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單電感四開關(guān)同相降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器摘要:一種單電感四開關(guān)同相降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器已被設(shè)計出來。相比于其他常規(guī)降壓-升壓類型轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)換器減少了外部無源元件和芯片/印刷電路板的數(shù)量。該芯片采用TSMC 0.35m 3.3V/5V 2P4M多晶硅硅化物的CMOS工藝實現(xiàn)。該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍涵蓋了鋰離子電池的最大輸出電壓范圍,其輸出電壓為3.3V,最大負(fù)載電流為300 mA。該芯片的模面積是1.381.80 mm2, packed with a 40 S/B package.索引詞:升壓,降壓,降壓-升壓,直流-直流轉(zhuǎn)換器介紹隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多的便攜式電子產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。便攜式產(chǎn)品中最不可缺少的部件是用來給電路供電的電池,它也決定了電子產(chǎn)品的使用壽命。隨著時間的推移,電池的供電電壓必然下降。例如,在便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的完全充電電壓的鋰離子電池,其供電電壓為4.2V,當(dāng)它幾乎完全放電時,其供電電壓會下降到2.7V。因此,通常會用電壓調(diào)節(jié)器將隨時間變化的電池供電電壓轉(zhuǎn)換為固定的輸出電壓。為了延長電池的使用時間,一個良好的電源管理策略應(yīng)實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率,同時也要充分利用全電池電壓范圍。有三種類型的調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)器,開關(guān)穩(wěn)壓器,和開關(guān)電容器為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器。在這個轉(zhuǎn)換器中使用的是開關(guān)穩(wěn)壓器,因為在這些調(diào)節(jié)器中它可以達(dá)到最高效率。此外,為了擴(kuò)大電池的可用電壓范圍,采用了一種降壓升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),【5-6】。傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括反激式,反相降壓-升壓式,SEPIC、Cuk等。然而,反激式轉(zhuǎn)換器需要一個變壓器,而反相Buck-Boost變換器的輸出電壓是反極性的。至于SEPIC和Cuk變換器,它們所需的電感器和電容器更多。在這項工作中,一個由一個單一的電感器,一個單一的電容器,和四個開關(guān)組成的非反相降壓-升壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器被設(shè)計出來。因此,外部無源元件和芯片/印刷電路板面積減少。此外,一個有效的切換方法被用來減少在降壓-升壓模式中的傳導(dǎo)損耗。該芯片采用TSMC 0.35m 3.3V/5V 2P4M多晶硅硅化物的CMOS工藝實現(xiàn)。輸出電壓設(shè)置為3.3V,最大輸出負(fù)載電流為300mA,其輸入電壓范圍涵蓋了鋰離子電池的最大輸出電壓范圍。如圖1所示,該變換器具有三種工作模式:降壓模式(VinVout),降壓-升壓模式(Vin Vout),和升壓模式(VinVout)。升降壓功率級圖2顯示了四開關(guān)降壓-升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器所采用的功率級1-8。表面上它結(jié)合了降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的所有的開關(guān),實際上它可以工作在三個操作模式下。降壓模式(VinVout):此時S3始終關(guān)斷,S4始終導(dǎo)通,S1 和S2交替導(dǎo)通。圖3(a)顯示了其在Buck模式下的等效電路,它就像一個傳統(tǒng)的降壓變換器。升壓模式(VinVout):此時S1始終導(dǎo)通,S2始終關(guān)斷,S3 和S4輪流導(dǎo)通。圖3(b)顯示了其在Boost模式下的等效電路,它就像一個傳統(tǒng)的升壓變換器。窗體頂端降壓 - 升壓模式(Vin Vout):在此模式下,四個開關(guān)都將在每一個開關(guān)周期切換導(dǎo)通狀態(tài)。因此,降壓-升壓模式的切換損耗比其他兩種模式的大。 圖4示出降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法,在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)包含了兩個階段。開關(guān)S1和S3被同時開通和關(guān)斷,而S2和S4被同時開通和關(guān)斷。通過使用該切換方法,導(dǎo)通損耗也將增加,這可以通過利用伏秒平衡和安培-秒平衡的關(guān)系,計算負(fù)載電流I load和平均電感電流IL(avg)的關(guān)系被證明: (1)窗體底端其中D為占空比。窗體頂端其中D為占空比。在降壓 - 升壓模式下,當(dāng)Vin為接近Vout時,D應(yīng)該約為50。因此,IL(avg)是的I load的兩倍。值得注意的是,IL(avg)和I load在降壓模式是一樣的。因為傳導(dǎo)損耗正比于電感電流,大的電感電流會帶來大的傳導(dǎo)損耗從而降低了效率。 窗體頂端為了減少傳導(dǎo)損耗,這項工作中使用了高效的切換方法,在一個單一的開關(guān)周期包括四個階段:兩個用于降壓,兩個用于升壓。其IL(avg)可以表示為:窗體頂端其中,Tbuck和Tboost分別是在一個開關(guān)周期內(nèi)降壓和升壓的等效工作時間,Dbuck和Dboost是其相應(yīng)的等價占空比。當(dāng)Vin接近Vout時,Dboost接近于零,因此,IL(avg)僅比的Iload稍大。因此,導(dǎo)通損耗有效地減小。如圖5(a),開關(guān)S1和S3導(dǎo)通,而開關(guān)S2和S4截止。在這個階段中,電感器是由輸入源充電。然后,如圖5(b),S3關(guān)斷,S4導(dǎo)通。在這個階段中,電感充電或放電取決于Vin和Vout之間的關(guān)系。如果Vin比Vout更大,在此階段電感仍由輸入源充電;否則,它會向負(fù)載放電。在這之后,S1斷開,S2被接通,如圖5(c)所示。在這個階段中,電感器肯定會向負(fù)載放電。最后,如圖5(d),S1再次接通,S2被關(guān)斷。實際上,圖5(b)與圖5(d)相同。并且因此,在此階段電感器可能被充電或放電。 窗體底端窗體頂端系統(tǒng)設(shè)計窗體頂端 非反相降壓升壓轉(zhuǎn)換器的框圖圖6所示,包括功率級,斜坡發(fā)生器,帶隙電路,反饋電路,PWM模式選擇以及軟啟動。圖7示出了降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的電路。窗體底端窗體頂端在這項工作選擇了電壓模式控制。輸出電壓由電阻器RDiv1及RDiv2分壓,然后連接到誤差放大器的負(fù)端,而其正端連接帶隙參考電壓。誤差放大器的結(jié)構(gòu)如圖8所示,這是一個比例-微分(PID)補(bǔ)償器。該P(yáng)ID補(bǔ)償器包括一個直流極,兩個零點(diǎn)和兩個額外的高頻極點(diǎn)。直流極被用來提高系統(tǒng)的直流增益,從而降低輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。兩個零點(diǎn)被用于抵消LC的低頻共軛極點(diǎn),以增加系統(tǒng)帶寬,兩個高頻極點(diǎn)用于降低開關(guān)噪聲的影響。窗體底端誤差放大器的輸出Vc和它的移位信號Vc_shift隨后會通過兩個比較器與斜坡信號Vramp相比較。上面的比較器用于比較Vc_shift和Vramp,其輸出決定了降壓開關(guān)S1和S2的占空比。下面的比較器用于比較Vc和Vramp,以此來決定升壓開關(guān)S3和S4的占空比。詳細(xì)的操作說明如下:窗體頂端(1) 降壓模式:當(dāng)只有Vc_shift與斜坡信號Vramp相交,而Vc不與斜坡信號Vramp相交時,該系統(tǒng)工作在降壓模式,如圖9。根據(jù)不同的上部比較器的輸出buck_pwm,開關(guān)S1和S2交替接通和斷開。另外,由于此時Vc比Vramp低,下部比較器的輸出boost_pwm始終保持在一個較低的水平,這使得S3關(guān)閉而S4導(dǎo)通。窗體底端(2) 升壓模式:當(dāng)只有Vc與斜坡信號Vramp相交,而Vc_shift不與斜坡信號Vramp相交時,該系統(tǒng)工作在升壓模式,如圖10。根據(jù)不同的下部比較器的輸出boost_pwm,開關(guān)S3和S4交替接通和斷開。另外,由于此時Vc_shift比Vramp高,上部比較器的輸出buck_pwm始終保持在一個較低的水平,這使得S2關(guān)閉而S1導(dǎo)通。窗體頂端(3)降壓
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