（微电子学与固体电子学专业论文）降压型pwm+dcdc开关电源技术研究.pdf

摘要 摘要 电源半导体产品近期呈现快速增长趋势，甚至超过了数字处理器和存储器等 半导体的增长速度。大部分增长来源于高容量电池供电的电子产品，如手机和数 字音乐播放器。由于所有电子产品都需要有电源供电，所以电源管理技术变得至 关重要。在这样的前提下，设计开发高效率、高频、小体积的d c d c 开关电源芯 片，无论是从经济角度，还是从科学研究上来讲都是很有价值的。 本文介绍了d c d c 转换器各种拓扑结构及其工作原理，并重点分析亨降压型 d c d c 转换器在连续电流模式和非电流连续模式下的工作原理。描述1 - d c d c 转换器的控制方法，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本 原理，分析比较了它们各自的优缺点。同时还介绍了软开关技术、同步整流技术 的概念和发展趋势，以及系统性能稳定性和补偿的相关知识。 本文设计了一款基于电压控制模式的p w m 降压型d c d c 转换器，并重点分 析了它的工作原理、系统结构。该d c d c 转换器子模块包括主电路、误差放大电 路、比例积分控制电路、p w m 比较电路，利用c a n d e n e ee d a 集成电路设计工具、 s p e e t r e 仿真工具，从工艺参数、电源电压、负载电阻对输出的影响等方面，对电 路内的各个模块进行了具体的设计和仿真。此外，采用s m i c0 1 8 1 m a1 p 6 m 工艺 对部分模块进行了版图设计。 关键词：d e - d e 脉宽调制电压控制软开关 a b s t r a c t s w i t c h i n gp o w e ri n c r e a s e sq u i c k l yr e c e n t l y , a n de v e ne x c e e d st h eg r o w t ho fd i g i t a l p r o c e s s i n gu n i ta n dm e m o r y m o s tg r o w t hc o m e sf r o me l e c t r o n i cp r o d u c tw i t hh i 曲 p o w e rc a p a c i t y , s u c ha sc e l l p h o n ea n dd i g i t a lm u s i cp l a y e r s i n c ea l lt h ee l e c t r o n i c p r o d u c t sn e e dp o w e rs u p p l y , p o w e rm a n a g e m e n tb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t i nt h i s s i t u a t i o n , t od e s i g nh i g he f f i c i e n c y , h i g hf i e q u e n c yd c - d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s v a l u a b l ei nt h ev i e wo f b o t he c o n o m ya n dr e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，k i n d so fd c - d cc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e df i r s t t h e nt h ec o n t r o l t e c h n i q u e so fd c - d cc o n v e r t e r sa r ec o m p l e t e l yd e s c r i b e da n a l y z e d t h et e c h n i q u e s 而t 1 1t w od i f f e r e n tm e t h o d sa r ec l a s s i f i e da s t h em o d eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t e , a n dt h e d i f f e r e n c eo fc o n t r o ls i g n a l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o di s a n a l y z e da n dc o m p a r e d a n da l s ot h ea n a l y s i so fs o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u ea n ds y s t e m p e r f o r m a n c e a t y p eo fp w m b u c kd c d cc o n v e r t e rb a s e do l lv o l t a g em o d ec o n t r o lm e t h o di s d e s i g n e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds y s t e ms t r u c t u r ei sa n a l y z e da n ds t u d i e di n t e n t l y 1 1 1 i s c o n v e r t e rc o n t a i n st h em a i nc i r c u i t , e r r o ra m p l i f i e r ，p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a lc o n t r o l l e ra n d p w m c o m p a r a t o r w i t hc a n d e n c ee d a i cd e s i g nt o o l s ，s u c ha ss p e c t r ea n dv i r t u o s o ， t h ea l ls u b - c i r c u i t sa r ee m u l a t e dc a r e f u l l y a sar e s u l t , a l lo ft h es u b c i r c u i t sa n s w e rt h e r e q u i r e m e n t s i nt h em e a n t i m e , 谢t l ls m i c0 18 p r o 1p 6 mp r o c e s s ，l a y o u to fs o m e s u b c i r c u i t si sf i n i s h e d k e yw o r d s ：d c d cc o n v e r t e r , p u l s ew i d t hm o d u l a t e ，v o l t a g em o d ec o n t r o l ，s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e 西安电子科技大学 学位论文独创i l 生( 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己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。 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撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 耳也五签 翩虢型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源的发展 能源在每个国家中的地位都是举足轻重，关乎兴衰的，所以如何开发并合理 利用能源是一个重要的课题。特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国，更是 如此。美国、俄罗斯、中国等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。 能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术，这是一门结合了微电子学、 电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学科，它利用功率半导体器件对电网 功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理，使得电力电子装置小型化、 高频化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。据有关资料显示：目前，欧美等 发达国家7 0 以上电能经过电力电子装置处理后使用，节约电能约2 0 。同时， 电力电子技术已经从民用扩展到航空航天及军事领域，成为国民经济的重要科技 产业和改造传统产业的新兴技术。 所有的电子设备都需要电源作为动力，从这点上讲，所有电子设备有共性。 但是，不同的电子设备对电源的要求是不同的，这些不同的要求包括对电源参数 如效率、电压、电流能力、噪声、纹波等的要求：以及对电源体积、形状、可靠 性、干扰等的要求。对参数的要求，我们可以通过对供电线路的电能进行变换来 达到。这些变换包括交流到直流( 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 ，即变压) ，直流到直流( d c d c ) 。广义地说，利用半导体功率 器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换 器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源( s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y ) 。 开关电源技术属于电力电子技术，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。正因为如此，1 9 9 4 年我国原邮电部做出重 大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。几年来的实践已经证 明，这一决策是完全正确的。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占 地面积。 我们常说的电源管理芯片实际上是指具有自动控制环路和保护电路的d c d c 变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在9 0 年代中后期问世，由 于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了 成本，因而显示出强大的生命力。 2 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 1 1 1 开关电源的发展历史 开关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。随着压控功率器件 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 代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率m o s f e t 的出现，构成了高频电 力电子技术，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脉 宽调$ 1 j ( 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( 可高达7 0 9 5 ) 、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 呦，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、代线性 电源a d d a 和取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代【3 】。 1 1 2 全球电源产业发展状况 电源半导体产品市场近期呈现快速增长趋势，甚至超过了数字处理器和存储 器等半导体的增长速度。大部分增长来源于高容量电池供电的电子产品，如手机 和数字音乐播放器。由于所有电子产品都需要有电源供电，所以电源管理市场也 跟随各种应用而格外多样。 表1 全球电源管理市场预测 单位：亿美元 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 2 复合增长率 整流器2 4 8 42 7 8 l2 9 2 63 0 5 33 1 7 33 3 3 86 晶闸管 7 5 67 3 87 9 97 5 87 9 08 2 32 电源晶体管8 6 4 61 0 0 1 01 0 7 3 21 1 2 0 61 1 9 5 21 3 2 5 69 稳压器 6 3 4 07 3 3 3 8 8 4 7 9 8 1 3l l1 7 8 1 3 1 7 9 1 6 其他1 0 6 31 2 7 61 4 3 21 5 2 91 6 7 41 8 0 31 1 总计 1 9 2 9 02 2 1 3 8 2 4 7 3 7 2 6 3 5 82 8 7 6 83 2 3 9 911 资料来源：d a t a b e a n s ，2 0 0 7 年1 0 月 电源管理产品可划分为多种类型，包括分立晶体管以及提供a c d c 和d c d c 转换等功能的集成电路。集成的电源解决方案是市场主要驱动力所在，稳压器等 第一章绪论 3 电源转换类产品在2 0 0 6 年占据整个电源管理市场的3 2 ，销售额达到1 8 7 亿美元。 d a t a b e a n s 预测在未来五年，总体电源管理市场将达到3 2 4 亿美元( 见表1 ) ， 占到整个半导体市场的7 。稳压器市场预计从2 0 0 6 年的6 0 亿美元增长到2 0 1 2 年的1 3 2 亿美元，年复合增长率为1 6 ，这已经明显高于大多数半导体产品的销 售额预计。在未来五年，电源集成电路的销售额预计以1 1 的年平均增长率发展， 而分立电源产品销售额增长率预计为8 。 在电源i c 产品中，开关和线性稳压器一直占据主要市场份额。开关稳压器性 能更好，价格则稍微比线性稳压器高一些，这两类产品都广泛应用于所有细分市 场的各种应用。d c d c 转换器占据整个电源i c 市场的3 6 ，随后是提供通用功 能和l d o 的线性稳压器，市场份额达到3 3 。为消费者手机和音乐播放器提供照 明用途的背光驱动器占到总销售额的1 3 ，而电能量测等电池专用产品的销售额 则占总体销售额的8 。 作为发展最为迅速的领域，转换器包括开关稳压器、热插拔控制器、背光驱 动器、l d o 稳压器以及线性稳压器等多类产品。d a t a b e a n s 预测，随着宽带和通信 设备新应用的展开，热插拔控制器市场的年平均增长最快，紧随其后是d c d c 转 换器，其在笔记本电脑和手机市场具有很高的市场容量。用于小型显示器和其他 应用的背光驱动器同样能够带动整个市场增长。 热插拔控制器的全球销售额在2 0 0 6 年估计为2 7 亿美元，我们预测到2 0 1 2 年 将达到7 亿美元。热插拔技术主要应用集中在4 8 v 通信电源，而低电压设备也表 现出增长势头，尤其对于2 5 5 v 电压范围。拥有较大市场份额的d c d c 转换器 预计2 0 1 2 年销售额将接近8 0 亿美元。 电池管理产品方面，现有应用将不断推动专用电池供电设备所需的各种附加 功能，因此电量测量、保护器件等产品需求将会看涨。预计这类电源i c 器件的价 格下降还将推动全球销售额的增长，其单位出货量增长也更为迅速。 从应用需求来看，对电源器件的需求来自于各个细分领域。目前通信领域的 应用是该市场最大的驱动力，稳压器的平均销售价格稳定，单位出货量将随着手 机、数字音频等手持电子设备的需求增大而持续攀升。通信应用占到电源器件市 场的三成左右，消费类和计算机应用分别占到该市场的2 3 和2 4 ，汽车电子应 用约占到总体功率器件市场的1 0 ，而工业应用达到1 3 。 用于通信领域的电源器件市场年平均增长率预计为1 9 ，随后是消费类市场， 预计能够实现1 5 的增长。计算机电源i c 预计年复合增长率为1 4 ，主要来自于 笔记本电脑以及相应需要供电的外设应用。汽车电子应用领域的增长也很乐观。 由于涉及到更多的电子器件以及车载网络安全系统和传动系应用，汽车电子产品 逐渐用到更多电源管理产品。 国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有i r ，m a x i m ，s t ，t i 等，他们 4 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 的产品都己经非常成熟，能够提供高质量、全系列的电源管理芯片，包括升压、 降压、升降压，固定、可调输出，不同负载能力的芯片。目前，手机、数码相机、 m p 3 播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量的逐年增大，带动适合于电池 供电电源管理芯片的发展。凌特( l i n e a rt e c h ) ，t i ，i n t e r s i l 等公司根据市场需求， 开发出了大量适合于便携式设备的电源管理芯片，如凌特公司的同步降压型稳压 器l t c 3 4 1 2 a ，工作频率高达4 m h z ，效率高达9 5 ，在输出电压低至0 8 v 时， 输出电流高达3 a i n t e r s i l 公司的i s l 8 8 5 5 0 a 驱动两个外部n 通道m o s f e t s ， 从2 v 到2 5 v 的输入中产生低至o 7 v 的输出电压，输出电流高达2 0 a ，效率高达 9 5 。 1 1 3 国内电源产业发展现状 我国开关电源起源于1 9 7 0 年代末期，到1 9 8 0 年代中期，开关电源产品开始 推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为2 0 k h z 以下的p w m 技术，其效 率只能达到6 0 7 0 。经过2 0 多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电 源的高频化莫定了基础，功率m o s f e t 和i g b t 的应用使中、小功率开关电源工 作频率高达到4 0 0 k h z ( a c d c ) 和1 m h z ( d c d c ) 。软开关技术的出现，真正实现了 开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的 效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到9 3 。但是，目前 我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。 目前国内开关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家。 国产开关电源己占据了相当市场，并有少量开始出口。然而，同国产手机、d v d 机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片技术的尴尬。 国内电源整机厂家所用的电源管理芯片均由国外公司提供。这些芯片厂商普 遍能够提供令国内厂家满意的电源管理芯片，但是，由于没有国内厂家参与竞争， 他们的报价几乎都在其成本的四倍左右。这样，不但使电源整机的成本居高不下， 大部分利润被国外厂商剥夺，而且技术上受制于人，很难实现大的突破。所以， 开发具有自主知识产权的电源管理芯片已是形势所迫。 而且，电源管理芯片不同于c p u 等通用的数字产品。通用数字产品开发成本 高、技术要求高，但是生命周期短，必须对未来两三年更长远的市场有明确的把 握，提前投入，才可能得到预期的收益，这就对开发此类产品的商家提出了高要 求。这也是国内的公司和研究所不可能赶超i n t e l ，a m d 等国外大公司的原因。 电源管理芯片属于专用、小规模的芯片，对开发成本、市场把握的要求要低的多， 而且生命周期长，一旦开发成功，经过小改动几乎就能长期使用，后期开发成本 不高。所以电源管理芯片是国内的设计公司一个很好的切入点。 第一章绪论 1 2 开关电源的发展展望 1 半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑 功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头”，电力电子技术的进步必须 依靠不断推出的新型电力电子器件。 功率场效应管( m o s f e t ) f l 了于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而 很容易地便可达到1 m h z 的开关工作频率而受到世人瞩目。但是m o s f e t ，提高 器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压 降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美 国瓜公司采用提高单位面积内的原胞个数的方法。如瓜公司开发的一种h e x f e t 场效应管，其沟槽( t r e n c h ) 原胞密度已达每平方英寸1 1 2 亿个的世界最高水平，通 态电阻r 可达3 m f l 。功率m o s f e t ，5 0 0 v 、t 0 2 2 0 封装的h e x f e t 自1 9 9 6 年以 来，其通态电阻以每年5 0 的速度下降。瓜公司还开发了一种低栅极电荷( q 曲的 h e x f e t ，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则r x q g 的下降率为每年3 0 。对于肖特基二极管的开发，最近利用t r e n c h 结构，有望出 现压降更小的肖特基二极管，称作t m b s 沟槽m o s 势垒肖特基，而有可能在极 低电源电压应用中与同步整流的m o s f e t 竞争【5 】。 2 高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势： 1 ) 低电压化 半导体工艺等级在未来十年将从o 1 8 微米向5 0 纳米工艺迈进，芯片所需最低 电压最终将变为0 6 v ，但输出电流将朝着大电流方向发展。据市场调查得知，随 着半导体工艺的发展，半导体对各种电压的需求百分率走势为( 见表2 ) ： 表2 半导体器件工作电压要求的变化 时间电压值5 v2 5 v1 5 v0 8 l v 2 0 0 5 年3 9 3 5 1 5 2 2 0 1 0 年2 l 3 2 3 0 1 2 由表2 可以看出，未来用户所需电源电压有下降的趋势，估计不久将来1 v 及 l v 以下的电源需求量将有明显增加，市场占有率会占一定比率。 2 ) 高效化 应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如 z v s z c s 谐振、准谐振；恒频零开关技术；零电压、零电流转换技术及目前同步 整流用m o s f e t 代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而 效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世 界模块潮流，必将得到广泛应用。随着器件性能的改变，电源效率即将达到9 2 ( 5 v ) 、9 0 ( 3 3 v ) 、8 7 5 ( 2 v ) 。 6 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 3 ) 大电流、高密度化 1 9 9 1 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为2 5 w ，以后逐年增加，1 9 9 4 年为每立方英寸3 6 w 、1 9 9 9 年为每立方英寸5 2 w 、2 0 0 1 年每立方英寸为9 6 w 。 现在每立方英寸达数百瓦的程度。在全球范围内，高功率密度直流转换模块市场 以每年1 6 8 的增长速度向前发展。输出电流将增长到半砖8 0 a 、1 4 砖5 0 a ，目 前日本t d k 公司推出新一代分布式隔离型d c - - d c 转换器，其参数为1 4 砖：输 入电压4 2 - 5 8 v 、输出电压1 2 v 、输出电流2 7 a 、效率为9 5 ，功率密度已达每 立方英寸2 3 6 w ；1 8 砖：输入电压4 2 - 5 8 v 、输出电压1 2 v 、输出电流1 3 5 a 、效 率为9 5 ，功率密度已达每立方英寸2 1 4 w 。 4 ) 高频化 为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率 d c - - d c 变换器的开关频率已将现在的2 0 0 - - 5 0 0 k h z 提高到1 m h z 以上，但高频 化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及 高频电磁干扰增大等。 5 ) 在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展 以前标准模块的高度是o 5 英寸，最近这个高度已下降到0 3 7 5 英寸，一般客 户要求薄型封装尺寸为7 5 r a m ( o 2 9 5 英寸) 、8 5 r a m ( 0 3 3 5 英寸) 和1 0 m m ( o 3 9 4 英寸) 。外形尺寸趋于国际标准化尺寸，多为1 8 、1 4 、1 2 、3 4 和全砖式结构， 输出端子相互兼容的设计日趋明显。模块内部控制电路倾向于采用数字控制方式， 非隔离式d c - - d c 变换器比隔离式增长速度快，分布式电源比集中式电源发展快。 电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进 了电源产业的发展。迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业，并广泛应 用于各个部门，其发展趋势为：继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化 和多元化发展。而封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场 的要求，进而使电源产业进入国际市场 7 1 。 1 3 论文工作的主要内容 本论文要求从稳定性、电压和负载调整能力等方面，对降压型p w m 开关电源 作分析，并设计一款降压型p w md c d c 转换器，其特点如下： 输入电源电压：1 5 2 5 v 输出稳定电压：l v 内部时钟频率：1 0 0 m h z 输出电压精度： kdit - i 一1 r 一 图2 2c c m 下各电流波形图 1 2 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 2 1 1 2 非电流连续模式d c m 在电感足够小或者输出电流i o 低于一定值时，开关电源可能进入d c m 状态。 开关电源工作在d c m 时，初始电流i o ，在开关管导通后电感电流可上升到最大值 i i 皿缸 l 眦= 半d t 在开关管关断后，电感电流下降为零，所需时间为t o 乙= 告= 警钟 下图为d c m 下，各元件通过电流波形图。电感l 同电答c 传愿阴电何q ， 可根据在一个周期下对电感电流积分得到，即下图中电感电流i l 三角波形下的面 积。 k 匕全二z 全二： 1 5 匕刍么刍：幽么刍 b i睑： 图2 3d c m 下各电流波形图 由此d c m 下的输出电流i o 表示如下： l = 等= 峄 整理可得： 由上式可知，电感越小，u i n 越大，越容易进入d c m 状态。 若在给定电感l 、u 妯、u 。的情况下，且t o = ( 1 d ) t 时，可计算发生d c m 的临 界输出电流i 咐： ，一：匕二丝d t ：k 盯 2 l 2 第二章开关电源原理分析 2 1 2 升压型d c d c 转换器 其主电路如下图所示。 功率m o s f e t 作开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定：l 为升压 电感；v d 为升压二极管；c 为滤波电容器。开关管v t 导通时，电源电压加在贮能 电感l 的两端，即 = = 三罢 由此可以得出 图2 4 升压型d c d c 转换器主电路 i l = 毛i u 秘 假设输入电压u i n 保持不变，则 l = 争血 式( 2 1 9 ) 式( 2 2 0 ) 式中i 陆为开关管v t 导通前流过电感l 的电流。可以看出，开关管v 士导通 后，流过电感的电流线性上升，开关管中的电流也线性上升。当开关管导通状态 终止( 即卢t o n ) 时，电感l 中的电流达到最大值i i 黝x ，即 厶哦= 警+ l 曲 式中t o n 为开关管导通时间。开关管导通结束时，电感l 中贮存的能量为 e = 丢碰雌 式( 2 - 2 2 ) 开关管v t 关断时，电感l 两端电压反向，该电压u l 与输入电源电压u i n 叠加 后，通过升压二极管v d 和滤波电容c 加到负载两端。忽略升压二极管v d 的导通 压降，则升压电感l 两端电压为 吮= v o 一= 三堕a r t 1 4 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 屯：丘一一譬当。一) 当t - t l - - t o 仃时，流过电感的电流最小，其值为 屯血：乇蛳一与墼。 将i 岫的表达式带入i 岫的表达式中，得 屯一= 争+ l 呲一半。 该式经整理后可得 玑= 警= ( ，+ 号卜 式( 2 2 4 ) 式( 2 2 5 ) 式( 2 2 6 ) 式( 2 2 7 ) 由该式可以看出，这种电路的输出电压u o 高于输入电压u i n ，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 或关断时间 t 硪都可以改变转换器的输出电压。 2 1 3 升压降压型d c d c 转换器 其主电路如下图所示： 图2 5 升压俑 压型d c - d c 转换器主电路 功率开关管v i 导通时，隔离二极管v d 因承受反向偏压而关断。输入电源电 压u i n 加在贮能电感l 两端，电感电流为 五= 丝l 心痂 式( 2 2 8 ) 。丁弋k。z5 j 功率开关管导通结束( 氕) 时，流过电感中的电流达到最大值，即 l 蛳= 争。+ l 血 式( 2 - 2 9 ) 功率开关管关断时，电感两端产生反向电压，即下端为正，上端为负。隔离 二极管v d 因承受正向电压而导通，忽略v d 的正向电压降，电感两端的电压即为 第二章开关电源原理分析 输出电压u o ，即 虬= 屯等 式( 2 3 0 ) 功率开关管关断期间，电感l 中的贮能通过负载电阻i h 和滤波电容c 释放， i l 由最大值开始下降： 屯= l 眦专( f 一乙) 当v t 关断结束( 仁t + t 呵) 时，电感电流下降到最小值，即 l , , , a , - - - - l 傩一誓。 将电感电流的最小值i 岫代入i 嘶表达式中，可得 玑2 号= 艺= 啬 由上式可见，当占空比d 大于o 5 时，输出电压高于输入电压；当占空比小 于o 5 时，输出电压低于输入电压，因此，该电路称为升压降压型d c d c 转换器。 2 1 4c u k 型d c d c 转换器 其主电路如下图所示： 图2 6c u k 型d c d c 转换器 其中，l l 、l 2 为贮能电感，v t 为功率开关管，v d 是续流二极管，c l 是传递能 量的耦合电容，c 2 为滤波电容。 当功率开关管v t 导通时，电感l 1 贮能，c 1 经v 士、c 2 、r l 、k 向r l 释放能 量，并向l 2 、c 2 贮能。 当功率开关管v t 关断时，l l 的感应电势使得v t 从较小的饱和压降上升到较 高的电平，二极管v d 正偏导通，l l 经c l 、v d 向c l 充电贮能，同时k 向负载释 放能量。无论开关管v t 导通还是关断，输入都可以向负载传递能量，只要电感l l 、 k 、c l 足够大，输入输出电流基本上是平滑的。 1 6 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 2 2 控制技术 为将开关电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出调整。开关电源控 制技术按调制方式可分为：脉宽调制( p w m ) 和脉频调制( p f m ) 。各种调制方式 都有其优缺点，可根据实际需要选择。 2 2 1 脉宽调制( p w m ) 脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比d 实现对输出 电压的调整。p w m 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定 噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此p w m 技 术普遍应用于通信技术中3 9 1 。p w m 调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模 式和电流模式。 2 2 1 1 电压控制模式 传统p w m 开关电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号 实现闭环控制，以稳定输出电压。下图为电压控制电路图： c v e 侈锣锣争 豁t 器p 厂 厂 厂 厂0 uu tuul j l j v m 皿 图2 7 电压控制模式电路图 电源输出电压v i 呲与参考电压v f c f 经误差放大器比较放大后，又经p w m 比较 器比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号v e 变化的一系列脉冲，再驱动控制 第二章开关电源原理分析 1 7 用的开关晶体管，使输出电压稳定。 2 2 1 2 电流控制模式 下图为电流控制模式电路图。 它是一个双控制系统，既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分，又 增加了一个反馈环节，它的电路工作原理是：v o i 吐与v 耐经误差放大器比较放大后， 得到v c ，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通，电源电路中因输出电 感的作用使脉冲电流逐渐增大，当电流在采样电阻r s 上的电流信号电压v s 幅度 达到v e 电平时，脉宽比较器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功率管关断， 电路逐个的检测和调节电流脉冲，控制电源输出。 v 耐 v o m li v e1 冗刁了 揣品 厂 厂 厂 ro u n ，i r ruuuu 图2 8 电流控制模式电路图 电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制，是独立变量，开关转换 器为二阶系统，有两个状态变量，即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的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足 一定条件，方能使闭环系统稳定工作。开关电源的电流均流经电感，将使滤波电 容上的电压信号对电流信号产生9 0 。延迟。因此，仅用电压采样的方法稳定，响 应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，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。 电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的，它增加了电流反馈 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关转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 度相位滞后，因而很容易不受约束的得到大的开环 增益和完善的小信号、大信号特性【3 5 】。 2 2 1 3 电压控制电路和电流控制电路的性能比较 电压控制模式电路的优点是：单环反馈的设计和分析较易进行；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；低阻抗功率输出，对多输出电 源具有较好的交互调节特性。 电压控制模式电路的缺点是：任何输入电压或输出负载的变化必须首先转化 为输出电压的变化，然后再经反馈环采样反馈控制调节，这意味着动态响应速度 较慢；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；由于 环路增益随输入电压而变，使得补偿变得更加复杂化。 电流控制模式电路的优点是：具有良好的线性调制率和快速的输入输出动态 响应；消除了输出滤波电感带来的极点和系统的二阶特性，使系统不存在有条件 的环路稳定性问题，具有最佳的大信号特性；固有的逐个脉冲电流限制，简化了 过载保护和短路保护，在推挽电路和全桥电路中具有自动磁通平衡功能；多电源 单元并联易于实现自动均流。 电流控制模式电路的缺点是：需要双环控制，增加了电路设计和分析难度； 因电流上升率不够大，在没有斜坡补偿时当占空比大于5 0 时，控制环变得不稳 定，抗干扰性能差，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；因控制环控制电流，使负载调制率变差，在多路输出时，需要耦合电感 实现交互调节。 采用简单斜坡补偿措施后，电流控制模式电路引起的绝大部分问题都能得到 满意解决，且不影响其优势的发挥。 2 2 2 脉频调制( p f m ) 一个p w m 控制的d c d c 转换器可以在重载的情况下获得很高的效率，然而 在轻载情况下功耗相对比较大，因为它有很大一部分功耗跟负载电流无关。下图 描述了一个典型的p w m 降压转换器的负载变化与功耗损耗之间的关系。 第二章开关电源原理分析 1 9 输出功耗( 设全载情况下功耗为1 ) 图2 9p w m 控制模式下的功耗和负载的关系 从曲线上可以看到，轻载时转换效率明显降低，在满载时p w m 转换器的效率 为9 4 ，在1 0 负载时效率降为7 7 ，而负载降到0 1 时效率仅为3 左右。因 此，提高轻载时的转换效率变得非常重要。一个p f m 控制模式的d c d c 转换器 可以在轻载时得到较高的效率。本节将讨论这种工作模式的原理。 p f m 控制的线路图和工作原理分别如图2 1 0 和2 1 1 所示，在轻载情况下转换 器只有比较稀的脉冲群。在脉冲群与脉冲群之间两个功率管都关断，电路空闲不 工作，电感电流为零。在这个过程中输出电容为负载电流供电当输出电容放电使 电压低于阈值电压v r e f , 转换器重新工作，再产生一些脉冲群，使得输出电容被 充电。所以电路中跟负载无关的损耗就下降了。随着负载电流的减小，空闲的时 间就增加了。 图2 1 0p f m 控制模式电路图 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 ：厂：= 厂y w i + 一t 叫 图2 1 1p f m 控制模式示慈图 p f m 控制模式的主要缺点是使开关周期( 充电脉冲群之间时间) 成为负载的 函数，于是转换器显得比较无序，并且开关噪声无法预测。这在无线通信领域就 不是很合适。但是，在很多待机的情况下，选择p f m 是非常合适的。比如，便携 式移动系统在接收发送信号时，选择p w m 工作模式，因为p w m 开关噪声频谱比 较好控制，在待机的情况下，选择p f m 工作模式，就可以提高系统的效率【8 】。 图2 1 2 是p f m 模式下降压转换器的输出稳态波形，当输出电压降到低于v r c f ， 充电脉冲通过电感高效传递能量。p m o s 管导通时间t p m o s ，一部分电能从电池 传到输出，其余部分储存在电感中，在此过程，电感电流转换速度为： 丸一一圪 三= ：，二二 d t l f 式( 2 3 4 ) 图2 1 2p f m 控制模式的稳态波形图 在p m o s 管导通结束时电感电流到达峰值i p ，接着p m o s 管关断，n m o s 管 导通，维持电感电流。在n m o s 导通过程中，v x 短路接地，电感储存能量释放到 输出端。电感电流从i p 减d , n 零的速度为： 堕：当三= _ - 二 d l l f p f m 模式中，在每个短脉冲周期内通过电感传递的总能量为 骁= 三+ ) 式( 2 - 3 6 ) 传统的p f m 控制模式，p m o s 的导通时间间隔t p m o s 是可以控制的。n m o s 的导通时间间隔是不可以控制的，但是可以通过可控制的t p m o s 来建立： 第二章开关电源原理分析 2 l 2 半2 毒 = 半 使用可控的变量，可以写为： 骁= 互1 瞥 当传送的电荷与负载所消耗的电荷相等时，稳压便可得到实现： 骁= 1 0 r t = + 廊+ 唧 其中t 为p f m 可变的重复周期。 2 2 2 1 经典p f m 式( 2 3 9 ) 式( 2 - 4 0 ) 式( 2 _ 4 1 ) 也称为跨脉冲调制( p s m ，以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名) 。 经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下固定时钟被定位5 0 占空比， 通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制 开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭 直到输出下降到调整值以下。 图2 1 3 经典p f m 方式 图2 1 3 为一种经典p f m 调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器输 入端与v r e f 比较，当低于v r e f 时，c l k 将通过r s 触发器直接控制开关管，当高 于v r e f 时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭，通过这样的方式，能量由v m 传递 降压型p w md c d c 开关电源技术研究 到v o u t 。 经典p f m 模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大。 2 2 2 2 电流限制脉频调制 不同于p f m 调制，此调制方式运用峰值电感电流限制和一个最小关闭或最大 开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值，开关管将开启直到电感 电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间( 最小关闭时间) ，电感电流开始下 降，当该段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比较输出电压此时是否 低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。由于电流限制脉频调 制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经典p f m 小，但噪声频 谱仍然随负载变化。 2 3 本章小结 本章介绍了d c d c 转换器各种拓扑结构及其工作原理，并重点分析了降压型 d c - d c 转换器在连续电流模式和非电流连续模式下的工作原理。描述了d c d c 转换器的控制方法，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本 原理，分析比较了它们各自的优缺点。 第三章软开关技术及系统性能研究 第三章软开关技术及系统性能研究 3 1 软开关技术 上一章所介绍的开关电源，开关管工作在硬开关状态。下图是开关管开关时 的电压和电流波形： u o s o