（微电子学与固体电子学专业论文）电流控制模式白光led驱动芯片设计.pdf

摘要 摘要 伴随着半导体材料的发展，白光l e d 成为小型彩色l c d 背光照明的最佳选 择。由于便携式应用对白光l e d 亮度均匀性的要求，以及白光l e d 自身的正向导 通电压大、电学参数离散性大、容易受温度影响等特点，需要设计专门的电源管 理芯片来驱动白光l e d 。电流模式d c d c 变换技术是在电压模式控制的基础上， 增加了电流反馈环，实现了电压和电流的双环反馈控制。由于这种控制方式具有 响应时间快，稳定性高，内在限流保护等特点，因此近年来电流模式控制方式在 电源管理芯片中得到了广泛的运用。 本论文在研究了脉宽调制方式的电流模式d c d c 变换器的实现技术的前提 下，设计了一款高效率、输出电流可调的升压型d c ，d c 变换器控制i c ，应用于白 光l e d 驱动。该芯片内置1 2 m h z 振荡器，并有过流保护、开负载保护等保护电 路，负载l e d 电流在5 m a 4 0 m a 范围内可根据应用需求自由调节。 本文首先阐述了电流控制模式d c ，d c 变换技术的基本工作原理，对比了电流 控制和电压控制两种模式，分析了各自的优缺点，之后根据应用要求进行了电路 的整体结构设计。在整体结构设计中，与典型的电流模式采用电感电流反馈环路 和输出电压反馈环路不同，本文针对驱动l e d 需要电流稳定的特点，采用双电流 反馈环路，即电感电流环路和负载l e d 电流环路，这样就能对负载l e d 电流做出 快速响应，通过反馈环路达到稳定l e d 电流的目的。 本文完成了各个单元电路的分析与设计，着重分析了带隙基准源、振荡器、 采样和过流保护、负载l e d 电流控制和开负载保护五个子电路，对其余子电路也 作了简要分析。在子电路设计中，利用耗尽型m o s f e t 降低模块工作电平、低功 耗电流采样技术，降低了功耗，提高了转换效率。 在完成原理分析和电路设计的基础上，本文应用h s p i c e 对各个子电路模块和 整体电路进行了功能仿真和量化模拟，仿真结果都达到设计预期，说明本文利用 电流模式d c ，d c 变换技术设计的白光l e d 驱动芯片具有良好的性能。 关键词：l e d 驱动电路，电流模式，d c d c 变换器，脉宽调制 a b s t r a c t a b s t r a c t a sm ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，w h i t el e dh a sb e c o m em eb e s t s e l e c t i o nf o rs m a l lc o l o rl c d b a c k l i g h t i n g d u et oc h a r a c t e r i s t i c so fw h i t el e ds u c ha s l a r g ef o n v a r dv o l t a g e a i l dh i g ht e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y a i l dn e c e s s i t yo fu n i f o n n b r 堙h t n e s sr e q u i r e m e n t o ft 1 1 e p o n a b l e印p l i c a t i o n ， s p e c i a l l yd e s i g n e dp o w e r m a n a g e m e n ti ci sn e e d e d c 1 1 r r e n t _ m o d ed c d cc o n v e n e ra d d sac u 玎e n tf e e d b a c k l o o o nt h eb a s eo fv 0 1 t a g e m o d ec o n 臼o l ，a c h i e v i n gb o 也c u r r e n ta n dv o i t a g ef e e d b a c k l o o pc o n t r 0 1 d u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c so ff h s tr e s p o n s e ，g o o ds t a b i l i t y ，i n h e r e n tc u r r e n t l i m i t i n 昏c u h e n t - m o d cc o 胁o l l e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di np o w e rm a n a g e m e n t c i r c u i t s t h ep w mc u f r 。e n t - m o d ed c d cc o n v e r t e ri sf i r s t l ys t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ， a f t e rt h a t ，ah i g he f 前c i e n c y ；c u r r e mr e g u l a t i n gb o o s td c d cc o n v e n e rf o rl e dd r i v i n g i sd e s i g n e d a1 2 m h zo s c i l l a t o ra n dt h eb u i l d i n gb l o c k sf o rp r o t e c t i o ns u c ha so v e r c u r r e n tl i m i t i n g ，o p e n c i r c u i tl o a df 孙hp r o t c c t i o na r ea l s o i m e 铲a t e d t h el e d1 0 a d c u r r e n ti sp r o g r a n l m a b l ew i t l lm er a n g eo f5 m aa n d4 0 m a t h ef 洫出m e n tp r i n c i p l eo fm o n o l i t l l i cc u r r e n t _ m o d es w i t c h i n gr e g u l a t o ri s 丘r s t l y i m r o d u c e d ， w h i c hi sf o l l o w e d b y a c o m p a r i s o n b e t w e e n - c u r r e n t - m o d ea 1 1 d v o l t a g e - m o d ec o n t r o ls c h e m ew h e r et h em e r i t sa n dd r a w b a c k so f b o t hc o n v e n e r sa r e d i s c u s s e da n da 1 1 a l y z e di nd e t a i l n e x t ，t l l eg l o b a ls y s t e ma r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e d u p o nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s d u et om ef 犯t 吐1 a tc o n s t a n tc u r r e n ti sr e q u i r e df o r “v i n gu j d ，a sar e s l l l t ，d i 丘b r e n t 丘o mc o n v e n t i o n a lc u r r e n t m o d ec o n v e n e rw i 也b o t l l o u t l ) u iv o l t a g ea n di n d u c t o rc u r r e n tf e e d b a c kl o o p ，m ep r o p o s e dc o n v e n e ra d o p td u a l c u r r e n tf e e d b a c kl o o pt 1 1 a tb o t l li n d u c t o rc d r r e n ta n do u t p u tc u r r e n ta r ed e t e c t e dt o p r o v i d eas t a b l eo u 哆u tc 岍e n tf o rl e d t h es y s t e me x h i b i t sf a s tr e s p o n s ef o rm el o a d c u r r e n td i s t l l r b a n c ea n dt h es y s t e ma l w a y s o p e r a t e sa td i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n c u r r e n tm o d es ot h a tn os l o p ec o h 巾e n s a t i o ni st e q u i r e d 确dh i 曲e m c i e n c yw i l lb e a c h i e v e dw h e nd r i v i n g4l e d s t h ed e s i g na 1 1 da n a l y s i so fs u b - b l o c kc i r c u “sa r ep r o v i d ei n 也et 1 1 e s i sw h e r eb a n d g a pr e f b r e n c e ，o s c i l l a t o r ，c u n n ts e n s i n ga 1 1 do v e rc u r r e mp r o t e c t i o n ，l e d1 0 a dc u r r e n t t t a b s 廿a c t c o n 仃o la 1 1 do p e nl o a dp r o t e c t i o na r ed e t a i l e dd i s c u s s e d ，a n do t h e rs u bc i r c u i t sa r e 晰e n y a 1 1 a l y z e d t h ed e p l e t i o nm o s f e ta 1 1 dl o wp o w e rc u r r e n ts e n s i n gt e c l l l l 0 1 0 9 ya r eu s e d i nm ed e s i g nt oa l l o wt 1 1 el o wp o w e rc o n s 啪p t i o n b a s e do n 也e 也e o r e t i c a la n a i y s i sa n dc i r c u i td e s i g n ，a l ls u b c i r c u i t sa i l dt h ew h o l e c h i pc i r c u i ta r es i m u l a t e db yh s p i c e ，w h o s er e s u l t sm d i c a t et 1 1 a t 血ei ch a sa c h i e v e dm e d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w h i c hd e m o n s 订a t e st h ee x c e l i e n tp c r f o m a n c eo f 、v h i t eu 三d d r i v e r i cr e a l i z e db yc u 玎e n t m o d ed c d cc o n v e r t e rt c c h n o l o g yi nt l l i sm e s i s k e y w o r d s ：l e dd r i v e r ，c u r r e n t m o d e ，d c d cc o n v e r t e r p w m i i i 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注和致谢的地 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 卫盎匿日期：如哂年月眉日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：酚压 导师签名 日期：o 第一章引言 第一章引言 发光二极管( l e d ) 是p 小结型半导体，它具有小型、抗震、坚固、寿命长、 不易发热、低耗电量且功能稳定等特性。如今的移动电话和p d a 用户对背光和显 示色彩的要求越来越高，特别的色彩或声音等外在特色已成为移动电话和p d a 产 品的卖点，也是产品能否在市场上取得成功的关键。 今天增长迅速的移动电话和p d a 用户群都是一些年轻和追求时尚的人，他们 希望移动电话具有多种背光色彩、夜光照明按键，并能以不同色彩显示来电，不 过这一切只是个开始，新一代移动电话已配备全彩色显示屏和内置照相机。为了 在新兴的市场中取得成功，设计人员必须利用先进的l e d 和l e d 驱动技术。 目前有两种基本的l c d 技术来显示彩色，分别采用超扭曲向列( s t n ) 或薄 膜晶体管( t f r ) 显示，这两种方式都需要自光背光照明。因为背光光谱包含了所 有颜色，而显示器的滤色镜会从白光光谱中挑选所需的颜色，如果光谱不是完全 白光，色彩便会失真扭曲，显示也会变得混浊【1 1 。 过去电致发光( e l ) 与冷阴极荧光管( c c f t ) 被广泛用于产生白光光谱，而 现在的发展趋势是在彩色显示背光照明中使用自光l e d 。白光l e d 的结构非常紧 凑，具有更长的寿命和更低的功耗，工作电压也比高压的e l 和c c f t 方案低很多， 因而成为理想的低成本方案。事实上，l e d 是现在移动电话、p d a 等便携式产品 中最流行的照明选择【2 j 。 1 1 白光l 印特性 现在市场上广泛使用的白光l e d 基本上是以单晶型白光l e d 为主，单晶型白 光u d 采用发光晶粒为蓝色、紫色或近紫外光发光晶粒，晶粒材料都是宽带隙化 合物半导体材料，这样白光l e d 的正向压降比一般的有色l e d 要高。红光黄光 的u m 驱动电压只要1 v 2 v 左右，而白光l e d 的正向电流为2 0 m a 的情况下， 正向电压一般为3 v 4 v 之间。不仅如此，在同一正向电压下，流过白光u m 的 电流也有很大的离散性，对于不同白光m 生产商的产品，即使是同个产商的 产品之间，在采用相同电压驱动时，正向电流也会有偏差。 自光l e d 在正向导通后其正向电压的微小变化将引起l e d 电流的很大变化， 电子科技大学硕士学位论文 并且环境温度，l e d 老化时间等因素也将影响l e d 的电气性能。而l e d 的光输 出直接与l e d 电流相关，所以l e d 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变 动的情况下最好能控制u d 电流的大小。否则，l e d 的光输出将随输入电压和温 度等因素变化而变化。 1 2 白光l 印驱动方式 白光l e d 的发光辉度由驱动电流决定，当u 两端电压发生波动，驱动电流 就等比的产生波动从而影响l e d 的发光辉度，造成其发光质量下降。对于移动电 话、p d a 等便携式电子产品的一个完整的背光照明方案，最基本的要求是l e d 发 光亮度的稳定，以及在整个背景屏幕上亮度均匀。然而，由于单节锂电池的典型 电压为3 6 v ，但是白光u 的工作电压典型值为3 6 v 4 2 v ，并且在大多数应 用条件下，单个白光l e d 是不够的，需要同时驱动3 6 个l e d ，而要确保他们 的发光强度和色彩一致，将l e d 串联是最有效的办法，因此单节锂电池无法直接 驱动自光l e d ，而且l e d 需要面对宽范围变化的电源电压和很大电磁干扰情况下 的应用环境，必须有能够提供稳定的输出电压或电流的驱动电路【3 l 。 表卜1 电荷泵和电感升压d c d c 变换器驱动白光l e d 优缺点比较 电荷泵电感升压d c d c 变换器 并联方式驱动白光l e d串联方式驱动白光l e d 低e m i 辐射，低噪声高e m i 辐射，高噪声 流过每个l e d 的电流不相同流过每个u d 的电流相同 需要预先分档选择l e d 正向导通电压，考虑应用时无需考虑l e d 正向导通电压离散性 其离散性对亮度的影响 无需电感，设计面积小，应用成本低需要电感，设计面积大，应用成本高 容错设计，当一个l e d 失效，其他u m 仍无容错设计，当一个l e d 失效，所有l e d 会发亮都不会发亮 l e d 需要多个连接端引出仅需要两个到u d 串的连接端 l e d 的亮度控制可以单独完成所有l e d 具有相同的亮度水平 l e d 效率较低l e d 效率较高 白光u 驱动电路两种最佳的解决方案是采用电荷泵或采用电感升压型 d c 仍c 变换器。表1 1 给出了电荷泵和电感升压型d c d c 变换器驱动白光l e d 2 第一章引言 优缺点比较。 当驱动并联l e d 时选用电荷泵结构较好，因为电荷泵在升压比( 输出电压与 输入电压的比) 较低时可获得较高的效率，但它只能提供有限的输出电压范围， 绝大多数电荷泵输出电压不超过输入电压的两倍；若驱动所需电压较高的串联白 光l e d ，大多数设计采用电感升压型d c d c 变换器。 1 3 白光l 印驱动器的发展趋势 目前，用小功率白光l e d 做l c d 背光照明的驱动器在数量上是占首位的， 产量极大。作为照明灯、闪光灯的中功率或大功率白光l e d 驱动器由于应用时间 不长，还有很大的发展空间。 驱动器是随着白光u m 的应用发展而发展的，最有发展前途的是将现有汽车 上的白炽灯更换成l e d 灯。现在汽车上已有刹车灯、转弯灯、散雾灯采用l e d 来 代替白炽灯。从发展来看，车内的照明灯、倒车灯及前车灯都有可能用大功率l e d 来代替。虽然其中有不少是红色l e d 或黄色l e d ，但目前超高亮度白光l e d 的 光强最大，用这种超亮度白光l e d 配上红色或黄色l e d 透明塑料罩代替红色l e d 或黄色l e d ，可能会有更好的效果。由于u m 机械强度大、抗振能力强、寿命长、 耗电省，可组成节电的免维修的汽车灯( 因为它的寿命比汽车本身的寿命还长) 。 汽车的电瓶电压目前是1 2 v ，由于汽车的用电量越来越大，将来的标准电压是4 2 v ， 则开发4 2 v 供电的汽车用驱动器将是一种发展的新产品。汽车照明灯是白光l e d 的一个大用户，大功率驱动器有很大的发展空间。 近年来，逐步推广节能荧光灯有较好的节电效果。采用市电供电的白光l e d 灯( 螺扣灯泡) 已上市，有一种l e d 的功率为2 2 w ，而亮度却相当于2 5 30 w 的白炽灯，驱动器电路做在灯头里，使用十分方便，省电效果比节能的荧光灯更 好，并且寿命长达1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 小时。从发展来看，用市电供电的驱动器是发展 的大方向【4 1 。 另外，白光l e d 驱动器作为开关电源的具体应用，也随着开关电源围绕提高 集成度、提高效率、提高控制精度和小型轻量化方向发展【5 】【6 j 。 1 、提高集成度。集成开关电源已成为电源设计的主流，代表着稳压电源的发 展方向，被誉为高效节能电源。发展到今天，功率集成电路控制芯片把控制电路 和功率开关集成到一起，外部仅需少量的电感、电容元件就可方便地构成开关电 源。可以预期，随着电感元件在芯片上集成技术的日渐成熟，白光l e d 驱动器等 电子科技大学硕士学位论文 开关电源系统的集成度会更高。 2 、提高电源转换效率。提高电源的转换效率意味着降低电源的损耗。开关电 源的损耗主要包括两种：开关元件导通时，电流流经开关的导通电阻，产生导通 损耗；开关元件在导通、截止间转换时，由开关管的栅源电容充放电引起的开关 损耗。针对减少这两项损耗，分别发展了同步整流技术和软开关拓扑结构。 3 、提高控制精度。控制方式由初期的电压单环反馈控制发展到电压、电流双 环反馈控制，其中基于平均电流控制的p w m 控制技术能实现对电感电流平均值的 精确控制，己成功应用在功率因素矫正电路中。此外，还出现了电荷控制技术等。 4 、小型轻量化。白光l e d 驱动器的体积越来越小。随着集成度的提高，白 光l e d 驱动器等开关电源所需要的外围元件越来越少：随着开关频率的提高，系 统所需要的电感、电容元件值降低，电感、电容元件占用的体积减小。 1 4 本文工作的意义及工作简介 随着各种电池供电便携式电子产品的快速增长，对电源管理芯片，特别是 d c d c 变换器的需求将进一步扩大。而电流控制模式由于其具有更好的电压调整 率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性得以明显改善，特别是其内在的限流 能力和并联均流能力可以使控制电路简单可靠，该技术在上世纪8 0 年代初公开以 后就受到广泛的重视。目前，小功率d c d c 变换器正从电压控制模式向电流控制 模式方向转化。 另外，近年来，手机不断更新换代，普及率越来越高，数码相机大有取代传 统相机之势，汽车上的白炽灯正逐步更换成l e d 灯，促使白光l e d 及其驱动器的 产量猛增。为满足不同输入电压、不同的输出电流及不同的1 _ j e d 数等要求，各半 导体器件公司纷纷开发出各种新型白光l e d 驱动器以满足市场的需要。美国国家 半导体公司便携式系统电源管理产品部副总裁p e t e r h e n r v 指出，由于移动电话继 续朝着多功能智能化的方向发展，因此预计发光二极管驱动器的需求量会持续增 加。例如，目前普通的移动电话一般只采用2 至4 颗发光二极管驱动器，但功能 更加丰富的双屏照相手机需要7 到9 颗发光二极管驱动器，才可满足灯光方面的 要求【7 】。电流控制型白光l e d 驱动电路因为线性调整率和负载调整率非常好的优 点成为目前设计的热点。 需要说明的是，白光u d 驱动电路除可驱动白光u m 外，它也可驱动蓝色 l e d 或其他颜色l e d 。另外，由于它具有稳定输出或可编程恒流输出的特点，也 4 第一章引言 可用作稳压电源或可编程恒流源。 本文主要从大信号特性、稳定性、电压和负载调整率等方面对电流模式d c d c 变换技术作了分析，设计了一款具有两个电流环路的电流控制模式白光l e d 驱动 电路芯片。该驱动电路适用于多种便携式设备。 本文主要由以下部分构成： 第一章：引言。介绍白光u m 特性、驱动方式、驱动器的发展趋势和本文工 作。 第二章：d c d c 变换器原理与分析。介绍了d c d c 变换器的拓扑结构、调制 方式和控制模式，着重分析了电流模式的优缺点和峰值电流模式的开环不稳定性。 第三章：白光l e d 驱动芯片的整体结构设计。对本文设计的电流控制模式白 光l e d 驱动芯片的总体结构进行了设计。 第四章：单元电路设计。完成了驱动电路中各个单元电路的设计。 第五章：整体电路仿真。介绍了整体电路联合仿真，并给出了仿真结果。 第六章：结论。总结了本文所作的工作。 电子科技大学硕士学位论文 第二章d c d c 变换器原理与分析 本文设计的白光l e d 驱动芯片采用电感升压型d c d c 变换器驱动串联白光 l e d ，本章介绍d c d c 变换器拓扑结构、d c d c 变换器的调制方式和控制模式， 并着重分析了电流模式的优缺点和峰值电流模式的开环不稳定性。 d c d c 变换器的研究开发和生产是从7 0 年代兴起的，8 0 年代初我国也开始 了d c d c 变换技术的研究工作。d c d c 变换器具有体积小、效率高、成本低等优 点，但同时也带来了电路复杂、设计困难、纹波大等缺点。随着便携设备在人们 日常生活中的日益广泛，d c y d c 变换技术也在不断的进步，其性能也有着大幅度 的提升。其控制模式也在不断的发展，由电压控制模式发展为电流控制模式，使 得单片开关电源无论在性能还是在设计上都有着长足的进步j 。 d c d c 变换器按照主回路拓扑可以分为三种：b u c k 变换器，如图2 1 ( a ) 所示、 b o o s t 变换器，如图2 1 f b ) 所示、b u c k b o o s t 变换器，如图2 1 ( c ) 所示。 ( b ) b o o s t 图2 1d c d c 变换器基本拓扑 2 1b o o s t 变换器工作原理 b o o s t 变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器i 8 1 。 一个基本的升压型d c ，d c 变换器原理图如图2 2 所示。n m o s 作为开关器件， n m 0 s 开启与关断受p w m 信号控制。b o o s t 变换器输出电压。大于输入电压 。 电感充电阶段，开关管s 关闭，输入电压y 0 加在电感l 上给电感充电，电能 以磁能形式储在电感线圈l 中，二极管d 防止电容c 通过开关管放电，电感l 的 第二章d c c 变换器原理与分析 电流以k 么的比率随时间线性增大。此时电容c 通过负载也放电，心上流过 电流，。，吃两端为输出电压。 图2 2b o o s t 变换器原理图 电感放电阶段，开关管s 打开，由于电感电流f ，不能突变，则电感l 上电压 必须突变到能保持电感电流不变，i ，通过二极管d 续流，电感l 磁能转化成的电 压屹与电源串联，以高于。的电压向电容c 、负载月。放电，维持。不变。 设开关周期时间为疋，开关导通时间为l 。，忽略开关管s 上的压降和二极管 导通压降，由图2 2 可得： 工孕： d f 一。：工拿 d f 由( 2 - 1 1 ) 式可得： ( n 瓦s f n b + z _ )( 2 1 1 ) ( ，l 瓦+ z _ s f ( ，l + 1 ) 瓦) ( 2 1 - 2 ) 屯o ) = 等。一”瓦) + 屯。瓦) ( n 疋s fc n 瓦+ 乙)( 2 1 3 ) 其中f 。( n 瓦) 为开关管导通时的初始电流。 由( 2 1 2 ) 式可得： ( f ) = o 瓦+ 乙) + 兰粤。一n 瓦一瓦) ( 以瓦+ 乙蔓fc o + 1 ) 瓦)( 2 1 4 ) 0 瓦+ l ) 为开关管截止瞬间的电流值。稳态时有屯0 b ) = 屯( o + 1 ) 瓦) ，联 立式( 2 1 - 3 ) 和式( 2 1 4 ) ，可得： 7 电子科技大学硕士学位论文 z _ + ( 么一p 0 。) ( 瓦一z 赢) = 0 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 5 ) 式表明稳态时电感元件满足伏秒平衡率，即电感电压在一个周期内的平 均值为零。令m = 等，m 称为稳态电压变换比。设占空比。= ，则由( 2 1 5 )瓦 、7 式可得： m = 等= 击 ( 2 - ， 1 一d 、7 由于0 dc 1 ，故总有m 1 。这证明d c d c b 0 0 s t 型变换器输出电压高于输 入电压。 当电感值l 较小，负载电阻值r 较大，或开关周期瓦较大时，会出现电感 电流已经下降至零，而下一开关周期却尚未开始的情形。于是，当新的周期到时， 电感电流将从零开始线性增加，此时o 瓦) = f 。“n + 1 ) 瓦) = 0 。 电感电流在连续与断续之间的临界点时，直流输出电流，。等于二极管d 中的 平均电流，。，表示为： ，。= 三，。( 1 一。) = ! ：坚至学 ( 2 1 7 ) 其中出。为电感l 的电流变化量， f 。为连续的工作状态时，。，。 感i 临界值工。为： 为竖堡里坚二里2 垦。 由( 2 1 7 ) 式可得保持屯为连续状态的电 工。：竖雩掣 ( 2 - 1 - 8 ) l 。2 瓦一 嗡 设非连续电流工作模式( d c m ) 时，m o s 管的导通时间占空比为d 。，二极 管的导通占空比为d ：，此时有d 1 + d ：c 1 ，由电感上升阶段与下降阶段的电流变 化量绝对值相等的特点，即： 笔选：蝮d 华巫 ( 2 - 1 - 9 ) l 、7 得到d c m 下输出电压与输入电压之间的基本关系式为： m ：譬；生譬 ( 2 1 - 1 0 ) d 2 、 8 第二章d c d c 变换器原理与分析 图2 3 ( a ) 、2 3 ( b ) 分别为b o o s t 变换器在c c m 和d c m 下各电流波形图。 sb 口sb口； 0f 0f r 、广 f 矗k 全 二z s 厶 0 f 毛凶么， 卜卜 爿 l (田ccm(酚dc乩 图2 3b o o s t 变换器在c c m 和d c m 下各电流波形图 2 2d c d c 变换器的调制方式 开关电源电路的调制方式主要有：p w m 、p f m 两种调制方式。脉冲宽度调制 ( p w m ) 方式【9 1 10 1 ，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【1 1 】，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”。 2 2 1 脉宽调制( p w m ) 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，通过负载端反馈信 号与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒频变宽的方波信号对功率开关 管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。 p w m 调制方式具有以下优点：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。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 脉频调制( p f m ) p f m 也是开关功率变换器中经常使用的一种调制方式。通过负载端反馈信号 与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出一路恒宽变 频的方波信号对功率开关管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时间， 从而稳定输出电压。 图2 4 电压模式p f m 调制方式原理图 典型的电压模式p f m 调制方式原理图如图2 4 所示。采样电压加在比较器的 负输入端，当低于预设值v r e f 时，比较器输出高电平。该高电平允许振荡器输 出的方波经触发器驱动功率开关管。若反馈电压高于v r e f 时，比较器输出低电 平，该低电平进入触发器，使触发器闭锁，屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。这 样，能量由电感存储并传递到输出电容。 目前p f m 控制方式已经在开关电源中使用比较普遍，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 3d c d c 变换器的控制模式 d c d c 变换器从控制模式上可以分为两类，即电压模式控制( v o l t a g em o d e 1 0 第二章d c 变换器原理与分析 c o n t r 0 1 ) 和电流模式控制( c u r r 吼t m o d ec o n 扛0 1 ) 13 1 。下面分别介绍p w m 调制方 式下的电压模式控制和电流模式控制。 2 3 1 电压模式控制 p w m 电压型控制的基本原理就是通过误差放大器输出信号与一固定的锯齿 波进行比较，产生控制用的p w m 信号。p w m 电压型控制的原理图如图2 6 所示。 其原理为：电源输出反馈电压。，与参考电压。，比较放大，得到误差信号 。，。和锯齿波信号比较后，p w m 比较器输出一系列脉冲，这些脉冲的 宽度随误差信号。的变化而变化，而这些脉冲宽度决定了输出能量的大小。当 负载消耗能量增大时，脉冲宽度增大，开关管导通时间增大，而负载消耗能量减 小时，输出脉冲宽度减小，开关管导通时间减小，从而维持输出电压恒定。这种 电压控制开关电源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。 图2 6p w m 电压型控制原理图 从控制理论的角度来讲，电压型控制方式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。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变 量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件稳定系 统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统 方能稳定的工作 1 ”。开关电源的电流均流经电感，对于电压信号有g o 。的相位延 迟。因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变 电子科技大学硕士学位论文 动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起变压器偏磁 化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常【1 4 【1 5 】。 电压型控制的优点是：( 1 ) 单环反馈的设计和分析较易进行：( 2 ) 锯齿波振幅较 大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕：( 3 ) 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：( 1 ) 动态响应速度较慢：( 2 ) 输出 滤波器对控制环增加了两个极点，这就需要增加一个零点补偿：( 3 ) 由于环路增益 随输入电压而变，使得补偿变得更加复杂化。 2 3 2 电流模式控制 针对电压模式控制的缺点，最近十几年发展起来了电流模式控制技术。电流 模式控制可分为峰值电流模式( p c m ) 控制和平均电流模式( a c m ) 控制，a c m 在p c m 的基础上发展而来。通常情况下所指电流模式为峰值电流模式控制。 电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电 感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统， 它只有单个极点和9 0 。相位滞后，从而很容易不受约束地得到大的开环增益和完 善的小信号、大信号特性。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控 制系统，可以实现最小的动态响应的误差平方积分指标。因此，在p w m 中取输出 电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的 ”】。 图2 7p 删峰值电流型控制原理图 图2 7 为p w m 峰值电流型控制原理框图。与电压型控制不同的是，电流型控 j 2 第二章d c 仍c 变换器原理与分析 制p w m 比较器的输入由电压模式控制中的锯齿波信号，换成了对电感电流采样值 所转换成的电压塔。每个周期中，振荡器输出的脉冲开启开关管，当电感电流感 应电压塔达到陋电平时，p w m 比较器状态翻转，开关管截止。 从图2 7 可以看出，与单一闭环的电压控制模式相比，电流模式控制是双闭环 控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即内环电 流在每一开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值。电流内环是 瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且检测输出电感电流的动态变化，电压外 环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的 带宽。 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， 归纳起来主要有以下几点【1 7 】【1 8 】 1 9 】【2 0 】【2 i 】： ( 1 ) 对输入电压变化的响应快。这可直观地从电路的工作原理中分析出来。 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。而在电压型控 制电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要等到输出电压发 生一定的变化后，才会去调节脉冲宽度。一般电压型控制要5 1 0 周才能响应输入 电压的变化。 ( 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 直接的电感电流峰值技术，它可以及时、准确地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，从而在输出过载或短路时保 护了开关管和变压器，也可以有效地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这类故障。同时也可以在设计开关电源时不必给开关管和变 压器留有较大的裕量，在保证可靠性的前提下，尽可能降低成本。 由于有了这个逐个电流脉冲限制的电流环，当多台开关电源并联运行时，每 台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路， 使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以实现多台开关电源之间并 联均流。这在当今电源规格要求繁多、电子设备整机可靠性要求提高的形势下， 为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。 ( 3 ) 变压器的磁通平衡。在全桥和推挽变换器中，开关管的饱和压降和存储 时间的不同都会造成电压波形的不对称，从而使直流电流流经变压器初级产生偏 电子科技大学硕士学位论文 磁，这个偏磁随时间的积累会引起变压器的饱和，使得电源不能正常工作。在电 压控制型变换器中，虽然偏磁电流在线路上总的压降会抵消掉一部分偏磁现象， 但不能完全克服。而电流型控制可以自动解决磁通不平衡的问题，这是因为它的 内部电流环能使电流脉冲宽度不同但幅值肯定相同。 ( 4 ) 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。 但是，峰值电流控制型d c 巾c 变换器本身也有缺点和问题：( 1 ) 当占空比大于 5 0 时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，需要斜坡补偿；( 2 ) 因控制信号来自 输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声；( 3 ) 电感峰值电流与平均电流 有误差；( 4 ) 需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度。针对峰值电流模式的 缺点，平均电流模式可以很好的予以解决。 2 4 峰值电流模式开环不稳定性分析 在峰值电流控制模式中，采样信号容易受噪声影响，特别是工作在连续电感 电流模式下，当占空比大于5 0 时，平坦的上升率对电感电流上的干扰信号有放大 作用，会导致电路不稳定，出现高次谐波振荡。 dd 1 0 图2 8 电感电流扰动比较波形图 设在第n 个周期里，输入电压恒定，由于某种扰动使得电感电流的初值由j 。 变为( o + o ) ，电感电流的终值由，。变为( + ，) ，占空比由d 变为( d + d ) ， 研为电感电流上升斜率，州，为电感电流下降斜率，r 为斩波周期，如图2 8 所示， 忽略出对输出电压。的影响，对于b o o s t 型变换器，则有： 叩警 ( 2 - 3 - 1 ) 1 4 第二章d c d c 变换器原理与分析 。：一单( 2 - 3 - 2 ) o = m 1 d 丁 ( 2 3 3 ) ，l = 一m 2 d r( 2 3 4 ) 由( 2 3 - 3 ) 、( 2 3 4 ) 式可得： m = 一旦“( 2 3 5 ) 川1 又由连续电感电流模式下b o o s t 型变换器的稳态电压变换比： 肼= 等= 击 陆s 匈 l d 。 把( 2 3 一1 ) 、( 2 - 3 2 ) 、( 2 3 6 ) 式代入( 2 3 5 ) 式，得： 牛南“ ( 2 - 3 - 7 ) 分析( 2 - 3 7 ) 式，当d = 5 0 时，出，= 。，这种系统为临界稳定系统；当 d 出o ，系统扰动 量增加，所以为不稳定系统。由于式( 2 - 3 7 ) 与电路参数无关，即与其闭环传递函数 无关，这是p w m 开关变换器特有的稳定性问题。 增加斜坡补偿电路可以消除该不稳定因素。其原理是给误差信号叠加一个与 p w m 时钟同步的负斜坡补偿电压，或者给电流采样信号叠加一个正的斜坡补偿电 压，使得电流采样信号的上升率相对于误差信号变大，如图2 9 所示。两种叠加方 式等效，但在实际电路中更多采用图2 - 9 ( b ) 的方式。 d 10 i l 1 1 ( a ) 负斜率斜坡补偿( b ) 正斜率斜坡补偿 图2 9 斜坡补偿波形图 根据图2 9 ( a ) 可得如下关系式： 1 5 电子科技大学硕士学位论文 厶一m 1 d r = 一，1 + m 2 d r = m d 丁( 2 3 8 ) 整理得： 她：一竺! 竺峨 ( 2 3 9 ) m l 十m 为使电感电流呈收敛趋势，需使渤2 一哆厶，+ m ) i m ：l ( 2 3 - 1 0 ) 对于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减越快，但补偿斜率过大，会造成过补偿。 过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的影响，从而降低系统的带载能 力；另一方面，过补偿会影响系统瞬态响应特性。实际设计中斜坡斜率常取为m ，的 0 7 0 8 倍。 当系统工作于不连续电感电流模式时，电感电流在每个周期开始时都从零开 始线性增加，前一个周期的电感电流扰动量不会传递到下一个周期，不会造成电 路不稳定，所以在