（微电子学与固体电子学专业论文）电流型pwm+dcdc变换器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 开关电源具有转换效率高、体积小、控制精度高等优点，广泛应用于消费类 电子、通信、电气和能源等领域。随着信息产业的飞速发展，便携式电子设备的 广泛应用，开关电源展现出广阔的市场前景。 本文设计了一款电流型p w md c d c 变换器，适用于一节锂离子电池或者三 节镍镉电池供电的便携式电子设备。变换器的输出电压范围可以从v i n 1 2 v 任意 调节，最大负载电流可达1 2 a 。内建振荡器的开关频率为1 2 m h z ，所以只需要 外接较小的电感和电容元件，变换器的体积也随之减小。采用了同步整流技术来 改善系统的效率，同时增加了斜坡补偿、环路补偿、过温关断、欠压保护和过流 保护等电路模块来提高系统的稳定性和可靠性。 此升压式d c d c 变换器的子模块由带隙基准电压源、l d o 稳压器、误差放 大器、p w m 比较器、电流采样电路、振荡器、斜坡补偿电路等单元电路组成。 基于t s m co 1 8 工艺，使用c a d e n c e 软件对各个子模块和系统进行了仿真，仿真 结果表明，该变换器的输出纹波电压小于5 0 m v ，负载调整率为0 1 1 6 ( a ) ， 线性调整率为0 0 2 7 ( v ) ，符合设计指标的要求。 关键词：d c d c 变换器同步整流p w m 控制 保护电路 a b s t r a c t a b s t r a c t s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) h a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f c o n s u m e re l e c t r o n i c s 、c o m m u n i c a t i o n 、e l e c t r i c a la n d e n e r g ya si t sa d v a n t a g e so fh i g h e f f i c i e n c y 、s m a l ls i z ea n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e mi n f o r m a t i o ni n d u s t r ya n dw 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 ，s m p s e x h i b i t sab r o a dm a r k e tp r o s p e c t i nt h i sp a p e rac u r r e n tm o d ep w md c d cc o n v e n e rh a sb e e nd e s i g n e d f o r p o r t a b l ea p p l i c a t i o n sp o w e r e df r o mo n ec e l ll i 。i o no rt h r e ec e l ln i c db a _ t t e r i e s t h e d e v i c ew i t ha na d j u s t a b l eo u t p u tv o l t a g ef r o mv i nt o12 v i sa b l et od e l i v e ru pt o1 2 a t h ed e v i c eh a sab u i l t - i n1 2 m h zo s c i l l a t o rw h i c hr e d u c e s c o m p o n e n ts i z eb ya l l o w i n g as m a l li n d u c t o ra n d c a p a c i t o r i tu s e ss y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nt oi n c r e a s ee f f i c i e n c t h e r m a ls h u t d o w np r o t e c t i o na n du n d e rv o l t a g el o c k o u tp r o t e c t i o na r ep l u s 。 m a n yf u n c t i o n a lb l o c k sh a v eb e e nd e s i g n e d 、s i m u l a t e da n do p t i m i z e d ，i n c l u d i n g t h eb a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i t , t h el d or e g u l a t o r , t h ee r r o r a m p l i f i e r , t h ep w m c o m p a r a t o r , t h ec u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t ，t h eo s c i l l a t o r , t h es l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ， u n d e r v o l t a g el o c k o u tp r o t e c t i o na n dt h e r m a ls h u t d o w np r o t e c t i o n k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o np w m p r o t e c t i o nc i r c u i t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 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已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。 本人签名：啤筮缸 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) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：差醴 剔磁毡肝 日期壹盟竺垒! 旦立2 箩 日期。妇 盟。厶兰y 第一章绪论 第一章绪论 开关稳压电源简称开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) ，因电源中起调整稳压功 能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开 关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源。具有体积小、重量轻、功 耗低、效率高、波纹小、智能化程度高等优点。随着电力电子技术的迅速发展， 开关电源已成为当今电子信息产业飞速发展不可缺少的电源方式。 1 1 开关电源的发展历程 在开关电源出现之前，许多控制设备的工作电源都采用线性电源。由于电子 产品的集成度不断增加，功能越来越强，他们的体积却越来越小，因此迫切需要 体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强 大动力。 新型电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。在2 0 世纪6 0 年代 末，巨型晶体管( g t r ) 的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时 确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。后来随着m o s f e t 器件的应用，开关 电源的频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。 在2 0 世纪8 0 年代，i g b t 的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率 直流电源中也得以发挥。在2 0 世纪8 0 年代后2 0 年为了解决因开关频率提高而引 发的电磁干扰问题，出现了软开关技术开关电路。随后在2 0 世纪9 0 年代，为了 提高开关电源的功率因子，出现了功率因子校正技术( p f c ) 。目前在小功率场合， 开关电源已经全面取代了线性电源。例如：计算机、电视机、家用电子设备、各 种便携式电子仪器的电源i l 】。 1 2 开关电源的技术发展趋势 随着电子技术的进步，开关电源朝着低能耗、高效率、高频率、高可靠性等 方向发展： ( 1 ) 低能耗、高效率：各国政府特别是欧美等发达国家逐渐意识到能源短缺 的危机，对节能的要求越来越高。开关电源的低能耗、高效率逐渐成为当今电源 技术研究的一大热点。为了减小系统损耗，出现了许多提高转换效率的新举措， 如采用同步整流技术、软开关技术、低电源电压、低功耗待机技术等等。 ( 2 ) 高频率：新型功率器件的研发为开关电源的高频化奠定了基础，功率 m o s f e t 和i g b t 的应用使得中小功率d c d c 开关电源的工作频率上升到了兆 2 电流型p w md c d c 变换器的研究与设计 赫兹。随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密度也得 到大幅提升，动态响应得到改善。 ( 3 ) 高可靠性：作为电子设备的心脏部件，电源的可靠性显得尤为重要。近 来出现的电源爆炸消息更是促使各国政府相继发布了电源管理相关的强制性法 令，e s d 静电保护、过温、过流、过压保护电路等受到了更多重视。 1 3 本论文的主要内容及章节安排 随着便携式电子设备的广泛使用，对其供电电源的要求越来越高，如在电池 供电的电子设备中要求能尽量提高电池的使用时间，即提高电源效率，同时也要 减小电源的体积等要求。 本论文的主要工作就是根据这种要求完成b o o s td c d c 变换器电路的设计， 该变换器的控制电路采用峰值电流型p w m 控制模式。相比电压控制方式，电流 控制方式具有对输入电压变化响应快、抗干扰性能强、回路稳定性好、负载响应 快、电压调整率显著减小等优点。采用同步整流技术，进一步提升系统的效率。 本文共分为六章： 第一章：简述开关电源的发展历程和发展趋势，并对论文的主要章节安排进 行介绍。 第二章：分析d c d c 开关电源的主电路的拓扑结构和工作原理，介绍了目 前主要使用的调制模式和控制方式。 第三章：从电流型p w md c d c 变换器的性能指标参数出发，提出了芯片的 整体设计思路并绘制出系统工作原理框图，定义了输入输出引脚，最后对主回路 的元器件进行设计。 第四章：对变换器子电路模块进行设计与仿真，包括带隙基准电路、l d o 稳 压电路、振荡器电路、p w m 比较器电路、误差放大器电路、电感电流检测电路、 斜坡补偿电路，及各种保护电路等。 第五章：完成系统的整体仿真工作，得到了系统的性能参数，如：电源调整 率、负载调整率和输出电压纹波等，并对系统的效率进行计算。 第六章：总结本论文所做的工作与不足之处。 第二章d c d c 变换器的分类及原理分析 第二章d c d c 变换器的分类及原理分析 2 1d c d c 变换器的分类及主电路的拓扑结构 在便携式应用中，从体积等方面考虑，一般采用非隔离式d c d c 变换器， d c d c 变换器根据输入与输出电压的关系可以分为四种：b u c k 型变换器、b o o s t 型变换器、b u c k b o o s t 型变换器、c u k 型变换器。下面将介绍各种类型变换器的 拓扑结构和工作机理，其中重点介绍前两种类型。 2 1 1b u c k 型变换器 b u c k 型变换器将输入电压v i n 转换成o 玩的稳定输出电压，因此又称 降压转换器，其拓扑结构如图2 1 所示。v t 是开关管，v d 是续流二极管，l 和c 作为储能滤波元件。开关管v t 导通时，滤波电感l 中的电流豇逐渐增加，储能 也逐渐增加，当电感电流豇大于输出负载电流厶时，电源通过电感对电容器c 充 电，并提供负载电流，二极管v d 反偏截止；开关管v t 截止时，电感两端电压极 性相反以保持电感电流豇不变，使得续流二极管v d 导通，为电感l 中储存的能 量提供了释放通路，当豇sz d 时，电容向负载r 放电以维持v 叫稳定。 t ， + v o 眦 图2 1b u c k 变换器拓扑结构 在电感电流连续的条件下，输出电压 = 口吃( 2 - - 1 ) 在电感电流不连续的条件下，输出电压 = 矗吆 ( 2 1 ) 其中日为开关管v t 的导通时间占空比，体现了开关导通时间占整个周期的 4 电流型p w md c d c 变换器的研究与设计 百分值，d 2 为开关管v t 关断、整流管v s 导通的时间占空比。 2 1 2b o o s t 型变换器 b o o s t 变换器是将输入电压v i n 转换成v o 州玩的稳定输出电压，也称升压变 ，换器，其拓扑结构如图2 2 所示。v t 是开关管，v d 是整流二极管，l 是储能电感， c 是滤波电容。开关管v t 导通时，输入电源直接加在储能电感l 的两端，电能 以磁能的形式储存在电感l 中，二极管v d 反偏截止，此时电容c 向负载r 放电； 开关管v t 截止时，由于电感l 中的磁场将改变电感两端的电压极性以保持i l 不 变，这样磁能转化成的电压v l 与输入电源电压v i n 串联，以高于v o m 的电压通过 正偏的二极管向负载r 和电容c 放电，v i 。高于v 吡时，电感l 对电容c 充电； v i n 等于v o m 时，充电电流等于零；当v o m 有下降趋势时，电容c 向负载r 供电 以维持v 眦不变。由于是v l + v i l i 向负载r 供电，v o 呲高于v i i i ，因此实现了升压 作用。 l ， 圹c + r 三 + v o m 图2 2b o o s t 变换器拓扑结构 在电感电流连续的条件下，输出电压 = 尚 ( 2 _ 3 ) 在电感电流不连续的条件下，输出电压 = 警吃 ( 2 _ 4 ) 2 1 3b u c k b o o s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器是降压升压混合电路，其输出电压可以小于输入电压，也 可以大于输入电压，且输出电压极性与输入电压相反。b u c k - b o o s t 电路的拓扑结构 如图2 3 所示。通过观察可以发现，b u c k b o o s t 变换器是在b u c k 变换器后串接一个 b o o s t 变换器再简化而成，相比b o o s t 变换器的拓扑结构，只是开关管和电感互换位 第二章d c d c 变换器的分类及原理分析 置，二极管的连接方向相反。开关管v t 导通时，输入电源对电感充电，电感l 储存 能量，二极管反偏截止；开关管v t 关断时，电感产生下正上负的感应电压，二极 管正向偏置导通，电感l 中所储存的能量通过二极管对电容c 和负载r 放电。 v f亍l 等 w c c v i n l 差 c r + v o u t 图2 3b u c k - b o o s t 变换器拓扑结构 在电感电流连续的条件下，输出电压 一告吃 ( 2 。) 在电感电流不连续的条件下，输出电压 一会圪 ( 2 - 6 ) 由上式可知，当4 j 1 时， b u c k b o o s t 电路是升压电路。 2 1 4c u k 型变换器 c u k 型变换器也是升降压混合电路，输出电压极性也与输入相反。图2 4 为 c u k 型变换器主电路的拓扑结构。它是在b o o s t 型变换器后串接b u c k 型变换器再 经过一系列演变而成。 l i c i i 2 图2 4c u k 变换器拓扑结构 + v o u t 6 电流型p w md c d c 变换器的研究与设计 在电感电流连续的条件下， 在电感电流不连续的条件下， 一鑫圪 ( 2 7 ) 一会 ( 2 _ 8 ) 由上式可知，5 0 , 了1 时，c u l ( 型电 路是升压电路。b u c k b o o s t 电路和c u k 电路都是升降压型混合电路，故有很多共 同特性，不同之处是c u k 型电路借助电容来传输能量，而b u c k b o o s t 电路借助电 感来传输能量【2 1 。 2 2d c d c 变换器的基本调制方式 d c d c 变换器的调制电路的主要功能是为开关管v t 提供时间可调的控制脉 冲，从而达到稳定输出电压的目的。调制方式主要有：脉冲宽度调制方式( p w m ) 和脉冲频率调制方式( p f m ) 以及混合调制方式p j 。 2 2 1p w m 调制方式 p w m 调制方式的特点是固定开关频率，通过改变电感的充电、放电时间来 保持稳定的输出电压。基本的实现方法是由内部振荡器产生一个频率恒定的锯齿 波，与始定的参考电压比较，经电压比较器输出方波信号，用于控制开关管的导 通。通过控制参考电压的大小，就可以调整输出方波的占空比，进而改变了电感 的充放电时间。因为开关频率是固定的，使得噪声频谱的带宽很窄，这样简单的 低通滤波器就可以大大降低输出电压的纹波。并且在大负载时的效率高，对负载 变化跟随性好，而且噪声谱恒定。其缺点是当负载较小时，控制电路的工作电流 占总工作电流的比例上升，导致效率降低，静态功耗增加，而且功率管受最小导 通时间的限制，对输出电压不能做宽范围的调节。p w m 调制技术成熟，是目前 应用最为广泛的调制方式，本论文采用的就是这种技术。 2 2 2p f m 调制方式 p f m 调制方式的特点是固定开关管的导通时间或者是关断时间，通过调整脉 冲频率来控制占空比。通常使用跳周期调制的方式，将负载端反馈信号与基准信 号进行比较，由输出误差信号对工作频率进行调节，当输出电压高于设定值时， 控制周期被跳过，在被跳过的周期，功率管一直处于关断状态，输出的控制信号 是一路频率变化的方波信号，对功率开关管进行控制。其优点是在负载较小时效 第二章d c d c 变换器的分类及原理分析 7 率较高，功耗低，对输出电压的调整范围比p w m 方式宽，缺点是负载调整范围窄， 滤波成本高，工作频率会产生变化，对其他设备干扰较大，而且不容易消除。 2 2 3 混合调制方式 还有一种控制方式是混合调制方式。它结合了在轻载时的p f m 效率高和重载 时p w m 效率较高且噪声较低的特点。在轻载时，电路选择p f m 调制方式，需要 时可跳过脉冲；在重载时，电路控制选择p w m 调制方式，在尽可能宽的负载范 围提供最大的效率。当然，这种调制方式的控制电路会比较复杂。 2 3d c d c 变换器的控制模式 2 3 1 电压控制模式 电压控制模式基本结构如图2 5 所示，它是一个单环的控制系统，控制原理 比较简单吲。 图2 5 电压控制模式的基本结构 控制过程如下：电源电压上电后，基准电压源首先建立，得到与电源电压和 温度无关的基准电压v 曲此时输出电压为零，丽k i，比较器输出亭电 平，经驱动电路后，控制开关管导通，电感开始储能；随着振荡器产生的三角波 线性上升到和v 。相等的时刻，比较器翻转送出低电平，经驱动电路后，开关管被 关断，电感l 的感应电压v l 使得二极管导通，v l 和输入电源电压v i n 串联向电容c 及负载供电。系统通过负反馈系统，调节占空比变化以达到维持输出电压v 雠基本 不变的目的。 电压型控制的优点是：单环控制反馈的设计和分析比较容易实现；锯齿波振 8 电流型p w v ld c d c 变换器的研究与设计 幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声裕度；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：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。 2 3 2 电流控制模式 为了克服电压控制的缺点，电流控制模式应运而生。电流模式采用电压反馈 为外环，而电感电流瞬时值反馈作为内部控制环，实现在逐个开关周期内对开关 管的控制。峰值电流控制模式的基本结构如图2 6 所示。 图2 6 峰值电、流弪制模瓦阴基本结构 控制过程如下：电源电压上电后，基准电压源首先建立，得到一个与电源电 压和温度无关的基准电压，送至误差放大器的一端。此时因为输出电压为零， 则i 万，误差放大器输出为高电平。此时电感没有电流流过，p w m 比较器输出为l ，r s 触发器置l ，q 一输出为0 ，开关管导通，电感电流线性上升， 经过一个工作周期后，输出电压开始上升，i 万也跟随输出电压上升。当 第二章d c d c 变换器的分类及原理分析9 电压上升到设定值时，此时如果e 圪时，则p w m 比较器输出为0 ，r s 触发器 置0 ，q 输出为1 ，功率管关断；关闭功率管后，电感电流线性下降，则k 也下 降，当杉下降到小于圪时，则p w m 比较器输出为1 ，r s 触发器置1 ，q 被置位 为0 ，功率管导通，电感电流线性上升。重复上述过程即可得到一个输出比较稳 定的输出电压。 电流型控制比电压型控制有许多优点【5 】： ( 1 ) 对输入电压响应快，抗干扰性能强。电源输入电压的变化，必然会引起 电流斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，只要电流脉冲达 到了预定的幅度；电流控制回路就会动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电 压的稳定。 ( 2 ) 可实现过流保护。在电流控制型的转换器中，由于内环采用了电流峰值 控制技术，它可以及时、准确地检测输出以及开关管的瞬态电流，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 的最大电流，从而在输出过载或短路时保护电路，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。 ( 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正比的，因而电感的延迟效应就 没有了。 ( 4 ) 电压调整率显著减小。输入电压变化可以立即反映为电感电流的变化， 当输入电压变化尚未导致输出电压变化时，有电流环产生调节作用，具有很好的 电压调整率。 同时，电流型控制也具有一些缺点：需要双环控制，增加了电路分析和设计 的难度；当占空比大于5 0 时，如果没有加入斜坡补偿电路，控制环会变得不稳 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。 基于上述分析，本文采用的是电流型p w m 工作方式，具有快速负载响应调 节能力，可实现电流逐个周期比较，回路稳定性好，具有较好的电压调整率。 2 4 本章小结 本章介绍了各类d c d c 变换器主电路的拓扑结构和工作原理，详细阐述了 b o o s td c d c 变换器的基本调制方式及控制方式的原理和优缺点，为以后章节的 系统设计和电路设计提供了理论基础。 第三章电流型p w md c d c 变换器的系统设计 第三章电流型p w md c d c 变换器的系统设计 电流型p w md c d c 变换器的系统参数指标如表3 1 所示： 表3 1b o o s td c d c 系统参数指标 输入电压范围 2 7 5 5 v ( 适用于一节锂离子电池或者三节镍镉电池) 输出电压范围v i n 1 2 v 工作频率1 2 m h z 输出电流 0 1 2 a 纹波电压 _ 8 5 控制方式 峰值电流型 下面对电流型p w md c d c 变换器的稳定性进行分析，并将详细介绍消除大 占空比下次谐波振荡问题的斜坡补偿技术和提高效率的同步整流技术。 3 1 电流型p w md c d c 变换器的稳定性分析 电流型p w md c d c 变换器工作时，电流环采样电感峰值电流，用反馈电流 调整p w m 控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲的占空比，从而调节输出电压，达 到稳定输出电压的目的。但是当占空比d l 大于5 0 时，不论电压外反馈环的状 态如何，都将带来系统的不稳定。这种不稳定主要是有电感电流或者控制电流的 扰动造成的。为了消除占空比d l 在大于5 0 时的不稳定，需要加入斜坡补偿电 路，下面来逐一分析不稳定因素的影响和加入斜坡补偿电路后的工作情况。 3 1 1 占空比大于5 0 时电感电流扰动引起的不稳定问题 由于电路工作过程中各种因素的影响，可能会造成电感电流突然发生变化。 一般的情况下，这种变化可以通过电路内部的反馈调节机制达到新的平衡。但是， 在占空比d 1 大于5 0 时，就会产生不稳定的状态甚至振荡 6 1 。图3 1 和图3 2 分 别时是占空比d l 小于5 0 和大于5 0 时的峰值电感电流波形图。图中i c 是控制 电流，用于设定电感电流峰值，馘是电感上的扰动电流，是由n o 引起的电 流误差，k 和墨分别是电感电流的上升及下降斜率。 土一 么一 千一 图3 1 占空比小于5 0 时的电感电流初始扰动电感电流波形 1 2 电流型p w md c d c 变换器的研究与设计 i c 土 i o 奉 l 图3 2 占空比大于5 0 时的电感电流初始扰动电感电流波形 由图可知，当占空比b 大于5 0 时，扰动电流馘引起的误差a 将大于弛， 因此在该占空比下，会将扰动信号持续放大，造成系统不稳定，并产生次谐波振 荡同。 下面介绍具体的推导过程，由图3 2 知， 厶i 厶+ 墨d l t = +