PWM電流模式DCDC降壓控制電路的設(shè)計(jì)

1、pwm電流模式dc-dc降壓控制電路的設(shè)計(jì)當(dāng)今消費(fèi)市場(chǎng)中，便攜式電子產(chǎn)品所占比重較大，這種產(chǎn)品要求電池體積小、重量輕、使用時(shí)間長(zhǎng)。高效、低壓開(kāi)關(guān)dc-dc轉(zhuǎn)換器，通過(guò)提高電源轉(zhuǎn)換效率及改進(jìn)控制技術(shù)，達(dá)到了所需要求，因此被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。本文首先介紹了buck dc-dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，并且詳細(xì)論述了兩種工作模式。然后進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，具體介紹了電流感應(yīng)電路、過(guò)流保護(hù)電路、帶斜坡補(bǔ)償?shù)恼袷幤饕约巴秸黩?qū)動(dòng)電路等系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與仿真。其中，振蕩器電路的設(shè)計(jì)中，利用一種簡(jiǎn)單的斜坡補(bǔ)償電路，完成了窗口比較式振蕩器的充放電電路的功能，具有簡(jiǎn)潔高效的特性。 同時(shí)，在模塊電路設(shè)

2、計(jì)中，采用0.35µm工藝，從功率級(jí)設(shè)計(jì)開(kāi)始，詳細(xì)討論了元件類型的選擇以及電路結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。之后，配以簡(jiǎn)單的外圍電路構(gòu)成了buck dc-dc轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了功能仿真，hspice仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，并滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。關(guān)鍵詞：pwm峰值電流模式；buck dc-dc轉(zhuǎn)換器；帶斜坡補(bǔ)償?shù)恼袷幤鱰itle：design of current-mode buck dc-dc converter control ic major：microelectronics and solid electronicsname: 李強(qiáng) signature: supervisor:

3、 associate 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 manda

4、tory in 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

5、 depicted 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 discha

6、rging 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

7、 control ic with few external parts, is simulated by hspice, with 0.35µm 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; os

8、cillator with slope compensation circuit 1 引言11.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展11.1.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀11.1.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)21.2 開(kāi)關(guān)電源的分類與比較31.3 本文的主要工作42 dc-dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理分析52.1 buck dc-dc轉(zhuǎn)換器的工作原理分析52.1.1 ccm模式分析62.1.2 dcm模式分析92.2 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制方式和控制模式112.2.1 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制方式112.2.2 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制模式123 pwm電流模式dc-dc降壓控制電路的設(shè)計(jì)與分析173.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、173.2 誤差放大器的設(shè)計(jì)與仿真183.2.1 電路的分析與設(shè)計(jì)183.2.2 電路的仿真結(jié)果223.3 帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與仿真243.3.1 電路的分析與設(shè)計(jì)243.3.2 電路的仿真結(jié)果273.4 pwm比較器的設(shè)計(jì)與仿真303.4.1 電路設(shè)計(jì)與分析303.4.2 電路仿真結(jié)果313.5 電流感應(yīng)電路與過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與仿真333.5.1 電流感應(yīng)電路設(shè)計(jì)與分析333.5.2 過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與分析353.5.3 電路的仿真結(jié)果363.6 帶斜坡補(bǔ)償?shù)恼袷幤麟娐返脑O(shè)計(jì)與仿真383.6.1 比較器的設(shè)計(jì)與分析393.6.2 斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與分析404.6.3 脈沖展寬電路的設(shè)

10、計(jì)與分析423.6.4 仿真結(jié)果433.7 邏輯控制電路與同步整流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與仿真443.7.1 邏輯控制電路的設(shè)計(jì)與分析443.7.2 同步整流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析453.7.3 電路的仿真結(jié)果473.8 軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與仿真484 整體仿真504.1 輸出電壓504.2 開(kāi)關(guān)管mp和整流管mn導(dǎo)通電阻514.3 轉(zhuǎn)換效率52結(jié)論55致謝56參考文獻(xiàn)571 引言 電源是一切電子設(shè)備的動(dòng)力心臟，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性和安全性。而開(kāi)關(guān)電源（switch mode power supplies，smps）是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種

11、電力電子裝置，是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比率來(lái)維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，近幾年成為了電源市場(chǎng)的焦點(diǎn)之一，越來(lái)越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的線性電源相比，開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高。強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)使其幾乎席卷了整個(gè)電子界，同時(shí)，由于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)不斷地創(chuàng)新，也為其提供了更為廣泛的發(fā)展空間。特別近年來(lái)隨著便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備市場(chǎng)快速成長(zhǎng)，尤其是手機(jī)市場(chǎng)突飛猛進(jìn)的發(fā)展速度，更是令廠商們對(duì)便攜式電子設(shè)備趨之若鶩。便攜式電子產(chǎn)品的迅速增長(zhǎng)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力，然而隨著便攜式產(chǎn)品日益豐富的功能，如何設(shè)計(jì)可靠性好、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)化效率高（能延長(zhǎng)電池的壽命）的電源轉(zhuǎn)換電路成為便

12、攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要任務(wù)16。1.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展1.1.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀據(jù)frost&saullivan公司的資料顯示，1999年全球開(kāi)關(guān)電源的規(guī)模從1992年的84億美元猛增至166億美元，平均年增長(zhǎng)率為10%，這是作為電源和開(kāi)關(guān)電源用戶的計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備市場(chǎng)的不斷發(fā)展，通訊業(yè)的異軍突起，促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的日益增長(zhǎng)，使全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)呈現(xiàn)出十分美好的前景7。據(jù)相關(guān)報(bào)道，2002年全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)總收入達(dá)到100.9億美元，這一數(shù)字在2009年可望攀升至l56.4億美元2。日本和美國(guó)的電子工業(yè)和通訊工業(yè)很發(fā)達(dá)，因此對(duì)開(kāi)關(guān)電源的需求量非常大。美國(guó)在2001年ac-dc開(kāi)關(guān)電源

13、48.6億美元，dc-dc開(kāi)關(guān)電源14億美元，合計(jì)為62.6億美元，其中用于通信方面的開(kāi)關(guān)電源共21.98億美元，占開(kāi)關(guān)電源總量的35%7。日本約占全球市場(chǎng)50%，美國(guó)約占29%，歐洲約占11%，亞洲（除日本外）約占5%。雖然亞洲目前在全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)所占比例尚小，但由于亞洲通訊業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的需求也將與日俱增，2000年其需求量在全球市場(chǎng)上的比例已達(dá)10%，在21世紀(jì)初繼續(xù)增長(zhǎng)，從而成為世界上最有發(fā)展?jié)摿Φ拈_(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)之一8。國(guó)外開(kāi)發(fā)電源管理芯片廠商很多，主要有ir、maxim、st、ti、national等，他們產(chǎn)品非常成熟，能夠提供高質(zhì)量、全系列的電源管理芯片，包括升壓、降壓、

14、升降壓，固定、可調(diào)輸出，不同負(fù)載能力的芯片9。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)，一些大公司如中興通訊自主開(kāi)發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中頗具優(yōu)勢(shì)，并有少量開(kāi)始出口9，然而其紅火的表象難掩缺乏核心控制芯片技術(shù)的尷尬。國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源廠家所用的電源管理芯片均由國(guó)外公司提供，由于沒(méi)有國(guó)內(nèi)廠家能夠參與競(jìng)爭(zhēng)，芯片價(jià)格遠(yuǎn)高于成本數(shù)倍，使得開(kāi)關(guān)電源整機(jī)成本較高，大部分利潤(rùn)被核心芯片提供商剝奪，技術(shù)上受制于人，很難實(shí)現(xiàn)大的突破。因此開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電源管理芯片，已是大勢(shì)所趨、形勢(shì)所迫10。1.1.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)近

15、年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)1115：（1）小型化、輕量化和高頻化開(kāi)關(guān)電源的體積、重量主要由儲(chǔ)能元件（磁性元件和電容）決定。因此，開(kāi)關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小儲(chǔ)能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感以及變壓器的尺寸，而且還可抑制干擾、改善電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，高頻化是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。（2）高效率和高可靠性開(kāi)關(guān)電源使用的元器件大大少于線性電源，因此提高了可靠性。電容、光電耦合器以及功率mos等元器件的壽命決定開(kāi)關(guān)電源的壽命。因此，要盡可能采用較少的元器件，提高集成度。另外，開(kāi)關(guān)電源的工作效率高，會(huì)使自身發(fā)熱減少、散熱容易，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度、

16、高可靠性。（3）低噪聲和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)單純追求高頻化，會(huì)引起很大的噪聲。電子信息設(shè)備用量的激增使得電磁干擾（emi）問(wèn)題日益突出，而開(kāi)關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的浪涌和噪聲則是開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的固有缺陷。采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，既可以提高頻率，又可以降低噪聲。盡可能降低噪聲影響成為開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的又一發(fā)展方向。（4）低電壓、大電流、高功率、低功耗隨著微處理器工作電壓的下降，模塊電源輸出電壓亦從以前的5v降到了現(xiàn)在的3.3v甚至1.8v，業(yè)界預(yù)測(cè)，電源輸出電壓還將降到1.0v以下。與此同時(shí)，集成電路所需的電流增加，要求電源提供較大的負(fù)載輸出能力。同時(shí)，電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)過(guò)程以及

17、動(dòng)態(tài)特性等，也得到進(jìn)一步提高。開(kāi)關(guān)電源的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)問(wèn)題（尤其是負(fù)載的大信號(hào)動(dòng)態(tài)問(wèn)題)、同步整流技術(shù)、控制技術(shù)以及其它相關(guān)技術(shù)的研究，諸如布線、磁集成、新興電容、封裝和高頻大功率器件等技術(shù)。從目前至今后一段時(shí)間內(nèi)，它都是電力電子界的熱點(diǎn)。（5）電壓提供多樣化現(xiàn)在的便攜產(chǎn)品通常會(huì)集成視頻、音頻、照相、錄像文件存儲(chǔ)等多種功能。不同功能的實(shí)現(xiàn)都需要不同的電壓供電，而且要求電壓穩(wěn)定、可靠、高效，這也是電源管理面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。電源管理系統(tǒng)正在日趨復(fù)雜化，如何有效地管理多種電壓，并且使之互不干擾，是電源設(shè)計(jì)中正面臨的一個(gè)難題。（6）開(kāi)發(fā)新型半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與半導(dǎo)體器件的

18、發(fā)展關(guān)系緊密。高頻化開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率mosfet、igbt等新型高速器件，開(kāi)發(fā)用于高頻領(lǐng)域的低損耗磁性材料，改進(jìn)電磁元件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻（equivalent serial resistance，esr）等，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器器的小型化始終起著巨大的推動(dòng)作用。（7）高度集成化開(kāi)關(guān)電源芯片的另一發(fā)展趨勢(shì)是在更小的硅片上集成更多功能特性，以更好的設(shè)計(jì)靈活性實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)用電性能，而不會(huì)增加成本。多個(gè)單一功能的電源器件組合的方法將會(huì)被類似pmu（電源管理單元）的芯片取代。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的不斷發(fā)展

19、，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有了重大進(jìn)步和突破。高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大勢(shì)所趨，也是今后的發(fā)展方向。1.2 開(kāi)關(guān)電源的分類與比較 按照電力電子的習(xí)慣，電源可以分為以下四類：整流（ac-dc），逆變（dc-ac），交流-交流直接變頻（ac-ac），直流變換（dc-dc）16。dc-dc轉(zhuǎn)換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并得到用戶的認(rèn)可，但ac-dc因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題17。dc-dc變換器又可以分為低壓降調(diào)節(jié)器（low dropout regulator）、電荷泵（charge pump）和開(kāi)關(guān)電源（swi

20、tching power supply）。表1-1 dc-dc轉(zhuǎn)換器的分類和比較16 18 table 1-1 classification and comparison of dc-dc converters轉(zhuǎn)換器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)低壓降調(diào)節(jié)器（ldo）low dropout regulator1   無(wú)磁性元件2   外部元件少，易于設(shè)計(jì)3   成本低4   噪聲最低5   pcb面積小6   瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)快1.     

21、60;  適用于低到中等功耗2.        受到drop out 電壓限制3.        輸出只能小于輸入4.        效率低5.        熱量管理差電荷泵charge pump1   無(wú)磁性元件2   外部元件少，易于設(shè)計(jì)3  

22、 pcb面積小4   在關(guān)斷或者空載情況下功耗特別低5   輸出可以大于輸入1.        只適用于低功耗應(yīng)用2.        輸入電壓范圍比較窄3.        輸出電流小開(kāi)關(guān)電源switching power supply1.        輸入電壓范圍寬2.

23、0;       可以適用于高功率要求3.        輸出可以大于或者小于輸入4.        熱量管理最好5.        輸出電流大1. 需要有磁設(shè)計(jì)2. 外部元件數(shù)量多3. pcb面積大 表1-1是三者的優(yōu)缺點(diǎn)比較說(shuō)明。從中可以看出，dc-dc開(kāi)關(guān)電源性能良好，效率最高，因此在便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。除此

24、之外，下面還列舉了dc-dc開(kāi)關(guān)電源常見(jiàn)的幾類分類方式，分類如下： （1）按照開(kāi)關(guān)管與輸入電壓的連接方式，dc-dc開(kāi)關(guān)電源可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。開(kāi)關(guān)管與輸入電源電壓串接的稱為串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)管與輸入電源電壓并接的稱為并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。例如：降壓型、升降型dc-dc屬于串聯(lián)式，升壓型dc-dc屬于并聯(lián)式。（2）根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系又可分為降壓型（buck converter）、升壓型（boost converter）、升降型（buck-boost converter）。（3）根據(jù)控制方式，dc-dc轉(zhuǎn)換器可以分為脈沖寬度調(diào)制（pwm）型、脈沖頻率調(diào)制（pfm）型和混合

25、調(diào)制型（pwm和pfm混合調(diào)制型）。（4）根據(jù)輸入電路和輸出電路之間的關(guān)系，dc-dc轉(zhuǎn)換器可以分為非隔離式轉(zhuǎn)換器和隔離式轉(zhuǎn)換器。非隔離式轉(zhuǎn)換器工作時(shí)輸入電源和輸出負(fù)載共有一個(gè)電流通路，可分為降壓型轉(zhuǎn)換器、升壓型轉(zhuǎn)換器、升降型轉(zhuǎn)換器和負(fù)壓型轉(zhuǎn)換器。隔離式轉(zhuǎn)換器靠相互耦合的磁性元件（變壓器）實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，電源與負(fù)載的聯(lián)系結(jié)合是通過(guò)磁通量而不是共同的電流實(shí)現(xiàn)，根據(jù)轉(zhuǎn)換器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又可分為單端反激轉(zhuǎn)換器、單端正激轉(zhuǎn)換器、推挽式轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器和全橋式轉(zhuǎn)換器12。1.3 本文的主要工作本文的主要工作是設(shè)計(jì)一種降壓型的dc-dc轉(zhuǎn)換器控制電路，工作電壓范圍是2.75.5v，輸出為穩(wěn)定的直流輸出

26、電壓1.8v，工作頻率為1.2mhz。系統(tǒng)采用0.35µm cmos工藝實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了關(guān)鍵電路模塊的設(shè)計(jì)并結(jié)合hspice軟件進(jìn)行電路模塊及系統(tǒng)的仿真結(jié)果驗(yàn)證。本文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：（1）          在參閱了大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，第一章回顧了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)其分類進(jìn)行了比較說(shuō)明。（2）          第二章簡(jiǎn)單介紹了dc-dc轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，著重分析了降壓型d

27、c-dc轉(zhuǎn)換器的工作原理及其控制方式，從而為設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。（3）          第三章闡述系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)過(guò)程。首先對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了整體性說(shuō)明，并對(duì)各子電路模塊誤差放大器、pwm比較器、帶斜坡補(bǔ)償?shù)恼袷幤麟娐?、電流感?yīng)電路、同步整流驅(qū)動(dòng)電路及邏輯控制電路等進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)其工作原理及參數(shù)求解都作了詳細(xì)的分析推導(dǎo)，并給出其功能仿真結(jié)果。（4）          第四章對(duì)系統(tǒng)的整體特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 dc-

28、dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理分析dc-dc變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸出電壓的功率開(kāi)關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的集體配置關(guān)系19。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用層面的拓展，目前dc-dc變換器擁有多種拓?fù)湫问?。總之，非隔離式標(biāo)準(zhǔn)dc-dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下四種2 4： （1）buck型電路降壓轉(zhuǎn)換器，其輸出平均電壓uo小于輸入電壓ui，極性相同。（2）boost型電路升壓轉(zhuǎn)換器，其輸出平均電壓uo大于輸入電壓ui，極性相同。（3）buck-boost型電路降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，其輸出平均電壓uo大于或小于輸入電壓ui，極性相反，電感傳輸。（4）cuk型電路降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，其輸出平均電壓uo大

29、于或小于輸入電壓ui，極性相反，電容傳輸。每種拓?fù)涠加衅渥陨淼奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合。因此，要恰當(dāng)選擇拓?fù)?，熟悉各種不同拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)及適用范圍是非常重要的。由于移動(dòng)pc、掌上電腦等可攜式設(shè)備的電池電壓在224v范圍內(nèi)，而內(nèi)部的電路單元多是以1.65v為電源，所以對(duì)于輸入電壓高于輸出電壓的應(yīng)用，buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為首選。因此，下面主要介紹本文設(shè)計(jì)采用的buck型轉(zhuǎn)換器，其他三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的介紹可以參考文獻(xiàn)12 2023。2.1 buck dc-dc轉(zhuǎn)換器的工作原理分析dc-dc轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。它利用電感元件和電容元件的能量存儲(chǔ)特性，隨著功率管不停地導(dǎo)通、關(guān)斷，具有較大電壓波動(dòng)的直流

30、電源能量斷續(xù)地經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管，暫時(shí)以磁場(chǎng)能形式存儲(chǔ)在電感器中，然后經(jīng)電容濾波得到連續(xù)的能量傳送到負(fù)載，得到經(jīng)變換后的電壓脈動(dòng)較小的直流電能，實(shí)現(xiàn)dc-dc變換24。dc-dc轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的主電路的元件，包括輸入電源、開(kāi)關(guān)管、整流管以及儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載，在開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)候，將能量?jī)?chǔ)存在電感中，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，電感中的能量會(huì)通過(guò)整流管進(jìn)入到電容，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，合稱為功率級(jí)；控制電路則通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓恒定在設(shè)定值，從而控制主電路的工作狀態(tài)，使主電路從輸入電源處獲得的能量和傳送到負(fù)載的能量維持平衡。通常，當(dāng)輸入的電池電壓

31、及輸出端的負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載電壓可以維持恒定11 25。buck型dc-dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示。vin為輸入電源，通常為電池或電池組，mp是主開(kāi)關(guān)管，因其源端接電源vin，適宜選用低電平導(dǎo)通的pmos管。在傳統(tǒng)的buck型dc-dc轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中，次級(jí)整流電路中起續(xù)流作用的二極管通常使用肖特基二極管，但當(dāng)電源模塊的輸入電壓逐步降低時(shí)，采用肖特基二極管的電源模塊的效率損失很大，所以為了提高電源的使用效率，采用了同步整流技術(shù)，用開(kāi)關(guān)管mn代替了二極管，在mp截止期間打開(kāi)起到續(xù)流的作用。圖2-1 buck 型dc-dc轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)fig 2-1 the topology st

32、ructure of buck dc-dc converter根據(jù)電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期起始時(shí)是否從零開(kāi)始，可分為連續(xù)導(dǎo)通模式（ccm）和非連續(xù)導(dǎo)通模式（dcm）26。在轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，電感中的電流上升；在轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)截止期間，電感電流下降。如果在轉(zhuǎn)換器的主開(kāi)關(guān)截止期間，電感中的電流降到零，則在截止期間的剩余時(shí)間內(nèi)電感中存儲(chǔ)的能量將為零，轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式；否則轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。下面對(duì)buck型轉(zhuǎn)換器的兩種工作模式進(jìn)行分析和討論，以便于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.1.1 ccm模式分析在工作過(guò)程中，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)mp導(dǎo)通，mn截止之后，電感l(wèi)中的電流逐漸增加，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量也

33、逐漸增加。當(dāng)電感l(wèi)中的電流小于負(fù)載電流時(shí)，電容c放電以維持輸出電流，一旦電感l(wèi)中的電流增大到大于負(fù)載電流，多余的電流給電容c充電，電容c上的電壓開(kāi)始上升。經(jīng)過(guò)ton時(shí)間以后，控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)mp截止，mn導(dǎo)通，電感l(wèi)中的電流減小，電感l(wèi)中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量便通過(guò)mn通路給負(fù)載供電。當(dāng)電感l(wèi)中的電流降低到小于負(fù)載電流時(shí)，電容c開(kāi)始放電以維持輸出電流。經(jīng)過(guò)時(shí)間toff后，控制信號(hào)又使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，上述過(guò)程重復(fù)發(fā)生。buck 轉(zhuǎn)換器ccm模式波形圖如圖2-2所示4。圖2-2 buck 轉(zhuǎn)換器ccm模式波形圖fig 2-2 the waveforms of buck dc-dc converter in ccm

34、 mode控制電路輸出信號(hào)使主開(kāi)關(guān)管mp導(dǎo)通時(shí)，濾波電感l(wèi)中的電流線性増加。忽略mosfet的導(dǎo)通壓降，mosfet源極電壓應(yīng)為vin，則濾波電感電流增量應(yīng)為： （2.1）式中ilmin為mp導(dǎo)通前流過(guò)電感l(wèi)中的電流，ilmax為mp導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束時(shí)，即t=ton時(shí)，l中的電流達(dá)到最大值?？刂齐娐肥怪鏖_(kāi)關(guān)管mp關(guān)斷時(shí)，電感l(wèi)中的電流將線性減小。忽略mn管的導(dǎo)通壓降，則濾波電感電流增量應(yīng)為： （2.2）由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)變化量相等，所以， （2.3）即 （2.4）式中t為主開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)的周期，ton是mp導(dǎo)通時(shí)間，toff 是mp關(guān)斷時(shí)間，d為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比，通常稱為控制信號(hào)的占

35、空比。式（2.4）即為dc-dc轉(zhuǎn)換器工作于ccm模式時(shí)輸入電壓和輸出電壓之間的直流關(guān)系，從該式可以看出，由于占空比小于1，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓21。由于流過(guò)電感的電流平均值等于負(fù)載電流，故 （2.5）流過(guò)主開(kāi)關(guān)的電流平均值為 （2.6）用式（2.2）和（2.5），消去ilmin，可得 （2.7）接著考慮一下輸出電壓的交流波動(dòng)分量，當(dāng)電感中電流大于負(fù)載電流時(shí)，電容開(kāi)始充電，輸出電壓開(kāi)始升高；當(dāng)電感電流小于負(fù)載電流時(shí)，電容開(kāi)始放電，輸出電壓開(kāi)始下降。流過(guò)電容的電流可以表示為 （2.8）假設(shè)t=0時(shí)，主開(kāi)關(guān)mp導(dǎo)通，電容放電電流開(kāi)始減小，在經(jīng)過(guò)ton/2之后，電容的放電電流等于零，此時(shí)輸

36、出電壓具有最小值；然后電容開(kāi)始充電，輸出電壓開(kāi)始上升，電容的充電將一直持續(xù)到電容充電電流再次變?yōu)榱銥橹?。在ton/2到ton+toff/2時(shí)間段之間電容上的電壓增量，就可算出輸出電壓的紋波值，即 （2.9）又因?yàn)閷?dǎo)通期間電容電流可表示為： （2.10）由此可以求出式（2.9）的第一項(xiàng)積分 （2.11）根據(jù)式（2.1）和（2.5）可得 （2.12）同理，主開(kāi)關(guān)mp截止期間電容電流可以表示為： （2.13）由此可以求出式（2.9）的第二項(xiàng)積分。為了便于計(jì)算，把積分下限移動(dòng)到坐標(biāo)原點(diǎn)，得到 （2.14）根據(jù)式（2.2）和（2.5）可得 （2.15）將式（2.11）、（2.12）、（2.14）和（2.

37、15）代入式（2.9），經(jīng)過(guò)基本的數(shù)學(xué)變換，就可以得到輸出電壓的紋波分量vo的計(jì)算公式 （2.16）將式（2.4）經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)計(jì)算后，式（2.16）最后可以變換為 （2.17）式（2.17）為buck型轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)輸出紋波與輸入輸出電壓、電感電容和系統(tǒng)工作頻率之間的關(guān)系。在dc-dc轉(zhuǎn)換器中輸出電壓的紋波特性是最重要的性能指標(biāo)之一，在輸出紋波指標(biāo)、輸入輸出電壓已確定的情況下，需要綜合考慮工作頻率和功率級(jí)電感電容的取值。同時(shí)由上式也可以看出輸出紋波的大小同系統(tǒng)工作頻率的平方成反比，即在輸入輸出電壓、電感電容確定的情況下，工作頻率越高，系統(tǒng)的輸出紋波越小，由此可知當(dāng)今dc-dc轉(zhuǎn)換

38、器的趨勢(shì)之一是高頻化17 20。2.1.2 dcm模式分析圖2-3 buck轉(zhuǎn)換器dcm模式波形圖fig 2-3 the waveforms of buck dc-dc converter in dcm mode由圖2-3可以看出，在dcm模式中17 20 （2.18）式中ton為主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，t為主開(kāi)關(guān)工作周期，toff1為電感中電流下降到零所用時(shí)間，toff2是電感中沒(méi)有能量的時(shí)間。在開(kāi)關(guān)mp截止后，如果經(jīng)過(guò)時(shí)間toff1電感中的電流減小到零，電感中沒(méi)有能量存儲(chǔ)，這時(shí)只能完全靠電容c對(duì)負(fù)載放電，那么mn截止，電感中也不會(huì)出現(xiàn)反向電流。再經(jīng)過(guò)時(shí)間toff2后，控制信號(hào)又重新使開(kāi)關(guān)mp導(dǎo)通，

39、此時(shí)buck型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式下?？紤]電感l(wèi)上的能量變化，根據(jù)能量守恒定律得： （2.19）則 （2.20）將式（2.1）代入式（2.19）可得 （2.21）輸出電流可表示為 （2.22）則 （2.23）由上式可以解得 （2.24）將式（2.24）代入式（2.20）可得 （2.25）式（2.25）即為dc-dc轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式下時(shí)輸入電壓和輸出電壓之間的直流關(guān)系。從式（2.25）也可以看出，dcm和ccm一個(gè)截然不同的地方：dcm模式下輸出電壓是vin，占空比d、電感l(wèi)、開(kāi)關(guān)頻率f和負(fù)載電阻r的函數(shù)；而ccm模式下輸出電壓只是vin和占空比d的函數(shù)。在dcm模式下，開(kāi)關(guān)

40、電源的電壓增益要高于ccm模式下的電壓增益，但是dcm模式的帶負(fù)載能力要比ccm模式小很多，且斷續(xù)模式穩(wěn)定，并且又一個(gè)很好的閉環(huán)響應(yīng)，所以dcm模式的轉(zhuǎn)換器通常應(yīng)用在輕負(fù)載的場(chǎng)合。由于在這兩種模式下開(kāi)關(guān)電源的頻率相位變化十分顯著，所以希望在所有預(yù)期的工作條件下，開(kāi)關(guān)電源都只處于一種工作模式27。對(duì)比圖2-2和圖2-3，可發(fā)現(xiàn)il和io相對(duì)值的大小不同劃分兩種工作狀態(tài)，并且在兩種狀態(tài)間存在一個(gè)臨界狀態(tài)，三個(gè)狀態(tài)的特點(diǎn)分別是：ccm狀態(tài)： （2.26） 臨界狀態(tài)： （2.27）dcm狀態(tài)： （2.28）由式（2.1）、（2.2）和（2.27），可得到在臨界狀態(tài)有 （2.29）將式（2.29）用占空

41、比d和工作頻率f表示，則 （2.30）滿足式（2.30）的電感值稱為臨界電感l(wèi)c，通常情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電感l(wèi)就可使轉(zhuǎn)換器工作在一個(gè)模式。需要注意的是，在正常情況下，buck型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器很少工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，但是一旦負(fù)載電流低于臨界水平，非連續(xù)導(dǎo)通模式就會(huì)發(fā)生28。2.2 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制方式和控制模式2.2.1 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制方式從2.1節(jié)介紹的基本原理可知，輸出電壓vo受開(kāi)關(guān)管占空比d的控制?？刂普伎毡鹊姆绞接腥缦聨追N：第一，脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，pwm）方式，即保持開(kāi)關(guān)周期不變，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制，

42、稱之為“定頻調(diào)寬”；第二，脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，pfm），即脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變通斷比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制，稱之為“定寬調(diào)頻”2931；第三，寬度和頻率同時(shí)改變，使占空比得到改變，則稱為混合型32。（1）pwm方式pwm方式的基本工作原理是由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率恒定的鋸齒波，與一個(gè)參考電壓比較，輸出方波，用于控制調(diào)整管。在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定31。pwm方法在大負(fù)載時(shí)的效

43、率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高，線性度高，由于開(kāi)關(guān)頻率是固定的，因而使得噪聲頻譜的帶寬很窄，宜于濾波，這樣只需簡(jiǎn)單的低通濾波器就能大大降低輸出電壓的紋波，利于進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。此外，這種控制方式的單片集成控制器簡(jiǎn)單、可靠、使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了變換器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故得到迅速發(fā)展。texas instrumnets的tl1451a，tl5001，tps5102，tps5120，maxim的max1684/1685，maxl692，max668/669等商用產(chǎn)品都采用這種控制方式21。缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載較小時(shí)控制電路的工作電流在總的工作電流中比例上升，導(dǎo)致效率降低、靜態(tài)功耗增加。有一種解決辦法是當(dāng)負(fù)載

44、較小或?yàn)榱銜r(shí)使用線性電源代替pwm主電路進(jìn)行工作，充分利用線性電源小電流時(shí)效率高的特點(diǎn)。（2）pfm方式pfm調(diào)制電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比通常保持為50%，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率可提供穩(wěn)定的輸出電壓20。其基本工作原理是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，來(lái)自輸出電壓的反饋電壓加在誤差放大器的反相輸入端，一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓加在誤差放大器的同相輸入端，二者之間的誤差被放大后去控制可變頻率控制器?？勺冾l率控制器是一個(gè)電壓控制的頻率變換器，提高輸入電壓就能提高輸出脈沖的頻率，輸出電壓就是通過(guò)改變電路開(kāi)關(guān)頻率而得到調(diào)整的3334。pfm方式克服了pwm控制在輕負(fù)載時(shí)效率較低的缺點(diǎn)，頻率特性好，輸

45、出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負(fù)載，適用于電流或者電壓控制模式35。但是采用pfm模式控制的系統(tǒng)工作頻率不固定，輸出噪聲頻帶比較寬，濾波難度大，因此輸出電壓有較大的紋波，而且輸出噪聲、紋波的頻譜在不同負(fù)載時(shí)有較大的變化范圍36。對(duì)其他設(shè)備干擾也很大，而且不容易消除，且這種工作方式的集成控制器集成度較高，在設(shè)計(jì)、制造上困難較大，使用不多。（3）混合方式混合方式靠同時(shí)改變脈沖的寬度和頻率來(lái)維持輸出電壓的穩(wěn)定，其占空比的范圍很寬。因此，用來(lái)制作輸出電壓要求能在寬范圍調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源是非常合適的?；旌夏Ｊ降哪康木褪抢^承單一模式各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效的克服他們的缺點(diǎn)，使變換器在任意負(fù)載時(shí)的效率、電壓跟隨

46、率、靜態(tài)功耗等方面獲得優(yōu)異的性能?；旌戏绞绞莻鹘y(tǒng)分立元件開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器常用的工作模式，它根據(jù)輸出電壓判斷調(diào)整管是否導(dǎo)通，所以輸出電壓波動(dòng)在所難免、精度不高36。目前采用這種調(diào)制方式工作的單片集成穩(wěn)壓器并不多見(jiàn)。比較這三種控制方式，同時(shí)考慮到所設(shè)計(jì)的電路性能及應(yīng)用，設(shè)計(jì)最終采用pwm控制模式。2.2.2 dc-dc轉(zhuǎn)換器的控制模式要依靠上述控制方式獲得穩(wěn)定的直流輸出，除了設(shè)計(jì)相應(yīng)的振蕩器外，還需要引入負(fù)反饋環(huán)路。負(fù)反饋的作用在于3738：（1）減小電路自身的噪聲對(duì)輸出的影響。（2）使輸出與開(kāi)環(huán)增益無(wú)關(guān)。通過(guò)在變換電路中引入負(fù)反饋，就可獲得穩(wěn)定的輸出。一般來(lái)講，dc-dc轉(zhuǎn)換器中包括兩種基本的反饋控制

47、模式：電壓控制模式和電流控制模式。a. 電壓控制模式35 39 電壓控制模式pwm是60年代后期開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開(kāi)始發(fā)展而采用的第一種控制方法。從控制理論的角度來(lái)講，電壓型控制模式是一種單環(huán)控制系統(tǒng)，采用脈沖寬度調(diào)制法，即它把輸出電壓反饋到誤差放大器的反相端，與同相端的基準(zhǔn)電壓比較，采樣放大后緩慢變化的直流電壓再與振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率的三角波進(jìn)行比較，最終產(chǎn)生占空比可變的方波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管和整流管的導(dǎo)通和截止，通過(guò)這樣的負(fù)反饋，可以得到穩(wěn)定的輸出電壓39。由于電壓控制模式是單環(huán)控制，設(shè)計(jì)、分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單，電路成本較低，體積較小。此外pwm三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲裕量，適合

48、用在微波電子產(chǎn)品的電源中。電壓型控制方法另外比較突出的優(yōu)點(diǎn)就是輸出阻抗低，在多路輸出供電的電源中可以較好的實(shí)現(xiàn)交叉調(diào)節(jié)；對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)；占空比調(diào)節(jié)不受限制，最小可以為0，最大能夠達(dá)到1，同時(shí)占空比的變化對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響40 41。但是，在這里由于電感電流沒(méi)有參與控制，是一個(gè)獨(dú)立的量，因此電壓控制型開(kāi)關(guān)電源變換器是一個(gè)二階系統(tǒng)42，它有兩個(gè)狀態(tài)變量，即輸出濾波電容器上的電壓和輸出濾波電感中的電流，這兩個(gè)狀態(tài)變量給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)控制回路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在滿足一定條件下，閉環(huán)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。所以從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮或者誤差放大器的主極點(diǎn)移向低頻，

49、或者增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，由于環(huán)路增益不獨(dú)立于輸入電壓，要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是相當(dāng)復(fù)雜的43。由于開(kāi)關(guān)電源的電流都要流過(guò)電感，這將使輸出電容上的電壓信號(hào)產(chǎn)生90°延遲，因此僅采樣輸出電壓的辦法，在調(diào)節(jié)過(guò)程中存在一定滯后，輸出電壓變化的信息還要經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時(shí)滯后，才能傳至pwm比較起對(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果必然是響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差，從而導(dǎo)致負(fù)載調(diào)整率較大，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，造成功率管損壞等故障發(fā)生。改善電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有兩種：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益。但是這樣容易受高頻開(kāi)關(guān)噪聲干擾影響，需要在電路及反饋控制電路上采取措施進(jìn)行

50、抑制或同相位衰減平滑處理；另一方法是采用電壓前饋模式控制pwm技術(shù)，即在輸入電壓端添加電容和電阻，利用輸入電壓對(duì)電容和電阻充電產(chǎn)生的具有可變化的斜坡的三角波取代原來(lái)電壓模式控制pwm中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時(shí)輸入電壓變化能立刻在脈沖寬度變化上反映出來(lái)，因此對(duì)輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對(duì)輸出電壓變化的動(dòng)態(tài)相應(yīng)是閉環(huán)控制，對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)相應(yīng)是開(kāi)環(huán)控制，所以這種方法是有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)4445。文章4649中報(bào)導(dǎo)的新設(shè)計(jì)方法是采用新算法或者添加外部電路模塊來(lái)改善環(huán)路控制，但是新算法需要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求和使用環(huán)境來(lái)選擇不同的補(bǔ)償環(huán)路，這種方法操作比較復(fù)雜，而添加外部

51、電路的方法使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，有時(shí)還需添加i/o腳，增加了電路的成本。b. 電流控制模式為了解決電壓模式的缺點(diǎn)，20世紀(jì)70年代末期開(kāi)始出現(xiàn)了電流模式控制模式，其基本的思想是在輸出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，增加了直接或間接的電流反饋控制，使得電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的二階模型去掉了電感電流而成為一階系統(tǒng)50。內(nèi)部電流控制環(huán)路是瞬時(shí)、快速的，是按照逐個(gè)脈沖工作的。其結(jié)果是在逐個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖上不僅僅可以響應(yīng)負(fù)載電壓的變化而且也可響應(yīng)電流的變化。在該雙環(huán)控制中，內(nèi)部電流控制環(huán)路負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，因而外部電壓控制環(huán)路僅需控制輸出電容，不必控制lc儲(chǔ)能電路。因此，電流模式控制pwm的

52、帶寬比電壓模式控制的大得多51。結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜但是性能更好，因此，電流模式dc-dc轉(zhuǎn)換器逐漸開(kāi)始成為主流產(chǎn)品。根據(jù)電感電流采樣信號(hào)的不同方式，電流模式pwm控制又可分為平均電流模式pwm控制（average current-mode control）和峰值電流模式pwm控制（peak current-mode control）。（1）    平均電流模式在平均電流模式控制系統(tǒng)中，誤差放大器ea將輸出電壓的反饋信號(hào)與基準(zhǔn)的差值經(jīng)過(guò)比較放大后得到的誤差電壓ve，作為輸出電感電流設(shè)定的控制信號(hào)。而帶有鋸齒狀紋波分量的輸出電感電流信號(hào)經(jīng)過(guò)積分后，與ve同時(shí)送入電流放大器放

53、大，得到平均電流跟蹤誤差信號(hào)，該信號(hào)與振蕩器產(chǎn)生的恒定頻率的三角鋸齒波信號(hào)比較得到pwm關(guān)斷時(shí)刻。由于存在電壓環(huán)路和電流環(huán)路兩個(gè)環(huán)路的調(diào)整，為了避免次諧波振蕩，在設(shè)計(jì)中一定要注意平均電流跟蹤誤差信號(hào)的上升斜坡不能超過(guò)三角鋸齒波信號(hào)vosc的上升斜坡12。平均電流模式優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以準(zhǔn)確控制電感電流，平均電感電流能夠高精度地跟蹤電感電流設(shè)定信號(hào)；（2）不需要斜坡補(bǔ)償；（3）抗噪聲性能優(yōu)越；（4）適合于任何電路拓?fù)?，容易?shí)現(xiàn)均流。但是要達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，開(kāi)關(guān)頻率對(duì)環(huán)路增益有限制。平均電流模式的缺點(diǎn)是：（1）由于采樣后對(duì)電感電流進(jìn)行積分，所以響應(yīng)速度比峰值電流控制方法慢；（2）電流放大器在開(kāi)關(guān)頻率處的

54、增益有最大限制；（3）雙閉環(huán)放大器的帶寬、增益等參數(shù)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)比較復(fù)雜。（2）    峰值電流模式峰值電流模式控制，又簡(jiǎn)稱為電流模式控制，是一種固定時(shí)鐘開(kāi)啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。它與電壓模式控制方法最大的區(qū)別是電流型控制模式用開(kāi)關(guān)電流信號(hào)波形代替了電壓型控制模式的鋸齒波信號(hào)。buck型dc-dc電流模式控制系統(tǒng)的原理圖及pwm調(diào)制信號(hào)的波形如圖2-4和圖2-5所示。圖2-4 峰值電流模式控制pwm反饋系統(tǒng)原理圖fig 2-4 the principal schematic of pwm peak current mode control method峰值電流型

55、控制使電感電流（或開(kāi)關(guān)管電流，實(shí)際上開(kāi)關(guān)管和電感的電流峰值是相同的）的上升斜波與所設(shè)置的電流控制電平相比較，當(dāng)瞬態(tài)峰值電流達(dá)到所需的電平時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，從而關(guān)斷功率管。外環(huán)中，電壓誤差放大器輸出的控制電壓環(huán)，作為內(nèi)環(huán)電流基準(zhǔn)（給定）。檢測(cè)的電流信號(hào)與給定值間的誤差經(jīng)放大后，經(jīng)過(guò)觸發(fā)器產(chǎn)生占空比d。對(duì)于恒頻系統(tǒng)，每一開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，由時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，當(dāng)檢測(cè)的電流信號(hào)等于給定值ve時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。因此只要系統(tǒng)中電流稍有變化，占空比可以較快產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使輸出電壓vo接近給定vref。之所以叫峰值電流型控制是指將誤差放大器輸出信號(hào)與采樣到的電感峰值電流進(jìn)行比較，從而對(duì)輸出脈沖的占空

56、比進(jìn)行控制，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而變化，被檢測(cè)的電流峰值與給定值相交點(diǎn)，決定了占空比d。圖2-5峰值電流模式控制pwm 的調(diào)制波形fig 2-5 the modulation waveforms of pwm peak current mode control method峰值電流模式pwm控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，線性調(diào)整率非常好；電源輸入電壓的變化，必然會(huì)引起變壓器初級(jí)電流上升的斜率的變化，如電壓升高，則電流增長(zhǎng)變快，反之則變慢。但是只要電流脈沖達(dá)到了預(yù)定的幅度電流控制回路就動(dòng)作，使得脈沖寬度發(fā)生改變，保證輸出電壓的穩(wěn)定。同時(shí)，電流型控制可以看作是一個(gè)受輸出

57、電壓控制的電流源，而電流源的電流大小就反映了電源輸出電壓的大小。這是因?yàn)殡姼兄须娏髅}沖的幅值是與直流輸出電流的平均值成比例的，因而電感的延遲作用就沒(méi)有了。因而，對(duì)輸出負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)較快。第二，瞬時(shí)峰值電流限流功能，具有過(guò)流保護(hù)功能；在電流控制型dc-dc變換器中，由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電流峰值控制技術(shù)，它可以及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)輸出或變壓器以及開(kāi)關(guān)管中的瞬態(tài)電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測(cè)電路，有效的保護(hù)了主開(kāi)關(guān)。第三，控制環(huán)易于設(shè)計(jì)；因?yàn)殡姼刑幱趦?nèi)部控制環(huán)路中，其電感電流不再是一個(gè)單獨(dú)的變量，消除了整個(gè)濾波電感所帶來(lái)的極點(diǎn)和系統(tǒng)的二極特性，使整體系統(tǒng)成為一個(gè)由輸出電容和負(fù)載電阻構(gòu)成的單極點(diǎn)系統(tǒng)，因此誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得以簡(jiǎn)化，穩(wěn)定度得以提高并且改善了頻率響應(yīng)，具有更大的增益帶寬乘積。簡(jiǎn)化了反饋控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載限流等電路的設(shè)計(jì)，減少了元器件的數(shù)量和成本，這對(duì)提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度，實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化具有重要意義。第四，在推挽電路和全橋電路中具有簡(jiǎn)單自動(dòng)的平衡磁通功能；第五，在外接電源單元并聯(lián)時(shí)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。但是峰值電流模式控制pwm也有其潛在的一些缺點(diǎn)5253： 第一，占空比大于50%時(shí)系