最 主要的考察参数是导通电阻，用r d ，表示。导通电阻是指在器件工作时，从漏到 源的电阻。对丁l d m o s 器件应尽可能减小导通电阻，就是b c d 工艺流程所追求的 目标。当导通电阻很小时，器件就会提供一个很好的丌关特性，因为漏源之间小 的导通电阻，会有较大的输出电流，从而可以具有更强的驱动能力。d m o s 的主要 技术指标有：导通电阻、闽值电压、击穿电压等。 对l d m o s 而言，外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性 参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压，但是这会增加芯片面积 和导通电阻。高压d m o s 器件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区 长度的折中选择，因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。 高的击穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区，而低的导通电阻则要求薄的 霍掺杂外延层和短的漂移区，因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度，以便在 满足一定的源漏击穿电压的前提下，得到最小的导通电阻。另外，由于d m o s ；e ：片 面积大，所以对缺陷密度较敏感。 1 4 本论文的主要工作 本文设计了款基于b c d _ 工艺的高压高效率的降压型开关电源转换器，该转 换器输八电压范围45 v 到2 4 v ，输出电压范围08 1 v 到1 5 v ，峰值输出电流12 a 。 转换器固定工作频率为i _ 4 m h z ，当输出电压低于一定值时，内部振荡器频率会降 低为4 6 0 k h z 。电流模的工作模式提供了快速瞬态响应，而且提供了很好的环路稳 定性。设转换器可广泛应用于分布式电源系统、电池充电器、l e d 驱动等。 第一章绪论7 1 4 1 开发环境 ( 1 ) 硬件方面：在w i n d o w s 环境下工作的p c 机和u i l i x 环境下的工作站； ( 2 ) 软件方面：开发工具是u m x 环境下运行的c m e n c ee d a i 具；电路设计工具 是c m e n c ee d a 软件c o m p o s e r 软件包；仿真工具是s p e c t r e ，在本论文中出现的所 有仿真图均为s p e c t r e 仿真波形； ( 3 ) i 艺方面：采用了b c d 工艺。 1 4 2 论文的安排 第一章：首先介绍了开关电源的概述，发展趋势，并分析了此类i c 在目前市 场上的应用前景；然后对b c d 工艺技术进行概述；最后介绍了本论文的主要工作。 第二章：这一章对开关电源转换器的基本原理进行了详细的阐述。介绍了几 种转换器的拓扑结构，b u c k 型转换器的工作原理，p w m 脉冲宽度调制控制方式， 以及电压控制模式和峰值电流控制模式。 第三章：d c d c 转换器的系统研究，确定了转换器的总体性能要求，介绍了 本论文中设计的转换器的具体结构以及工作原理。阐述了从系统角度需要考虑的 斜坡补偿、频率补偿。最后讨论了转换器系统的效率。 第四章：系统中单元电路的基本原理介绍，设计及仿真，主要是对带隙基准 电路、过温保护电路、电压误差放大器、电流检测电路、p w m 比较器、振荡器、 驱动电路和自举电路等的设计与仿真，最后讨论了功率管的选择考虑。 第五章：针对转换器的特点和典型应用，给出了转换器的外部连接的整体电 路，讨论了对外部电路主要参数的选择。最后对电路进行整体仿真，主要说明电 路的典型工作特性、负载调整仿真、线性调整仿真、电路的启动和关断，效率的 计算。 第六章：对全文进行总结，并讨论了论文中的不足和需要完善的内容。 第二章d c d c 转换器基本原理9 第二章d c d c 转换器基本原理 d c d c 转换器由主电路和控制电路构成。主电路一般包括输入电源、功率开 关管、整流管及滤波电感、电容和负载，它们共同完成电能的转换和传递。控制 电路通过控制功率开关管的导通与关断，稳定输出电压在恒定的值的要求，从而 控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量 维持平衡。 通常，当输入电源电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以 维持恒定。将功率开关元件和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以 得到各种输出电压与输入电压间的关系。按照输入输出电压的关系，d c d c 转换 器可以分为四种：b u c k 转换器、b o o s t 转换器、b u c k b o o s t 转换器和c u k 转换器。 2 1 1 b u c k 转换器 2 1d c d c 转换器的拓扑结构 b u c kd c d c 转换器主结构电路如图2 3 所示，由功率m o s 管v t 、储能电感l 、 续流二极管v d 、滤波电容c 及负载电阻r 组成。功率m o s 管为开关调整元件，它 的导通与关断由控制电路决定。输入电压v i ，是从电网电压直接整流滤波得到的 直流电压。功率管v t 的栅极驱动信号是控制回路提供的周期为t 的方波信号，v t 的源端接电源v i ，适合选用低电平导通的开关管。续流二极管v d 是辅助开关管， 也称整流管，一般使用具有较低正向导通电压的肖特基二极管。 图2 1b u c k 转换器的主电路结构 在一个开关周期 1 3 a 4 1 ，电路工作在两阶段下：当方波信号为正半周期时， v t 导通，续流二极管v d 因为反偏而截止，电感l 电流上升，电感储存能量，由电 能转换为磁能。功率m o s 管的源极电流通过电感l 向负载r ，滤波电容c 充电。电 流流向如图2 1 中实线所示。 当方波信号为负半周期时，v t 关断，由于电感产生感生电动势使电流维持原 l o 基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 先的流向，迫使续流二极管v d 导通，为电感电流提供通路。储存在电感中的磁能 转化为电能向负载r 供电，流过电感的电流减小。电流流向见图2 1 中虚线所示。 根据电感中电流在周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续工作模式 ( c c m ) 和电感电流不连续工作模式( d c m ) 。 p w md c d c 转换器在重载时通常工作在c c m 模式，导电是连续的；在轻载 时通常工作在d c m 模式，导电是不连续的。 图2 2 为两种工作模式下的电路波形。 l | v l - _ _ 一 一 l 一 t t t t t ( a )( b ) 图2 2b u c k 电路的波形 ( a ) c c m 模式的电路波形c o ) d c m 模式的电路波形 设开关管的导通占空比为d 1 ，二极管的导通占空比为d 2 。在c c m 模式下， d i + d 2 = 1 ，在不连续导电模式d c m t ，q + 砬1 。 以连续导电模式c c m 下为例，在稳态工作时，p w md c d c 转换器在一个开 关周期内，开关管在导通和关断内的伏秒面积平衡，即在一个开关周期内电感承 受的电压对时间的积分为零： f v l d t ：0 v l d t 0 式( 2 1 ) = 式( 2 - 1 ) 式中1 ，电感承受电压；乃开关周期； 第二章d c d c 转换器基本原理 瓦= = 瓦+ z 盯 式( 2 2 ) s 式中石开关频率；瓦、一个开关周期内，开关管的导通时间和关断 时间。 占空比( 或称导通比) ：d l = t s ，1 一b = r s 。 以连续导电模式的p w md c d c 转换器为例，一般情况下，功率m o s 管v t ， 续流二极管v d 上的压降很小，忽略不计，可得： f = 0 一乙时，v l = k 一圪 式( 2 3 ) f = 瓦乃时，屹= 一k式( 2 q v i 和v 。分别为b u c kd c d c 转换器的输入和输出电压。 由式( 2 - 1 ) 得 ( k 一圪) 乙= r o 式( 2 - 5 ) ( 巧- v o ) d ：s = v o ( 1 - b ) r s 式( 2 - 6 ) 故得工作在连续导电模式c c m 的b u c kp w md c d c 转换器输出输入电压的转 换比为 圪v , = q 式( 2 7 ) 占空比d 1 总是小于1 的，所以b u c k 转换器是一种降压型转换器。理想b u c k 转换 器效率为1 ，可以认为 v d , = 圪l 式( 2 8 ) 由式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 可得： l i , = 1 q 式( 2 - 9 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，改变占空比d l ，输出电压v 。的平均值也就随之改变。因 此，当负载以及电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空 比以使v 。维持不变。由式( 2 9 ) w d a 看出，b u c k 转换器是一种升流转换器，其中i 。 和i ；分别表示p w m 转换器的平均输出电流和输入电流。 当电感l 较小，负载电阻较大，或者周期t 较大时，将出现电感电流下降到0 ， 但下一周期却还没有开始的情况。当下周期开始时，电感电流从零开始线性增 加，这种工作方式称为电感电流不连续模式。其工作波形如图2 2 ( b ) 所示，此时 1 2基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 d l + 岛1 。同理，可得： v o 巧。磊茜 式( 2 。1 0 ) 由图2 1 所示的主电路结构可看出，转换器的输出电压v 。是功率管v t 源极输出 的方波脉冲通过储能电感l 和输出电容c 组成的滤波器滤波后的直流电压。b u c k 转换器的优点是：电路简单、调整方便和可靠性高；储能电感l 在功率开关管导通 时能将电能变为磁能储存起来，而在开关管截止时，又能将储存的磁能变为电能 继续向负载供电，电源带负载能力强，电压调整率好：储能电感l 和输出电容c 组 成的滤波器，能进一步降低输出电压的纹波。 2 1 2b o o s t 转换器 b o o s t 转换器又称升压转换器，电路结构如图2 3 所示。 + 露 图2 3b o o s t 转换器电路 电路元件与b u c k 电路相同，周期开始时，首先在控制电路作用下，开关管v t 导通，x 点为低电位，二极管v d 因为受反向偏压而截止，电流经电感l 、开关管v t 到地，电感电流持续上升，电感储能在增加，能量传送到电感并存储在电感中： 第二阶段，控制电路使v t 截止，切断地和电感元件的连接，电感产生电动势使得 电流维持原来的流向，迫使x 点电位升高到比v o 还高一个二极管的正向导通压降， 二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电感流向电容c 和负载r ，电感电流随 时间下降，能量由电感传送到负载，产生输出电压。 和b u c k 电路一样，b o o s t 电路也存在c c m 和d c m 两种工作模式， 在c c m 模式下， v o 杉2 啬 式( 2 小) 在d c m 模式下， t o 纠+ 鲁 式( 2 - 1 2 ) 第二章d c d c 转换器基本原理 由v o 的表达式可以看出，这种电路的输出电压v o 高于输入电j - 压, v i ，所以将其 称为升压型d c d c 转换器。工作过程中，调整功率开关管的导通时间t o n 和关断时 间t o f 部可以改变转换器的输出电压。 2 1 3b u c k b o o s t 转换器 b u c k b o o s t 转换器也称降压升压型转换器，其输出可以大于输入电压，也可 以小于输入电压。图2 4 为b u c k b o o s t 转换器电路结构。 + rv o 图2 4b u c k - b o o s t 转换器电路结构 周期开始时，首先在控制电路作用下，开关管v t 导通，x 点为高电位，二极 管v d 因为受反向偏压而截止，电流由电源经过开关管v t 流向电感。电感电流持续 上升，电感储能在增加，能量由电源传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控 制电路使v t 截止，切断电源和电感元件的连接，于是电感产生电动势使得电流维 持原来的流向，迫使x 点电位降至比v 0 低一个二极管的正向导通压降，二极管导通， 为电感电流提供通路，电流由电感l 流向电容c 和负载r ，电感电流随时间下降， 能量由电感传送到负载，产生与输入电压极性相反的输出电压。 在c c m 模式下， to v , 一尚 式( 2 - 1 3 ) 在d c m 模式下， 圪k = 一导 式( 2 1 4 ) 心 由v o 的表达式可知，当d 1 5 0 时，b u c k b o o s t 电路是升压电路。而且在该电路中，输入电压v i 和输出电压v o 的极 性相反，所以又称反相型d c d c 转换器。 2 1 4c u k 转换器 c u k 转换器也是升降压型转换器，输出电压极性也与输入电压相反。图2 5 为 1 4基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 c u k 转换器电路结构。 当开关管v t 导通时，输入电流使得l l 储能，c o 的放电电流使l 2 储能，并给负 载供电，流过开关管v t 的电流为输入、输出电流之和。当开关断开后，电源输入 和l l 的储能电流n c 0 充电，同时l 2 的储能流向负载以维持输出电压。流过二极管 v d 的电流也为输入、输出电流之和。 图2 5c u k 转换器电路结构 在c c m 模式下， 圪k 一击 式( 2 - 1 5 ) 在d c m 模式下， w 一鲁 式( 2 - 1 6 ) 由v o 的公式可知，c u k 转换器的特性与b u c k b o o s t 转换器相似，不过这种电 路输入输出都有电感，从而显著地减d , t 输入和输出电流的波动【1 5 1 。与前面几种 类型相比，c u k 转换器有两个电感，输入电感l l 和输出电感l 2 ，此外，还增加了一 个电容c o ，用来传输能量，这是与前面几种最大的不同。 2 2 开关电源的控制方式 为了维持输出电压v 。稳定不变，可以采用以下三种调制方式：脉冲宽度调制 ( p w m ) 、脉冲频率调f l ；i j ( p f m ) 和p w m 与p f m 混合调制方式。 p w m ( 脉冲宽度调制) 是使开关频率固定，只改变导通时间的控制方法；p f m ( 脉冲频率调制) 是使导通时间保持一定，改变开关频率的控制方法；混合控制 方式是采用p w m 和p f m 共同调制，同时改变导通时间和开关周期的控制方法。 2 2 1p w m 控制方式 p w m 调制方式以其电路简单，控制方便从而在d c d c 转换器中应用比较广 泛，本文将主要介绍p w m 调制方式。 p w m 调制方式的特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，因 第二章d c d c 转换器基本原理 为周期固定，所以方便设计滤波电路。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限 制，对输出电压不能做宽范围调节；另外输出端一般需接预负载，防止空载时输 出电压升高。 按照反馈回路和稳压特性，p w m 调制方式有两种工作模式：电压控制模式， 电流控制模式。电压控制方式仅利用输出电压作为反馈控制信号，系统中只存在 一个电压反馈环路；电流控制方式指同时采用电流和负载电压作为反馈控制信号， 其中电感电流或负载电流反馈构成内环控制，负载电压反馈构成外环控制，实现 双环控制。 2 2 1 1 电压型p w m 控制方式 、 图2 6电压控制模式p w m 开关电源系统 电压控制模式的p w m 调制方式如图2 6 所示，误差放大器对基准电压v 他占负载 d 电压分量v o i 竺 之间的差值进行比较、放大，得到误差信号v e r r ；再f l t p w m k l + k 2 比较器对v 和v 咖p 进行比较后，得到脉冲信号经驱动电路加到功率管的栅极。 控制过程如下：斜坡信号为零的时刻对应着每个开关周期的开始，此时有v 姗p 小于v 盯，比较器输出高电平，功率管导通，能量由电源流向电感元件；随着v 舢p 线性上升到和v 。盯相等的时刻，比较器翻转输出低电平，功率管被关断，二极管导 通，能量由电感l 流向电容c 及负载，由电容c 对负载放电。 p w m 比较器输出的脉冲宽度决定了输出能量的大小，当负载消耗能量减小时， 输出脉冲宽度减小，从而维持输出电压恒定。这种电压控制转换器只需要一个反 馈信号，用于实现整个电路的负反馈而维持输出恒定。在整个控制电路中只有一 个反馈环路，是一种单环控制系统。 电压控制模式有着一些优点，如单环反馈使得系统设计、分析比较容易；锯 齿波振幅大，对稳定调制过程可提供较好的噪声冗余；具有低阻抗功率输出，对 1 6基于b c d 工艺的高压高效率d c d c 转换器设计 多输出电源有较好的交互调节特性。 电压控制模式的缺点是动态响应慢，稳定性差，补偿控制比较复杂。因为控 制过程没有电源电流的参与，开关电源的电流要流经电感，故相对于电压信号电 流有9 0 0 的相位延迟。而对于整个稳压电源系统来说，必须考虑电流的大小，以适 应输出电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的。因此仅采用输 出电压采样的方法实现的控制，其结果必然是响应速度慢和稳定性差，甚至在大 信号变化时容易产生振荡、功率管损坏等故障【1 6 1 7 】。 2 2 1 2 峰值电流控制模式的p w m 控制技术 图2 7 峰值电流控制模式p w m 开关电源系统 电流模式的p w m 控制技术是针对电压模式的p w m 控制技术的缺点发展起来 的。它除保留了电压控制型的输出电压反馈外，又增加了一路电流反馈环节。利 用负载电压反馈为外环，而电感电流瞬时值反馈作为内部控制环，引入斜坡补偿 技术改善系统的稳定性，实现在逐个开关周期内对电感电流峰值的控制，这种p w m 控制技术称为峰值电流控制模式。 所谓电流模式的p w m 控制技术，就是在p w m 控制比较器的输入端直接用感应 到的电感电流检测信号经过斜坡补偿后与误差放大器的输出信号v 叫进行比较，实 现对输出脉冲占空比的控制，使输出电感的峰值电流跟随误差电压的变化而变化。 这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率，也可改善整 个电路系统的瞬态响应。 电流模式p w m 控制技术的工作原理是采用恒频时钟置位锁存器的输出脉冲以 驱动功率管的导通。当电流在采样电阻r s 上的幅度达n v 。时，脉宽比较器的状态 翻转，锁存器复位，功率管截止。这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制 电流输出的目的。 第二章d c d c 转换器基本原理 1 7 电流模式的主要优点如下【1 6 1 7 1 ： ( 1 ) 线性调整率高，可与优良的线性稳压器相比较。这是因为输入电压v i 的变 化可立即反映为电感电流的变化。它不经过误差放大器就能在比较器中改变输出 脉冲的宽度，再加一级输出电压v o 至误差放大器的控制，能使线性调整率更好。 ( 2 ) 改善了负载调整率，因为误差放大器专门用于控制负载变化而造成的输出 电压的变化，特别是使轻载时电压升高的幅度大大减少。 ( 3 ) 是一阶系统，稳定性好，负载响应速度