BOOST DC-DC电源管理芯片设计（可编辑）

BOOST DC-DC电源管理芯片设计（可编辑） BOOST DC-DC电源管理芯片设计 上海大学 硕士学位论文 BOOST DC-DC电源管理芯片设计 姓名:周耀 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:汪西川 20050201 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第页 摘 要 本论文分析、设计了一种升压式.开关电源管理芯片.它具有转换 效率较高、电源工作电压范围比较宽、集成度较高等优点。高集成度、最简 片外 电路、高效率和低电压是开关电源的发展方向。为了满足各项指标要求,本 论文 对芯片主电路、控制电路分别进行分析设计,进而确定各个子模块参数并分 别对 子模块进行设计,最后对整个芯片进行仿真验证。 文中对升压式电源变换器进行全面分析,对电感电流连续与断续两种工作状 态详细分析,确定主要工作模式为。又通过对控制系统的分析设计,确定 本芯片为峰值电流控制电感电流模式的升压式芯片。然后根据所 有确定的条件对整个芯片系统进行小信号模型建模,得到系统传递函数,更详细 地分析了影响控制系统性能的各种因素,从而对系统稳定性、响应速度等方面进 行更好的设计。 本论文设计了上述芯片包括的各个子功能模块,其中主要模块为基准电压 源、误差放大器、比较器、振荡器、过流保护模块和锁存驱动部分,并对 部分模块进行了版图设计。设计中也充分考虑了部分模块的可移植性,其设计思 想以及电路结构适于各种.开关电源芯片。仿真验证 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,芯片模块结构 简单,稳定性好,电源工作电压、工作温度范围较宽,具有一定的先进性和实用 性。 关键词:开关电源,电源管理芯片,升压式变换器,峰值电流控制 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第页. 曲 曲,. 曲 , . , . . .. , ’ , ., ’ , . , . . : , ,原创性声明 本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 并表示了谢意。 签名: 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部 或部 分内容。 保密的论文在解密后应遵守此规定 上海大学碗士学位论文 .电源管理芯片的设计 第页 第一章绪论 .开关电源技术发展概况 开关电源技术属于典型的电力电子技术,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。多年前,开关电源取代了晶体管线性稳 压电源。最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶 体管工作于开关状态。应用脉宽调制或脉冲频率调制技术控制开 关变换器,组成电压调节系统,统称为开关电源,早期其效率可达?%线 性电源的效率只有.%。在世界性能源危机年代,引起了人们的广泛关注。线 性电源工作于工频,因此用工作频率为的开关电源替代,可大幅度节 约能源,在电源技术发展史上誉为革命。开关电源和线性电源相比,二者的 成本都随着输出功率的增加而增长,但二二者增长速率各异。线性电源成本在某一输 出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发 展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力 端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。进入年代计算机电源全面实现了 开关电源化率先完成计算机的电源换代,进入年代开关电源相继进入各种电 子、 电器设备领域,程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都己广泛 地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。 微处理器和计算机等电子设备都需要直流电源供电。随着芯片尺寸不断 减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多:航天,潜艇,军用开关电源,微处理 机以及用电池的便携式电子设备如手提计算机,移动电话等更需要小型化,轻 量化的开关电源。因此对电源中磁元件电感、变压器和电容元件提出了小型轻 量要求,并且要求开关电源的效率和可靠性更高、性能更好、更小等。我国技 术发展水平与国际先进水平一般说平均有年差距。年代起,我国在黑白电 视机,中小型计算机中开始应用、~、.开关电源。年代进 入大规模生产和广泛应用阶段,并开发研究.~准谐振型软开关电源。年 代中,我国通讯如程控交换机电源在?及.开关电源应用领域中所 占比重还比较低;年代未我国通讯电源大规模更新换代,传统的铁磁稳压.整 流电源和晶闸管,原称可控硅元件相控稳压电源为大功率、 上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 第页 .开关电源所替代;并开始在办公室自动化设备中得到应用。工业应用 方面,在锅炉火焰控制、继电保护、激光、彩色、离子管灯丝发射电流调节、 离子注射机、卤钨灯控制等系统中也均有应用。 .开关电源原理简介? 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置, 用于交一直或直一直电能转换,通常称为开关电源。开关电源体积小、效率高,是稳 压电源的发展方向,现己成为主流产品,其功率从零点几瓦到数千瓦,广泛用于生 活,生产,科研,军事等各种领域。顾名思义,开关电源的核心为电力电子开关电 路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求,利用反馈控制电路,采用 占空比控制方法,对开关电路进行控制。通常控制方式由下面几种:脉冲宽度调制,缩写为即开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改 变占空比的方式,第二种为脉冲频率调制缩写为导通脉冲宽度恒定,通过 改变开关工作频率来改变占空比的方式。第三种就是混合调制,也就是导通脉冲宽 度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上二种方式的混合。目 前市场上常见的一般为工作方式,采用工作方式的控制较多,如 公司系列、公司的、 公司的、公司的、 公司的 系列。而采用工作方式的有///、汰 公司的.等。采用工作方式的控制集成电路内部主要由以下 部分组成:振荡器一般有矩形波输出和锯齿波两路输出、基准电压源、控 制器、误差放大器、电压检测器、输出驱动电路和必要的过热保护、过流保护等。 . 在开关电源技术中的应用? 我们知道功率电子学很大程度上带动了半导体、等的发展。微电子技术的高 速发展使得,半导体大大推动了电子系统的发展,尤其是在信号处理以及计算机 领域。目前绝大部分电子系统的电路都通过来实现,同样微电子的发展也推动了 功率电子技术的进步,越来越多的产品运用到功率电子技术领域。在功率电子技 术中,产品的应用可以简单的分为两类。第一类是分立功率器件,包括晶闸管, 大功率双极型晶体管,,和,,等。这些器件具有功 上海大学硕士学位论立 电源管理芯片的设计 第页 率容量大,能量损耗低,开关速度快等特点,适用于电力电子装置,得到大量的应 用。但是这类器件需要采用与集成电路不同的纵向横向工艺和较厚的外延层带到要 求,同时大功率器件的占用面积也很大。 另一类在功率电子技术中得到广泛应用的产品是通常称为功率集成电路。近 来功率器件方面的发展表现在功率器件的尺寸更小以及新的栅极驱动器件所需驱动 电流减小,这些发展促使集成电路技术可以将功率器件和低压控制电路在同一芯片 上实现,从而使成本下降。这种在同一芯片上集成有功率器件和低压模拟和数字电 路的电路称为功率集成电路。其中一种特殊的功率集成电路是高压集成电路 ,相对于数字电路和高功率电路来说.在这种芯片内同时具有高压和相对 低的电流特点。随着便携式和个人通信设备的发展,其所需的电源也在不断发展, 而使用技术是实现这种设备小型化可能最好的方法。现在正在尝试研制集成了微 处理器和的电池充电器,以实现智能电池充电功能。另外一种应用就是. 转换器。目前为止在这些转换器中,电源仍然占用了相当部分的空间和重量。国家 半导体 开发了一种单片转换器,它采用特殊的封装技术 把电感、电容和控制部分集成到一块。还有一种功率电子技术中应用的产品 是种 类繁多的控制和驱动电路,例如实现开关电源反馈控制的控制模式和谐振式 控制芯片,电机控制应用在诸如洗衣机和磁盘驱动中提供精确的速度和扭矩控制。 驱动电路为大功率器件提供开、关时所需驱动电流。这些通常采用或者 工艺,采用工艺是由于双极型晶体管的跨导较大,速度快,而 工艺同时利用器件静态功耗低和双极型器件速度快的特点,可以得 到更低的功率损耗和较快的速度。 随着功率电子和微电子技术发展,将也朝着功率密度更高,体积更小 集成度更高等复杂的方向发展。也就是将更多。更复杂的模块集成到一起,应用将 更加广泛。 .开关电源的未来发展趋势 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于 开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于 同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧 体?材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度下获得 体材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度下获得 电源管理芯片的设计 上海大学硕?堂焦论文 第页 高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。技术的应用使得开关电源 取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。开 关电源的高频化就必然对传统的开关技术进行创新,实现、的软开 关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠 性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的 应力,使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用 模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成冗余电源系统,并实现并联方 式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必 将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪 声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大 量的工作,以使得该项技术得以实用化。 .课题研究的意义,内容和 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 安排 功率电子技术和微电子集成电路的不断发展.使开关电源产业有着无限的发 展 潜力。因此要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有 中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。因此自主 的进行开关电源管理集成电路的研究与开发,无论是从经济,还是科学研究上都是 是很有价值的。 本论文对 ?开关电源管理集成电路的开发设计进行了深入的研究。 介绍了开关电源控制系统的设计思想以及内部各个模块的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和具体的实现。 第一章介绍与本文相关的技术背景,目前市场上的各种控制的工作方式、电 路结构等,以及开关电源的未来发展趋势,并对本文的章节进行安排。 第二章详细的分析了 开关电源主回路拓工作原理,以及对 ,工作模式进行深入的研究,根据设计要求对元器件参数进行了设计。 第三章深入的分析了开关电源系统控制原理,对各种控制方式进行了分析以及 影响控制系统性能的各种因素,最后确定了峰值电流模式控制方式,然后对确定下 来的控制系统进行小信号建模,通过小信号模型的分析,确定控制系统的稳 定性, 以及各个模块的参数标准等。 第四章到第七章分别对各个芯片子模块进行原理分析设计和改进,并分别进 行 仿真验证,使得电路得正确的实现。 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第页 第八章简要介绍了工艺以及版图设计需要考虑问题并实现部分字模快版图。 第九章对本论文工作进行总结,并提出今后的改进和下一步工作的展望。 上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 第页 第二章电源管理主电路原理分析与设计 开关电源有以下种基本拓扑结构: ? 和 ,每静都有他们各自的用途, 适用于不同的要求。由于本设计采用的拓扑结构是类型,所以本章节着重就 的工作原理以及参说设计等进行分析。 . 转换器的基本工作原理图. 转换器电路 如图.就是升压式转换器主电路。当功率开关管导通时电源电压 对电感进行存储能量,使得电感电流以某一斜率上升,此时二极管反偏截止。 电容通过负载进行放电。下一个状态当开关管截止时二极管正偏导通, 构成另外一种回路,电流流经二极管,负载和输出滤波电容,输入储能以及电 感 储能供给输出负载,电感电流下降。由于周期性的开通和关断,我们就得到一 个含有纹波的当然近似恒定的直流电压,即我们所得到输出电压。其中电感,电 容的选择对输出电压会产生很大的影响,这一点在后面坐详细的分析。现在我们 看电感电流的变化,由于电感电流使周期的上升和下降的,因此就存在一个下降是 否到零的问题。所以我们把电路分为两种工作模式连续导通模式 .;简称即当流过电感的电流下降时不会降为零, 和另外~种不连续导通模式. ;,简称,也就是 电感电流在一个周期还没有结束时已经下降到零。 下面我们对这两种模式进行详细分析,为了分析方便的考虑,我们假设开关管 和二极管为理想元器件。 .转换器在工作模式的分析上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第页 如图.转换器的电感连续导通模式的两种工作状态 状态 状态 图.主电路工作模式的工作状态 由状态删黜回路方程?兰/丑忽略输出电压纹波可得??/式. 一/式. 由状态可得至】:,一 / ,一 ‘ 由式.和式.得到周期电感电压和电容周期电流的波形如图.,其中 为导通占空比,为工作周期,为负载。 ‘ / 。 一时。』习/ 图.电感电压和电容电流波形 。%%一’在稳态分析时,电感周期平均电压为零,即伏秒 平衡原理,也即上嗷于是吃正%一’即 式. 。’一功’。求得告 ’一功’求得百,于是。毒寺吾 ,于是。号古吾 再根据电容电荷守恒,在稳态情况下。也即电容安秒平衡 胁舻一?州,~?删得到一妥。’ 式. 解的平均电感电流 ,吾每 ..输出电压的纹波分析? 忽略输出电压和电容电流纹波::『二 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第页 在开关管导通阶段,电容电压的斜率尘警尘气笋面。在开关管关闭时, 电容电压波形斜率掣半考嵩姻. \ /\一 ? 喜?、名? “” 图.输出电压波形分析 由此我们可以得到?盖。即?去。因此的选择是决定输出电压波 形纹波大小的一个关键因素,当然了在实际设计中考虑电容的 也同样是很关键的因素,这一点在后面的元器件的设计中会重点强调。 .. 和两种工作模式的临界条件的分析 对电感电流而言导通时电流斜率掣三兰,关闭时电流斜率为 掣上半,如下配 一 /\屯 / 么 / 廑杉 /、 图.电感电流波形模式分析 与上图可以计算出 与上图可以计算出 。 ?罟 羞。 但是当电感平均电流下移时就会产生另一种情况,也就是当一个周期在结束 时电感 电流刚好下降到零点如图.所示。 』/上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 第页 图.和临界状态 图.电感电流模式 如果电流在一个周期还没有结束就已经下降到零,如图.也就是模式。 图.可知在,?时刚好临界状态,由式.可知』苫,,?屯羞。 如果,则为连续导通模式反之,则为不连续导通模式 。 郛州,靠%%箍。由于号』矧生 当』?屯时也就是器’使电路工作在。状态。所以我们可以通过,, 和的确定以及电路的静态工作点的确定就可以确定电路工作的模式,以及采 用何 种方法分析。 . 变换器模式工作原理 根据图.我们分出工作模式的种状态 一 “冲丰冀? ? 弋 状态 导通,截止 状态 截止,导通 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第】页 在状态时篇纛凇忽略输出电压纹波可得搿三?/其愀四正 , 状态时?嚣三纛::乙,忽略纹波?翟三袅二矿,其中, , 其中日 状态时。:一/同样忽略纹波:一矿/, 同分析过程类似,稳态时电感电压伏秒平衡得到 ? 式. 求解得 矿:丛堕 其中的是未知的,我们通过稳态电容周期平均电流为零,所以整个周期内通 过二 极管的平均电流和整个周期内负载平均电流相等,由此得出关系式 式. “’川 鼍些:旦 ?互『一 北 把加.带入北.矧睁嘎一箍。 解方程:.,,得到茜圭?孵,,皿就是通常说的。所以在电感电流 式.。, 孵, 。模式下电压增益茜互 当然此时要满足关系式盖“,也就是必须要工作。模式下 .设计要求 上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 第 页 电路标准工作状态输入,固定输出,允许输入范围波动较宽,并且当 输入电压较低时,也能够提供输出电流,最大输出功率为等。在标准输 入下,要求芯片转换效率达到%。 我们根据式.。号吉可知,在工作模式下,输出电压 和负载无关,只和输入电压有关,因此再稳态时负载调整率比较好,负载调整 率 即为上。耐.掣出二。×%。由于输出电压直接由输入电压决定,因此 开环线性调整率很差,线性调整率为.会静×。%。在根据式. 瓦?。等,我们知道在。工作模式下输出电压和输入电压 ,负载都有关系,表面看来在下负载调整率和线性调整率都很差,但是这完 全可以通过正确的设计选择控制电路解决。他的优点是在每个开关周期还是 时,电感 电流为零,即初始储能为零,因此其闭环相应特性很好,控制环路变得更加稳 定。还 有就是在电流控制系统时,对采样电流信号必须采用斜坡补偿,由于开关周期零电流 开始,所以不会产生振荡,在斜坡补偿时只需要考虑平均电感的波动就可以了,因此 系统容易实现。本设计是在大多数出入电压和输出电流范围内工作在不连续模式的, 也就是转换器大部分范围是工作在轻载状态。在设计要求中取标准值,输出电 压,最大输出功率为,所以最大输出电流。。/为.。我们设计在 较大的范围内是转换器工作在不连续模式于是负载瓦南’%为输出电流 的范围,大约为。 ..电感器的设计 电感值是决定控制系统稳定度的主要因素。工作在断续模式下就要采用小电感 器,让开关导通前电感器电流达到零电流。当然电感器的大小也不能任意减小,若 电感太小,超过电流的限制,就可能引起自谐波振荡。现在我们根据设计要求对电 感值进行设计。由于设计转换器工作模式断续模式,所以我们对临界状态进行分析 用以确定最大电感值。在这里我们必须要考虑开关管的导通电阻和二极管压降。计 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 算此状态的占空比。上.生盟。,我们取%。为。.,%为。.,计算的得到 ’,设计的开关工作频 ?,根据断续工作的条件盖“, 率,带入和得到.‖日,考虑到一定的余量问题,我们取稍微小 一点的标准电感值。当然对于不同的输入电压,电感的大小是要跟随着相应 的变化的。这是和具体应用电路直接相关的。 ..输出滤波电容的设计 升压变换器中的输出电容器其实就是能量存储器,在电容器充电时,它提供所 有的输出电流,因此它有很大的纹波电流。有公式?南瓦,输出电压的纹波 脉动和电容器的大小又直接的关系,输出电容越大,输出电压的纹波脉动就越小。 在我们所设计的电路中,由于工作在断续模式,变换器控制环路变得更加稳定,因 此我们可以利用这种额外的稳定性来降低输出电容如电感比较大系统在连续模式, 则输出电容要加倍。同时输出电容存在等效串联电阻 ,这是不可避免的。因此应当依据最小的原则来选取输出滤波电容。 电容?,电感电流变化量决定输出电压中高频纹波的幅度。在变换器 中由于有更大的纹波电流,因此我么需要更小的电容器,本设计我们选用 , 其应当小于.。 ..续流二极管的设计 二极管的设计应该从反向最大承受电压和导通是最大峰值电流的角度考虑。开 关管导通时,输出电压瞬时全部加到反偏截至的二极管上,必须保证二极管的反向 承受压降妖大于输出电压的最大值。开关管关断时,二极管导通,电感器上的电流 瞬时全部加在二极管上,因此也要保证二极管承受最大电流要大于电感峰值电流值。 其实在工作中,二极管的正向导通压降对开关电源的效率有很大的影响,为了提高 转换器的效率,我没在保证二极管能正常工作的同时要选用正向导通压降小,反向 恢复时间短的肖特基二极管。 但是如果再要球更高效率的应用中,我们可以用另一个来代替二上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 极管,这被称为同步整流。这个的栅极驱动信号应该和的栅极驱动保持反向 同步,也就是在截至时,不用二极管保持续流,而是与此同时有效的激励 导通进行续流。同步整流的优点就导通的所产生的导通压降比二极 管低的多。这样可以大大的提高转换器的工作效率。 ..开关管的设计选取 本设计选用的开关管是功率。功率的特点是开通关断速度 快,采用电压方式驱动。而功率的特点是容量大,导通损耗低。在者, 当然很不错没,可是价格很高,我们是小功率的,所以足以达到要 求。我们所要考虑的是此开关管的允许电流要大于电感最大峰值电流,开关管 的漏源承受最大电压必须要大于最大输出电压与二极管正向导通压降的和,还要考 虑余量问题。 我们还可以通过增加一个肖特基二极管与并联来进一步提高转换器 的转化效率。避免导通的体二极管可降低空载时间期间的道统损耗。 消除与截至体二极管有关的反向恢复电流,可降低导通电流尖峰。由于在 电流尖峰出现时跨接在上的电压仍为高态,所以肖特基也可降低的开关损耗。 消除体二极管中的反向恢复损耗。 ..效率的分析 分析效率我们可以从采用同步整流的角度开始,当然这就考虑把开关管和同步 整流管都作到芯片内部时计算效率的方法。但是这也更进一步的说明了我们选取开 关管和二极管是要注意它们的各项指标。 .在没有采用同步时,我们先分析转换效率的大小。我们采用标准值输入,, ,。的情况下。假设工作模式,占空比。。瓦“了磊., 其中%是二极管正向导通压降,,为导通压降。我们可以知道效率 打 其中’一,吃电感等效电阻,如为导 通电阻,为负载,二极管正向导通电阻。我们取一组设计标准值如. .电源管 理芯片的设计 第 页 上海大学硕士学位论文 .,%.,.,求得.,把一系列参数带入效率公式, 可以求出.%, .下面考虑同步整流,采用可控内部代替外部二极管,因此正向导通压 降很小,可以降到.以下,这里我们采用%.来计算。因此., .,再次带入效率公式可以求出 :: ” ?百夏百面面硬聂旋斥西页页丽 ????碡而话‘磊??一 得到,大约.%,由此可见,采用同步整流后,转换效率可以大大的提高。 电源 管理芯片的设计 第 页 上海大学硕士学位论文 第三章控制系统的原理和设计 开关电源控制方式由多种,比较常用的脉冲宽度调制即模式控制,也就 是开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式来控制,第二种为 脉冲频 率调制,导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 第三种就是混合调制,也就是导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改 变的方式,它是以上二种方式的混合。由于控制技术已经趋于成熟,并且和 相比,控制方式容易实现,也能很好达到设计要求。所以目前市场采用 控制的芯片还是占大多数。本设计也采用控制方式。 . 控制方式基本原理订 先简单介绍一下控制原理。就是对被控参数先设定一个值,再与此参数的 实测值经比较器进行比较,如果两者不相等,就产生了偏差,比较器输出一系列脉 冲,其脉冲宽度与偏差成线性关系。用此脉冲去触发开关,开关又触发执行元件, 执行元件按脉冲宽度的时间动作偏差大,脉冲宽度很宽,执行元件动作时间长,使 参数的实测值与设定值的偏差迅速减小;当偏差小时,脉冲宽度变窄,执行元件动 作时间短,直到设定值与实测值相等,达到自动控制参数的目的。 / / /‖/ / / / / 输出信 , 图. 原理波形图 在开关电源控制系统中,就是经过输出电压反馈和一固定基准电压误差放大 后得到的信号,它可以根据输出的变化自动调节,从而导致输出脉冲信号的变化, 而又是决定最终输出电压的大小,因此可以实现闭环自动调节,得到一个稳定的 需要输出电压。当然在实际的控制中有多种方式实现例如电压控制型,电流 控制型等,电流控制又有平均电流控制和峰值电流控制。图.是标准的电压控制 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 型,在电流控制中图中则不是固定锯齿波信号,而是在系统中内环反馈的电流 信号。下面分别做~介绍。 ..电压控制型原理 电压模式控制是年代后朗开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种 控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至今仍然在工业界很好地 被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法,即将电 压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相 比较,通 过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度,逐个脉冲的限流保护电路必须另外附 加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为主电路有较大的输出电容 及电感相移延时作,输出电压的变小也延时滞后,输出电压变小的信息还要经过 电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至比较器将脉宽展宽。这两个延 时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。图。电压模式控制原理图。 图.电压模式控制原理图 电压模式控制的优点:三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪 声裕量;占空比调节不受限制:对于多路输出电源,它们之间的交互调节 效应较好;单一反馈电压闭环设计、调试比较容易:对输出负载的变化有 较好的响应调节。缺点:对输入电压的变化动态响应较谩;补偿网络设计 本来就较为复杂,闭环增益随输入电压而变化使其史为复杂;由于,两个动 态变量,系统控制环双极点,在补偿设计误是放大器时,需要将主极点低频衰减, 或者增加一个零点进行补偿;在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复 杂。总的来说在要求较高的情况下,单环电压控制是不适用的。 第 页 上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 ..峰值电感电流控制 峰值电感电流控制并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压 斜坡比较,而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖 角状合成波形信号入比较,然后得到脉冲关断时刻】.。因此峰值电流模式控 制不是用电压误差信号直接控制脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电 流大小,然后间接地控制脉冲宽度。如图.峰值电流控制原理图。 图.峰值电流模式控制原理 由图,也可 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。 以知道峰值电流控制是双闭环控制系统,电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时 快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源,而电压外环控制此 功率级电流源。在该双环控制中,电流内环只负责输出电感的动态变化.因而电压 外环仅需控制输出电容,不必控制储能电路。由于这些,峰值电流模式控制 具有比单环电压模式控制大得多的带宽。并且由于是双环控制系统,因此电感电流 不在是一个独立的变量,从而使开关交换器的二阶模型变成了一阶系统,而 一阶系 统是无条件的稳定系统,对系统地设计很方便,更加稳定。峰值电流模式控制删 的优点。暂态闭环响应较快.对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均 快。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 控制环易于设计, 路就动作,使得脉冲宽度发生改变,保证输出电压的稳定: 误差放大器的补偿电路简化,改善了频响,具有更大的增益一带宽乘积。整个电路 可看作是一个误差电压控制电流源。变换器的幅频特性由双极点变成单极点,因而 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 可以改善整个稳压器的特性;输入电压的调整可比电压模式控制的输入电压前 馈技术; 简单自动的磁通平衡功能; 瞬时峰值电流限流功能。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。 ..平均电流模式控制 下面在简单的介绍一下平均电流模式控制【。平均电流控制法的电流内环存 在一个电流补偿放大器,通过这个放大器使得内环的稳定性能提高。电流采样电阻 两端电压为转换过来的采样电感电流流对应的电压值:两者之差即为电流误差值, 经电流补偿补偿放大,输出值与锯齿波比较输出占空比可调的一系列脉冲波,用以 控制开关管决定输出电压。平均电流模式优点不需要谐波补偿,但要满足一个 极限条件:经电流环补偿电路放大的电感电流下降沿斜率要小于发生器的一端输 入的锯齿波的上升沿斜率。具有较强的抗干扰特性。调节电流内环补偿放大器 的电阻、电容参数,可使系统获得较好的动态特性。调试好的电路抗噪声性能 电 优越; 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制。它的缺点是; 流放大器在开关频率处的增益有最大限制;双闭环放大器带宽、增益等配合参 数设计调试复杂。从平均电流模式可知道虽然它有很多优,可是系统调试要复杂的 多,在很多场合用峰值电流控制就完全可以实现。 我们在回头看峰值电流控制,他又自己固有的缺点,例如占空比大于%的开 环不稳定性,存在峰值电流与平均电流的误差,而决定输出电压的是平均电流的大 小;相比而言容易发生次谐波振荡,即使占空比小于%;对噪声敏感,抗噪声性 不好。但是这些都是可以通过斜坡补偿还弥补的,又由于它的很强的稳定性,以及 其他独特的优点,我选取峰值电流控制模式来实现系统设计。这就必须要考虑斜坡 补偿的问题。 .电流控制中的斜坡补偿的问题“羽 ..开环不稳定 我们回头看图.峰值电流模式控制原理图,可以看出电流控制的核心就是电 感电流取样信号和电压误差信号比较产生脉冲信号控制开关管的开通关断。我 们现在在不考虑外环的情况,只对电流信号和电压误差信号进行考虑。如图.圭堂查堂堡主堂垡垫奎 里鱼墨墅 :墅垦皇塑筻理芯片舯设计 第 页 ?厶 图.开环不稳定原理 即为电压误差信号,我们这里讨论时只用电流信号表示,对系统不产生影响。变 化的锯齿波为电感电流信号,?,为电感电流扰动信号,%:为电感电流斜率, ?‘ 为下一个周期产生的扰动,也就是由?厶产生的。根据图.,通过几何解,我们 。 可以得到方程?厶争,也就是““一吴,为导通占空比,以此类推/ 胍 得到?.虬一争”由此可见当。。.时鸲,最终趋向零,属于稳定状态,能 正常工作,而.,?趋向无穷大,系统进入不正常工作状态。这时候引进斜 率为棚。斜坡补偿信号,这个斜坡电压既可以直接加在电流波形上,也可以从误差电 压信号中减去。我们这里采用从电压误差信号里面减去补偿信号如图.。由图. ‘ 得到斜坡补偿后的方程?‘州。罢;:导从而?‘。一?厶塑“,要保证系统 码珊。 肌聊. 稳定,就必须满足虬,为零,也就是一生监,我们就可以根据最大占空比来 ’ 确定川。的范围,最大占空比时就上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 图.斜坡补偿原理图对应最小竹。也就是一去%一寺?。 上 ‘ ..平均电感电流误差 在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压,这个平均电感电流可用 一个电流源来代替,并可以降低系统的一个阶次。我们知道平均电感电流是唯一决 定输出电压大小的因素,而峰值电流控制方法常使电感的平均电流随占空比而变, 从而致使输入一输出正向特性不理想。但是加入斜坡补偿后可以除去不同占空比对 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,使输出电 压更加稳定。 ..次谐波振荡和噪声污染 对电流型控制而言,内环电流环峰值增益是个很重要的问题,这个峰值增益在 开环频率一半的地方。由于调制器的相移可能在电压反馈环开关频率一半的地方产 生振荡也就是次谐波振荡。还有当控制电路出现噪声时,由于控制环路增益较高, 的微小扰动?:将造成占空比的变化量很大,造成系统不稳定,这些弱点都 可以在适当的加入斜坡补偿消除,使得整个系统正常有效的工作。这方面的理论已 经比较成熟了,就不在多介绍了。 .对峰值电流控制系统进行小信号建模?埔?埔 根据以上章节的分析最终我选择升压式峰值电流模式控制来实现此单片 开关电源的设计,并且设计在较大的范围内是转换器工作在不连续模式的。 设计一个具有良好动态和静态性能的开关电源时,控制环路的设计是很重要的 一个部分。而环路的设计与主电路的拓扑和参数有极大关系。为了进行稳定性,和 响应速度的分析,有必要建立开关电源完整的小信号数学模型。在频域模型下,波 特图提供了~种简单方便的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 分析方法,可用来进行环路增益的计算和稳定性分 析。由于开关电源本质上是一个非线性的控制对象,因此,用解析的办法建模只能 近似建立其在稳态时的小信号扰动模型,而用该模型来解释大范围的扰动例如启 动过程和负载剧烈变化过程并不完全准确。好在开关电源一般工作在稳态,实践 表明,依据小信号扰动模型设计出的控制电路,配合软启动电路、限流电路、钳位篁垂 旦曼:望曼皇望笪堡苎丛塑塑盐 圭塑盔堂塑?堂垡堡塞 电路和其他辅助部分后,完全能使开关电源的性能满足要求 下图电流控制开关电源原理总图 . 图. 电流控制转换器工作原理总图 其工作原理就前面已经介绍了。这里就不在详述。 现在对系统工作在状态的进行小信号模型分析。 首先对主电路模型分析,然后把控制行为加进去。对主电路而言,采用 如图.的端口等效模型。我们把各个节点电流电压波形画出来以方便我们以 后的 分析,由于设计大部分状态工作在模式,现在只对工作模式进行分析, 如图.端口各点电压电流波形图。 /弋 : 。厂、皱 弋/ 一 。 。 叫 咄市薹 鸯。 ? , ? 一 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 图 主电路端口等效示意图 ~. ? / / 。 ’贰’? \ 户 / ’ 。 仑心 / 一 \ 图.等效端口各节点电压电流波形 的峰值电流孚吐 考虑在稳态情况下电感周期平均电压为零于是 式. 《吨匾破%一或瓦,破碣了兰 , 考虑到控制类型为电流,在原理分析时我们把斜坡补偿信号从误差电压信号 里面减 去,得到波形如下图: 。 。 图.电流控制工作模式原理图 由图.的几何关系我们到 上海大学硕士学位论文 墅堡皇塑宣堡蔓丛笪塑盐 釜兰夏 , 式 而‘,’吐,聊.睾带入可得吐石丽 由图.可得到‘矗,,毒峨‘出也就是‘,,圭。吐】, 把,式?和式?带入得到“; 工一,夏两 .如饥,州。去,以一如一吐 式. 直接可得“‘。 鲨些 式. :: , 所以御,。‘ 熹 。,,:‘:工,一:二:鬲,并且。,可以计算出 。撕夏菇面。,“。完全符合能量守恒。 于是得到 『 丽 磊巧/?丽磊醉 现在把各小信号波动加上 厶乏,‘‘ : :吒也, ,,乏 设函数 哪丽蒜糟‰可“?堍,?, 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 式.根据 现在定义一 .川。蜀也 ‘ ‘相州%四硝弩毒盟砌盟%毒盟痢警产蝗 式中我们把高阶非线性项当作高阶无穷小忽略了。分别球导数,得到各项的 系数, 在根据式.得到 一薜蠡小扣一去彘,, 、一 ../帆 其中?。生为主电路电压增益 再次设函数 一::罚::赫以’。’‘。, 式. 我们在定义一生厶乏:, 屹 同理根据泰勒公式也可以得到 椭?叫朋哪警等盟瑚笃产枷垡警盟蝗 同样忽略高阶无穷小我们得到眨矿,正妻,:去之鲁, 到现在我们就得出完整的电流控制型不连续工作模式的小信号模型。如图 : 点 』 一申韦。 乏。丰如 丰? . 图. 不连续电流控制模式小信号模型第 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 页 /. 、 ‘.一??.?如一丽 ,’ 铲、一一,一划据一丽’ 。 例掣“扣去嵩腿中肚~ 下面我们计算系统传递函数 式. 丽 小。詈皂风圳啪, .根据小信号模型对系统进行分析设计。 下面根据上面得到的小信号模型对本系统的各种参数进行设计。 首先我们确定整个系统正常工作的静态工作点。工作条件输入电压,输 出电压,还有在主电路分析时已经确定的个元器件值, ‖,负载点取一定的余量分析,输出平均电流。工作频率 //电感电流取样电阻,.,矗,不能过大,过大会对系统产生很大的 影响,也不能过小,如太小,精密电流放大器的增益就要设计很大,则,的一个 微 小误差就会引起取样信号很大的变化。通常就选择.。精密电流放大器增益 我们 选择,至此我们完全可以定出系统静态工作点。 带 蜊 甚叶一棚?。 入数据求得.。由?吐,这里的吐就是,带入可得电感峰值电流 。.。爿,根据式吐石砉笔两,考虑到电感电流取样信号经过 精密电流放大器的放大,还有斜坡补偿%斜率的大小计算,这里的其实已经转 矿一矿 化为电压信号了,我们这里取一寺二。旦一,可以得到‘.卅。 也就是‘.其实已经是电压信号了。.。根据式. 上海大学硕士学位论文 电源管理芯胜笪塑盐 蔓曼垂 沪詈叁成州驯咿丽,姗删求%% % 。.×... %。耵 而陬品观:朋 ,这个公式是删忽略了次眠近 于是就得到啪《 惫 卜.上似的一个一阶传递函数,表面看来是无条件稳定的,可是系统在物 理仿真时由于一 些不可避免的因素,还是有一定的适用范围的,只是范围较宽而己。我们这里 主要 考虑的就是系统响应速度问题。 下面是电压外环反馈图 此时苦一等,而?%警,这种隋删卜般都是把勖设计成 接近理想状态。由于我们得到的。近似为一阶传递函数,为了不再这里再引 进 极点,我们就采用有差系统来进行补偿。 玑一%泌,这里胙彘,可以求得葛嵩式 . . . 舯?’毒?志骱削?,得铲篆 。 ’ 土攫盍堂塑?塑鎏文 电源管理芯片的设计 第 页 最终系统得特性可以通过。,来分析, 我们通常取墨//:,也就是:百 面 由于是一阶系统,我们可以在时域范围考虑, 时间常数丁:上决定系统的惯性,一 ? 阶系统惯性越小其响应速度越快,所以原则上应该尽可能让大,可是我们这个系 统模型是简化了的,忽略的一些较远的极点,如果坼过大,很有可能又把额外的极 点引近,从而系统不稳定,所以具体设计要适中,也要通过不断的仿真来验证。 .芯片具体管脚定义 图.芯片内部原理框图 设计芯片内部原理框图如图.所示。 下面我们对引脚进行逐一介绍。 脚为芯片使能端内部电路中使能端也对系统电流源进行控制,从而控制整机 的工作状态。 脚是芯片经过驱动后的脉冲输出,直接连接到开关管的栅极。 脚是用于和地之间连接上如启动电容,充电软启动电容上的电压逐渐上升到 误差放大器输出电压上的嵌位点。通过增加基于周期的电流限制们来限制上 电时的 浪涌电流。 脚为补偿连接端。和脚之间的小电容稳定反馈回路。 上海大学硕士学位论文 .电源管理芯片的设计 第 页 脚接地: 脚和脚之间连接大开关管。其中和脚之间的小电阻即为电流信号取样 电阻。 脚接反馈电压信号,该电压信号是通过在负载的下面串接电阻采样此电阻上 电压而得到,此电压的变化直接反映输出电压的变化 脚接电源。 电路的基本工作原理:输出电压经过电阻反馈网络得到反馈信号,和基准电压源产 生的基准电压进行误差放大,得到误差信号,取样电流信号和斜坡补偿信号进 行叠加放大得到电杆电流信号,把和进行比较,得到脉冲,然后进 过锁存驱动,送出芯片控制大开关管,以致稳定输出电压。 由于工作原理前面已经介绍的很清楚了,这里就不在多说了。下面的章节我将详 细的介绍内部各个电路模块原理结构。上海大学硕士学位论文 ?电源管理芯片的设计 第 页 第四章能隙基准电压源原理分析与设计 基准电源电路在整个设计中占有举足轻重的位置,基准电源的输出电压与温 度, 电源电压的关系是否稳定、一致,能否达到设计要求,是本设计成败的一个关键。 在集成电路设计中,除了电源电压外,必须有其它提供电位的偏置电路。该 集成电路的输入电压范围为.至:作温度范围自然通风为一至, 在这个范围中,偏置电路提供的输出以及基准的电压输出均应保持稳定。 电压参考源的设计大致分为三种,第一种齐纳二极管为主,它的电路组成形式 极其简单,也可以形成一个很稳定的输出电压,并且不受负载电流或是电源电压波 动的影响,但缺点是齐纳二极管一定要工作在崩溃区,所以它的工作电压至少在 以上,芯片系统工作电压较低时不能正常工作,即使能正常工作,功耗也很大。第 二种电压源电路时利用场效应晶体管中增强型与耗尽中的临界电压不同,形成的电 路,虽然也可以达到很稳定的电压,但是由于限制在两种临界电压,所以制作很敏 感,经常输出电压产生误差。第三种就是由正温度系数的电路来补偿由结所产 生的负温度系数,我们也称为就是能隙参考电压源。如下图. 图.能隙参考电压原理图 图.所示的是带隙基准源的原理示意图.?结二极管的电压降为%。,其温度系 数 在室温时大约为一./,而热电压为咋吩/,在室温时的温度系数为. /,将巧电压乘以常数并和‰电压相加可得输出电压为%‰足,蹦 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个结电压差的正温度系数电压阼 相互 补偿,使输出电压达到很低的温度漂移。为了后面更好的说明能隙的原理, 我们这里 先对负温度系数。进行简单的理论分析。 .负温度系数原理分析踟 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 我们知道双极型晶体管中集电极电流密度为型斋?等,胛,。为 基区中电子的平衡浓度,眈为电子的平均扩散系数,阢为基区宽度。,,氓 且在硝一‰四,于是删掰,丁 %粤触中爿篇。 是和温度无关的常数,是常温时硅的能隙电压,于是进一步我们可以知道 . 等嘉‰, 现在设庞中的参考温度为,可得到 吖瓦%~%。,将。和止进行比较,可得 去争卸善毕一气》,, 八, 重移矾吨一。一争争等争》净 或者根据电阻与温度的关系?】,也可以写成 . ‰哦一半州烨,等白 猁现在对‰取鼢当黻系数为瓦时等而平忡训弘 现在我们已经推倒出详细的‰对温度的关系式,然后只需要导出?‰对于不 同 的电流密度的关系式,由式.?,我们可以关于?‰的表达式?%。了 血 ,然后我们对上式进行温度系数微分得到关系虱.百”寺。,。:., 为了能够在矗时得到零温度系数,我们将式.和式.相加必须为零,得到 ?”七矧气》与竽,这脚鼬个电釉徽简化 .电源管理芯片的设计 第 上海大学硕士学位论文 页 后可烯足铡警平只要毪盟就 . 可以满足上等式成立。重新整理~下也就是丘?。%。一%。。%。一口 我们把式代入%%。,也就是另他的温度系数为,我们就得到最典型 . %。一比。一口 的能隙电压表达式%。, 典型的能隙电压值大约是。时,.,口,则‰,.。 .基准电压源设计思路“。’叽“ 下面介绍一下本的基准设计思想,本文主要以电流模式的能隙电压源为目标, 希望首先产生一个相当稳定的电流源,然后再搭配上一个能隙电压源作为主要的输 出级。因此大致可以分为三个部分启动电路能隙电流源和能隙电压源。 在介绍参考电压源之前,我们先来分析一下启动电路。 ..启动电路部分 偏置电路一般情况下都有在启动时有可能出现所有晶体管的电流为零,并且一 直维持这样的情况,结果会造成重个电路不能启动失效。为了确保这样的情 图.启动电路 况不会发生,偏置电路一般都插入启动电路。就是当它的电流为零时,启动电路能 使电路开始动作,如果整个电路开启则启动电路关闭,如图.中的,, 就是启动电路部分。由于在图中相当于一个电阻,栅极和源极共同接地,所以 上海大学硕士学位论文 电源管理芯片的设计 第 页 是一定会打开的,当打开后页跟着被打开,而产生源漏电流,会使 ,相应的打开,由于的连接方式也是相当于一个电阻,所以当, 打开后会使的栅极与源极拉下来,从而使,打开,由于是电流镜, 也会打开,而开通则的栅极电压被提升到,最后会跟着关闭,整个启 动过程完成。 ..能隙电流源 其实这个能隙电流源的设计并不仅仅是为了能隙基准电压源考虑的,而是整个 芯片的偏置电流源。因此它的稳定性也是至关重要的。电流源和电流镜是集成电路 中的重要单元。电流源的增量电阻很大,可工作在低电压下获得高的电流增益,所 以在模拟集成电路中广泛用作负载和偏置电路。用电流源作为放大器的负 图.电流源电路 载能大大提高放大器的单