一种高效率高升压比变换器的研究与设计论文(PDF 91页）.pdf

一种高效率高升压比的B o o s tD C D C 变换 器的研究与设计 R e s e a r c ha n dD e s i g no faH i g hE f f i c i e n c y a n d H i g hS t e p u pR a t i oC o n v e r t e r b a s e do n B o O S TD C D C 学科专业 微电子学与固体电子学 研究生 杨奇 指导教师 张世林教授 天津大学电子信息学院 二零一零年六月 飞 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和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得苤注盘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了谢意 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 签字日期 l o 年6 月f 矿日 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授杈 墨鲞盘鲎一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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 柄亳l导师签名 蒜卷乍 一 签字日期 知 口年6 月f 吕日 签字日期 曲lb 年岳月f 日 y l q 摘要 白光L E D 有高光源质量 高效率 高节能 安全环保 使用寿命长 响应 时间短等优点 在便携式电子设备领域应用日趋广泛 白光L E D 驱动芯片作为 L E D 背光照明系统中关键组成部分 是目前电源管理芯片的研究热点 便携式 电子设备体积小型化 L E D 背光屏的日益增大 以及对节能要求日趋提高的趋 势 要求白光L E D 驱动芯片具有高集成度 高升压比和高效率等特点 本文首先论述了白光L E D 驱动芯片的国内外的现状 分析了六种基础的 D C D C 结构和两种白光L E D 驱动方式的工作原理 根据课题的设计需求选择了 B o o s tD C D C 结构和白光L E D 串联的方案 并结合方案所涉及到的四个关键技 术设计了芯片的外围电路和整体架构 然后 对芯片中的七个主要子模块 带 隙基准模块 电流检测模块 自适应斜坡补偿模块 振荡器模块 误差放大器模 块 同步整流栅驱动模块和P W M 比较器模块的设计进行了详细分析介绍 并利 用H S P I C E 结合S A L I C I D EA N A L O GP R O C E S SW l T HP L D D0 3 5 0 r n 工艺对所设 计的七个子模块进行了仿真验证 对其他模块也做了简要介绍 其中带隙基准采 用P T A T 型结构 实现了可提供任意基准电压和提供偏置电流的功能 电流检测 电路有效地解决了传统电流检测过程中存在的高功率损耗和不易集成的问题 通 过采用一种新型的动态斜坡补偿电路 有效地解决了高升压比峰值电流P W M 模 式B o o s tD C D C 中容易出现的欠补偿和过补偿问题 在振荡器电路的设计中 通过开关调控模块内比较器的工作状态 减少了近5 0 的功耗 最后 本文建立芯片典型应用电路 用H S P I C E 对其全局仿真 结果表明 在典型应用情况下 芯片启动时间7 0 0 9 s 输出电压2 0 V 负载电流2 2 7 m A 转换效率在8 5 以上 电源电压为2 V 时系统可启动并正常工作 芯片的主要性 能指标基本达到预期指标要求 关键词 白光L E D 驱动芯片开关电源高升压比峰值电流P W M 调制 A B S T R A C T W h i t eL E Di si n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di np o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s W h i t eL E D D r i v e rI Cf o rL C D b a c k l i g h t i n g w h i c hi st h ek e yc o m p o n e n to ft h es y s t e m i st h e r e s e a r c hf o c u si np o w e rm a n a g e m e n tI C s B e c a u s eo ft h es m a ll e rs i z eo fp o r t a b l e e l e c t r o n i cd e v i c e s t h e l a r g e r s i z eo ft h eb a c k l i tL C Ds c r e e na n dt h eh i g h e r r e q u i r e m e n t o nt h ee n e r g ys a v i n g W h i t eL E Dd r i v e rI Cm u s th a v eh i g h e ri n t e g r a t i o n s t e p u pr a t i oa n de f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s I nt h i st h e s i s w i t ht h ei n d e p t hs t u d yo fc u r r e n tt e c h n i q u ef o rw h i t eL E D d r i v e r s s i xm a i nD C D Cd r i v i n gm e t h o d sa n dt w oL E Dd r i v i n gm o d e sa r ed i s c u s s e d A c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nd e m a n d so ft h i sr e s e a r c h B o o s tD C D Ca n dL E Ds e r i e s d r i v i n gm o d ea r ec h o s e n B a s e do nf o u rk e yt e c h n i c a lp o i n t st h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s a n dt h eo v e r a l lf r a m eo ft h ec h i pa r ed e s i g n e d T h e n t h em a i ns u b c i r c u i t ss u c ha S b a n d g a pr e f e r e n c e B G R c u r r e n td e t e c t i o n r a m pc o m p e n s a t i o n o s c i l l a t o r e r r o r a m p l i f i e r g a t ed r i v ei n c l u d i n gs y n c h r o n o u sr e c t i f i e ra n dP W Mc o m p a r a t o ra r e i m p l e m e n t e da n ds i m u l a t e dw i t hS A L I C I D EA N A L O GP R O C E S SW I T HP L D D 0 3 5 1 a mp r o c e s s W i t haP T A Ts t r u c t u r e B G Rc a ns u p p l ya n yr e f e r e n c ev o l t a g ea n d b i a sc u r r e n t C u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i tc o u l de f f e c t i v e l yr e s o l v et h ep r o b l e m so f h i g h p o w e rl O S Sa n dd i f f i c u l ti n t e g r a t i o nt h a te x i s ti nc o n v e n t i o n a lc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t An e wt y p eo fd y n a m i cr a m p c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dS Ot h a tt h e c o m p e n s a t i o np r o b l e m si np e a kc u r r e n t m o d eo fP W Mm o d u l a t i o nw h i c hb a s e do n B o o s tD C D Cc a nb es o l v e d A st h eo p e r a t i o nm o d eo ft h et w oc o m p a r a t o r si nt h e o s c i l l a t o rc i r c u i ti sc o n t r o l l e db yt h es w i t c h n e a r l y5 0 o ft h eo s c i l l a t o rp o w e r c o n s u m p t i o nc a nb es a v e d F i n a l l y t h ew h o l ec h i ps i m u l a t i o nr e s u l t sb yH S P I C Ea r eg i v e n i nt y p i c a l a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n t h es t a r t u pt i m eo ft h ec h i pi s7 0 0 炉 t h eo u t p u tv o l t a g ei s2 0 V w h i l et h el o a dc u r r e n ti S2 2 7 m A a n dt h ee f f i c i e n c yi Sa b o v e8 5 T h ec h i pc a ns t a r t u pa n do p e r a t en o r m a l l yw h e nt h es u p p l yv o l t a g ei s2 V T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sc h i pm a t c h e dt h es p e c i f i c a t i o n K E YW O R D S W h i t eL E D D r i v e rI C D C D C H i g hs t e p u pr a t i o p e a kc u r r e n t m o d eo fP W M m o d u l a t i o n 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 目录 绪论 1 课题背景 1 1 1 1 白光L E D 简介 1 1 1 2 白光L E D 的原理和驱动 2 白光L E D 驱动电路国内外研究现状 3 1 2 1 线性调整型 3 1 2 2 电荷泵型 4 1 2 3 开关电源型 4 白光L E D 驱动器的发展趋势 5 本课题意义及必要性 6 本文主要结构及主要内容 6 芯片方案设计 8 开关电源变换器的基本原理和结构 一8 2 1 1 B u c k 变换器 8 2 1 2 B o o s t 变换器 1 2 2 1 3B u c k B o o s t 变换器 1 6 2 1 4d u k 变换器 17 2 1 5 S e p i c 变换器 l8 2 1 6Z e t a 变换器 1 9 白光L E D 驱动方式 2 0 2 2 1 L E D 串联驱动方式 2 0 2 2 2 L E D 并联驱动方式 2 1 本课题设计方案的确定 2 2 芯片整体设计 2 4 外部元件选择 2 4 3 1 1 电感选择 2 4 3 1 2 输出电容选择 2 4 设计方案所涉及的几个关键技术 2 5 3 2 1 峰值电流模式P W M 控制技术 2 5 3 2 2P I D 相位补偿技术 2 6 3 2 3 斜坡补偿技术 2 8 3 2 4 同步整流技术 3 0 3 3 芯片系统结构及功能描述 31 3 3 1 芯片功能描述 3l 3 3 2 芯片典型应用电路及引脚定义 3 2 3 3 3 芯片内部框图及各模块功能简述 3 2 第四章关键子电路模块的设计和仿真 3 5 4 1 带隙基准电路 3 5 4 1 1 B o o s t 芯片中的P T A T 型带隙基准及其设计指标 3 5 4 1 2 带隙基准的电路实现 3 8 4 1 3 带息基准的仿真结果 4 2 4 2 电流检测电路 4 4 4 2 1 传统电流检测电路及其缺点 4 5 4 2 2 电流检测的电路实现 4 5 4 2 3 电流检测的仿真结果 4 7 4 3 自适应动态斜坡补偿电路 4 7 4 3 1 传统斜坡补偿电路及其缺陷 4 8 4 3 2自适应动态斜坡补偿电路的电路实现 4 8 4 3 3 自适应动态斜坡补偿电路的仿真结果 5 0 4 4 振荡器电路 5 2 4 4 1 传统振荡器电路及其缺陷 5 2 4 4 2 改进型振荡器的电路实现 5 2 4 4 3 改进型振荡器的仿真结果 5 4 4 5 误差放大器 5 5 4 5 1 误差放大器的电路实现 5 5 4 5 2 误差放大器的仿真结果 5 6 4 6 同步整流栅驱动模块 5 8 4 6 1 同步整流栅驱动模块的电路实现 5 8 4 6 3 同步整流栅驱动模块的仿真结果 6 1 4 7 P W M 比较器 6 2 4 7 1 P W M 比较器的电路实现 6 2 4 7 2 P W M 比较器的仿真结果 6 3 4 8 其他子模块的设计 6 4 第五章芯片全局电路仿真 6 6 第六章总结与展望 7 0 参考文献 7 2 发表论文和参加科研情况说明 7 5 致谢 7 6 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 白光L E D 简介 第一章绪论 L E D L i g h tE m i t t i n gD i o d e 发光二极管 是一种电致的光电器件 第一支 具有一定发光效率的L E D 于1 9 6 2 年诞生 当时用的是G a A s P 和G a P 作为发 光材料 只能发红色光 发光强度只有不到1 m c d 发光效率不到0 2 1 m W 仅 在指示器或指示灯方向有应用 2 0 世纪7 0 年代 材料研究不断深入 引入了I n 元素 使L E D 能产生黄光 橙光和绿光 发光效率提高到l m l W 并可应用于 显示领域 2 0 世纪8 0 年代 出现G a A I A s 材料制成的L E D 红 黄色L E D 发 光效率达到1 0 1 m W 2 0 世纪9 0 年代 出现可发出红光 黄光的G a A I I n P 材料 L E D 可发出绿光 蓝光的G a l n N 材料L E D 问世 发光效率也得到大幅度提升 19 9 3 年日本公司N a k a m o r a 率先在蓝色氮化镓L E D 技术上突破并很快产业化 2 1 9 9 6 年实现了白光L E D 1 9 9 8 年白光L E D 进入市场 白光L E D 是用红 绿 蓝三基色L E D 复合而成 可大量应用于电子设备背光照明 闪光灯 家用照明 等领域 它的出现 为L E D 进入照明领域奠定了基础 进入2 l 世纪后 随着人 们对光源质量 环保 能耗等问题的日益重视 白光L E D 得到了迅速发展 和传统照明光源相比 白光L E D 主要有如下优剧3 j 1 光源质量高 白光L E D 是由三基色L E D 复合而成 光的单色性好 光谱窄 不存在5 0 H z 频闪 没有紫外线B 波段 色温5 0 0 0 K 接近自然光太阳 色温5 5 0 0 K 2 发光效率高 白光L E D 无需过滤可直接发出色光 且其所有光谱几乎 全部集中于可见光区 都可被利用 可见光转换效率达到8 0 9 0 一般白炽 灯可见光转换效率仅为1 0 一2 0 发光效率目前可达到5 0 2 0 0 1 m W 而一些 传统光源例如白炽灯的发光效率为1 2 2 4 1 m W 荧光灯的发光效率为 5 0 7 0 1 m W 钠灯的发光效率为9 0 1 4 0 1 r n W 远远低于白光L E D 的发光效率 3 高节能 白光L E D 具有电压低 电流小 亮度高的特征 在同样的照 明效果上 一个1 0 W 的白光L E D 发出的光能与一个3 5 1 5 0 W 的白炽灯发出的 光能相当 与一个2 0 3 0 W 的荧光灯管发出的光能相当 4 安全环保 L E D 利用电能转化为光能 发热量低 无热辐射 是冷光 光L E D 的工作电流一致 往往采用串联的方式 这就要求相关便携式电子设备 内部需要提供一个1 0 V 2 0 V 的驱动电源 此外 便携式电子设备的电池电源在 实际使用中 电压会随其不断供电而呈现平滑降低 同时也可能会发生跳变波动 这样就会影响白光L E D 的发光质量 使其发光不稳定 而对白光L E D 作为背光 源或照明设备最基本的要求就是发光稳定 这样就需要一个能够升压 稳压 恒 流的驱动电路 使白光L E D 能够在宽范围变化的电压环境下稳定工作 6 2 第一章绪论 1 2 白光L E D 驱动电路国内外研究现状 目前 国内外已商业化的白光L E D 驱动电源集成器件大致分为线性调整型 电荷泵和开关电源三种类型1 7 1 2 1 线性调整型 线性调整型L E D 驱动电路是一种直流降压型驱动方式 其电路原理如图1 1 所利引 V 协 i 图1 1线性调整型L E D 驱动电路原理图 检测电阻R s e n s e 很小 一般不到l 欧姆 差分检测放大器将检测电阻R s e n s e 两端的微小检测电压比例放大后输入到误差放大器的负输入端 参考电压V r e f 接误差放大器正输入端 误差放大器输出控制P M O S 管 假设差分检测放大器 的电压放大系数为K 则负载发光L E D 的电流将稳定为 J 堕 1 LED 2 K x R s e n s e O 1 线性调整型L E D 驱动主要应用于蓄电池供电 以及部分大功率发光L E D 场 合 其特点是不存在开关噪声和驱动电流波纹 结构简单 不需外接电容和电感 但是由于白光L E D 的色温与工作电流直接有关 线性调整型驱动方案对白光 L E D 在亮度调节范围内的颜色一致性的控制能力很低 并且 线性调整型方案 对于电源电压有比较高的要求 需要电源电压较高 故线性调整型L E D 驱动多 用在车载照明 如车内L E D 阅读灯以及仪表盘背光源驱动等 第一章绪论 1 2 2电荷泵型 不 电荷泵型L E D 驱动是一种直流升压型驱动方式 其电路原理图如 V i I l 图1 2电荷泵型L E D 驱动电路原理图 电荷泵型L E D 驱动电路是由开关电容阵列 振荡器 逻辑电路和 成并实现升压 其采用电容储能 不需要电感 结构简单 集成度高 用于白光L E D 的驱动形式 目前市面上具有代表性的电荷泵驱动芯 N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r 公司的L M 2 7 9 3 M a x i m 公司的M A X 8 6 3 0 Y T e c h n o l o g y 公司的L T C 3 2 0 1 工作输入电压为2 7 5 5 V 输出固定5 V 率在0 5 1 8 M H z 电荷泵型L E D 驱动芯片虽然有输出电压波纹小 电磁干扰小 无电感利于 集成等优点 但由于升压效率受到限制 电荷泵的升压比一般在2 倍以下 在便 携式电子设备的低电压供电系统中最高只能提供1 0 V 左右的电压输出 无法采 用串联驱动白光L E D 故无法作为便携式电子设备的背光源白光L E D 驱动电路 1 2 3 开关电源型 开关电源型L E D 驱动电路是利用开关电源原理进行D C D C 直流变换的驱动 方式 其分为B u c k B o o s t 和B u c k B o o s t 等形式 可实现降压 升压和降 升压 功能 可使用不同电源电压的应用场合 是最具有应用前景的白光L E D 驱动电 路 其中B o o s t 开关电源型白光L E D 驱动电路原理图如图1 3 所示 如图1 3 所示 电感L 和电容C o u t 为储能元件 N M O S 管和整流二极管D 为开关元件 在B o o s tD C D C 控制器的控制下 N M O S 管不断开启和关闭 使 输入电压V i n 通过电感和电容的作用升高至输出电压V o u t 从而驱动L E D 升 压比由开关管占空比决定 而B o o s tD C D C 控制器根据R s e n s e 的反馈电压自动 4 第一章绪论 调节开关的占空比 从而调节输出电压的高低 使L E D 电流稳定在设定值 开关电源型L E D 驱动和电荷泵型相比 具有效率高 升压比高的特点 可 已有3 4 倍甚至更高的升压比 故驱动多个串联L E D 广泛应用在便携式电子 设备L C D 背光源照明驱动电路领域中 近年来发展最为迅速 目前市面上具有 代表性的开关电源型L E D 驱动芯片主要有N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r 公司的 L M 3 5 0 0 M a x i m 公司的M A X 8 5 9 5 L i n e a rT e c h n o l o g y 公司的L T 3 4 9 1 和T e x a s I n s t r u m e n t 公司的T P S 6 1 0 6 2 等等 1 图1 3B 0 0 s t 开关电源型白光L E D 驱动电路原理图 V o u t C o u t 然而 开关电源型L E D 驱动电路也有其自身的缺点 例如电路结构较为复 杂 电感无法集成需要芯片外接 输出波纹较大 器件较多存在电磁干扰等 但 随着技术的不断发展 一些缺点逐渐被攻克 开关电源型L E D 驱动技术也越来 越成熟 1 3 白光L E D 驱动器的发展趋势 目前 各大模拟集成电路厂商生产的白光L E D 驱动芯片功能虽然不同 各 有特色 但其发展趋势主要集中在以下几点 9 h i 一 高升压比B o o s t 驱动 随着便携式电子设备L E D 背光L C D 尺寸的增大 O L E D 屏幕的出现 需要有更高的电压提供以驱动多个串联的L E D 或O L E D 一些厂商分别推出了高升压比的白光L E D 驱动芯片 二 驱动电路高度集成 集成开关电源驱动芯片已成为电源设计的主流 代 表着稳压电源的方向 目前 控制电路和功率开关集成技术已经相当成熟 仅需 要储能电感和储能电容等少量元件外接 此外 还有厂家将线性调整型 电荷泵 目标和必要性 第二章 芯片方案设计 首先介绍了开关电源变换器六种基本结构的工作原 理和特点 然后讨论了几种白光L E D 驱动方式的优缺点 最后通过分析比较确 定了一种驱动芯片的设计方案 第三章 芯片整体设计 首先设计芯片外围电路 然后阐述了设计方案中所 涉及的几个关键技术 最后定义芯片规格 描述芯片功能并简要介绍芯片框图和 片内各模块功能 第四章 子电路模块设计与仿真 对本设计中的子电路模块进行设计和分析 6 第一章绪论 对带隙基准电路 电流检测电路 自适应斜坡补偿电路 振荡器电路 误差放大 器模块 同步整流栅驱动模块以及P W M 比较器模块七个模块的工作原理以及具 体电路实现都作了较为详细的阐述 给出了其典型情况下的仿真结果并做了详细 的分析 对芯片内其它电路模块设计也作了简单的介绍 第五章 对整个芯片进行全局联合仿真 仿真结果表明达到预期指标 第六章 对本文进行总结 并对该课题今后研究方向提出展望 图2 1B u c k 变换器电路的基本结构 为分析B u c k 变换器电路的稳态特性 简化公式推导 假设图2 1 中所有电 子元件均为理想元件 也就是说 假设开关N M O S 管和整流二极管的导通和截 止的建立时间都为零 同时它们的导通压降和截止漏电流也都为零 电容等效串 联电阻为零 电感寄生电阻为零 导线阻抗为零 B u c k 变换器的工作过程如下 通过开关管N M O S 栅极电压K 来控制N M O S 的开关状态 当开关管N M O S 导通时 二极管D 承受反向压降 B u c k 变换器工 作状态如图2 2 a 所示 此时电流I L i 1 流过电感L 在电感储能未饱和前 电流 线性增加 在负载R 上留过电流l o u T 两端输出电压V o L r r 极性上正下负 I o u T 和V o u T 存在固定比例关系 且均存在相应的纹波信号 I o 和A V o 由于输出电容 存在滤波作用 A I o 和A V o 极小 当I L I O u T 时 电容处于充电状态 反之则处在 第二章芯片方案设计 放电状态 当开关管N M O S 断开时 由于电感L 中磁场将改变其两端的电压极 性 以保持其电流I L 不能突变 二极管D 承受正向压降导通 B u c k 变换器工作 状态如图2 2 b 所示 此时储能电感L 和输出电容C 同时向负载R 供电 故负 载R 两端电压仍是上正下负 由于输出电压V o u T 小于电源电压V I N 故称为降 压变换器 在开关管开启的t O N 工作状态 输入电流I I N O 而当开关管关断的t o F F 工作状态 I n I O 故I I N 是脉动的 但输出电流l O U T 在电感 电容的作用下却是 平稳的 仅存在很小的波动 I o 在实际使用中通常使用较大的储能电感 以减 小纹波电流A I o V i I lC a b 图2 2B u c k 变换器电路的两种工作状态 按电感电流在每个周期 t o N t o F F 开始时是否从零开始 B u c k 变换器可分 为电感电流连续工作模式 C C M C o n t i n u o u sC u r r e n tM o d e 和电感电流不连续 工作模式 D C M D i s c o n t i n u o u sC u r r e n tM o d e 电感电流连续工作模式的工作波形如图2 3 所示 设一个开关周期为T s 开 关管N M O S 闭合时间t o N t l D i T s 开关管N M O S 断开时间t 0 F F t 2 t l D 2 T s 称 D l 为开关闭合时间占空比 体现了开关闭合时间占周期的百分值 称D 2 为断开 时间的占空比 体现了开关断开时间占周期的百分值 D l 和D 2 均小于l 显然 在连续工作模式下D I D 2 I 图2 3 中 A V o 是输出电压的纹波 通常是毫伏量 级 极小 在输入输出不变的前提下 在开关管N M O S 处于闭合状态时 波形如图2 3 中T o N 段所示 电感电流线性增加 其增量为 虬 e 1 毕a c t 毕仁毕q 疋 2 1 L 南fT l f l 当开关管N M O S 处于断开时 波形如图2 3 中T o F F 时间段所示 电感电流 增量为 业 一J 2 挚 一年o 1 一孚瞩 2 2 9 第二章芯片方案设计 将 2 1 和 2 2 联立 可得式 2 3 如下 与等 孚 竽 1 D I 皿 整理得到 2 4 式如下 V o c 7 D l 由于D 1 1 故 u T 令M 为电压增益 则 M 堑 D V i N 如式 2 5 所示 电压增益M 与占空比D 1 成正比例关系 V D V L h V o t r r L t o F F 一 l v I N v o U T 多 7 小 L 电容平均苎鎏珠 图2 3 B u c k 变换器在电感电流连续工作模式 C C M 下的主要波形 当电感L 较小 负载电阻较大 或T s 较大时 将在开关管N M O S 断开 内出现电感电流下降到零 新的周期却尚未开始的情况 当下一个周期到来时 电感电流I L 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 D C M D i s c o n t i n u o u sC u r r e n tM o d e 其工作波形如图2 4 所示 在D C M 工作模式下 当开关管N M O S 闭合时 波形如图2 4 中T o N 段所示 电感电流线性增加 其增量为 1 0 第二章芯片方案设计 A 1 L f 1 与等以 与竽仁等等 由 1 1 o 当开关管N M O S 处于断开时 波形如图2 4 中T O F F 时间段所示 增量为 虬 一j 2 挚 一半o 1 一竽D 2 T s 将式 2 6 与式 2 7 联立可整理得到 等等 竽 整理可得 V O U Tm 击 V D 2 6 电感电流 2 7 图2 4 B u c k 变换器在电感电流不连续工作模式 D C M 下的主要波形 2 8 2 9 在B u c k 变换器中 由于开关管N M O S 的源极没有接地 这就给栅极的驱动 带来一定的麻烦 14 1 为了解决这一问题通常有两种控制方法可供选择 l 开关 管采用N M O S 以在导通电阻相同的情况下减小面积 但会使控制电路复杂性增 的开关状态 当开关管N M O S 处于闭合位置时 B o o s t 变换器工作状态如图2 6 a 所示 此时电流流过电感L 在电感储能饱和之前 电流I L 线性增加 电能以磁 能的形式存储在电感L 中 此时 电容C 向如在R L o A D 放电 R L o A D 上流过电流 I o R L o A D 两端为输出电压 极性上正下负 由于开关管N M O S 导通 二极管D 承受反向压降 故电容不能通过开关管放电 当开关管N M O S 处于断开位置时 B o o s t 变换器工作状态如图2 6 b 所示 此时由于电感L 中电流不能突变 其储 第二章芯片方案设计 存的磁场能量将改变线圈L 两端的电压极性 此时相当于电感电压V L 与电源电 压V I N 串联 以高于V l N 的电压同时向电容C 充电和向负载R L O A D 供电 此时 R L O A D 的电压极性仍是上正下负 由于以V L V I N 向负载供电 V o u T 高于V I N 故称为升压变换器 工作中输入电流I r N I L 是连续的 但是流经二极管D 的电 流却是脉动的 由于电容C 存在充放电和滤波作用 负载R L o A D 上有稳定 连续 的负载电流I o 仅存在极小的纹波电压A V o 按电感电流I L 在每个周期 T o N T o F F 开始时是否为零 B o o s t 变换器可分 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 l 酬 B o o s t 变换器在电感电流连续模式的工作波形如图2 7 所示 令开关周期为 T s 开关闭合时间t o N t l D 1 T s 开关断开时间t O F F t 2 t l D 2 T s 称D l 为开关闭合 时间占空比 称D 2 为断开时间的占空比 体现了开关断开时间占周期的百分值 在连续工作模式下D l D 2 l I L I c V o U T 1 f 圈2 7B o o s t 变换器在电感电流连续工作模式 C C M 下的主要波形 B o o s t 变换器在电流连续工作状态时 当输入输出电压保持不变的前提下 当开关位于闭合时 波形如图2 7 中t o n 段所示 电感电流线性上升 其增量为 虬 孚D i 咒 2 1 0 第二章芯片方案设计 当开关位于断开时 波形如图2 7 中t o F F 段所示 电感电流线性下降 其增 量为 k L 一气孚明 2 1 1 稳态时电感电流的上升下降变化量相等 将式 2 一1 0 与 2 1 1 联立简化得到电 压增益M 为 M 孕 上 一1 2 1 2 1 一D ID 2 由于D 2 0 5 通过传输函数可知 整个系统的零极点一共有三 个 其中在咖处有一对双重极点 在睨处有一个右半平面零点 它们对整个系 统的稳定性产生了严重的不良影响 其中双重极点会在咖为中心的两个十倍频 内产生 1 8 0 0 的相移 而右半平面零点的存在会使得在峰值电流控制P W M 系统 中的传输函数带来一9 0 0 的相移 在双重极点和右半平面的作用下 系统的相位裕 度大约为 9 0 0 所以必须对系统进行相位补偿 解决上述相位裕度问题的方法是采用P I D 补偿 P I D 补偿是一种通过比例 第三章芯片整体设计 积分 微分控制的调节方式 和其他补偿方式相比 P I D 补偿在不降低调节速度 额同时 还保证了系统的控制精度 可以全面提高系统的控制性能 在峰值电流 P W M 控制系统中P I D 补偿通过误差放大器反馈环路实现 其具体电路如图3 2 所示 图3 2误差放大器的P I D 补偿网络 图3 2 所示的补偿网络传递函数可以表示为 日 G 0 R 1 1 C s 万X 1 R 一2 C s 3 4 l L 一2 J 补偿网络的传递函数中包含两个零点 可以通过其抵消系统传输函数的双重 极点 只需要补偿网络的零点恰好处于系统的双重极点处 因此可以得到式 3 5 中的限制条件 R l C l R 2 C 2 C O o 3 5 此外 补偿网络传输函数中有一个频率为0 处的极点 它会使得系统在低频 时产生 9 0 0 的相移 若补偿后系统增益带宽大于1 0 c o z 那么系统右半平面零点 仍然提供 9 0 0 的相移 最后的系统相位裕度将会是0 系统仍然达不到稳定的要 求 所以为了保证系统有足够的相位裕度 必须让系统在补偿后的增益带宽小于 眈 使得主要相移来自补偿网络在零点处的极点 此时主电路系统的右半平面零 点不会提供额外的相移 在误差放大器采用P I D 补偿结构的情况下 通过式 3 3 3 4 可知 系统的 传输函数为 G G 归G A S 1 一 一 C O z 2 茜 0 R t C s X 1 R 2 C 2 s 3 6 R C s 通过式 3 5 可得系统增益带宽为 大器输出信号V E 进行比较 在占空比大于5 0 时 峰值电流模式P W M 控制的 电感电流波形如图3 3 所示 第三章芯片整体设计 V E 面一 b 图3 3占空比D 5 0 时电感电流存在扰动时及斜坡补偿作用示意图 a 未加斜坡补偿 b 加斜坡补偿后 如图3 3 所示 V E 为误差放大器输出 用于设定电感电流峰值 I o 是电感 上的扰动电流 K 1 K 2 分别是电感电流的上升和下降斜率 当占空比 5 0 时 扰动电流A I o 引起的误差 I l 将大于 I o 因此在该占空比下 扰动信号将被持续 放大 造成系统的不稳定 采用斜坡补偿后 如图3 2 b 所示 A 1 1 A I o 扰动信 号逐渐衰减 系统稳定性得到改善 通过几何知识可知 补偿前 l 一 o 争 3 9 A 2 在采用斜坡补偿后 卟啦拦 3 l o 由于系统稳定必须满足A 1 1 A I o 则由上式可得 一坐 一0 5 K 2 0 5 K l 删 3 1 2 通常选取补偿斜率一0 5 K K 一K 当K 一K 时扰动信号可在一个周期 内得到校正 采用斜坡补偿技术 还可以解决当输入电压出现扰动时电感电流峰值不收敛 于平均电流的问题 若不加斜坡补偿 不同占空比下峰值电流模式P W M 控制系 第三章芯片整体设计 统的误差放大器输出和电感电流的波形如图3 4 a 所示 V E I a v 9 3 I a v 庐 k l a b 图3 4峰值电流模式P W M 控制系统中误差放大器输出和电感电流的波形 a 未加斜坡补偿 b 加斜坡补偿后 如图3 4 a 所示 随着占空比发生改变 平均电感电流发生变化 会导致输 出电压发生改变 在加一个斜率为一K 的斜坡补偿之后的电感电流波形如图3 4 b 所示 数学上可以证吲2 8 1 当K 0 5 K 时 可以出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 3 2 4 同步整流技术 传统的开关电源整流管一般为肖特基二极管 其正向压降为0 4 0 6 V 在低 压大电流或低功耗设计时 二极管损耗所占比例增加 导致开关电源转换效率大 幅下降 为了提高开关电源转换效率 在上个世纪8 0 年代开关电源设计师开始采用 同步整流 S R 技术 即将有源功率M O S F E T 来代替肖特基二极管并实现整流 功能的技术 2 9 1 采用功率M O S 管做同步整流的B o o s tD C D C 变换器原理图如图 3 5 所示 二 图3 5 B o o s tD C D C 开关电源同步整流原理图 3 0 第三章芯片整体设计 如图3 5 所示 在同步整流开关电源电路中 传统肖特基二极管由一个P M O S 整流管代替 并要求其栅极控制电压于功率管N M O S 的栅极控制电压保持相同 的相位 由于整流管传输的电平很高 若采用N M O S 作为整流管 则需要采用 一个比其传输电平高0 7 V 左右的电平来驱动其栅极 而B o o s tD C D C 开关电源 电路中无法产生这个比主电路输出还高的电平 若采用和输出同电平的方波驱动 N M O S 整流管栅极 那么整流管的源极 系统的输出 会比栅极至少低一个阈 值电压 O 7 V 左右 不仅会造成阈值的损失 而且和其假设 栅极控制和输出 电压同等电平 相矛盾 综上所述 同步整流管只能采用P M O S 功率管 同肖特基二极管相比 P M O S 功率管作为同步整流管有如下优点 正向压降 小 导通电阻小 阻断电压高 反向电流小等 7 由于P M O S 功率管作为同步整 流管可大幅降低其功率消耗和功率损耗 故可以显著提高系统的转换效率 并且 整流管可以集成在控制芯片内 并可实现负载隔离 但是P M O S 功率管作为同步整流管需要有对其较复杂的逻辑控制电路 驱动 电路和保护电路 并且 由于流经开关管N M O S 和整流管P M O S 的电流较大 为减少其导通损耗就需降低其等效电阻 这就需要功率管有较大的宽长比 上万 数量级 因此其所占芯片面积较大 值得注意的是 由于P 沟道功率器件的空 穴迁移率是电子的三分之一左右 所以P M O S 电流驱动能力较低 故整流P M O S 功率管的宽长比要比开关N M O S 功率管大很多 但是 开关管和整流管的宽长 比并非越大越好 由于M O S 管存在导通 开关 驱动和体二极管损耗 较大的 宽长比会给其带来较大的栅极电容 从而增加其容性损耗 故在选择功率管时必 须在导通电阻和栅极电容间折衷 使功率管各因数最优化 以提高电路整体效率 3 3 芯片系统结构及功能描述 3 3 1 芯片功能描述 本课题设计的是一款峰值电流P W M 控制模式的B o o s tD C D C 单片集成升压 芯片 其实现的功能为 输入电压范围2 V 6 V 输出电压为1 7 7 V 2 0 7 V 典型 应用条件下输入电压为5 V 输出2 0 V 输出电压纹波不大于0 1 V 工作温度范 围 4 0 C 9 0 C 转换效率高于8 5 典型运用时输出电流2 3 5 m A 静态电流 1 4 m A 1 M H z 固定开关频率 最多可驱动5 个L E D 集成M O S 开关管和整流 管 集成欠压保护 过压保护 短路保护 过温保护 过流保护功能 构 内置开关管和同步整流管 芯片内部包含带隙基准 使能电路 控制电路 反馈电路 驱动电路和保护电路等模块 该芯片内部模块框图如图3 7 所示 第三章芯片整体设计 L K F B E N 图3 7芯片内部功能模块框图 由于开关管导通时 瞬间有大电流通过电感流到地 故将开关管的源极单独 接一个地极引脚P G N D 防止出现地弹反应而影响其他模块的正常工作 2 3 该芯片中各模块功能如下 l 带隙基准 为芯片中误差放大器 过流保护 欠压保护等模块提供0 9 V 的基准电压 并为芯片中其他模块提供偏执电流 2 振荡器 1 M H z 的C M O S 振荡器 决定系统工作频率 为芯片提供时钟 信号 3 电流检测 采样并跟踪开关管上的电流波形 送入斜坡补偿模块 4 斜坡补偿 将电流检测模块得到的采样电流 补偿叠加一个和占空比大 小相关的正斜率波形 送入P W M 比较器 5 误差放大器 组成P I D 负反馈环路应用 实现对系统稳定性能和动态性 能的调节 并为P W M 比较器提供适当的参考电压 6 P W M 比较器 将误差放大器提供的参考电平与斜坡补偿模块输出的斜升 波相比较 输出波形的上跳沿通过控制逻辑栅驱动模块将开关管N M O S 关闭 将整流管P M O S 开启 7 启动电路 当芯片的输入电压比输出电压高时 帮助系统从零输出电压 状态过渡到与电源电压同等电平 防止系统锁死或者系统在启动期间可能出现的 冲击电流对芯片造成损害 从而实现软启动功能 8 控制逻辑 控制芯片中开关管和整流管的工作状态 9 栅驱动 为驱动较大宽长比的功率管并实现同步整流和负载隔离 第三章芯片整体设计 1 0 过压保护 对输出电压进行检测 当输出电压过高时通过向控制逻辑输 出信号将芯片停止工作 保护芯片内部器件不被高压所损坏 l l 过温保护 当芯片温度过高时 通过向控制逻辑输出信号将芯片停止工 作 保护芯片内部器件不被高温所损坏 1 2 过流保护 当开关管采样电流过大时 通过向控制逻辑输出信号将芯片 停止工作 保护开关管不被过大的电流所损坏 1 3 短路保护 当芯片的输入电压比输出电压高时 通过向控制逻辑输出信 号将芯片停止工作 防止电感以及芯片内部器件损坏 1 4 欠压保护 当芯片输入电压过低时 通过向控制逻辑输出信号将芯片停 止工作 防止电池过放电而损坏 第四章关键子电路模块的设计和仿真 第四章关键子电路模块的设计和仿真 上一章对本课题的整体架构 芯片中各模块的功能以及方案所涉及的几个关 键技术做了论述 本章介绍用0 3 5 p r o5 VS A L I C I D EA N A L O GP R O C E S SW I T H P L D D 工艺对芯片中的各关键模块 包括带隙基准电路 电流检测电路 自适应 斜坡补偿电路 振荡器电路