一種高效率降壓型dc-dc變換器的設(shè)計(jì)

1、 電子科技大學(xué)UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA碩士學(xué)位論文MASTER THESIS （電子科技大學(xué)圖標(biāo)）論文題目 一種高效率降壓型 DC-DC變換器的設(shè)計(jì)學(xué)科專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào) 201121036032作者姓名 王金川指導(dǎo)教師 石玉 教授 分類號(hào)密級(jí)注 1UDC學(xué)位論文一種高效率降壓型 DC-DC變換器的設(shè)計(jì)（題名和副題名）王金川（作者姓名）指導(dǎo)教師石玉 教 授 電子科技大學(xué) 成 都 （姓名、職稱、單位名稱）申請學(xué)位級(jí)別碩士學(xué)科專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)提交論文日期 2014.04.02論文答辯日期 2014.05

2、.27學(xué)位授予單位和日期電子科技大學(xué)答辯委員會(huì)主席2014年 6月 27日評閱人注 1：注明國際十進(jìn)分類法 UDC的類號(hào)。 DESIGN OF A HIGH EFFICIENCY STEP-DOWNDC-DC CONVERTERA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Author:Advisor:Electronics Science and Technology Wang JinchuanProfessor Shi YuSchool: School of

3、 Microelectronics and Solid-State Electronics 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：日期：年月日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本

4、人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日 摘要摘要隨著近些年來便攜式電子產(chǎn)品的爆發(fā)式增長，與其直接相關(guān)的電源管理芯片的市場也得到了高速成長，對電源管理芯片的要求也越來越高，包括更高的效率、更低的功耗及更高的可靠性等。本文正是針對目前電源管理芯片技術(shù)發(fā)展的要求，分析并設(shè)計(jì)了一款高效率同步整流降壓型 DC-DC變換器。本文首先介紹了降壓型 DC-DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本工作原理，詳細(xì)闡述了三種經(jīng)典的 DC-DC變換器的控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)。為提高芯片效

5、率，引入同步整流技術(shù)，介紹了同步整流技術(shù)的原理及存在的問題。又進(jìn)一步詳細(xì)分析 DC-DC變換器的損耗產(chǎn)生原因，為減小損耗提供理論基礎(chǔ)。最后根據(jù)芯片的參數(shù)指標(biāo)要求和基礎(chǔ)理論，提出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并建立數(shù)學(xué)模型，利用 Matlab工具進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。根據(jù)電路的總體架構(gòu)來進(jìn)一步設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的電路，本文重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)中的重點(diǎn)電路模塊，包括帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器和保護(hù)電路等，并利用 Hspice工具對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。完成了模塊設(shè)計(jì)后，將整個(gè)電路進(jìn)行聯(lián)合仿真。芯片實(shí)現(xiàn)采用華潤上華 0.5微米 BCD工藝，利用 Hspice進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明該芯片能穩(wěn)定輸出 0.8V到 10V的連

6、續(xù)電壓，效率可高達(dá) 95%，輸出紋波低于輸出電壓的 1%，具有良好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：電源管理，降壓型 DC-DC，效率，同步整流I ABSTRACTABSTRACTWith the explosive growth of portable electronic products in recent years, themarket of power manager also got rapid growth, meanwhile, higher performances ofpower manger were requested, including high

7、er efficiency, lower power consumptionand higher reliability. According to these requirements, a high efficiency synchronousstep down DC-DC converter was analyzed and proposed in this thesis.At first, the topology structure and basic principle of step down DC-DC wasintroduced, and on the basic, the

8、advantages and disadvantages of three classic controlmodes of DC-DC converter were analyzed. In order to improve efficiency, synchronousrectifier technology and the related issue was discussed. Then this thesis analyzed thepower loss caused in DC-DC converter, providing basic theory for reducing pow

9、er loss.Based on the requirements of chip and theories, the overall design of system wasproposed at last. The mathematical model of system was established and proved to befeasibility through Matlab simulation.After completing the overall architecture of system, the realizable circuits neededto be de

10、signed further. Some key modules, such as band gap reference, error amplifierand protection circuit and so on, were designed and simulated through Hspice.Finally, circuit modules needed to be connected to as completed controller system.The whole chip was simulated in CSMC 0.5um BCD process. The resu

11、lts showed thatthe chip can provide wide output voltage range from 0.8V to 10V, power efficiency canbe as high as 95 %, the output ripple lower than 1% of output voltage, good linearregulation and load regulation. The simulation results indicated that all specifications ofthe chip were achieved.Key

12、words: power manager, step down DC-DC, efficiency, synchronous rectifierII 目錄目錄第一章緒論 . 11.1選題依據(jù)和研究意義 . 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 31.3發(fā)展態(tài)勢 . 41.4本文主要工作 . 51.4.1本文目標(biāo) . 51.4.2本文研究內(nèi)容與章節(jié)安排 . 6第二章降壓型DC-DC變換器基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 72.1降壓型 DC-DC變換器工作原理. 72.2 DC-DC變換器的控制模式. 92.2.1電壓控制模式 . 92.2.2峰值電流控制模式 . 102.2.3平均電流控制模式 .112.3同步整

13、流技術(shù) . 122.3.1同步整流基本原理 . 122.3.2同步整流的優(yōu)缺點(diǎn) . 132.4 DC-DC變換器的損耗分析. 152.4.1導(dǎo)通損耗 . 152.4.2分布電感開關(guān)損耗 . 162.4.3與時(shí)序相關(guān)的損耗 . 172.4.4驅(qū)動(dòng)損耗 . 182.4.5控制電路的靜態(tài)損耗 . 182.5系統(tǒng)建模與分析 . 182.6本章小結(jié) . 25第三章模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 . 263.1帶隙基準(zhǔn)源 . 263.1.1帶隙基準(zhǔn)源基本原理 . 263.1.2帶隙基準(zhǔn)源電路設(shè)計(jì) . 283.1.3基準(zhǔn)源電路仿真分析 . 333.2誤差放大器 . 37III 目錄3.2.1誤差放大器分析 . 373.2.

14、2誤差放大器仿真分析 . 403.3保護(hù)電路 . 443.3.1過流保護(hù)電路 . 443.3.2過壓和欠壓保護(hù) . 473.4本章小結(jié) . 50第四章系統(tǒng)仿真驗(yàn)證與版圖實(shí)現(xiàn) . 514.1芯片的典型應(yīng)用 . 514.1.1電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) . 544.1.2外圍電路設(shè)計(jì) . 554.2系統(tǒng)功能驗(yàn)證 . 584.2.1穩(wěn)定輸出電壓仿真 . 584.2.2軟啟動(dòng)功能仿真 . 594.3系統(tǒng)性能驗(yàn)證 . 604.3.1線性調(diào)整率 . 604.3.2負(fù)載調(diào)整率 . 614.3.3紋波 . 614.3.4效率分析 . 624.4芯片版圖實(shí)現(xiàn) . 644.5本章小結(jié) . 65第五章結(jié)論 . 66致謝 . 68

15、參考文獻(xiàn) . 69作者攻碩期間取得的研究成果 . 72IV 第一章緒論第一章緒論電能是人類生存與發(fā)展的重要資源之一，隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人類對電能的需求越來越大，然而大自然所能提供的電能資源卻是有限的，這就造成了當(dāng)今日益嚴(yán)重的電能短缺問題。同時(shí)，人們又面臨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，因此，如何更加有效地開發(fā)和利用電能，就成為關(guān)系到人類生存和發(fā)展的一個(gè)重要社會(huì)問題，人們急需解決如何高效而又環(huán)保地使用電能。由于電廠生產(chǎn)的電能并不能直接使用，需要經(jīng)過電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化處理后，才能供各類電子產(chǎn)品使用。這樣就使得與此相關(guān)的電源技術(shù)得到了高速發(fā)展，電源技術(shù)能將由發(fā)電機(jī)或者電池產(chǎn)生的初次能源轉(zhuǎn)化為各類電子產(chǎn)品正常工作

16、時(shí)所需要的電能1。1.1 選題依據(jù)和研究意義電源系統(tǒng)（Power System）是由一系列復(fù)雜電子設(shè)備構(gòu)成的，它主要包括輸入整流濾波、直流電壓變換、直流配電、機(jī)架電源設(shè)備及相關(guān)的電源電路等。其中，電源管理芯片是電源系統(tǒng)組成部分的核心。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子、通信技術(shù)、便攜類電子產(chǎn)品和汽車技術(shù)的快速發(fā)展，使電源管理成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的熱點(diǎn)市場之一2-6定性更高等。同時(shí)，人們希望電源產(chǎn)品能夠體積更小、功耗更低和穩(wěn)對電源市場的分析研究表明：目前的絕大多數(shù)電子設(shè)備，需要提高電源管理的功能，傳統(tǒng)的電源設(shè)備已經(jīng)很難滿足目前設(shè)備的需求，因此，電源管理行業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。智能電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備與基礎(chǔ)

17、公共設(shè)備的更新、新型建筑將是未來電源管理半導(dǎo)體的重要市場。同時(shí)，另外一個(gè)非常具有潛力的市場是替代能源，尤其是當(dāng)下比較熱門的新型混合電動(dòng)汽車的開發(fā)，如美國著名的開發(fā)電動(dòng)汽車的特斯拉公司，宣布將投入大量經(jīng)費(fèi)研究開發(fā)新一代電源，對電源就提出了非常大的需求。航空航天、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、雷達(dá)等行業(yè)的快速發(fā)展，也對電源管理提出了新的要求。尤其是在最近的幾年內(nèi)，呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的移動(dòng)終端產(chǎn)品，對電源管理提出了相當(dāng)巨大的需求。世界領(lǐng)先的科技產(chǎn)業(yè)鏈研究和咨詢服務(wù)公司 iSuppli，發(fā)布的 2012年電源管理市場研究報(bào)告指出7，2012年電源管理芯片的營業(yè)收入達(dá)到 299億美元，隨著未來歐美國家市場逐漸恢復(fù)及中國

18、內(nèi)需的快速增長，加之中國政府及地方政府對集成電路產(chǎn)業(yè)的大力扶植，電源管理市場的增長還將有非常巨大的空間，尤其是中國市場。預(yù)計(jì)在未來四年，電源管理行業(yè)每年將保持大約 10%的增長。圖 1-1為未1 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文來幾年全球電源管理芯片營業(yè)收入預(yù)測。圖 1-1全球電源管理芯片營業(yè)收入預(yù)測(單位：十億美元)按照功率變換方式，電源可以分為線性電源、開關(guān)電源、不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power System）。其中，開關(guān)電源有最大的市場占有率。下面以中國市場（主要是指內(nèi)銷，不含出口）為例，表 1-1給出了從 2010年到 2012年中國各類電源的詳細(xì)銷售數(shù)據(jù)，圖 1

19、-2給出了 2012年中國各類電源銷售比例。表 1-1 2010-2012年中國電源市場銷售分析銷售額（億）2010年比例 2011年比例 2012 年比例開關(guān)電源線性電源不間斷電源總計(jì)174.1 78.40% 189.6 78.50% 203.8 78.70%15.36.90%16.36.70%17.16.60%32.6 14.70% 35.65 14.80% 38.21 14.70%222100% 241.55 100% 259.11 100%圖 1-2 2012年中國電源銷售細(xì)分比例2 第一章緒論從表 1-1和圖 1-2可以看出，開關(guān)電源是電源中應(yīng)用最為廣泛的分支，在中國占有率一直基本穩(wěn)

20、定保持在接近 80%左右。DC-DC變換器是將直流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸出，是開關(guān)電源的重要家庭成員。專業(yè)電源市場調(diào)研公司 VDC公司預(yù)測，未來 DC/DC直流變換器市場份額將節(jié)節(jié)攀升。DC-DC變換器由于具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓范圍寬、重量輕、功率密度高、應(yīng)用簡單方便等一系列優(yōu)點(diǎn)8，廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，如電視、冰箱、空調(diào)、智能手機(jī)、智能平板等。尤其是在最近幾年，便攜終端迎來了爆發(fā)式的增長，但是產(chǎn)品的待機(jī)續(xù)航問題一直成為終端產(chǎn)品的瓶頸，目前世界各大廠商，包括蘋果（Apple）、三星（Samsung）、華為、中興、酷派、小米、臺(tái)達(dá)等，一方面加大對電池容量的開發(fā)，另一方面也加大了對電源研究的投入。

21、效率高、體積小、重量輕、低電源的 DC-DC變換器能提供波動(dòng)較小的直流電壓，從而能延長電池的使用壽命。在這樣廣闊的市場需求下，設(shè)計(jì)和開發(fā)高效率、小體積的 DC-DC變換器控制芯片，無論是從科學(xué)研究的角度，還是經(jīng)濟(jì)角度，都是非常有意義的。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀開關(guān)電源是一門應(yīng)用科學(xué)，它是控制理論、電子學(xué)和電力學(xué)等學(xué)科交叉應(yīng)用的成果。它能利用弱電來控制強(qiáng)電，是弱電與強(qiáng)電之間的接口，控制理論是實(shí)現(xiàn)這一接口的重要紐帶。隨著控制理論、電力學(xué)與電子學(xué)理論的日益發(fā)展與成熟，極大地推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。近幾十年來，開關(guān)電源的集成一直是沿著對開關(guān)電源的控制電路實(shí)現(xiàn)集成化和對中、小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化這

22、兩個(gè)方向發(fā)展9。上個(gè)世紀(jì) 80年代，國外首先研制出了 PWM（Pulse Width Module，脈沖寬度調(diào)制）控制集成電路，如美國摩托羅拉（Motorola）公司的 MC3520，Silicon General公司的 SG3524等經(jīng)典的 PWM控制芯片。之后在其基礎(chǔ)上，國外又成功研制出開關(guān)頻率達(dá)到 1MHz的高速 PWM和 PFM（Pulse Frequency Module，脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品如 UC1825、UC1864等。上個(gè)世紀(jì) 80年代初，意法半導(dǎo)體（ST）公司率先推出 L4960系列芯片，90年代初又推出 L4970A系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將功率輸出級(jí)、脈沖寬度調(diào)制器、

23、控制電路及保護(hù)電路等集成在一起，極大地提高了芯片的集成度。如今，隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，那些具有小功率、高效率、低功耗、輕重量的 DC-DC變換器得到了迅速發(fā)展，因?yàn)樗鼈兎浅＿m合于那些電池供電的便捷式電子產(chǎn)品。在國外，美國的國家半導(dǎo)體（National Semiconductor）、凌力爾特（Linear）、德州儀器3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（TI）等公司根據(jù)市場需求，開發(fā)出了大量的適合于便攜式電子產(chǎn)品的 DC-DC變換器。如在 2002年，美國國家半導(dǎo)體公司推出了全球第一款 CMOS低電壓功率器件LP3883，該款芯片主要適用于大電流、低電壓的設(shè)備，如個(gè)人 PC、機(jī)頂盒、低端服務(wù)器等

24、10-12。2012年，凌力爾特（Linear）推出 LTC3626芯片，它是一款同步降壓型穩(wěn)壓器，能達(dá)到 20V輸入 2.5A輸出，具備輸入和輸出電流限制及電流監(jiān)視功能，該芯片采用獨(dú)特的控制結(jié)構(gòu)，最大工作頻率能達(dá)到 2.25MHz，實(shí)現(xiàn)最低 5%的占空比，最高效率能達(dá)到 95%，因此，該芯片非常適合應(yīng)用在高降壓比的場景 13中國國內(nèi)市場在不斷高速地成長 14-15視16。，同時(shí)國家對電源行業(yè)的發(fā)展也高度重，但是外國企業(yè)仍然主導(dǎo)著中國的電源管理市場，中國電源發(fā)展面臨著極大的挑戰(zhàn)17-18。目前，世界上最大的 10家電源廠商都是歐美企業(yè)，其中世界最大的模擬芯片供應(yīng)商德州儀器（TI），也是最大的電

25、源管理芯片供應(yīng)商，自從 2011年收購國家半導(dǎo)體（NS）之后19，使得其提供的產(chǎn)品范圍更加廣泛，擁有更多的先進(jìn)技術(shù)，其在模擬領(lǐng)域的地位進(jìn)一步鞏固，市場占有率進(jìn)一步提高，遙遙領(lǐng)先于同行的其他競爭對手。排在后面的是飛兆（Fairchild）、意法半導(dǎo)體（ST）、安森美（On Semiconductor）、凌力爾特（Linear）、美信（Maxim）、國際整流器（IR）、Power Integration和 Intersil等。二線廠商主要集中在東南亞國家，如臺(tái)灣的 Richted、日本的夏普（Sharp）、東芝（Toshiba）等，它們的主要市場集中在消費(fèi)類電子方面。中國內(nèi)地的主要電源管理廠商有啟

26、達(dá)、昂寶（ On-Bright）等，但是國內(nèi)企業(yè)起步相對較晚，技術(shù)積累落后于國外公司。產(chǎn)品不僅技術(shù)性能相對落后，產(chǎn)品的種類范圍也與國外廠商存在一定的距離。雖然中國的電源廠商相對落后，但是它們都有自己的特色。例如昂寶（On-Bright）公司發(fā)明了一種頻譜擴(kuò)展的技術(shù)，其多數(shù)的電源產(chǎn)品都采用了這一技術(shù)，能明顯降低待機(jī)功耗和提高 EMI性能。因此，研究和發(fā)展電源管理芯片技術(shù)，對打破國外電源管理芯片的壟斷，提升民族品牌的競爭力，是非常有意義的。1.3 發(fā)展態(tài)勢高效率、低功耗、高集成度、低噪聲和數(shù)字化是未來開關(guān)電源發(fā)展的重要趨勢20-24。（1）高效率從最早的線性電源到如今的開關(guān)電源，正是高效率驅(qū)動(dòng)的原

27、因。各國都大力倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保從而都制定出高效電源規(guī)范，也是推動(dòng)高效率電源產(chǎn)品的主要?jiǎng)恿? 第一章緒論之一。尤其是歐美等國的電源標(biāo)準(zhǔn)，也是越來越嚴(yán)格，這將促進(jìn)各電源企業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)出更高效率的電源。（2）低功耗21世紀(jì)是低功耗的世紀(jì)，隨著世界能源短缺問題及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，功耗問題已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的重點(diǎn)，世界各國都將低功耗列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。電源管理作為各類電子產(chǎn)品的根本動(dòng)力，已經(jīng)成為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域之一，如何不斷降低電源的功耗，是未來必須面對的挑戰(zhàn)之一。（3）高集成度便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，對各類電子產(chǎn)品的體積要求越來越苛刻，如何將各類器件集成封裝得更小，同時(shí)又能有效

28、解決好散熱問題，這將是未來開關(guān)電源發(fā)展需要解決的重要問題。（4）低噪聲開關(guān)電源相對于線性電源的最大優(yōu)勢是效率高，但同時(shí)也帶來了噪聲問題，尤其是當(dāng)頻率越來越高，噪聲影響也將越來越明顯。采用諧振的方式，可以得到折衷，既可以提高頻率，又可以有效降低噪聲。但是隨著頻率進(jìn)一步的提高，又會(huì)引入新的寄生效應(yīng)。（5）數(shù)字化近年來，越來越多的公司著手開發(fā)數(shù)字化的開關(guān)電源產(chǎn)品。數(shù)字電源是未來電源的一個(gè)重要方向，與傳統(tǒng)的模擬控制方式相比，它能夠極大地提高開關(guān)電源的性能，如控制方式更加靈活、控制模式更加多樣化、輸出電壓精度更高和電路的瞬態(tài)響應(yīng)更快等。1.4 本文主要工作1.4.1本文目標(biāo)電源管理技術(shù)的快速發(fā)展，對電源

29、本身提出了更高的要求，包括高的效率、更低的功耗及更高的可靠性等。本文針對這些要求，設(shè)計(jì)了一款高效降壓型 DC-DC變換器，最終完成芯片級(jí)的電路設(shè)計(jì)、仿真及驗(yàn)證，并完成該芯片的版圖設(shè)計(jì)，最后將版圖數(shù)據(jù)交給芯片制造工廠加工生產(chǎn)。該芯片的主要指標(biāo)參數(shù)如下：（1）輸出電壓范圍：0.8V10V；（2）輸入電壓范圍：4V36V；（3）最大負(fù)載電流：20A；（4）時(shí)鐘工作頻率：400KHz；5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（5）關(guān)斷電流：8uA；（6）單路輸出時(shí)靜態(tài)電流：80uA；（7）最高轉(zhuǎn)換效率：95%；（8）高可靠性與穩(wěn)定性：輸出過流、過壓、欠壓保護(hù)；（9）較好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。芯片具有非常寬的輸

30、入電壓范圍，從 4V至 36V，足以保護(hù)設(shè)備在高輸入電壓瞬變時(shí)對器件的潛在損壞，輸出電壓范圍為 0.8V到 10V，基本能滿足絕大多數(shù)的音頻、模擬調(diào)制器、便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求。1.4.2本文研究內(nèi)容與章節(jié)安排本文主要研究了開關(guān)電源的基本原理，重點(diǎn)研究了降壓型 DC-DC變換器的工作原理，閱讀了大量相關(guān)降壓型 DC-DC變換器的文獻(xiàn)，詳細(xì)分析了開關(guān)電源的損耗機(jī)理。研究開關(guān)電源的反饋環(huán)路穩(wěn)定性機(jī)理，利用 Matlab對系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方案的可行性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電源管理芯片的部分模塊，如帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器和保護(hù)電路等。本文各章節(jié)安排如下：第一章介紹了電源管理芯片的課題背景與研究意義，

31、通過分析電源市場需求，未來潛在的市場，說明研究電源管理芯片具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。對比國外內(nèi)研究動(dòng)態(tài)，指出國內(nèi)相對國外的差距，提出研究電源管理芯片的急迫性。簡單介紹了電源管理芯片的發(fā)展態(tài)勢。第二章介紹了 DC-DC變換器基本原理，闡述了其工作機(jī)理，并介紹了電壓、峰值電流及平均電流控制模式，分別介紹其優(yōu)缺點(diǎn)，說明本設(shè)計(jì)采取峰值電流控制模式的原因。并分析了 DC-DC變換器產(chǎn)生功耗的機(jī)理，最后給出了整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)方案，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模式，并通過 Matlab仿真分析，驗(yàn)證了方案的可行性。第三章介紹了作者負(fù)責(zé)完成的子模塊電路，包括帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器和保護(hù)電路等。分別詳細(xì)介紹各個(gè)電路模塊的設(shè)計(jì)思路，對

32、重要參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)說明，并通過軟件仿真驗(yàn)證了其性能。第四章對系統(tǒng)進(jìn)行了整體仿真，仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)能正常工作，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，效率最高可達(dá)到 95%。第五章總結(jié)了本文所做的工作和可進(jìn)一步研究的內(nèi)容。6 第二章降壓型 DC-DC變換器基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章降壓型 DC-DC變換器基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)如緒論所描述的，DC-DC變換器是開關(guān)電源的重要成員之一，其主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeat和 Sepic。降壓型 DC-DC變換器又可稱之為 Buck型 DC-DC變換器，是 DC-DC變換器家族成員中最基礎(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。本章首先總結(jié)了降壓型 DC-

33、DC轉(zhuǎn)換器的原理，為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。開關(guān)電源的三種經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)分為電壓、峰值電流和平均電流模式控制結(jié)構(gòu)，每種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，只有掌握各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，才能為電路設(shè)計(jì)選擇合適的控制模式。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的變換器要求控制模式既要有較簡單的控制結(jié)構(gòu)，易于集成，又要有較好的穩(wěn)定性。然后介紹在低電壓大電流應(yīng)用場景時(shí)，為提高效率，引入同步整流技術(shù)及并介紹同步整流面臨的問題。針對如何提高芯片的效率，首先需要找到損耗的產(chǎn)生，才能提出減小損耗提高效率的有效方法。本方參考分析大量文獻(xiàn)，詳細(xì)總結(jié)分析了開關(guān)電源產(chǎn)生損耗的機(jī)理，并給出了相關(guān)的損耗模型，為進(jìn)一步提高開關(guān)電源效率提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

34、最后，根據(jù)已經(jīng)有理論基礎(chǔ)，結(jié)合 DC-DC變換器的參數(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出整個(gè)芯片電路系統(tǒng)。給出了整體電路框圖，然后建立數(shù)學(xué)模型，并通過 Matlab仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。2.1 降壓型 DC-DC變換器工作原理降壓型 DC-DC變換器的典型特點(diǎn)為輸出電壓低于輸入電壓，它極為廣泛地應(yīng)用在各類電子設(shè)備中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-1所示25。LSVoutVinCR圖 2-1典型降壓型 DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其中，Vin為輸出電壓，Vout為輸出電壓，L是濾波電感，C是濾波電容，S是理想開關(guān)， R為負(fù)載電阻。7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文首先分析開關(guān)管開通時(shí)電路的工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，Vin Vout

35、，輸入電壓Vin對負(fù)載電容C進(jìn)行充電，此時(shí)，電感 L上的電流會(huì)緩慢升高，變換器工作在充電狀態(tài)，得到等效電路如圖 2-2所示。L+-VoutIILCRVin圖 2-2降壓型 DC-DC儲(chǔ)能等效電路忽略輸出電壓紋波，由電感電流的特性有Vin -Vout = L didtL（2-1）又假設(shè)儲(chǔ)能狀態(tài)的工作時(shí)間為 DT，其中 D為占空比，T為工作周期，電感電流的增量i(+)，有i（L +）= (Vin -Vout)DT（2-2）L其次，分析開關(guān)管斷開時(shí)電路的工作狀態(tài)。一旦開關(guān)管斷開，依據(jù)電感電流不能突變的原理，可知電感 L上的電流會(huì)繼續(xù)保持，此時(shí)，變換器工作在續(xù)流狀態(tài)，其等效電路如圖 2-3所示。L-+

36、VoutILCRI圖 2-3降壓型 DC-DC續(xù)流等效電路續(xù)流狀態(tài)的工作時(shí)間為(1-D)T，忽略續(xù)流元件上的導(dǎo)通電壓，設(shè)電感電流的減小量為i(-)，有Vout = -L didtL（2-3）8 第二章降壓型 DC-DC變換器基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)iL(-) = Vout(1- D)T（2-4）L由于電感電流保持連續(xù)，根據(jù)伏秒平衡（Volts-Second Balance）原理，可以得到iL(+) = iL(-)（2-5）（2-6）（2-7）即(Vin -Vout)DT = Vout(1- D)TLL處理式（2-6），得到Vout = DVin公式（2-7）是設(shè)計(jì)降壓型 DC-DC變換器的根本理論依

37、據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過控制電路調(diào)整占空比 D，就能得到所需的輸出電壓。由上述分析，可以得到降壓型 DC-DC變換器在穩(wěn)態(tài)工作下電感電流如圖 2-4所示。ILTONTOFFTt圖 2-4降壓型 DC-DC穩(wěn)態(tài)下電感電流2.2 DC-DC變換器的控制模式DC-DC變換器的三種經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)為電壓、峰值電流和平均電流模式控制結(jié)構(gòu)，本節(jié)將詳細(xì)分析這些控制結(jié)構(gòu)的工作原理，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。2.2.1電壓控制模式早在上個(gè)世紀(jì) 60年代，穩(wěn)壓開關(guān)電源才剛剛開始發(fā)展時(shí)，人們采用的控制模式就是電壓控制模式，這種控制結(jié)構(gòu)最為簡單，且是最為基礎(chǔ)的一種控制方式，因此使得這種控制模式至今仍然得到了廣泛的應(yīng)用。圖 2-5為電

38、壓控制模式的基本結(jié)構(gòu)圖。電壓控制模式的結(jié)構(gòu)只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán)，通常會(huì)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）控制。下面將簡單描述電壓控制模式的基本工作原理26。9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文VinM1VfbL1IoutVoutEA邏輯電路PWMR1VrefC1DR2圖 2-5電壓模式控制結(jié)構(gòu)誤差放大器的輸入端為基準(zhǔn)電壓和采樣的輸出電壓，比較器將恒定頻率的三角波與誤差放大器輸出的直流信號(hào)做比較，產(chǎn)生脈沖波形，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂坪万?qū)動(dòng)電路，將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制開關(guān)管。當(dāng)輸入電壓降低或者負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓會(huì)逐漸下降，輸出電壓的變化通過電阻采樣反饋回誤差放大器的反相輸

39、入端，由于反相輸入電壓降低，誤差放大器的輸出電壓增加，使脈沖寬度變寬，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間延長，這樣輸出電壓會(huì)緩慢上升，直至輸出電壓正常。同理，當(dāng)輸入電壓升高或者負(fù)載減小時(shí)，輸出電壓會(huì)緩慢升高，使得誤差放大器的輸出直流電壓減小，從而使脈沖寬度變窄，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間減短，輸出電壓緩慢下降，直至輸出電壓正常。電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)：由于只有一個(gè)電壓反饋環(huán)路使得結(jié)構(gòu)簡單、由于是采用幅值較大的三角波使得抗噪能力強(qiáng)、具有較快的負(fù)載調(diào)整率和寬的占空比調(diào)節(jié)范圍等。電壓控制模塊也存在如下缺點(diǎn)：對輸入電壓的變化響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償環(huán)路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜等26,28。2.2.2峰值電流控制模式隨著需求的不斷增加，為克服電壓控制方式的缺

40、點(diǎn)，產(chǎn)生了一種相對復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)峰值電流控制模式。峰值電流模式控制結(jié)構(gòu)如圖 2-6所示。與電壓控制模式不同的是，在峰值電流控制模式中，PWM比較器的反相輸入端接收來自誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，同相輸入端是一個(gè)代表輸出電壓電流峰值的電壓信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)不再僅僅由誤差放大器的輸出信號(hào)直接控制 PWM脈沖波形的寬度，而是結(jié)合誤差放大器的信號(hào)與峰值電感電流大小，共同產(chǎn)生 PWM脈10 第二章降壓型 DC-DC變換器基本原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖控制信號(hào)。VinRsense峰值電流檢測M1VfbL1EAIoutVout邏輯電路PWMR1VrefC1斜坡補(bǔ)償DR2圖 2-6峰值電流模式控制結(jié)構(gòu)峰值電流模式控制結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)閉環(huán)：一個(gè)響應(yīng)速度較慢的電壓外環(huán)，輸出電壓經(jīng)過