PWM电流模式DCDC降压控制电路的设计

1、pwm电流模式dc-dc降压控制电路的设计当今消费市场中，便携式电子产品所占比重较大，这种产品要求电池体积小、重量轻、使用时间长。高效、低压开关dc-dc转换器，通过提高电源转换效率及改进控制技术，达到了所需要求，因此被广泛应用于电子产品中。本文首先介绍了buck dc-dc转换器的拓扑结构及工作原理，并且详细论述了两种工作模式。然后进行了系统的设计与分析，具体介绍了电流感应电路、过流保护电路、带斜坡补偿的振荡器以及同步整流驱动电路等系统关键模块的设计与仿真。其中，振荡器电路的设计中，利用一种简单的斜坡补偿电路，完成了窗口比较式振荡器的充放电电路的功能，具有简洁高效的特性。 同时，在模块电路设

2、计中，采用0.35m工艺，从功率级设计开始，详细讨论了元件类型的选择以及电路结构参数的确定。之后，配以简单的外围电路构成了buck dc-dc转换器系统，并对其进行了功能仿真，hspice仿真结果表明，该系统能稳定工作，并满足设计指标的要求。关键词：pwm峰值电流模式；buck dc-dc转换器；带斜坡补偿的振荡器title：design of current-mode buck dc-dc converter control ic major：microelectronics and solid electronicsname: 李强 signature: supervisor: assoc

3、iate prof. lu gang signature: abstractin todays consumer market, battery-operated portable electronic devices are in great demand. for these devices, small size, light weight, and long battery run-time are the main demands. the highly efficient low-voltage switch-mode dcdc converters are mandatory i

4、n these devices for minimizing the size and weight and extending the battery run-time, by enhancing the efficiency of power supply and improving the control technology.the topology structure and basic principle of buck dc-dc converters are introduced firstly. meanwhile, two operation modes are depic

5、ted in detail. then the whole system is designed and analysis. and the key modules, such as current sensing circuit, over current protection circuit, and synchronous rectifying driver, are designed and modulated. a simple slope compensation circuit is used to substitute for charging and discharging

6、capacitor in the window comparator oscillator. and the oscillator is simple and effective.in the module design part, starting with the power stage, the type and parameters selection of electronic devices are discussed. finally, a whole buck dc-dc converter system, which can be completed by the contr

7、ol ic with few external parts, is simulated by hspice, with 0.35m cmos process, whose results indicate that the system is stable and circuit function and performance have perfectly satisfied the design requirements.key words: pwm peak current-mode control method; buck dc-dc converter; oscillator wit

8、h slope compensation circuit 1 引言11.1 开关电源的发展11.1.1 开关电源的发展现状11.1.2 开关电源的发展趋势21.2 开关电源的分类与比较31.3 本文的主要工作42 dc-dc转换器的拓扑结构和原理分析52.1 buck dc-dc转换器的工作原理分析52.1.1 ccm模式分析62.1.2 dcm模式分析92.2 dc-dc转换器的控制方式和控制模式112.2.1 dc-dc转换器的控制方式112.2.2 dc-dc转换器的控制模式123 pwm电流模式dc-dc降压控制电路的设计与分析173.1 系统设计目标及系统结构173.2 误差放大器的

9、设计与仿真183.2.1 电路的分析与设计183.2.2 电路的仿真结果223.3 带隙基准电压源的设计与仿真243.3.1 电路的分析与设计243.3.2 电路的仿真结果273.4 pwm比较器的设计与仿真303.4.1 电路设计与分析303.4.2 电路仿真结果313.5 电流感应电路与过流保护电路的设计与仿真333.5.1 电流感应电路设计与分析333.5.2 过流保护电路的设计与分析353.5.3 电路的仿真结果363.6 带斜坡补偿的振荡器电路的设计与仿真383.6.1 比较器的设计与分析393.6.2 斜坡补偿电路的设计与分析404.6.3 脉冲展宽电路的设计与分析423.6.4

10、仿真结果433.7 逻辑控制电路与同步整流驱动电路的设计与仿真443.7.1 逻辑控制电路的设计与分析443.7.2 同步整流驱动电路的设计与分析453.7.3 电路的仿真结果473.8 软启动电路的设计与仿真484 整体仿真504.1 输出电压504.2 开关管mp和整流管mn导通电阻514.3 转换效率52结论55致谢56参考文献571 引言 电源是一切电子设备的动力心脏，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性和安全性。而开关电源（switch mode power supplies，smps）是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置，是通过控制

11、开关晶体管导通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源，近几年成为了电源市场的焦点之一，越来越受到人们的重视。与传统的线性电源相比，开关电源最大的优点是体积小、重量轻、效率高。强大的优势使其几乎席卷了整个电子界，同时，由于开关电源技术不断地创新，也为其提供了更为广泛的发展空间。特别近年来随着便携式消费类电子设备市场快速成长，尤其是手机市场突飞猛进的发展速度，更是令厂商们对便携式电子设备趋之若鹜。便携式电子产品的迅速增长是开关电源技术发展的主要推动力，然而随着便携式产品日益丰富的功能，如何设计可靠性好、体积小、重量轻、转化效率高（能延长电池的寿命）的电源转换电路成为便携式产品设计的重要任务1

12、6。1.1 开关电源的发展1.1.1 开关电源的发展现状据frost&saullivan公司的资料显示，1999年全球开关电源的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元，平均年增长率为10%，这是作为电源和开关电源用户的计算机及其外围设备市场的不断发展，通讯业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景7。据相关报道，2002年全球开关电源市场总收入达到100.9亿美元，这一数字在2009年可望攀升至l56.4亿美元2。日本和美国的电子工业和通讯工业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。美国在2001年ac-dc开关电源48.6亿美元，dc-dc开关电

13、源14亿美元，合计为62.6亿美元，其中用于通信方面的开关电源共21.98亿美元，占开关电源总量的35%7。日本约占全球市场50%，美国约占29%，欧洲约占11%，亚洲（除日本外）约占5%。虽然亚洲目前在全球开关电源市场所占比例尚小，但由于亚洲通讯业的高速发展，对开关电源的需求也将与日俱增，2000年其需求量在全球市场上的比例已达10%，在21世纪初继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一8。国外开发电源管理芯片厂商很多，主要有ir、maxim、st、ti、national等，他们产品非常成熟，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

14、能力的芯片9。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已经占据了相当的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口9，然而其红火的表象难掩缺乏核心控制芯片技术的尴尬。国内开关电源厂家所用的电源管理芯片均由国外公司提供，由于没有国内厂家能够参与竞争，芯片价格远高于成本数倍，使得开关电源整机成本较高，大部分利润被核心芯片提供商剥夺，技术上受制于人，很难实现大的突破。因此开发具有自主知识产权的电源管理芯片，已是大势所趋、形势所迫10。1.1.2 开关电源的发展趋势近年来，开关电源发展呈现以下趋势1

15、115：（1）小型化、轻量化和高频化开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定。因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高效率和高可靠性开关电源使用的元器件大大少于线性电源，因此提高了可靠性。电容、光电耦合器以及功率mos等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。（3）低噪声和良好的动

16、态响应单纯追求高频化，会引起很大的噪声。电子信息设备用量的激增使得电磁干扰（emi）问题日益突出，而开关操作时产生的浪涌和噪声则是开关电源转换器的固有缺陷。采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。尽可能降低噪声影响成为开关电源转换器的又一发展方向。（4）低电压、大电流、高功率、低功耗随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5v降到了现在的3.3v甚至1.8v，业界预测，电源输出电压还将降到1.0v以下。与此同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过程以及动态特性等，也得到进一步提高。开

17、关电源的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题（尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究，诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。从目前至今后一段时间内，它都是电力电子界的热点。（5）电压提供多样化现在的便携产品通常会集成视频、音频、照相、录像文件存储等多种功能。不同功能的实现都需要不同的电压供电，而且要求电压稳定、可靠、高效，这也是电源管理面临的一个挑战。电源管理系统正在日趋复杂化，如何有效地管理多种电压，并且使之互不干扰，是电源设计中正面临的一个难题。（6）开发新型半导体器件开关电源的发展与半导体器件的发展关系紧密。高频化开关电源转换

18、器的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率mosfet、igbt等新型高速器件，开发用于高频领域的低损耗磁性材料，改进电磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻（equivalent serial resistance，esr）等，对于开关电源转换器器的小型化始终起着巨大的推动作用。（7）高度集成化开关电源芯片的另一发展趋势是在更小的硅片上集成更多功能特性，以更好的设计灵活性实现更强的系统用电性能，而不会增加成本。多个单一功能的电源器件组合的方法将会被类似pmu（电源管理单元）的芯片取代。经过几十年来的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破

19、。高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。1.2 开关电源的分类与比较 按照电力电子的习惯，电源可以分为以下四类：整流（ac-dc），逆变（dc-ac），交流-交流直接变频（ac-ac），直流变换（dc-dc）16。dc-dc转换器已经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并得到用户的认可，但ac-dc因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题17。dc-dc变换器又可以分为低压降调节器（low dropout regulator）、电荷泵（charge pump）和开关电源（switching power sup

20、ply）。表1-1 dc-dc转换器的分类和比较16 18 table 1-1 classification and comparison of dc-dc converters转换器类型优点缺点低压降调节器（ldo）low dropout regulator1 无磁性元件2 外部元件少，易于设计3 成本低4 噪声最低5 pcb面积小6 瞬态负载响应快1. 适用于低到中等功耗2. 受到drop out 电压限制3. 输出只能小于输入4. 效率低5. 热量管理差电荷泵charge pump1 无磁性元件2 外部元件少，易于设计3 pcb面积小4 在关断或者空载情况下功耗特别低5 输出可以大于输入

21、1. 只适用于低功耗应用2. 输入电压范围比较窄3. 输出电流小开关电源switching power supply1. 输入电压范围宽2. 可以适用于高功率要求3. 输出可以大于或者小于输入4. 热量管理最好5. 输出电流大1. 需要有磁设计2. 外部元件数量多3. pcb面积大 表1-1是三者的优缺点比较说明。从中可以看出，dc-dc开关电源性能良好，效率最高，因此在便携式电子产品中得到了广泛的应用。除此之外，下面还列举了dc-dc开关电源常见的几类分类方式，分类如下： （1）按照开关管与输入电压的连接方式，dc-dc开关电源可分为串联式和并联式两种。开关管与输入电源电压串接的称为串联型开

22、关电源转换器，开关管与输入电源电压并接的称为并联型开关电源转换器。例如：降压型、升降型dc-dc属于串联式，升压型dc-dc属于并联式。（2）根据输出电压与输入电压的关系又可分为降压型（buck converter）、升压型（boost converter）、升降型（buck-boost converter）。（3）根据控制方式，dc-dc转换器可以分为脉冲宽度调制（pwm）型、脉冲频率调制（pfm）型和混合调制型（pwm和pfm混合调制型）。（4）根据输入电路和输出电路之间的关系，dc-dc转换器可以分为非隔离式转换器和隔离式转换器。非隔离式转换器工作时输入电源和输出负载共有一个电流通路，可

23、分为降压型转换器、升压型转换器、升降型转换器和负压型转换器。隔离式转换器靠相互耦合的磁性元件（变压器）实现能量转换，电源与负载的联系结合是通过磁通量而不是共同的电流实现，根据转换器电路的拓扑结构，又可分为单端反激转换器、单端正激转换器、推挽式转换器、半桥式转换器和全桥式转换器12。1.3 本文的主要工作本文的主要工作是设计一种降压型的dc-dc转换器控制电路，工作电压范围是2.75.5v，输出为稳定的直流输出电压1.8v，工作频率为1.2mhz。系统采用0.35m cmos工艺实现，进行了关键电路模块的设计并结合hspice软件进行电路模块及系统的仿真结果验证。本文各章节内容安排如下：（1）

24、在参阅了大量参考文献的基础上，第一章回顾了开关电源技术的现状与发展趋势，并对其分类进行了比较说明。（2） 第二章简单介绍了dc-dc转换器的基本拓扑结构及其工作原理，着重分析了降压型dc-dc转换器的工作原理及其控制方式，从而为设计提供了理论依据。（3） 第三章阐述系统分析与设计过程。首先对系统的设计进行了整体性说明，并对各子电路模块误差放大器、pwm比较器、带斜坡补偿的振荡器电路、电流感应电路、同步整流驱动电路及逻辑控制电路等进行了详细的分析，对其工作原理及参数求解都作了详细的分析推导，并给出其功能仿真结果。（4） 第四章对系统的整体特性进行仿真验证。 dc-dc转换器的拓扑结构和原理分析d

25、c-dc变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件和储能元件的集体配置关系19。随着技术的不断发展以及应用层面的拓展，目前dc-dc变换器拥有多种拓扑形式。总之，非隔离式标准dc-dc转换器的拓扑结构有以下四种2 4： （1）buck型电路降压转换器，其输出平均电压uo小于输入电压ui，极性相同。（2）boost型电路升压转换器，其输出平均电压uo大于输入电压ui，极性相同。（3）buck-boost型电路降压或升压转换器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，极性相反，电感传输。（4）cuk型电路降压或升压转换器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，极性相反，

26、电容传输。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。由于移动pc、掌上电脑等可携式设备的电池电压在224v范围内，而内部的电路单元多是以1.65v为电源，所以对于输入电压高于输出电压的应用，buck型拓扑结构为首选。因此，下面主要介绍本文设计采用的buck型转换器，其他三种拓扑结构的介绍可以参考文献12 2023。2.1 buck dc-dc转换器的工作原理分析dc-dc转换器的主要特点是功率管工作在开关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，暂时以

27、磁场能形式存储在电感器中，然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，得到经变换后的电压脉动较小的直流电能，实现dc-dc变换24。dc-dc转换器系统由主电路和控制电路组成，构成开关电源的主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，在开关管闭合的时候，将能量储存在电感中，在开关管关断的时候，电感中的能量会通过整流管进入到电容，这样就实现了能量的传输和转换，合称为功率级；控制电路则通过控制功率开关管的通断实现调节输出电压恒定在设定值，从而控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入的电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时

28、，负载电压可以维持恒定11 25。buck型dc-dc转换器的拓扑结构如图2-1所示。vin为输入电源，通常为电池或电池组，mp是主开关管，因其源端接电源vin，适宜选用低电平导通的pmos管。在传统的buck型dc-dc转换器结构中，次级整流电路中起续流作用的二极管通常使用肖特基二极管，但当电源模块的输入电压逐步降低时，采用肖特基二极管的电源模块的效率损失很大，所以为了提高电源的使用效率，采用了同步整流技术，用开关管mn代替了二极管，在mp截止期间打开起到续流的作用。图2-1 buck 型dc-dc转换器的拓扑结构fig 2-1 the topology structure of buck

29、dc-dc converter根据电感电流在一个开关周期起始时是否从零开始，可分为连续导通模式（ccm）和非连续导通模式（dcm）26。在转换器的主开关导通期间，电感中的电流上升；在转换器的主开关截止期间，电感电流下降。如果在转换器的主开关截止期间，电感中的电流降到零，则在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量将为零，转换器工作于非连续导通模式；否则转换器工作于连续导通模式。下面对buck型转换器的两种工作模式进行分析和讨论，以便于进行系统设计。2.1.1 ccm模式分析在工作过程中，当控制信号使开关mp导通，mn截止之后，电感l中的电流逐渐增加，存储的磁场能量也逐渐增加。当电感l中的电流小于负

30、载电流时，电容c放电以维持输出电流，一旦电感l中的电流增大到大于负载电流，多余的电流给电容c充电，电容c上的电压开始上升。经过ton时间以后，控制信号使开关mp截止，mn导通，电感l中的电流减小，电感l中存储的磁场能量便通过mn通路给负载供电。当电感l中的电流降低到小于负载电流时，电容c开始放电以维持输出电流。经过时间toff后，控制信号又使开关导通，上述过程重复发生。buck 转换器ccm模式波形图如图2-2所示4。图2-2 buck 转换器ccm模式波形图fig 2-2 the waveforms of buck dc-dc converter in ccm mode控制电路输出信号使主开

31、关管mp导通时，滤波电感l中的电流线性増加。忽略mosfet的导通压降，mosfet源极电压应为vin，则滤波电感电流增量应为： （2.1）式中ilmin为mp导通前流过电感l中的电流，ilmax为mp导通状态结束时，即t=ton时，l中的电流达到最大值。控制电路使主开关管mp关断时，电感l中的电流将线性减小。忽略mn管的导通压降，则滤波电感电流增量应为： （2.2）由于稳态时这两个变化量相等，所以， （2.3）即 （2.4）式中t为主开关管控制信号的周期，ton是mp导通时间，toff 是mp关断时间，d为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。式（2.4）即为dc-dc

32、转换器工作于ccm模式时输入电压和输出电压之间的直流关系，从该式可以看出，由于占空比小于1，该电路输出电压总是低于输入电压21。由于流过电感的电流平均值等于负载电流，故 （2.5）流过主开关的电流平均值为 （2.6）用式（2.2）和（2.5），消去ilmin，可得 （2.7）接着考虑一下输出电压的交流波动分量，当电感中电流大于负载电流时，电容开始充电，输出电压开始升高；当电感电流小于负载电流时，电容开始放电，输出电压开始下降。流过电容的电流可以表示为 （2.8）假设t=0时，主开关mp导通，电容放电电流开始减小，在经过ton/2之后，电容的放电电流等于零，此时输出电压具有最小值；然后电容开始充

33、电，输出电压开始上升，电容的充电将一直持续到电容充电电流再次变为零为止。在ton/2到ton+toff/2时间段之间电容上的电压增量，就可算出输出电压的纹波值，即 （2.9）又因为导通期间电容电流可表示为： （2.10）由此可以求出式（2.9）的第一项积分 （2.11）根据式（2.1）和（2.5）可得 （2.12）同理，主开关mp截止期间电容电流可以表示为： （2.13）由此可以求出式（2.9）的第二项积分。为了便于计算，把积分下限移动到坐标原点，得到 （2.14）根据式（2.2）和（2.5）可得 （2.15）将式（2.11）、（2.12）、（2.14）和（2.15）代入式（2.9），经过基本

34、的数学变换，就可以得到输出电压的纹波分量vo的计算公式 （2.16）将式（2.4）经过适当的数学计算后，式（2.16）最后可以变换为 （2.17）式（2.17）为buck型转换器工作于连续导通模式时输出纹波与输入输出电压、电感电容和系统工作频率之间的关系。在dc-dc转换器中输出电压的纹波特性是最重要的性能指标之一，在输出纹波指标、输入输出电压已确定的情况下，需要综合考虑工作频率和功率级电感电容的取值。同时由上式也可以看出输出纹波的大小同系统工作频率的平方成反比，即在输入输出电压、电感电容确定的情况下，工作频率越高，系统的输出纹波越小，由此可知当今dc-dc转换器的趋势之一是高频化17 20。

35、2.1.2 dcm模式分析图2-3 buck转换器dcm模式波形图fig 2-3 the waveforms of buck dc-dc converter in dcm mode由图2-3可以看出，在dcm模式中17 20 （2.18）式中ton为主开关导通时间，t为主开关工作周期，toff1为电感中电流下降到零所用时间，toff2是电感中没有能量的时间。在开关mp截止后，如果经过时间toff1电感中的电流减小到零，电感中没有能量存储，这时只能完全靠电容c对负载放电，那么mn截止，电感中也不会出现反向电流。再经过时间toff2后，控制信号又重新使开关mp导通，此时buck型开关转换器工作于非

36、连续导通模式下。考虑电感l上的能量变化，根据能量守恒定律得： （2.19）则 （2.20）将式（2.1）代入式（2.19）可得 （2.21）输出电流可表示为 （2.22）则 （2.23）由上式可以解得 （2.24）将式（2.24）代入式（2.20）可得 （2.25）式（2.25）即为dc-dc转换器工作于非连续导通模式下时输入电压和输出电压之间的直流关系。从式（2.25）也可以看出，dcm和ccm一个截然不同的地方：dcm模式下输出电压是vin，占空比d、电感l、开关频率f和负载电阻r的函数；而ccm模式下输出电压只是vin和占空比d的函数。在dcm模式下，开关电源的电压增益要高于ccm模式下

37、的电压增益，但是dcm模式的带负载能力要比ccm模式小很多，且断续模式稳定，并且又一个很好的闭环响应，所以dcm模式的转换器通常应用在轻负载的场合。由于在这两种模式下开关电源的频率相位变化十分显著，所以希望在所有预期的工作条件下，开关电源都只处于一种工作模式27。对比图2-2和图2-3，可发现il和io相对值的大小不同划分两种工作状态，并且在两种状态间存在一个临界状态，三个状态的特点分别是：ccm状态： （2.26） 临界状态： （2.27）dcm状态： （2.28）由式（2.1）、（2.2）和（2.27），可得到在临界状态有 （2.29）将式（2.29）用占空比d和工作频率f表示，则 （2.

38、30）满足式（2.30）的电感值称为临界电感lc，通常情况下，通过调节电感l就可使转换器工作在一个模式。需要注意的是，在正常情况下，buck型开关转换器很少工作在非连续导通模式，但是一旦负载电流低于临界水平，非连续导通模式就会发生28。2.2 dc-dc转换器的控制方式和控制模式2.2.1 dc-dc转换器的控制方式从2.1节介绍的基本原理可知，输出电压vo受开关管占空比d的控制。控制占空比的方式有如下几种：第一，脉冲宽度调制（pulse width modulation，pwm）方式，即保持开关周期不变，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”；第二，脉冲频

39、率调制（pulse frequency modulation，pfm），即脉冲宽度恒定，通过调节开关频率来改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”2931；第三，宽度和频率同时改变，使占空比得到改变，则称为混合型32。（1）pwm方式pwm方式的基本工作原理是由内部振荡器产生一个频率恒定的锯齿波，与一个参考电压比较，输出方波，用于控制调整管。在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定31。pwm方法在大负载时的效率高，频率特性好，电压调整率高，

40、线性度高，由于开关频率是固定的，因而使得噪声频谱的带宽很窄，宜于滤波，这样只需简单的低通滤波器就能大大降低输出电压的纹波，利于进行电磁兼容设计。此外，这种控制方式的单片集成控制器简单、可靠、使用方便灵活，大大简化了变换器的设计及调试，故得到迅速发展。texas instrumnets的tl1451a，tl5001，tps5102，tps5120，maxim的max1684/1685，maxl692，max668/669等商用产品都采用这种控制方式21。缺点是当负载较小时控制电路的工作电流在总的工作电流中比例上升，导致效率降低、静态功耗增加。有一种解决办法是当负载较小或为零时使用线性电源代替pw

41、m主电路进行工作，充分利用线性电源小电流时效率高的特点。（2）pfm方式pfm调制电路的开关信号占空比通常保持为50%，通过控制开关频率可提供稳定的输出电压20。其基本工作原理是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，来自输出电压的反馈电压加在误差放大器的反相输入端，一个精确的基准电压加在误差放大器的同相输入端，二者之间的误差被放大后去控制可变频率控制器。可变频率控制器是一个电压控制的频率变换器，提高输入电压就能提高输出脉冲的频率，输出电压就是通过改变电路开关频率而得到调整的3334。pfm方式克服了pwm控制在轻负载时效率较低的缺点，频率特性好，输出电压调节范围很宽，输出端可不接

42、假负载，适用于电流或者电压控制模式35。但是采用pfm模式控制的系统工作频率不固定，输出噪声频带比较宽，滤波难度大，因此输出电压有较大的纹波，而且输出噪声、纹波的频谱在不同负载时有较大的变化范围36。对其他设备干扰也很大，而且不容易消除，且这种工作方式的集成控制器集成度较高，在设计、制造上困难较大，使用不多。（3）混合方式混合方式靠同时改变脉冲的宽度和频率来维持输出电压的稳定，其占空比的范围很宽。因此，用来制作输出电压要求能在宽范围调节的开关电源是非常合适的。混合模式的目的就是继承单一模式各自的优点，同时有效的克服他们的缺点，使变换器在任意负载时的效率、电压跟随率、静态功耗等方面获得优异的性能

43、。混合方式是传统分立元件开关转换器常用的工作模式，它根据输出电压判断调整管是否导通，所以输出电压波动在所难免、精度不高36。目前采用这种调制方式工作的单片集成稳压器并不多见。比较这三种控制方式，同时考虑到所设计的电路性能及应用，设计最终采用pwm控制模式。2.2.2 dc-dc转换器的控制模式要依靠上述控制方式获得稳定的直流输出，除了设计相应的振荡器外，还需要引入负反馈环路。负反馈的作用在于3738：（1）减小电路自身的噪声对输出的影响。（2）使输出与开环增益无关。通过在变换电路中引入负反馈，就可获得稳定的输出。一般来讲，dc-dc转换器中包括两种基本的反馈控制模式：电压控制模式和电流控制模式

44、。a. 电压控制模式35 39 电压控制模式pwm是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。从控制理论的角度来讲，电压型控制模式是一种单环控制系统，采用脉冲宽度调制法，即它把输出电压反馈到误差放大器的反相端，与同相端的基准电压比较，采样放大后缓慢变化的直流电压再与振荡器产生的恒定频率的三角波进行比较，最终产生占空比可变的方波来控制开关管和整流管的导通和截止，通过这样的负反馈，可以得到稳定的输出电压39。由于电压控制模式是单环控制，设计、分析相对比较简单，电路成本较低，体积较小。此外pwm三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量，适合用在微波电子产品的电源中。电压型

45、控制方法另外比较突出的优点就是输出阻抗低，在多路输出供电的电源中可以较好的实现交叉调节；对输出负载的变化有较好的响应调节；占空比调节不受限制，最小可以为0，最大能够达到1，同时占空比的变化对系统没有影响40 41。但是，在这里由于电感电流没有参与控制，是一个独立的量，因此电压控制型开关电源变换器是一个二阶系统42，它有两个状态变量，即输出滤波电容器上的电压和输出滤波电感中的电流，这两个状态变量给控制环增加了双极点，二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，闭环系统才能稳定工作。所以从系统稳定性考虑或者误差放大器的主极点移向低频，或者增加一个零点进行补偿，由于环

46、路增益不独立于输入电压，要实现补偿是相当复杂的43。由于开关电源的电流都要流过电感，这将使输出电容上的电压信号产生90延迟，因此仅采样输出电压的办法，在调节过程中存在一定滞后，输出电压变化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pwm比较起对脉宽进行调整，结果必然是响应速度慢、稳定性差，从而导致负载调整率较大，甚至在大信号变动时容易产生振荡，造成功率管损坏等故障发生。改善电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种：一是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益。但是这样容易受高频开关噪声干扰影响，需要在电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理；另一方法是采用电压

47、前馈模式控制pwm技术，即在输入电压端添加电容和电阻，利用输入电压对电容和电阻充电产生的具有可变化的斜坡的三角波取代原来电压模式控制pwm中振荡器产生的固定三角波。此时输入电压变化能立刻在脉冲宽度变化上反映出来，因此对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输出电压变化的动态相应是闭环控制，对输入电压变化的动态相应是开环控制，所以这种方法是有开环和闭环的双环控制系统4445。文章4649中报导的新设计方法是采用新算法或者添加外部电路模块来改善环路控制，但是新算法需要根据不同的设计要求和使用环境来选择不同的补偿环路，这种方法操作比较复杂，而添加外部电路的方法使电路结构复杂化，有时还需添加i/

48、o脚，增加了电路的成本。b. 电流控制模式为了解决电压模式的缺点，20世纪70年代末期开始出现了电流模式控制模式，其基本的思想是在输出电压闭环的控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控制，使得电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关转换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统50。内部电流控制环路是瞬时、快速的，是按照逐个脉冲工作的。其结果是在逐个开关脉冲上不仅仅可以响应负载电压的变化而且也可响应电流的变化。在该双环控制中，内部电流控制环路负责输出电感的动态变化，因而外部电压控制环路仅需控制输出电容，不必控制lc储能电路。因此，电流模式控制pwm的带宽比电压模式控制的大得多51。结构虽然复杂

49、但是性能更好，因此，电流模式dc-dc转换器逐渐开始成为主流产品。根据电感电流采样信号的不同方式，电流模式pwm控制又可分为平均电流模式pwm控制（average current-mode control）和峰值电流模式pwm控制（peak current-mode control）。（1） 平均电流模式在平均电流模式控制系统中，误差放大器ea将输出电压的反馈信号与基准的差值经过比较放大后得到的误差电压ve，作为输出电感电流设定的控制信号。而带有锯齿状纹波分量的输出电感电流信号经过积分后，与ve同时送入电流放大器放大，得到平均电流跟踪误差信号，该信号与振荡器产生的恒定频率的三角锯齿波信号比较得

50、到pwm关断时刻。由于存在电压环路和电流环路两个环路的调整，为了避免次谐波振荡，在设计中一定要注意平均电流跟踪误差信号的上升斜坡不能超过三角锯齿波信号vosc的上升斜坡12。平均电流模式优点是：（1）可以准确控制电感电流，平均电感电流能够高精度地跟踪电感电流设定信号；（2）不需要斜坡补偿；（3）抗噪声性能优越；（4）适合于任何电路拓扑，容易实现均流。但是要达到系统稳定，开关频率对环路增益有限制。平均电流模式的缺点是：（1）由于采样后对电感电流进行积分，所以响应速度比峰值电流控制方法慢；（2）电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；（3）双闭环放大器的带宽、增益等参数的设计调节比较复杂。（2）

51、峰值电流模式峰值电流模式控制，又简称为电流模式控制，是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。它与电压模式控制方法最大的区别是电流型控制模式用开关电流信号波形代替了电压型控制模式的锯齿波信号。buck型dc-dc电流模式控制系统的原理图及pwm调制信号的波形如图2-4和图2-5所示。图2-4 峰值电流模式控制pwm反馈系统原理图fig 2-4 the principal schematic of pwm peak current mode control method峰值电流型控制使电感电流（或开关管电流，实际上开关管和电感的电流峰值是相同的）的上升斜波与所设置的电流控制电平相比较，当瞬态峰

52、值电流达到所需的电平时，比较器翻转，从而关断功率管。外环中，电压误差放大器输出的控制电压环，作为内环电流基准（给定）。检测的电流信号与给定值间的误差经放大后，经过触发器产生占空比d。对于恒频系统，每一开关周期开始，由时钟信号触发开关管导通，当检测的电流信号等于给定值ve时，触发器翻转，开关管关断。因此只要系统中电流稍有变化，占空比可以较快产生调节作用，使输出电压vo接近给定vref。之所以叫峰值电流型控制是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较，从而对输出脉冲的占空比进行控制，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化，被检测的电流峰值与给定值相交点，决定了占空比d。图2-5峰值电

53、流模式控制pwm 的调制波形fig 2-5 the modulation waveforms of pwm peak current mode control method峰值电流模式pwm控制方式的优点在于：第一，暂态闭环响应较快，线性调整率非常好；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。同时，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

54、成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。因而，对输出负载变化的瞬态响应较快。第二，瞬时峰值电流限流功能，具有过流保护功能；在电流控制型dc-dc变换器中，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，有效的保护了主开关。第三，控制环易于设计；因为电感处于内部控制环路中，其电感电流不再是一个单独的变量，消除了整个滤波电感所带来的极点和系统的二极特性，使整体系统成为一个由输出电容和负载电阻构成的单极点系统，因此误差放大器的补偿网络得以简化，稳定度得以提高并且改善了频率响应，具有更大的增益带宽乘积。简化了反馈控制补偿网络、负载限流等电路的设计，减少了元器件的数量和成本，这对提高开关电源的功率密度，实现小型化、模块化具有重要意义。第四，在推挽电路和全桥电路中具有简单自动的平衡磁通功能；第五，在外接电源单元并联时易于实现自动均流。但是峰值电流模式控制pwm也有其潜在的一些缺点5253： 第一，占空比大于50%时系统可能出现不稳定性；峰值电流模pwm控制方式中峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，