（物理电子学专业论文）低压pwm直流开关变换器芯片设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着电子器件的微型化，移动电话、数码相机等电池供电的便携式设备层出不穷， 但单一的电压不能满足设备中器件不同电压的要求。作为一种电压转换芯片，开关电源芯 片设计具有重要意义。 本文在分析了开关电源的结构、调制方式、拓扑结构以及控制模式的基础上，确立 了脉宽调制( p w m ) 方式，b o o s t 升压结构，电流控制模式。设计了一款脉宽调制电流控 制型的直流升压变换器芯片，完成了偏置电流、基准电压源、振荡器、误差放大器、p w m 比较器、斜坡补偿电路以及软启动等功能模块设计。基准电压源采用带隙基准技术实现 f l d , 温度系数基准电压，采用共源共栅结构实现基准电压对电源的电压的抑制，保证基 准电压稳定性。在系统中所有相关的运算放大器的设计中，采用了频率补偿技术解决系 统稳定性的问题。为了防止电感谐波对电路的稳定性影响，设计了斜坡补偿电路来消除 这一影响。在系统级和电路级的分析和设计中，使用h s p i c e 工具对主要模块和整个系统 进行了仿真，使设计最终满足要求。在芯片的后端设计中，采用插指技术和共质心对称 技术对工艺比较敏感的电路模块进行精心布局布线，减少失配。版图设计完成后，使用 d r a e u l a 软件对版图进行设计规则与电气规则的检查，在完成了版图与电路图对照之后 芯片投片生产。 本文设计的低压直流开关变换器芯片采用无锡上华的0 5 i n n ，n 阱d p t m 的标准 c m o s 工艺制造。最后测试了流片后的芯片，结果表明，p w m 芯片的基本升压功能和 其它辅助功能都已经实现，输入电压范围大( 2 2 v 5 v ) ，输出5 v 电压稳定。但芯片的 性能与预期水平相比还有差距，论文对其原因进行了分析。 关键词：脉宽调制；电流模式；升压变换器 大连理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fl o w v o l t a g ep w m i ) c d cc o n v e r t e rc h i p a b s t r a c t w i t ht h em i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i cd e v i c e s ，m o r ea n dm o r eb a t t e r y - p o w e r e dp o r t a b l e d e v i c e sl i k em o b i l ep h o n e ，d i g i t a lc a l l e r a $ a r ep r o d u c e d b u tt h eb a t t e r yw h i c ho n l yp r o v i d e s as i n g l ev o l t a g ec a l l tp r o v i d ed i f f e r e n tv o l t a g ef o rt h ed i f f e r e n td e v i c e si nt h ee q u i p m e n t i t h a sg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h es w i t c h - m o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) c h i p 鹬at y p eo f v o l t a g ec o n v e r t e rc h i p t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o d e ，t h ec u r r e n tc o n t r o l m o d ea n db o o s tt o p o l o g yf o rt h es m p sc h i pa c c o r d i n gt ot h es m p ss t l bc t | a r e , t h r e e m o d u l a t i o nm o d e s ，t w oc o n t r o lm o d e sa n df o u rk i n d so ft o p o l o g i e s i nt h et h e s i s ，ap w m c u r r e n tc o n t r o lo fb o o s tc o n v e r t e rc h i pi sd e s i g n e da n dt h ed e s i g nc o m p r i s e st h eb i a sc u r r e n t , v o l t a g er e f e r e n c e , o s c i l l a t i o n , e t o ra m p l i f i e r , p w mc o m p a r a t o r , s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t a n ds o f t - s t a r tc i r c u i ts u c ha sm o d u l e sd e s i g n ab a n d g r e f e r e n e et e c h n o l o g yi su s e dt o m a k eav e r ys m a l lt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tv o l t a g e 佗f e 嗍t h ec a s c a d es t r u c t u r ei su s i n gt o i m p r o v ep s r rf o re n s u r i n gt h es t a b i l i t yo fv o l t a g er e f e r e n c e i nt h es y s t e mo fa l lr e l e v a n t o p e r a t i o n a la m p l i f i e rd e s i g n , af r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt os o l v et h ei s s u e o fs y s t e ms t a b i l i t y i no r d e rt op r e v e n tt h eh a r m o n i cd r c u i ti n d u c t a n c ea f f e c tt h es t a b i l i t y ， s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e dt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e a tt h es y s t e ml e v e la n d c i r c u i t l e v e la n a l y s i sa n dd e s i g n , t h ee n t i r es y s t e mw a ss i m u l a t e dt ou l t i m a t e l ym e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sb yu s i n gt h eh s p i c et 0 0 1 i nt h eb a c k - e n di cc h i pd e s i g n , t h e m u l t i p l e f i n g e r s ”t e c h n o l o g ya n dt h e “c o r f l m o n - c e n t r o i d t e c h n o l o g ya r eu s e dt or e d u c et h e e r r o ro f t h e m a t c h i n gc i r c u i tm o d u l ew h i c hi sv e r ys e n s i t i v et op r o c e s s u p o nc o m p l e t i o no f l a y o u td e s i g n , d r a c u l as o f t w a r et o o li su s e dt od ot h ed e s i g nr u l e sc h e c ka n de l e c t r i c a lm l e sc h e c k a r e r c o m p l e t e d t h el a y o u tc o m p a r i s o nw i t ht h ec i r c u i t ，t h eg d s i if i l ea r es e n tt ot h ef o u n d r y i nt h i st h e s i st h ed e s i g no fl o wv o l t a g ed c d cc o n v e r t e rc h i pu s e sc s m c0 5 p m , n - w e l ld p t ms t a n d a r dc m o sp l o c 嚣s f i n a lt e s t i n go f t h ec h i pp a c k a g i n g , r e s u l t ss h o wt h a t , a 1 恤o u 班t h ec h i p sp e r f o r m a n c ef a i l e dt or e a c ht h ee x p o e t e dl e v e l ，b u tt h eb a s i cb o o s tp w m c h i p f u n e t i o i i sa n do t h e ra u x i l i a r yf u n c t i o n sh a v en o wb e e na c h i e v e da n di th a sg o o d c h a r a c t e r i s t i c ss u c h 髂w i d ei n p u tv o l t a g e ( 2 2 v 5 v ) ，s t a b l eo u t p u tv o l t a g e ( 5 v ) k e yw o r d s ：p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ；d c d cc o n v e r t e r ；, b o o s tc o n v e r t e r - i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究x - 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：i ! 龛垄日期：丝 墅! 三壁加日 人迕理i 一大学硕二i 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：笙选 翩繇翟够 塑12 年旦月v oe 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 开关电源和开关变换器 电源是现代通讯、航空航天、生物技术、计算机等高科技领域内的动力支撑，它被 誉为电子设备的心脏，没有安全良好的动力，质量和可靠性就无从谈起。电源产业正成 为电子制造业的焦点，它应用新技术，立足高起点迅猛向前发展。近年来便携设备使用 越来越广泛，同时对电源的要求也越来越高。如在电池供电的设备中要求能尽量提高电 池的使用时间，即提高电源效率；同时要减小电源体积等要求【l 】。 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切， 而电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和 低成本化使得电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源 是连续控制的线性稳压电源模块，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和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，所以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1 2 j 。 按电力电子的习惯称谓，a c d c ( 理解成a c 转换成d c ，其中a c 表示交流电，d c 表示直流电) 称为整流，d c a c 称为逆变，a c a c 称为交流变压，d c d c 成为直流直 流变换。为达到目的，手段是多样的。2 0 世纪6 0 年代前，研发了半导体器件，并以此 器件为主实现这些转换。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转 变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制使循环稳定输出 并有保护环节则称开关电源。开关电源主要组成部分是d c d c 变换器，因为它是电压 转换的核心l j j 。 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、 性能稳定等特点而逐渐取代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，率先完成计算机的电源换代。2 0 世纪9 0 年代；开关电源相继进入各种电子、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，更促进了开关电源技术的 迅速发展”1 。 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 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。开关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。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，其集电极电流为零。所以其功耗小，效率可高达7 0 , - - 9 5 。而功耗 小，散热器也随之减小。开关电源直接对电网电压进行整流，滤波，调整，然后由开关 调整器进行稳压，不需要电源变压器。此外，工作频率为几十千赫，滤波电容器，电感 器数值较小。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 低，提高了整机的稳定性和可靠性。开关电源和线性电源相比，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。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，这为开关电源提供了广泛 的发展空间【l - 3 】。 1 2 开关电源技术的发展方向和趋势 集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。 第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研 制成脉宽调制( p w m ) 控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼特德公 司等相继推出一批p w m 芯片。9 0 年代以来，国外又研制出开关频率达i m h z 的高速 p w m 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片。 第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：8 0 年代初意法半导体有限公司( s g s - - t h o m s o n ) 率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器。 该公司于9 0 年代又推出了l 4 9 7 0 a 系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护 电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出( 5 1 4 0 v ) 、大中功率( 4 0 0 w 以下) 、大电流( 1 5 a 1 0 a ) 、高效率( 可超过9 0 ) 的开关电源。 但从本质上讲，它仍属d c d c 电源变换器。 当今开关电源技术四大趋势：非隔离d c d c 技术迅速发展、开关电源吹响数字化 号角、初级p w m 控制i c 不断优化、同步整流技术实现高划”。 1 3 本文的主要工作和论文结构 近年来随着电池供电的便携式设备不断推出，高效率低功耗的电源管理芯片的需求 不断增加。虽然目前国内从事电源管理芯片研究和设计的单位很多，但技术还是相对落 后，并没有大规模产品化，不能和国外大公司的产品争夺这一巨大市场。基于这样大的 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 市场前景和科研价值，本课题设计一款脉宽调制( p w m ) 的直流- 直流升压型电压变换器 芯片。 本文主要由以下几个部分构成： 第一章：绪论。介绍开关电源的背景和发展方向和趋势 第二章：开关电源的分类与分析。介绍开关电源芯片的分类和开关电源的稳定性分 析。 第三章：p w m 开关变化器电路的设计。给出各个电路模块的原理，并用电路图加 以分析，然后用e d a 软件完成的仿真结果做进一步分析 第四章：版图设计与芯片测试分析。首先介绍c m o s 集成电路工艺的一些常识， 然后介绍版图设计的工具以及本文的部分版图设计，最后介绍芯片的测试结果和分析。 第五章：结束语。总结本文所做的工作。 1 4 本文设计的工作环境 ( 1 ) 硬件环境：s u n 工作站 ( 2 ) 软件环境：s o l m s 操作系统，c a d e n c e 软件 ( 3 ) 开发工具：电路编辑工具c o m p o s e r ，仿真软件h s p i ，版图绘制工具v h t u o s o ， 验证工具d r a c u l a ( 4 ) 流片工艺：无锡上华半导体( c s m c ) 公司多晶圆项目o 5 岫d p t mc m o s 工 艺。 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 2 开关电源的分类与分析 d c d c 变换器是将直流电压变换为其它直流电压的设备，又被称为直流斩波器， 是开关电源的核心。d c d c 变换器按照工作原理可以分为三类：线性集成稳压器( l d o ) 、 电荷泵、开关电源。 l d o 因其内部调整管与负载相串联且调整管工作在线性区而得名，又称为串联调 整集成稳压器。其优点是稳态性好，输出电压纹波小，电路简单，成本低廉。但是它的 缺点是调整管的电压降较大，功耗高，导致稳压电源的转换效率比较低，一般为4 5 左 右。新型l d o 一直在为减小压差而开展工作。 电荷泵电路主要用于电压方向器，即输入正电压，输出为负电压，它可以在便携式 设备中省去一组电源，由于工作频率多采用m h z 频段，因此外界电容容量较小，不仅 提高效率，降低噪声，而且减小了电源空间p j 。 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，现在已经成为稳压 电源的主流产品。开关电源内部调整管工作在高频的开关状态，其等效电阻小，当流过 大电流时，消耗在调整管上的能量很小，并且由于开关电源的功率损耗大部分都是消耗 在调整管上，所以电源效率可以达到8 0 一- 9 0 ，比普通线性集成稳压电源提高近一倍【4 1 。 2 1 开关电源的调制方式 开关电源电路的调制方式主要有：p w m 、p f m 、p s m 三种调制方式。脉冲宽度调 制( p w m ) 方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对 电能的控制，称之为“定频调宽”；脉冲频率调制( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调 节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”；脉冲跨周调制 ( p s m ) 方式，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节电能输p d , 4 , 5 1 。 2 1 1p w 调制方式 p w m 调制方式是开关功率变换器中最常采用的控制方式，其开关频率恒定，通过 调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”。 p w m 控制方式是开关电源中使用最普遍的，具有以下优点：在负载较重情况下效 率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式。存在 以下缺点：输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2p i g 调制方式 p f m 也是开关功率变换器中经常使用的调制方式，多与p w m 结合往往达到最 佳控制效果。脉冲频率调制( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通 断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”。 p f m 控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点：在负载较轻情况下 效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。 存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。 2 1 3 p s m 调制方式 p s m 调制方式是开关功率变换器中一种新的控制方式，称为脉冲跨周调制。脉冲跨 周调制( p s m ) 方式，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节电能输出。 p s m 控制方式已经用于开关功率变换器，具有以下优点：在负载较轻情况下效率很 高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理i c 。存在如 下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。 2 2 开关电源电路的拓扑结构 开关功率变换器按照主回路拓扑可以分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变换器、 b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器【3 】。 2 2 1 b u c k 变换器 b u c k 变换器也称为降压变换器，如图2 1 所示。开关s 闭合后，除向负载供电外， 还有一部分能量储存于电感l 和电容c 中，二极管d 截止。开关s 断开时，电感l 上 产生极性为左负，右正的反电动势，使二极管d 导通，电感l 中的电能传送给负载， 维持输出电压不变。 量 图2 1b u c k 变换器 f i g 2 1 b u c kc o r t v c r t l r 一5 一 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 2 2 2b o o s t 变换器 b o o s t 变换器也称升压变换器，如图2 2 所示。开关s 闭合后，电感l 上有电流流 过而储存电能，续流二极管截止。开关s 断开后，电感l 上产生的反向电动势极性为右 正，左负，使二极管d 导通，电感l 上储存的能量经二极管向负载供电。 图2 2b o o s t 变换器 f i g 2 2 b o o s tc o n v 咖 2 2 3b u c k - b o o s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器也称为降压升压变换器。当开关s 导通时，电流流过电感l ， l 储存能量，当开关s 断开后，电流有减小趋势，上负下正，二极管d 导通，负载 上有了输出电压，电容c 充电储能。 s 图2 3b u c k - b o o s t 变换器 f i g 2 3 b u c k - b o o s tc o n v e r t e r 2 2 4c u k 变换器 c u k 变换器是b o o s t - b u c k 变换器的串联，电路如图2 4 所示。当开关闭合时， 输入电流使电感l 1 储能，电容c l 的放电电流使电感l 2 储能，并供电给负载，开 关流过输入、输出电流之和。当开关s 断开后，电源输入和电感l l 的释能电流l l 向电容c l 充电，同时电感l 2 的释能电流1 2 以维持负载。流过二极管电流也为输入 和输出电流之和。 6 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 4c u k 变换器 f 培2 4 c u kc o n v e r t e r 四种结构d c d c 变换器有一个共同特点：输入输出的一根线是公用的，因此，也成 为三端开关式稳压器。通过四种结构原理分析，可由以下几个特点： ( 1 ) 在d c d c 变换器中，其电器特性与电感电流的模式有极密切的关系。凡周期中 电感电流有零值的称不连续模式，此时能量完全传递；凡电感电流常大于零的称为连续 模式，此时能量不完全传递。 ( 2 ) 开关电源电感与电容起到能量储存一释放作用，其接线形式一定为低通滤波器 样式。因为变换器有关组件，必定是的电压波形成纹波状，欲得直流输出，一定有某种 形式低通滤波。 ( 3 ) d c d c 变换器中降压( b u c k ) 和升压( b o o s t ) 是最基本的，其它两种都是由这两 种派生的。 ( 4 ) 在所有实际应用中，就电气特性而言，没有哪一个d c d c 变换器是最佳的。换 言之，不同的应用，应选取不同的最合适的变换裂3 1 。 2 3 开关电源控制模式 开关电源按控制模式大致可以分为电压控制模式和电流控制模式两种【_ “。 图2 5 开关电源控制系统结构 f i g 2 5 s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e m 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 图2 5 是开关电源控制系统的结构。开关电源变换器控制方式中，按反馈控制量来分 有电压控制模式和电流控制模式。 2 3 1 电压控制模式 电压控制模式是对输出电压进行采样，作为反馈控制信号实现死循环控制，以稳定 输出电压。在其控制过程中，电感电流没有参与控制是一个独立的量，变换器是一个二 阶系统。由控制领域知识可知二阶系统的稳定是有条件的【刀，只有通过对控制回路的精 心设计才能达到稳定的条件，使死循环系统稳定工作。电流控制模式在输出电压采样反 馈的基础上增加了电感电流作为反馈量，电感电流不再是一个独立的量，从而使死循环 系统成为一个一阶无条件稳定系统【引。 v n v 图2 6 电压反馈控制模式原理图 f i g 2 6 v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o lm o d e v 。 r l 图2 6 是电压反馈控制模式原理图，变换器输出电压、，o 的采样信号v f s 与基准电压 v r b f 经误差放大器e i ra m p 比较放大后，又经p w m 比较器与斜坡信号v r m p 比较，得到 占空比受误差电压v e 控制的一系列脉冲信号，再驱动控制功率开关管q l ，达到使输出 电压v o 稳定的目的。 电压型控制的最大优点是单环反馈设计，所以比较简单容易实现。另外由于斜坡信 号的幅值较大，对稳定调制过程可以提供较好的噪声余度，低阻抗功率输出，对多输出 电源具有较好的交互调节特性。电压型控制的缺点是动态响应速度比较慢，因为不管输 入电压或输出负载的变化都必须首先转化为输出电压变化，然后再进反馈采样控制调 节。其次输出滤波器对控制环路增加了两个状态变量，即输出滤波电容器上的电压和输 出滤波电感中的电流，使得电压型控制开关电源是一个二阶系统，而二阶系统是一个有条 件稳定系统，只有对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，死循环系统才能稳定 工作，这需要增加一个零点来补偿。 8 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 电流控制模式 针对上述电压型控制的缺点，最近十几年发展起来了电流型控制技术。图2 7 是电流 反馈控制模式原理图。从图中可以看出，它是一个由输出电压v o 控制环和电感电流i l 控 制环组成的双环控制系统。它的工作原理如下：输出采样信号v v a 与基准电压v r 盯经误 差放大器e r r 比较放大，得到误差信号ve，由恒频率的时钟脉冲置位锁存器输出脉amp 冲控制功率管q 1 导通，电感电流逐渐增大，当电流在采样电阻r s 上的电压v s 幅值达到 v e 时，p w m 比较器的状态翻转，锁存器重定，功率开关管q l 关断，电路逐个周期检测 和调节驱动脉冲，控制变换器输出电压。 h v 。 r l = 图2 7 电流反馈控制模式原理图 f i g 2 7 c u t r e n ! f e e d b a c kc o n l r o lm o d e 电流控制模式中又包含：峰值电流控制模式、平均电流控制、滞环电流控制模式。 电流控制型开关变换器正是在传统的电压控制型的基础上，增加了一个内环电流反 馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关 变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统。无论是理论分析还是电路测试，都 证明电流型控制比电压型控制有许多优点： ( 1 ) 对输入电压变化响应快，抗干扰性能强。 ( 2 ) 过流保护和可并联性。在电流控制型d c ，d c 变换器中，由于内环采用了直接 的电流峰值控制技术，它可以及时、准确的检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流， 自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过 开关管和变压器中的最大电流，从而在输出超载或短路时保护了开关管和变压器。也可 以有效的克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏功率开关管的缺陷。 ( 3 ) 回路稳定性好、负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电 流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中电流脉冲的 幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。电流控制型 和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点，如电感峰值电流与平均 一9 一 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 电流有误差；直流开环负载调整率较差。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满 意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。 ( 4 ) 根本消除了p u s h p u l l 开关电源存在的磁通量失衡问题。磁通量失衡会减弱电 感的承压能力，导致功率管电流不断增大并最终烧毁。电流模式在每个周期都限定功率 管峰值电流，能彻底杜绝磁通量失衡。 ( 5 ) 电压调整率显著减小。 ( 6 ) 简化了反馈电路的设计。 2 4 开关电源的稳定性 开关变换器中，为了使输出电压能够保持稳定，并达到一定的稳定精度，普遍采用 了反馈控制系统，因此开关电源的功率级主电路与反馈控制电路就构成了一个自动控制 系统。控制电路的设计就是围绕着这个自动控制系统展开的【2 l 。上一节分析了在开关电 源中常用到的反馈模式和控制模式，因此有必要进行稳定性分析，分析系统各个环节的 传递函数，根据自动控制领域的奈奎斯特( h n y q u i s t ) 稳定性判据给出了系统稳定条件。 基于各个环节的传递函数分析控制系统的稳定性条件，并给出了系统稳定的补偿方法”1 。 在死循环开关电源变换器中，环路中任何环节都可能引入噪声和扰动。假如把反馈 环路从其中某点断开，干扰噪声从断开点引入，经系统中的反馈环路的各个环节回到断 开点的过程中，会引起增益变化和相位变化。如果经过环路后返回的信号，其相位和幅 值与初始干扰信号完全一致，则干扰噪声会在环路中一直存在，形成振荡。 在自动控制领域中，常用奈奎斯特稳定性判据来判断死循环系统的稳定性。该判据 是根据系统的开环频率特性来判断死循环状态系统的稳定性的，不仅可以判定系统的稳 定性，还能确定系统的稳定裕度，是较为有效和常用的稳定性判据。在开关电源变换器 实际应用中，系统的稳定性常用增益裕度( g a i nm a m i , 0 和相位裕度( p h a s em a m i l 0 来衡 量。增益裕度和相位裕度的定义如下： 若系统的开环传递函数为g ( j , o ) h ( j , o ) ，则系统的死循环传递函数为 o u ) = 垡! 丝! ( 2 1 ) l + g ( 归) 日( ，) 增益裕度：设开环传递函数g ( j ) h ( j ) 相频特性曲线在波特图上相移为1 8 0 。时的 频率为f g ( 常被称为相位交界频率) 。开环传递函数为g ( j g ) h ( j | ) 的死循环系统的增益 裕度可定义为 大连理工大学硕士学位论文 增益裕度= 2 0 l o g 面南面) 相位裕度：若系统的开环增益ic ( j o ) n ( j o ) i 为1 ( 增益波特图的幅频响应为0 d b ) 时的频率为( 常被称为交叉频率，c r o s sf r e q u e n c y ) ，则有相位裕度定义 相位裕度= 18 0 。+ 4 g ( 豇b ) h ( 豇，c o ) 】( 2 3 ) 目+ 4 0 宣 o + 2 0 鲁 三 0 考一2 0 # 4 0 i 呈 呈 学 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 - 。 。 、一一l ，l 。一 1 0 01 0 0 01 0 气) c 二，。 f r e 嗍, 如 i 、! 岬i “r | a n 1 0 01 0 0 0 1 0 , 0 0 0 f r e q u e 眦 l r , 血 图2 8 增益裕度和相位裕度的定义图 f i g 2 8 g a i nm a 咖a n dp h a s em a r g i n 图2 8 可以更加直观的说明增益裕度和相位裕度的定义。在实际应用中，为了保证 系统的稳定，要求系统的增益裕度至少有6 d b ，一般选1 0 2 0 d b ，相位裕度至少4 5 。 根据上面给出的稳定裕度定义，文献【4 】给出了开关电源变换器系统的稳定性设计中应该 遵循以下原则： ( 1 ) 为了保证死循环系统在最坏情况下稳定，通常设计相位裕度应是至少4 5 0 ，最 好6 0 0 。 ( 2 ) 要使补偿后系统的开环传递函数的幅频响应的曲线在交叉频率处斜率呈 2 0 d b d e c 下降的直线。这样做的目的是防止系统在交叉频率处的相位变化过大。这样即 使一些产生相移的组件被忽略，在交叉频率处较小的相移和相对较慢的变化率仍能够保 证足够的相位裕度。 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 为了设计出满足稳定性要求的系统，有必要知道系统中各个环节的传输增益和相移 是如何计算出来。通过推导系统的传递函数，分析其幅频和相频响应曲线可以计算各个 环节的增益和相移随频率的变换关系，从而判断系统的稳定性，对不稳定的系统做出响 应的补偿。1 。 大连理工大学硕士学位论文 3 刚m 开关变换器电路的设计 前一章主要对升压式开关电源的分类与控制理论进行了分析，本章结合第二章的理 论完成了一款升压式d c d c 开关电源芯片的设计。开关电源芯片包括功率主回路和控制 电路两部分。本设计根据设计目标采用峰值电流模式控制p w m ，b o o s t 型d c d c 变换器， 输入标准电压3 v ，输出为5 v 。本章从b 0 0 s t 型电流控制p 哪开关变换器的原理开始介绍， 然后对电路中主要电路功能模块进行分析。 3 1 开关变换器的原理 3 1 1 系统原理及工作过程 图3 1 ( a ) 为简化后的b o o s t 型电路图。开关管q 打开时，如图3 1 ( b ) 所示电流 i l 流过电感线圈l ，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈l 中。此时电 容c 放电，r 上流过电流而，r 两端输出电压h n ，极性上正下负。由于开关管导 通，二极管阳极接v i n 负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。 当开关管关闭时，构成电路如图3 1 ( c ) 所示，由于电感l 中的磁场将改变电感l 两 端的电压极性，以保持吐不变。这样由于电感l 磁能转化成的电压圪与电源f i n 串联，以高于场掰电压向电容c 、负载r 供电。高于v o u t 时，电容有充电电流； 等于讲时，充电电流为零；当砌讲有降低趋势时，电容向负载r 放电，保持踟以 不变。 i i 川 i + - 下世1 h r ( i ) h )( c ) 图3 。1 b o o s t 变换器原理图 f i 导3 1 b o o s tc o n v e r t e r h e m a t i c 设开关管动作周期为乃，d ，为接通时间占空比，b 为断开时间占空比，连续状态 下d d ：i 。当输入输出电压不变前提下，当开关管导遥时，兹线性上升，其电感电流 增量为 一1 3 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 皈寺d l 正 开关断开时，i l 线性下降，其增量为： i l 2 = - - 毕d 2 霉 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等t = ia i l ：i ，所以 丘望：! 幺二匕墨互 三上 化简的电压增益 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) m ：r o _ _ 3 t ：上：上( 3 4 ) v i n 卜d id 2 由d 2 1 可以看出电压增益m 总是大于l 。脉宽调制模式的升压变换器就是通过调 制占空比仍( 或d ，) 来实现输出控制，如图3 2 所示，固定频率的脉冲信号经过脉宽调 制后即可对输出电压进行精确控制。 图3 2 脉宽调制后脉冲波形 f i g 3 2 p u l s ew a v ea f t e rp w m 3 1 2 功能模块描述 芯片的系统原理框图如图3 3 所示，其中电感l 和稳压管d 及负载电容为芯片外部 分立器件。模块包括：误差放大器、p w m 比较器、压控振荡器、r s 触发器、电流取样 放大电路、斜坡发生器、电流求和电路、偏置电流、基准电压源、软启动电路、功率驱 动电路、过流保护电路等 1 0 - 1 5 】。 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 系统框图 f i g 3 3s y s t e mb 廿u c 嘶s c a l e 系统功能模块描述如下： ( 1 ) 误差放大器 误差放大器将输出电压反馈信号和基准源的差值放大。误差放大器输出值作为 p w m 比较器输入端，用来决定开关管的关断时间 ( 2 ) p w m 比较器 p w m 比较器用来比较来自电流取样信号( 电感电流和振荡器产生的斜坡补偿信号 相加值) 和误差放大器的输出信号，输出信号来控制r s 触发器，进而控制开关管的开断 状态。 ( 3 ) 压控振荡器 压控振荡器电路提供一定频率的时钟信号，以控制变换器的工作频率，以及生成斜 坡补偿信号，时钟信号为脉冲信号，斜坡补偿信号为三角波。 ( 4 ) r s 触发器 振荡器的输出信号提供触发器的s 端输入信号，r 端是开关管关闭信号端，它由反 馈电流信号控制，但反馈电流达到一定值时，通过比较器向r 端发出信号，结果经驱动 来控制开关管。 ( 5 ) 电流取样放大电路 系统中开关管流过电流较大不易取样，因此电路中设计“比例开关管”与开关管并 联，这样比例开关管上获得的电流与开关管电流成比例。然后利用与比例开关管串联的 低压p w m 直流开关变换器芯片设计 电阻进行电流取样，将电流信号转换为电压信号经过放大器放大，实现开关管的电流采 样。 ( 6 ) 斜坡发生器 时钟脉冲经过电容产生斜坡信号，用来对采样电流进行斜坡补偿，解决谐波稳定性 问题。 ( 7 ) 电流求和电路 使反馈的电感电流和斜坡补偿电流相加，通常情况下是将两支输出电流同时流经一 个电阻，再把电阻上的电压传输到p w m 比较器的输入端。 ( 8 ) 偏置电流 使用自举偏置电流源，减小受电源电压的变化影响，提供内部系统稳定的偏置电流 值。 ( 9 ) 基准电压源 提供一个与电源电压、温度无关的电压基准( 1 2 3 来保证系统在不同电压和温度下 能够保证输出电压恒定。 ( 1 0 ) 最低电压安全启动 保证只有外部电压高于设定值后才进行正常工作，用来保证芯片对外工作的可靠 性。 ( 1 1 ) 过流保护电路 当开关管电流达到门限值时，即反馈电阻上的电压大于设定电压值时通过比较器输 出信号使开关管关闭，保护功能启动 ( 1 2 ) 功率管驱动电路 是对开关管导通、截止的直接控制，而开关管的栅电容比较大且开关电源的频率比 较高，要实现对开关管的实时导通和截止的控制，控制器输出的驱动电流必须达到一定 强度，因此设计该驱动电路模块 ( 1 3 ) 软启动电路 电路启动时，限制误差放大器输出的电压，防止开关电源启动时产生的浪涌电压或 电流造成的危害。 3 2 开关变换器工作过程 系统启动和正常工作过程如下： ( 1 ) 当外加电源到了阙值启动电压时，模块发出使能信号，偏置电流模块开启 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 偏置电流正常工作以后。会给“最低电压启动”、“电压基准”、“l d o 电压”， 软启动提供偏置电流，v c o 开始启动。 ( 3 ) 随着软启动外接电容电压值的升高，启动电路渐渐的释放对误差放大器的输出 电压控制，防止了系统启动产生的浪涌电流。p w m 比较器开始启动工作，调整开关管 的占空比，实现升压。 ( 3 ) 输出电压反馈信号和基准源的差值经过误差放大器放大，输出信号控制p w m 比较器的负向输入端，与正向输入端的电流反馈信号进行比较，比较的输出结果决定r s 触发器是否复位：当输出电压偏高时，对开关管关闭，使得开关管的导通占空比下降， 进而输出电压进行下降；当输出电压低于目标电压值时，r s 触发器由s 端控制，输出 电压继续上升。 ( 4 ) p w m 比较器正向输入端是由电流反馈信号来提供。它由两部分构成，一部分来 自与开关管上串连的电阻获得，一部分是由斜坡补偿信号提供，两者相加所得。其中斜 坡补偿的目的是消除电感上带来的次谐波干扰问题，将在斜坡补偿电路中详细介绍。 ( 5 ) 当流经开关管的电流偏大的时候