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上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si st od e s i g nab o o s td ct od cp o w e rs w i t c hs u p p l y m a n a g e m e n tc h i p i th a sv e r yh i 曲c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y h i 曲i n t e g r a t i o n 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 na n dw i d er a n g ei n p u tv o l t a g e a c t u a l l y t h et r e n d o fs w i t c hs u p p l ym a n a g e m e n ti cd e s i g ni st o w a r d sh i g hi n t e g r a t i o n a n dh i 曲 e f f i c i e n c ya n ds oo n i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fs p e c i f i c a t i o n sa b o v e t h e p a p e rd e s i g n st h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ec h i ps e p a r a t e l ya n dm a k e s e v e r yf u n c t i o n a lm o d u l ep a r a m e t e r a tl a s tt h ep a p e ra c h i e v e sc i r c u i t so fe v e r y f u n c t i o n a lm o d u l ea n dt h ew h o l ec h i p t h ep a p e ra n a l y z e sa l l s i d e db o o s t c o n v e r t e r i n c l u d i n gd c m m o d ea n dc c m m o d e o nt h ef o u n d a t i o no fc o m p r e h e n d i n gt h eo p e r a t i o np r i n e i p l ea n dc o n t r o lt h e o r y o fb o o s tc o n v e n e r t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ec u r r e n t m o d ec o n t r o l l e db o o s tc o n v e r t e ri nd i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d ea r ep r e s e n t e d m o d e l i n go fc u r r e n t p r o g r a m m e dc o n v e r t e r sa n dt r a n s f e rf u n c t i o na r ee s t a b l i s h e d s os y s t e ms t a b i l i t ya n dr e s p o n s er a t ea r ed e s i g n e db e r e r t t h ec h i pc o n t a i n st h ee r r o ra m p l i f i e r t h eo s c i l l a t e s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t b a n dg a pv o l t a g er e f e r e n c e t h ep w m c o m p a r a t o ra n ds o m ed i g i t a ll o g i cc i r c u i t s w h a t sm o r e s o m ef u n c t i o n a lm o d u l e sc a nb ee a s i l yr e u s e di nm a n yp o w e r m a n a g e m e n tc o n t r o li c s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec h i pc a nw o r kp r o p e r l y a n de f f i c i e n t l yi naw i d er a n g eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n d s u p p l yv o l t a g e a saw h o l e a d v a n c e dd e s i g na n dp r a c t i c a b i l i t ya r ee m b o d i e di nt h ep a p e r k e y w o r d s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s w i s h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n tc h i p b o o s t c o n v e n e r p e a kc u r r e n t m o d ec o n t r o l 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 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发表 或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他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了谢意 签名 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 上海大学碗士学位论文 b o o s td c i c 电源管理芯片的设计 第1 页 第一章绪论 1 1 开关电源技术发展概况 开关电源技术属于典型的电力电子技术 它运用功率变换器进行电能变换 经 过变换电能 可以满足各种用电要求 由于其高效节能可带来巨大经济效益 因而 引起社会各方面的重视而得到迅速推广 3 0 多年前 开关电源取代了晶体管线性稳 压电源 最早出现的是串联型开关电源 其主电路拓扑与线性电源相仿 但功率晶 体管工作于开关状态 应用脉宽调制 p w m 或脉冲频率调制 p f m 技术控制开 关变换器 组成电压调节系统 统称为p w m 开关电源 早期其效率可达6 5 7 0 线 性电源的效率只有3 0 4 0 在世界性能源危机年代 引起了人们的广泛关注 线 性电源工作于工频 因此用工作频率为2 0 k h z 的p w m 开关电源替代 可大幅度节 约能源 在电源技术发展史上誉为2 0 k h z 革命 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 这一点称为成本反转点 随着电力电子技术的发 展和创新 使得开关电源技术也在不断地创新 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阔的发展空间 进入8 0 年代计算机电源全面实现了 开关电源化率先完成计算机的电源换代 进入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 电力检测设备电源 控制设备电源等都己广泛 地使用了开关电源 更促进了开关电源技术的迅速发展 微处理器和计算机等电子设备都需要直流电源供电 随着u l s i 芯片尺寸不断 减小 电源的尺寸与微处理器相比要大得多 航天 潜艇 军用开关电源 微处理 机以及用电池的便携式电子设备 如手提计算机 移动电话等 更需要小型化 轻 量化的开关电源 因此对电源中磁元件 电感 变压器 和电容元件提出了小型轻 量要求 并且要求开关电源的效率和可靠性更高 性能更好 e m i 更小等 我国技 术发展水平与国际先进水平一般说平均有5 1 0 年差距 7 0 年代起 我国在黑白电 视机 中小型计算机中开始应用5 v 2 0 0 0 a 2 0 k h z a c d c 开关电源 8 0 年代进 入大规模生产和广泛应用阶段 并开发研究0 5 5 m h z 准谐振型软开关电源 8 0 年 代中 我国通讯 如程控交换机 电源在a c d c 及d c d c 开关电源应用领域中所 占比重还比较低 8 0 年代未我国通讯电源大规模更新换代 传统的铁磁稳压 整 流电源s m r 和晶闸管 t h y r i s t o r 原称可控硅元件 相控稳压电源为大功率 4 8 v 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第2 页 6 k w a c d c 开关电源所替代 并开始在办公室自动化设备中得到应用 工业应用 方面 在锅炉火焰控制 继电保护 激光 彩色t v 离子管灯丝发射电流调节 离子注射机 卤钨灯控制等系统中也均有应用 1 2 开关电源原理简介n 2 3 1 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置 是所有靠电能工作的装 置的动力源泉 直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置 用于交一直或直一直电能转换 通常称为开关电源 开关电源体积小 效率高 是稳 压电源的发展方向 现己成为主流产品 其功率从零点几瓦到数千瓦 广泛用于生 活 生产 科研 军事等各种领域 顾名思义 开关电源的核心为电力电子开关电 路 根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求 利用反馈控制电路 采用 占空比控制方法 对开关电路进行控制 通常控制方式由下面几种 脉冲宽度调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 缩写为p w m 即开关周期恒定 通过改变脉冲宽度来改 变占空比的方式 第二种为脉冲频率调制 缩写为p f m 导通脉冲宽度恒定 通过 改变开关工作频率来改变占空比的方式 第三种就是混合调制 也就是导通脉冲宽 度和开关工作频率均不固定 彼此都能改变的方式 它是以上二种方式的混合 目 前市场上常见的一般为p w m 工作方式 采用p w m 工作方式的控制i c 较多 如 r i c o h 公司r h 5 r h 系列 s i l i c o n 公司的s 1 9 1 5 4 f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r 公司的f d s h 0 1 6 5 m a x i m 公司的m a x 7 3 g 7 3 7 p o w e ri n t e g r a t e d 公司的 t o ps w i t c h 系列 而采用p f m 工作方式的有m a x 7 7 0 7 7 1 7 7 2 7 7 3 s e 汰o i n s t r u m e n i s 公司的s 8 5 2 1 等 采用p w m 工作方式的控制集成电路内部主要由以下 部分组成 振荡器 一般有矩形波输出和锯齿波两路输出 基准电压源 p w m 控 制器 误差放大器 电压检测器 输出驱动电路和必要的过热保护 过流保护等 1 3i c 在开关电源技术中的应用 3 我们知道功率电子学很大程度上带动了半导体 i c 等的发展 微电子技术的高 速发展使得i c 半导体大大推动了电子系统的发展 尤其是在信号处理以及计算机 领域 目前绝大部分电子系统的电路都通过i c 来实现 同样微电子的发展也推动了 功率电子技术的进步 越来越多的i c 产品运用到功率电子技术领域 在功率电子技 术中 i c 产品的应用可以简单的分为两类 第一类是分立功率器件 包括晶闸管 大功率双极型晶体管 d m o s 和l d m o s v d m o s i g b t 等 这些器件具有功 上海大学硕士学位论立 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第3 页 率容量大 能量损耗低 开关速度快等特点 适用于电力电子装置 得到大量的应 用 但是这类器件需要采用与集成电路不同的纵向横向工艺和较厚的外延层带到要 求 同时大功率器件的占用面积也很大 另一类在功率电子技术中得到广泛应用的i c 产品是通常称为功率集成电路 近 来功率器件方面的发展表现在功率器件的尺寸更小以及新的栅极驱动器件所需驱动 电流减小 这些发展促使集成电路技术可以将功率器件和低压控制电路在同一芯片 上实现 从而使成本下降 这种在同一芯片上集成有功率器件和低压模拟和数字电 路的电路称为功率集成电路 p i c 其中一种特殊的功率集成电路是高压集成电路 h v i c 相对于数字电路和高功率电路来说 在这种芯片内同时具有高压和相对 低的电流特点 随着便携式和个人通信设备的发展 其所需的电源也在不断发展 而使用i c 技术是实现这种设备小型化可能最好的方法 现在正在尝试研制集成了微 处理器和r a m 的电池充电器 以实现智能电池充电功能 另外一种应用就是d c d c 转换器 目前为止在这些转换器中 电源仍然占用了相当部分的空间和重量 国家 半导体 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 开发了一种单片转换器 它采用特殊的封装技术 把电感 电容和控制部分集成到一块 还有一种功率电子技术中应用的i c 产品是种 类繁多的控制和驱动电路 例如实现开关电源反馈控制的p w m 控制模式和谐振式 控制芯片 电机控制应用在诸如洗衣机和磁盘驱动中提供精确的速度和扭矩控制 驱动电路为大功率器件提供开 关时所需驱动电流 这些i c 通常采用b i p o l a r 或者 b i c m o s 工艺 采用b i p o l a r 工艺是由于双极型晶体管的跨导较大 速度快 而 b i c m o s 工艺同时利用c m o s 器件静态功耗低和双极型器件速度快的特点 可以得 到更低的功率损耗和较快的速度 随着功率电子和微电子技术发展 p o w e r l c 将也朝着功率密度更高 体积更小 集成度更高等复杂的方向发展 也就是将更多 更复杂的模块集成到一起 应用将 更加广泛 1 4 开关电源的未来发展趋势 开关电源的发展方向是高频 高可靠 低耗 低噪声 抗干扰和模块化 由于 开关电源轻 小 薄的关键技术是高频化 因此国外各大开关电源制造商都致力于 同步开发新型高智能化的元器件 特别是改善二次整流器件的损耗 并在功率铁氧 体 m n z n 材料上加大科技创新 以提高在高频率和较大磁通密度 b s 下获得 体 m n z n 材料上加大科技创新 以提高在高频率和较大磁通密度 b s 下获得 上海大学硕 堂焦论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第4 页 高的磁性能 而电容器的小型化也是一项关键技术 s m t 技术的应用使得开关电源 取得了长足的进展 在电路板两面布置元器件 以确保开关电源的轻 小 薄 开 关电源的高频化就必然对传统的p w m 开关技术进行创新 实现z v s z c s 的软开 关技术已成为开关电源的主流技术 并大幅提高了开关电源工作效率 对于高可靠 性指标 美国的开关电源生产商通过降低运行电流 降低结温等措施以减少器件的 应力 使得产品的可靠性大大提高 模块化是开关电源发展的总体趋势 可以采用 模块化电源组成分布式电源系统 可以设计成n 1 冗余电源系统 并实现并联方 式的容量扩展 针对开关电源运行噪声大这一缺点 若单独追求高频化其噪声也必 将随着增大 而采用部分谐振转换电路技术 在理论上即可实现高频化又可降低噪 声 但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题 故仍需在这一领域开展大 量的工作 以使得该项技术得以实用化 1 5 课题研究的意义 内容和计划安排 功率电子技术和微电子集成电路的不断发展 使开关电源产业有着无限的发展 潜力 因此要加快我国开关电源产业的发展速度 就必须走技术创新之路 走出有 中国特色的产学研联合发展之路 为我国国民经济的高速发展做出贡献 因此自主 的进行开关电源管理集成电路的研究与开发 无论是从经济 还是科学研究上都是 是很有价值的 本论文对b o o s td c d c 开关电源管理集成电路的开发设计进行了深入的研究 介绍了开关电源控制系统的设计思想以及内部各个模块的设计方案和具体的实现 第一章介绍与本文相关的技术背景 目前市场上的各种控制i c 的工作方式 电 路结构等 以及开关电源的未来发展趋势 并对本文的章节进行安排 第二章详细的分析了b o o s td c d c 开关电源主回路拓工作原理 以及对 d c m c c m 工作模式进行深入的研究 根据设计要求对元器件参数进行了设计 第三章深入的分析了开关电源系统控制原理 对各种控制方式进行了分析以及 影响控制系统性能的各种因素 最后确定了峰值电流模式控制方式 然后对确定下 来的控制系统进行小信号建模 通过小信号模型的分析 确定控制系统的稳定性 以及各个模块的参数标准等 第四章到第七章分别对各个芯片子模块进行原理分析设计和改进 并分别进行 仿真验证 使得电路得正确的实现 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第5 页 第八章简要介绍了工艺以及版图设计需要考虑问题并实现部分字模快版图 第九章对本论文工作进行总结 并提出今后的改进和下一步工作的展望 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第6 页 第二章电源管理主电路原理分析与设计 开关电源有以下6 种基本拓扑结构 b u c kc o n v e r t e r b o o s tc o n v e r t e r b u c k b o o s t c o n v e r t e lc u kc o n v e r t e r s e p i cc o n v e n e r 和z e t ac o n v e n e r 每静都有他们各自的用途 适用于不同的要求 由于本设计采用的拓扑结构是b o o s t 类型 所以本章节着重就 b o o s tc o n v e r t e r 的工作原理以及参说设计等进行分析 2 1b o o s t 转换器的基本工作原理 td 1 v v 图2 1b o o s t 转换器电路 如图2 1 就是b o o m 升压式转换器主电路 当功率开关管o l 导通时电源电压 v g 对电感进行存储能量 使得电感电流以某一斜率上升 此时二极管d l 反偏截止 电容c 通过负载r 进行放电 下一个状态当开关管q l 截止时二极管d l 正偏导通 构成另外一种回路 电流流经二极管 负载和输出滤波电容c 输入储能以及电感 储能供给输出负载 电感电流下降 由于q 1 周期性的开通和关断 我们就得到一 个含有纹波的当然近似恒定的直流电压v 即我们所得到输出电压 其中电感 电 容的选择对输出电压v 会产生很大的影响 这一点在后面坐详细的分析 现在我们 看电感电流的变化 由于电感电流使周期的上升和下降的 因此就存在一个下降是 否到零的问题 所以我们把电路分为两种工作模式连续导通模式 c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e 简称c c m 即当流过电感的电流下降时不会降为零 和另外 种不连续导通模式 d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e 简称d c m 也就是 电感电流在一个周期还没有结束时已经下降到零 下面我们对这两种模式进行详细分析 为了分析方便的考虑 我们假设开关管 和二极管为理想元器件 2 2 转换器在c c m 工作模式的分析 上海大学硕士学位论文b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第7 页 如图2 2 转换器的电感连续导通模式的两种工作状态 v l l 状态1状态2 图2 2 主电路c c m 工作模式的工作状态 由状态1 删黜回路方程 兰 丑忽略输出电压纹波可得 r 式 2 1 由状态2 可得至 j v l v g 一 v v忽略输出电压和电容电流纹波 二2 vi r 1v r 式 2 2 t 一v 一 由式 2 1 和式 2 2 得到周期电感电压和电容周期电流的波形如图2 3 其中d 为导通占空比 i s 为工作周期 r 为负载 v t i v r 一时 习 ll t v r 图2 3 电感电压和电容电流波形 f f v t d t d i 一v d i 在稳态分析时 电感周期平均电压为零 即伏秒 平衡原理 也即f v 上o 嗷 o 于是 吃 d 正 一v d i o 即 5 d 一功 求得y 告rg 于是m 号 古 f 吾 d 一功 o 求得y 2 百 于是m d 毒2 寺2 f 吾 再根据电容电荷守恒 在稳态情况下 也即电容安秒平衡 胁舻 一 州 删得到一妥 d f i d o 解的平均电感电流 吾每 2 2 1 输出电压的纹波分析 1 式 2 4 式 2 5 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第8 页 在开关管导通阶段 电容电压的斜率尘警尘 气笋 面 v 在开关管q 1 关闭时 电容电压波形斜率掣 半 考嵩姻2 4 v t v l a v 一 喜 名 cr c dr t t 图2 4 输出电压波形分析 由此我们可以得到 2 v 盖 i 即 v 去 t 因此c 的选择是决定输出电压波 形纹波大小的一个关键因素 当然了在实际设计中考虑电容的e s r e q u i v a l e n ts e r i e s r e s i s t a n c e 也同样是很关键的因素 这一点在后面的元器件的设计中会重点强调 2 2 2c c m 和d c m 两种工作模式的临界条件的分析 对电感电流而言q 1 导通时电流斜率掣 v l 三 t 2 兰l q 1 关闭时电流斜率为 掣 v l 上 t 2 半 如下配5 i 一 a 屯 么 kf p v v 廑杉 d t t t 图2 5 电感电流波形c c m 模式分析 与上图可以计算出 2 2a a i 羞 t 与上图可以计算出 1 d i t 罟d t 但是当电感平均电流下移时就会产生另一种情况 也就是当一个周期在结束时电感 电流刚好下降到零点如图2 6 所示 上海大学硕士学位论文b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第9 页 图2 6 c c m 和d c m 临界状态图2 7 电感电流d c m 模式 如果电流在一个周期还没有结束就已经下降到零 如图2 7 也就是d c m 模式 图2 6 可知在 t 时刚好临界状态 由式 2 5 可知 苫 屯 羞 e 如果 a i l 则为连续导通模式c c m 反之 t i 箍 由于号 d 矧生s d d 当 屯时也就是器 d d 2 使电路工作在 c m 状态 所以我们可以通过l r 和t s 的确定以及电路的静态工作点的确定就可以确定电路工作的模式 以及采用何 种方法分析 2 3b o o s t 变换器d c m 模式工作原理 根据图2 1 我们分出d c m 工作模式的3 种状态 l v i l t v l t 一 t 冲i e 丰冀 弋 v 状态1 q 1 导通 d 1 截止 l 状态2q 1 截止 d 1 导通 v 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第 j 页 v l v 在状态1 时篇纛凇忽略输出电压纹波可得搿三 r 其愀 正 状态z 时 嚣三纛i 乙 r 忽略纹波 翟三袅i 二矿 r 其中d e d t d z i 状态3 时v f c l 0 i 一 v 0 f r 同样忽略纹波v f c l f 0 一矿 r 其中 日 d 2 f i 同c c m 分析过程类似 稳态时电感电压伏秒平衡得到 d l e d e n n o 0 求解得矿 丛堕k d 8 式 2 6 其中的d 2 是未知的 我们通过稳态电容周期平均电流为零 所以整个周期内通过二 极管的平均电流和整个周期内负载平均电流相等 由此得出关系式 鼍些 旦 式 2 7 互 2 一r a 川 把加 6 带入北 7 矧睁嘎一箍 北8 解方程c s 得到茜 圭c 孵 皿就是通常说的 所以在电感电流 c m 模式下电压增益m 茜 互1c 孵 式c z 当然此时要满足关系式盖 d d 也就是必须要工作 c m 模式下a 2 4 设计要求 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第11 页 电路标准工作状态5 v 输入 固定1 2 v 输出 允许输入范围波动较宽 并且当 输入电压较低时 也能够提供1 2 0 m a 输出电流 最大输出功率为2 w 等 在标准输 入下 要求芯片转换效率达到8 7 我们根据式 2 4 m 号 吉 i 1 可知 在c c m 工作模式下 输出电压 v 和负载无关 只和输入电压v g 有关 因此再稳态时负载调整率比较好 负载调整率 即为上 耐 m 掣l a t i o n 出a v 二 u t 1 0 0 由于输出电压v 直接由输入电压v g 决定 因此 开环线性调整率很差 线性调整率为l i n e r e g u l a t i o n 会静 l o 在根据式 2 9 m 瓦v j 1 1 1 2 2 等 我们知道在 c m 工作模式下输出电压v 和输入电压 v g 负载都有关系 表面看来在d c m 下负载调整率和线性调整率都很差 但是这完 全可以通过正确的设计选择控制电路解决 他的优点是在每个开关周期还是时 电感 电流为零 即初始储能为零 因此其闭环相应特性很好 控制环路变得更加稳定 还 有就是在电流控制系统时 对采样电流信号必须采用斜坡补偿 由于开关周期零电流 开始 所以不会产生振荡 在斜坡补偿时只需要考虑平均电感的波动就可以了 因此 系统容易实现 本设计是在大多数出入电压和输出电流范围内工作在不连续模式的 也就是转换器大部分范围是工作在轻载状态 在设计要求中取标准值v g 5 v 输出电 压v 1 2 v 最大输出功率为2 w 所以最大输出电流l 为0 1 6 a 我们设计在 较大的范围内是转换器工作在不连续模式于是负载r 2 瓦南 8 5 为输出电流 的范围 r 大约为8 5 q 2 4 1 电感器的设计 电感值是决定控制系统稳定度的主要因素 工作在断续模式下就要采用小电感 器 让开关导通前电感器电流达到零电流 当然电感器的大小也不能任意减小 若 电感太小 超过电流的限制 就可能引起自谐波振荡 现在我们根据设计要求对电 感值进行设计 由于设计转换器工作模式断续模式 所以我们对临界状态进行分析 用以确定最大电感值 在这里我们必须要考虑开关管的导通电阻和二极管压降 计 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第12 页 算此状态的占空比 上v 生 v 盟q i v 我们取 为 1 v 为 7 v 计算的得到 d 0 6 1 1 根据断续工作的条件盖 d d 8 p2 l d d r t 设计的开关工作频 率1 7 0 k 带入d 和r 得到l 2 4 3 1 1 日 考虑到一定的余量问题 我们取稍微小 一点的标准电感值1 8 b h 当然对于不同的输入电压 电感的大小是要跟随着相应 的变化的 这是和具体应用电路直接相关的 2 4 2 输出滤波电容的设计 升压变换器中的输出电容器其实就是能量存储器 在电容器充电时 它提供所 有的输出电流 因此它有很大的纹波电流 有公式 v 2 南d 瓦 输出电压的纹波 脉动和电容器的大小又直接的关系 输出电容越大 输出电压v 的纹波脉动就越小 在我们所设计的电路中 由于工作在断续模式 变换器控制环路变得更加稳定 因 此我们可以利用这种额外的稳定性来降低输出电容 如电感比较大系统在连续模式 则输出电容要加倍 同时输出电容存在等效串联电阻e s r e q u i v a l e n ts e r i e s r e s i s t a n c e 这是不可避免的 因此应当依据e s r 最小的原则来选取输出滤波电容 电容e s r x 电感电流变化量 决定输出电压中高频纹波的幅度 在b o o s t 变换器 中由于有更大的纹波电流 因此我么需要更小的e s r 电容器 本设计我们选用3i t f 其e s r 应当小于0 2 5 q 2 4 3 续流二极管的设计 二极管的设计应该从反向最大承受电压和导通是最大峰值电流的角度考虑 开 关管导通时 输出电压瞬时全部加到反偏截至的二极管上 必须保证二极管的反向 承受压降妖大于输出电压的最大值 开关管关断时 二极管导通 电感器上的电流 瞬时全部加在二极管上 因此也要保证二极管承受最大电流要大于电感峰值电流值 其实在工作中 二极管的正向导通压降对开关电源的效率有很大的影响 为了提高 转换器的效率 我没在保证二极管能正常工作的同时要选用正向导通压降小 反向 恢复时间短的肖特基二极管 但是如果再要球更高效率的应用中 我们可以用另一个m o s f e t q 2 来代替二 上海大学硕士学位论文b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第13 页 极管 这被称为同步整流 这个q 2 的栅极驱动信号应该和q 1 的栅极驱动保持反向 同步 也就是在q 1 截至时 不用二极管保持续流 而是与此同时有效的激励 m o s f e t q 2 导通进行续流 同步整流的优点就q 2 导通的所产生的导通压降比二极 管低的多 这样可以大大的提高转换器的工作效率 2 4 4 开关管q 1 的设计选取 本设计选用的开关管是功率m o s f e t 功率m o s f e t 的特点是开通关断速度 快 采用电压方式驱动 而功率b j t 的特点是容量大 导通损耗低 在者i g b t i g b t 当然很不错没 可是价格很高 我们是小功率的 所以m o s f e t 足以达到要 求 我们所要考虑的是此开关管的允许电流要大于电感最大峰值电流 开关管q 1 的漏源承受最大电压必须要大于最大输出电压与二极管正向导通压降的和 还要考 虑余量问题 我们还可以通过增加一个肖特基二极管与m o s f e t 并联来进一步提高转换器 的转化效率 1 避免导通q 1 的体二极管可降低空载时间期间的道统损耗 2 消除与截至体二极管有关的反向恢复电流 可降低q 1 导通电流尖峰 由于在 电流尖峰出现时跨接在q 1 上的电压仍为高态 所以肖特基也可降低q l 的开关损耗 3 消除q 2 体二极管中的反向恢复损耗 2 4 5 效率的分析 分析效率我们可以从采用同步整流的角度开始 当然这就考虑把开关管和同步 整流管都作到芯片内部时计算效率的方法 但是这也更进一步的说明了我们选取开 关管和二极管是要注意它们的各项指标 1 在没有采用同步时 我们先分析转换效率的大小 我们采用标准值输入 v i n 5 v v o u t 1 2 v i u t 1 2 0 m a 的情况下 假设工作c c m 模式 占空比 瓦v o j 了v 磊 v o 其中 是二极管正向导通压降 k 为m o s f e t 导通压降 我们可以知道效率 打 其中d 1 一d 吃电感等效电阻 如为m o s f e t 导 通电阻 r 为负载 r o 二极管正向导通电阻 我们取一组设计标准值如 0 3 q 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第14 页 r o 5 6 q o 7 v v s w 0 3 v 求得d 0 5 4 0 5 4 把一系列参数带入效率公式 可以求出 7 9 3 8 7 2 下面考虑同步整流 采用可控内部m o s f e t 代替外部二极管 因此正向导通压 降很小 可以降到0 3 以下 这里我们采用 0 3 v 来计算 因此d 0 4 8 4 8 5 d t o 5 1 5 1 5 再次带入效率公式可以求出 1 1 2 百夏百面面硬聂旋斥西页页丽 1 碡而话 磊 一 得到 7 大约8 9 0 0 8 由此可见 采用同步整流后 转换效率可以大大的提高 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第15 页 第三章控制系统的原理和设计 开关电源控制方式由多种 比较常用的脉冲宽度调制即p w m 模式控制 也就 是开关周期恒定 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式来控制 第二种为脉冲频 率调制 p f m 导通脉冲宽度恒定 通过改变开关工作频率来改变占空比的方式 第三种就是混合调制 也就是导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定 彼此都能改 变的方式 它是以上二种方式的混合 由于p w m 控制技术已经趋于成熟 并且和 p f m 相比 控制方式容易实现 也能很好达到设计要求 所以目前市场采用p w m 控制的芯片还是占大多数 本设计也采用p w m 控制方式 3 1p w m 控制方式基本原理订1 先简单介绍一下p w m 控制原理 就是对被控参数先设定一个值 再与此参数的 实测值经比较器进行比较 如果两者不相等 就产生了偏差 比较器输出一系列脉 冲 其脉冲宽度与偏差成线性关系 用此脉冲去触发开关 开关又触发执行元件 执行元件按脉冲宽度的时间动作偏差大 脉冲宽度很宽 执行元件动作时间长 使 参数的实测值与设定值的偏差迅速减小 当偏差小时 脉冲宽度变窄 执行元件动 作时间短 直到设定值与实测值相等 达到自动控制参数的目的 输出信 图3 1p w m 原理波形图 在开关电源控制系统中 v e 就是经过输出电压反馈和一固定基准电压误差放大 后得到的信号 它可以根据输出的变化自动调节 从而导致输出脉冲信号d 的变化 而d 又是决定最终输出电压的大小 因此可以实现闭环自动调节 得到一个稳定的 需要输出电压 当然在实际的p w m 控制中有多种方式实现例如电压控制型 电流 控制型等 电流控制又有平均电流控制和峰值电流控制 图3 1 是标准的电压控制 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第16 页 型 在电流控制中图中v s 则不是固定锯齿波信号 而是在系统中内环反馈的电流 信号 下面分别做 介绍 3 1 1 电压控制型原理 电压模式控制p w m 是6 0 年代后朗开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种 控制方法 该方法与一些必要的过电流保护电路相结合 至今仍然在工业界很好地 被广泛应用 电压模式控制只有一个电压反馈闭环 采用脉冲宽度调制法 即将电 压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较 通 过脉冲宽度调制原理 得到当时的脉冲宽度 逐个脉冲的限流保护电路必须另外附 加 当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时 因为主电路有较大的输出电容c 及电感l 相移延时作 输出电压的变小也延时滞后 输出电压变小的信息还要经过 电压误差放大器的补偿电路延时滞后 才能传至p w m 比较器将脉宽展宽 这两个延 时滞后作用是暂态响应慢的主要原因 图3 2 电压模式控制原理图 图3 2 电压模式控制原理图 电压模式控制的优点 1 p w m 三角波幅值较大 脉冲宽度调节时具有较好的抗噪 声裕量 2 占空比调节不受限制 3 对于多路输出电源 它们之间的交互调节 效应较好 4 单一反馈电压闭环设计 调试比较容易 5 对输出负载的变化有 较好的响应调节 缺点 1 对输入电压的变化动态响应较谩 2 补偿网络设计 本来就较为复杂 闭环增益随输入电压而变化使其史为复杂 3 由于l c 两个动 态变量 系统控制环双极点 在补偿设计误是放大器时 需要将主极点低频衰减 或者增加一个零点进行补偿 5 在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复 杂 总的来说在要求较高的情况下 单环电压控制是不适用的 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计第17 页 3 1 2 峰值电感电流控制 峰值电感电流控制并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压 斜坡比较 而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖 角状合成波形信号入比较 然后得到p w m 脉冲关断时刻m 因此峰值电流模式控 制不是用电压误差信号直接控制p w m 脉冲宽度 而是直接控制峰值输出侧的电感电 流大小 然后间接地控制p w m 脉冲宽度 如图3 3 峰值电流控制原理图 v 图3 3 峰值电流模式控制原理 电流模式控制是一种固定时钟开启 峰值电流关断的控制方法 由图3 3 也可 以知道峰值电流控制是双闭环控制系统 电压外环控制电流内环 电流内环是瞬时 快速按照逐个脉冲工作的 功率级是由电流内环控制的电流源 而电压外环控制此 功率级电流源 在该双环控制中 电流内环只负责输出电感的动态变化 因而电压 外环仅需控制输出电容 不必控制l c 储能电路 由于这些 峰值电流模式控制p w m 具有比单环电压模式控制大得多的带宽 并且由于是双环控制系统 因此电感电流 不在是一个独立的变量 从而使开关交换器的二阶模型变成了一阶系统 而一阶系 统是无条件的稳定系统 对系统地设计很方便 更加稳定 峰值电流模式控制p 删 的优点 1 暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均 快 电源输入电压的变化 必然会引起变压器初级电流上升的斜率的变化 如电压升 高 则电流增长变快 反之则变慢 但是只要电流脉冲达到了预定的幅度电流控制回 路就动作 使得脉冲宽度发生改变 保证输出电压的稳定 2 控制环易于设计 误差放大器的补偿电路简化 改善了频响 具有更大的增益一带宽乘积 整个电路 可看作是一个误差电压控制电流源 变换器的幅频特性由双极点变成单极点 因而 上海大学硕士学位论文 b o o s td c d c 电源管理芯片的设计 第18 页 可以改善整个稳压器的特性 3 输入电压的调整可比电压模式控制的输入电压前 馈技术 4 简单自动的磁通平衡功能 5 瞬时峰值电流限流功能 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 3 1 3 平均电流模式控制 下面在简单的介绍一下平均电流模式控制 1 0 1 q 平均电流控制法的电流内环存 在一个电流补偿放大器 通过这个放大器使得内环的稳定性能提高 电流采样电阻 两端电压为转换过来的采样电感电流流对应的电压值 两者之差即为电流误差值 经电流补偿补偿放大 输出值与锯齿波比较输出占空比可调的一系列脉冲波 用以 控制开关管决定输出电压 平均电流模式优点 1 不需要谐波补偿 但要满足一个 极限条件 经电流环补偿电路放大的电感电流下降沿斜率要小于p w m 发生器的一端输 入的锯齿波的上升沿斜率 2 具有较强的抗干扰特性 调节电流内环补偿放大器 的电阻 电容参数 可使系统获得较好的动态特性 3 调试好的电路抗噪声性能 优越 4 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制 它的缺点是 1 电 流放大器在开关频率处的增益有最大限制 2 双闭环放大器带宽 增益等配合参 数设计调试复杂 从平均电流模式可知道虽然它有很多优 可是系统调试要复杂的 多 在很多场合用峰值电流控制就完全可以实现 我们在回头看峰值电流控制 他又自己固有的缺点 例如占空比大于5 0 的开 环不稳定性 存在峰值电流与平均电流的误差 而决定输出电压的是平均电流的大 小 相比而言容易发生次谐波振荡 即使占空比小于5 0 对噪声敏感 抗噪声性 不好 但是这些都是可以通过斜坡补偿还弥补的 又由于它的很强的稳定性 以及 其他独特的优点 我选取峰值电流控制模式来实现系统设计 这就必须要考虑斜坡 补偿的问题 3 2 电流控制中的斜坡补偿的问题 羽 3 2 1 开环不稳定 我们回头看图3 3 峰值电流模式控制原理图 可以看出电流控制的核心就是电 感电流取样信号和电压误差信号比较产生p w m 脉冲信号控制开关管的开通关断 我 们现在在不考虑外环的情况 只对电流信号和电压误差信号进行考虑 如图3 4 圭堂查堂堡主堂垡垫奎里鱼q 墨 墅 墅垦皇塑筻理芯片舯设计第19 页 厶 图3 4 开环不稳定原理 t 即为电压误差信号 我们这里讨论时只用电流信号表示 对系统不产生影响 变 化的锯齿波为电感电流信号 o 为电感电流扰动信号 m 为电感电流斜率 为下一个周期产生的扰动 也就是由 厶产生的 根据图3 4 通过几何解 我们 可以得到方程m 厶 争 也就是 一吴 d 为导通占空比 以此类推 2胍 得到 l 虬 一争 1 由此可见当 0 5 l i 趋向无穷大 系统进入不正常工作状态 这时候引进斜 率为棚 斜坡补偿信号 这个斜坡电压既可以直接加在电流波形上 也可以从误差电 压信号中减去 我们这里采用从电压误差信号里面减去补偿信号如图3 5 由图3 5 得到斜坡补偿后的方程 州 罢 导 从而 一 厶 塑 要保证系统 码 珊 肌i 聊 稳定 就必须满足虬 为零 也就是一生监 一去 一寺m 上 3 2 2 平均电感电流误差 在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压 这个平均电感电流可用 一个电流源来代替 并可以降低系统的一个阶次 我们知道平均电感电流是唯一决 定输出电压大小的因素 而峰值电流控制方法常使电感的平均电流随占空比而变 从而致使输入一输出 正向特性 不理想 但是加入斜坡补偿后可以除去不同占空比对 平均电感电流的扰动作用 使得峰值电感电流最后收敛于平均电感电流 使输出电 压更加稳定 3 2 3 次谐波振荡和噪声污染 对电流型控制而言 内环电流环峰值增益是个很重要的问题 这个峰值增益在 开环频率一半的地方 由于调制器的相移可能在电压反馈环开关频率一半的地方产 生振荡也就是次谐波振荡 还有当控制电路出现噪声时 由于控制环路增益较高 l 的微小扰动 l 将造成占空比d 的变化量a d 很大 造成系统不稳定 这些弱点都 可以在适当的加入斜坡补偿消除 使得整个系统正常有效的工作 这方面的理论已 经比较成熟了 就不在多介绍了 3 3 对峰值电流控制系统进行小信号建模n 3 1 4 j 埔 埔3 根据以上章节的分析最终我选择b o o s t 升压式峰值电流模式控制来实现此单片 开关电源的设计 并且设计在较大的范围内是转换器工作在不连续模式的 设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时 控制环路的设计是很重要的 一