1、西安电子科技大学硕士学位论文采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DC-DC转换器的设计姓名：罗鹏申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：王松林20100101摘要进入21世纪，伴随着电力电子技术的迅猛发展，电源管理类芯片已经广泛应用于通信网络、计算机以及汽车电子等诸多产品领域。在薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的优良特性和广大的应用市场启发下，以西安电子科技大学电路CAD研究所的重点科研项目“数模混合系列集成电路关键技术理论研究与设计”为背景，项目组设计了一款“低成本、高集成度、多路输出的电源控制器XD0804“。XD0804主要用于产生TV和监视器中TFT-LCD所需的多种供电电
2、压。XD0804中集成了正负电荷泵稳压器，为TFT栅极驱动器供电；降压(BUCK)型DCDC转换器和升压(BOOST)型DCDC转换器分别用来产生数字逻辑工作电压和源极驱动电压；线性稳压器(LDO)，为芯片内部提供5V工作电压；还有两个高性能运算放大器，用于驱动LCD背板。本论文作者主要负责集成于XD0804中的BOOST型DCDC转换器模块的设计。本论文对BOOST型DCDC转换器的设计和相关理论进行了研究，为集成于XD0804中的BOOST型DCDC转换器模块的设计提供了理论指导。设计的XD0804中的BOOST型DCDC转换器模块采用固定频率、峰值电流模PWM控制来使环路带宽变大，同时也
3、给TFT-LCD显示屏源极驱动器的脉冲负载提供快速瞬态响应。集成的N沟道功率MOSFET和内置的数字软启动减小了所需的外部元器件的个数，同时抑制了浪涌电流。论文对BOOST型DCDC转换器模块的设计过程作了详细说明。为了消除电流环路的不稳定性，本论文设计了一种基于传统补偿方法的线性斜坡补偿电路，并结合简洁的电压电流转化电路完成了与电感采样电流的叠加，在满足设计要求的前提下降低了电路设计难度。本论文还对多种采样方式进行了分析和比较，结合内置的功率MOSFET设计了电流采样电路，并结合简洁的电压电流转化电路完成电流采样。设计的电路基于某公司的061,tm 20V BCD工艺，使用Cadence完成
4、子模块及BOOST型DCDC转换器模块整体电路的前仿真验证。仿真结果表明，电路功能和性能指标已经达到设计要求。关键字：升压型DCDC转换器峰值电流模PWM斜坡补偿 电流采样AbstractWith the rapid development of electronic technology in 2 1 st century,powermanagement IC has been widely used in the area of communication network，computerand automobile electronicsEnlightened by the merit
5、and wide market of thin-filmtransistor liquidcrystal display(TFT-LCD)and supported by the research item ofinstitute of electronic CAD-“Theoretical research and design of key techniques formixed signal IC”of Xidian University,a low cost，highly integrated，andmultiple-output power management controller
6、,XD0804，is designedXD0804 Cangenerate all the supply rails for TFT-LCD panels in TVs and monitors operating from aregulated 1 2V inputIt integrates a BUCK DCDC converter and a BOOST DCDCconverter,a positive and a negative charge pump，two operational amplifiers and a lowdropout regulatorThe author is
7、 in charge of the design of the BOOST DCDCconverter block integrated in XD0804This paper analyzes the related theories of BOOST DC-DC converter detailedlyThis BOOST DC-DC converter block designed employs a fixed-frequency,peakcurrent-mode PWM architecture and provides fasttransient response to pulse
8、d loads ofTFT-LCD panel source driversThe design process is presentedThe integratedMOSFET and builtin digital soft-start function reduce the number of externalcomponents required while controlling inrush currentsTo avoid the current loopinstability,a simple linear slope compensation circuit is desig
9、ned and combines with anovel voltage to current converter to implement adding with sensing currentMeanwhile，according to the characteristic of the power MOSFET integrated，a simplecurrent sensing circuit is designedThe subblocks and the whole circuit of the BOOST DC-DC converter block aredesigned bas
10、ed on the 06岬20V BCD processAnd its function and performance ofthe whole circuit have been verified by Cadence and the results have met therequirements expectedKeywords：BOOST DC-DC converter Peak current-mode PWMSlope compensation Current sensing西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个
11、人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：(丝西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论
12、文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：!煎导师签名：互主芝推 日期鲨2全：!：Z第一章绪论第一章绪论本章首先简要介绍开关电源技术的概念及其发展方向【1121，然后结合TFT-LCD的发展及其优良特性和广大的应用市场给出本论文的研究背景和意义，最后给出本论文的主要工作和章节安排。11开关电源技术概述111开关电源技术概述微电子技术和集成电路是20世纪的产物，是人类智慧的结晶和文明进步的体现。作为信息社会的产物，集成电路近年来得到了迅速发展，它广泛的应用于家庭生活、国民经济乃至
13、国防建设的各个方面，它彻底改变了人类社会生产和生活方式，甚至影响着世界经济和政治格局。其产业规模和科学技术已经成为衡量一个国家综合实力的标志之一，谁掌握了它，谁就掌握了未来。这在科学技术史上是空前的。进入21世纪以来，随着人类科技发展脚步的加快，作为集成电路产业的一个重要组成部分，开关电源技术得到了飞速的发展。电源，如今已成为非常重要的基础科技和产业，从日常生活到尖端科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术的发展正是在这种环境中一步一步成熟起来的。伴随着近几年通信与网络、计算机、消费电子以及汽车电子等诸多产品领域的迅速发展，便携式系统得到了广泛应用，这些将电源技术又推向了一个新的高峰。新概
14、念、新技术、新产品不断涌现，并不断向着节能的方向迈进。实现由传统电能变换技术向节能变换技术的转变是全球绿色化浪潮对电源产业提出的要求，也是电源产业追求的目标。电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。而开关电源是目前应用最为广泛的一种电源装置，开关电源以其损耗低、效率高、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐，并广泛地应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。开关电源集成控制器自20世纪90年代问世以来，引起了国内外电源界的普遍关注，现已经成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。广义来说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源
15、形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源(Switching Power Supply)。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子变换器是应用电力电子器件将一种2 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可以分为四个类型：(1)直流直流(DCDC)变换器，它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件。(2)逆变器(DC-AC
16、)，是将直流电转化为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不问断电源UPS的主要部件。(3)整流器(ACDC)，是将交流电转换为直流电的电能变换器。(4)交流交流直接变频器(ACAC)，是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。这四类变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。随着近年来人们对便携式设备的广泛应用，DCDC变换器作为开关电源的主要研究对象之一，已经逐渐地成为研究的热点话题【1】21。112 DCDC转换器的主回路使用的元件及其特性1开关是DCDC变换器电路中非常重要的元件。无论哪一种DCDC变换器，主回路使用
17、的元件只是电子开关、电感和电容。电子开关只有导通、关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有快速，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，还有各种特性较好的大功率开关元件。当然，电子开关既可以在芯片外部，也可以集成在芯片内部，根据需要而定。2电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。电感作为储能元件，也常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感值的不同对纹波电流有显著影响。3
18、电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样，也是储存电能和传递电能的元件。应用上，主要是吸收纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，形成一个等效串联电阻(ESR)。这种等效串联电阻对开关电源中小信号反馈控制以及输出纹波的抑制都有着不可忽略的影响。另外电容等效电路上有一个串联的电感，有时在分析电容器的滤波效果时也是要考虑的。电容器的选择，除了考虑有效值以外还要考虑纹波电压、耐压以及温度特性的要求。113 DCDC变换器的手段及分类把直流电压变换为另一数值的直流电压最简单的办法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率太低。用一个半导体
19、功率器件作为开关，使带有滤波器(LC)的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，在负载上也得到另一个直流电压，这就是DCDC的基本手段，类似于“斩波”(CHOP)作用。DCDC转换器的分类方法有很多种，按输入输出的隔离方式分为隔离方式与第一章绪论非隔离方式；按开关控制方式分为自励式和它励式。由于本论文主要针对BOOST型DeDC转换器的设计，所以仅仅给出当前广泛应用于便携设备中的非隔离式的DCDC转换器的分类情况。非隔离式DeDC转换器主要有三种基本结构：升压型转换器(BOOSTConverter)、降压型转换器(BUCK Converter)和降压升压型转换器(BUCKBOOSTConve
20、rter)。它们都属于感性电路，主要由功率开关、滤波电容、储能电感和肖特基二极管构成。12开关电源技术的发展方向随着时代的进步，半导体工艺水平的飞速发展，开关电源技术将有更为广大的发展空间【21。121高性能碳化硅功率半导体器件可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等等。122高频磁技术1随着开关电源的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能(如开关尖峰能量、噪声水平等)产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻和分布电容等，在低频和高频下的表现
21、有很大不同。2对高频磁性材料有如下要求：损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注。3研究将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。123高频开关电源的电磁兼容研究 高频开关电源的电磁兼容问题有特殊性。开关电源内部的控制电路必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于其特殊性，专门针对开关电源的电磁兼容研究工作目前还处于起始阶段。在电磁兼容领域，存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。如：传导干扰与辐射干扰建模；开关电源电磁兼容性(EMC)优化设计；大功率开关电源EMC测量方法等。124低电压、大电流的开关电源开发数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处
22、理器的逻辑电压低达1118V，而电流达50100A。这类设备对DCDe变换器模块提出的要求是：输出电压很低以提供微处理器的低逻辑电压；输出电流大以驱动其他设备；电流变化率高；响应快等。125高效率、低功耗、小体积的开关电源开发4 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计近年来，笔记本电脑、手机、数码相机、MP3、MP4、PDA等便携式设备快速发展，已经逐渐成为人们生活中所必须的一部分。电源是这类设备最容易出问题的部分。新型便携式消费电子设备的功能越来越多，但同时用户又希望它的工作时间越来越长，如何提高DCDC芯片的效率，降低系统功耗，延长电池寿命是目前最热门的课题之一。同时，
23、这类设备的尺寸体积不断减小，发展小型化轻型电源也是尤为重要。126开关电源的仿真、测试技术随着开关电源设计的不断复杂化，对其进行精确仿真变得越来越困难。为仿真开关电源，首先要进行仿真建模。仿真模型中应包括电力电子器件、变换器电路，磁元件和磁场分布模型，电路分布参数模型，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型。各种模型差别很大，因此建模并不容易。此外，开关电源的热测试、可靠性测试等技术的开发研究也是应大力发展的。127新型电容器研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容。要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。13论文的研究背景和意义信息时代的来临，使显示技术及显示器
24、件在信息技术的发展过程中占据了十分重要的地位。目前，平板显示技术(FPD)迅速崛起，已经逐步取代阴极射线管显示技术(CRT)，成为本世纪显示技术的主流。随着九十年代初TFT技术的成熟，彩色液晶平板显示器发展迅速，不到十年时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器，这与它具有的优点是分不开的。其主要特点是：(1)使用特性好：低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源；TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样。(2)环保特性好
25、：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记载文明方式的革命。(3)适用范围宽：从一20N+50的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。(4)制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90以上。(5)TFT-LCD易于集成化和更新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、
26、第一章绪论多晶和单晶硅TFT-LCD，将来会有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板的。当今信息社会，TFT-LCD液晶显示器已经广泛应用于我们生活的各个方面，从小尺寸的手机、摄像机、数码相机，到中尺寸的笔记本电脑、台式机，再到大尺寸的家用电视到大型投影仪设备等。TFT-LCD具有体积薄、重量轻、画面质量优质、功耗低、寿命长、数字化、无辐射以及快速的响应特性等优点，在各类平板显示技术中脱颖而出，在显示器市场上独占鳌头。TFT-LCD技术是半导体微电子技术和液晶显示技术结合的高科技产物。TFT-LCD产品自投放市场到现在仅仅有十余年的时间，但其技术和规模的发展速度已经可以与微电子技术发展相
27、比。有数据显示，其发展速度已经超出摩尔定律的限制【3j。TFT-LCD正以它的使用特性优越、环保特性好、适用温度范围宽、制造技术的自动化程度高和大规模工业化生产特性好(成品率高)的特点异军突起，成为新一代显示器件的主流14J。在TFT-LCD的优良特性和广大的应用市场启发下，以西安电子科技大学科研项目为背景，项目组根据现有的技术和相关理论，以市场为导向，将理论和工程实践相结合，设计了一款面向TFT-LCD供电的电源管理芯片XD0804，本论文作者主要负责其中集成的BOOST型DCDC转换器模块设计。14论文的主要工作和章节安排141论文的主要工作项目组以西安电子科技大学电路CAD研究所的重点科
28、研项目“数模混合系列集成电路关键技术理论研究与设计”为工作背景，研究方向是基于BCD工艺的面向TFT-LCD供电的电源管理芯片XD0804的设计与实现。本论文的作者主要负责集成于XD0804中的BOOST型DCDC转换器模块的设计。主要工作包括BOOST型DCDC转换器的研究、工艺确定、设计指标确定、系统设计、电路设计以及仿真验证。142章节安排论文全文共分为六章。第一章简要介绍了开关电源技术的概念、发展状况以及DCDC转换器的特点和分类，并给出了论文的主要工作和章节安排。第二章重点介绍BOOST型DCDC转换器的基本原理及对系统进行分析。第三章以第二章的理论为指导，对XD0804系统功能以及
29、典型应用介绍之后，设计了其中集成的BOOST型DCDC转换器模块，包括电特性参数设计、控制模式设计、外围器件的选择以及工艺选择等。第四章对电流环路和电压环路的稳定性进行了分析，并介绍了斜坡补偿原理。第五章对部分关键子模块的具体电路设计进行了详细分析，6 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计并给出验证结果。第六章给出集成于XD0804中的BOOST型DCDC转换器总体仿真验证结果以及主要电特性参数仿真验证结果。最后是结束语。第二章BOOST型DCDC转换器的基本原理及系统分析 7第二章BOOST型DCDC转换器的基本原理及系统分析本章首先简要介绍BOOST型DCDC转换器的
30、基本原理，然后给出BOOST型DCDC转换器系统设计，包括工作模式的介绍和选取。21 BOOST型DCDC转换器的基本原理一个开关功率电源包括功率级电路和控制电路。功率级电路完成基本的从输入电压到输出电压的功率转换，包括开关和滤波器。本节仅仅对功率级电路进行介绍，包括在连续导通模式和非连续导通模式下的升压功率级的小信号稳态的详细分析21，【5】一16。本章中还包括了关于功率级元件需求的讨论。211概述三种常用的基本的开关电源拓扑结构是降压、升压和降压升压型。这些拓扑结构都是非隔离的，例如，输入电压和输出电压使用同一个地。但是，这三种非隔离的拓扑结构都有自己独立的导出式。功率电源拓扑是根据开关、
31、输出电感和输出电容的接法来分类的。每种拓扑结构都有特定的特性，包括稳态电压转换比率、输入和输出电流的特性和输出电压纹波的特性。另外一个重要的特性就是占空Lv,N输出电压的转移函数。升压(BOOST)结构是一种流行的非隔离功率级拓扑结构，有时被叫作Stepup功率级。电源设计者选择升压功率级是由于需要的输出电压总是比输入电压高，而且是同极性的，同时也是与输入电压非隔离的。BOOST功率级输入电流是连续的，或者说是非脉冲的，因为输入电流就是电感电流。升压功率级的输出电流是非连续的，或者说是脉动的，这是因为输出二极管只是在开关周期的一部分时间导通。输出电容在开关周期的剩余时间为负载提供电流。下面的章
32、节描述了电路稳态工作，也给出了一个升压转换器在连续导通模式和非连续导通模式下的理想波形。R图21 BOOST功率级线路图图21给出了一个包含驱动电路模块的升压功率级的简化线路图。功率开关Ml是一个N沟道MOS管。输出二极管是D。电感L和电容C组成了有效的输出滤波器。在分析中已经包括了电容等效串联电阻(ESR)Rc和电感直流电阻RL。功率电源输出端的电阻R代表负载。升压功率级在正常工作过程中，Ml在由控制电路控制的时钟脉冲下重复的导采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计通和关闭。这个开关作用在Ml、D和L的LX节点处产生了一系列的脉冲信号。尽管电感L仅仅在二极管D导通的时候被
33、连接到输出电容C，但是形成了一个有效的LC输出滤波器。这个滤波器滤除了在节点处产生的一系列的脉冲，还能够产生一个直流的输出电压VoUT。下面的章节给出更加详细的定量分析。212升压功率级稳态分析一个功率级电路能够在连续和非连续电感电流模式下工作。在连续电感电流模式下，电感电流在稳态工作下的整个开关周期内都是连续的。在非连续电感电流模式下，电感电流在开关周期的一部分时间是零值。电感电流从零值开始到达峰值，然后在每个开关周期返回到零值。这两个模式将会在下面进行更详细的讨论，并且在设计步骤中给出电感值，以保证选定模式的电感值作为额定负载的函数。对于一个功率级而言，在它期望的工作条件下能够维持在仅一种
34、模式是我们所期望的，这是由于功率级在两种模式工作的频率响应变化非常显著。对于这种分析，使用N沟道功率MOS管，并且正电压VGs(ON)通过驱动电路加到Ml的栅极和源极节点来打开MOS管。使用N沟道MOS管的优势在于它有低的RDS(ON)(与P沟道MOS管相比)，同时在升压功率级结构中它的驱动电路也比较容易设计。1连续导通模式分析下面将对稳态工作在连续导通模式下升压电路进行介绍。这部分主要是对于连续导通模式升压功率级电压转换关系的推导。这个结果是非常重要的，这是因为推导的结果显示了输出电压是如何依赖于占空比和输入电压的；或者反过来说，占空比是如何根据输入电压和输出电压来计算的。电路的稳态是指电路
35、的输入电压、输出电压、输出负载电流和占空比都是确定的和不变的状态。大写字母通常用来表示稳态变量名。R(a)导通状态 (b)截止状态图22 BOOST功率级电路状态的线路图电路可以代表两个状态中的每一个，在这个线性电路中，等效电路替代。图22是这两个状态的简化线路图。在连续导通模式，假定升压功率级电路每个开关周期有两个状态。在导通状态，Ml是导通的，D是截止的。在截止状态，Ml是截止的，D是导通的。一个简单的线性开关由它们每个状态的导通状态的持续时间是DTs=ToN，这里的D是占空比，由控制电路来设定。占空比D是导通时间TON占一个完整开关周期时间Ts的比率。截止状态的时间是ToFF。因为对于连
36、续导通模式的每个开关周期只有两种状态，导通或者截止，所以第二章BOOST型DCDC转换器的基本原理及系统分析 9TOFF等于(1一D)Ts。1D有时也称为D。这些时间变量在图23中给出。参考图21和图22，在导通状态下，Ml漏一源电阻RDS(ON)很低，产生一个很小的电压降VDs。在电感的直流电阻上也有一个小的电压降ILRL。因此，输入电压V跗减去损耗(VDs+ILRL)之 TI后加在电感L上。二极管D在这个状态下是反偏截止的，这样加在电感L右边的电压是功率MOS管上的电压VDs。电感电流IL从输入电源VIN流过Ml到地。导通状态下，加 Io在电感L上的电压是确定的，等效值为VIN-(VDs+
37、ILRL)。采用图22所示的对IL所加极性的方法，电感电流随着所加电压的增加而增加。但是由于所加电压基本是固定的，因此电感电流的增加是线性的。畔k一卜一Ts一图23连续导通模式下BOOST功率级电路波形电感电流的增加量可以通过大家熟悉的关系式计算得到：a 1，所=三兰上j A，=二上丁 (21)df L电感电流在导通状态下的增量由下式给出：虬(+)：盟迎譬逊(2-2) LIL(+)的值是电感的纹波电流。在这个时间内，负载电流由输出电容C提供。参考图21和图22，当Ml截止，它呈现出一个大的漏源阻抗。由于流过电感L的电流不能突变，电流从Ml转移N-极管D上。由于电感电流的减少，直到整流二极管D变
38、得正偏并导通后加在电感上的电压才翻转极性。加在L左侧的电压与之前的值保持相同，其值为VLRL。加在L右侧的电压现在就是输出电压VouT加上二极管的导通电压VD。电感电流IL现在从输入源VIN流经D到输出电容C和负载电阻R的节点处。在截止状态，加在电感上的电压是恒定的，等效值为(VoVD+ILRLWIN，但这个电压是负极性的(或者是与导通状态的极性相反)。因此，电感电流在截止的时候是减小的，又因为加在其上的电压是基本稳定的，所以电感电流的减小也是线性的。电感电流在截止状态的减小值由下式给出：10 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计业(一)：监吐坠掣止监(2-3)IL(_)
39、的值也是电感电流纹波。在稳态的情况下，导通状态的电流增加量IL(+)与截止状态下的电流减小量IL(_)是相等的。否则，在一个开关周期之内电感电流就会有一个纯的增加或者减小量，就意味着电路没有进入稳态。因此，由这两个等式相等得到VOUT，获得连续导通模式下升压转换器的转换关系：VOUT的稳态公式是：刊郴小引吩(等) 陆4，并且，使用Ts代替ToN+ToFF，D=ToNTs，1-D=ToFFTs，VOUT的稳态状态下的等式现在变为：Four m车笋一一南(2-5)注意：为了简化上面的式子，假设ToN+ToFF与Ts相等。这种假设只是在连续导通模式下才成立，作为非连续导通模式的分析将会在下面给出。使
40、IL的两个值相等是根据电感的伏秒平衡公式。电感的伏秒是指加在电感上的电压和时间的乘积。这是根据已知电路参数来计算比如VoUT、D等未知量的最好的方法，同时这种方法也将会在本论文中反复使用。在电感上的伏秒平衡是一种物理的自然规律，至少应该像理解欧姆定律一样来理解伏秒平衡。在上面关于IL(+)和IL(-)的等式中，假设输出电压在导通时间和截止时间内是没有交流纹波的常量，这是一种常用的简化方法。首先，假定输出电容足够的大以至于它上面的电压变化可以忽略不计。第二，由电容器ESR引起的电压假设是忽略不计的。这些假设都是有效的，这是因为交流纹波电压的变化在设计上是远小于输出电压的直流部分的。上面推导出的式
41、(25)关于VoUT的电压转换关系，表明VoUT可以通过改变占空比D来调节。同时，VOUT总是比输入电压高，这是因为D是一个大于0而小于1的值。这个关系式的值随着D趋近于0而接近1，同时随着D趋近于1而变为无穷大。常用的简化方法是假设VDs，VD和RL足够小以至于可以忽略。设置VDs，VD和RL为O，上面的等式最终简化为：Vow=忐 (2-6)将电感作为储能元件是一种简单的、定量的来形象化电路工作的方法。当Ml导通，能量被存储到电感中。当Ml截止，电感和输入电源将能量传递给输出电容和负载。通过设置Ml的导通时间来控制输出电压。例如，通过增加MI的导通时第二章BOOST型DCDC转换器的基本原理
42、及系统分析 ll间来增加存储到电感的能量。因此，将会有更多的能量在Ml截止的时候传递到输出，结果使输出电压增加。与降压功率级电路不同，升压型的平均电感电流与输出电流是不相等的。为了把电感电流与输出电流联系起来，可以参考图22和图23。注意：电感只是在功率管截止的状态下把电流传递到输出，在这个时间内的平均电感电流是与输出电流相等的，这是因为输出电容的平均电流必须等于零。在连续导通模式下，升压型DCDC转换器的平均电感电流和输出电流的关系由下式给出：下L(哪)等=L(嘴)(1一D)=Io (2-7)上S或者是，L(嘴)2尚(2-8)另外需要注意的是电感电流的平均值是与输出电流成比例的，同时由于电感
43、电流纹波IL独立于输出负载电流，电感电流的最大值和最小值能精确地跟随电感电流的平均值。例如，如果电感电流的平均值由于负载电流的减小而减小了2A，这时电感电流的最大值和最小值也减小2A(假设仍然在连续导通模式)。2非连续导通模式分析上述的分析是针对升压功率级电路在连续导通模式下的，下面将给出非连续导通模式下的稳态分析。分析的主要目的是推导升压功率级电路在非连续导通模式下的电压转换关系。现在考虑当负载电流减小，同时导通模式从连续到非连续导通模式转换时会发生什么变化。回顾一下连续导通模式，平均电感电流可以跟随输出电流。例如，如果输出电流减小了，这时平均电感电流也会减小。另外，电感电流的最大和最小值能
44、精确地跟随平均电感电流。如果输出负载电流减小到低于临界电流值，开关周期中的部分时间内电感电流值就会为零。这可以从图25中的波形中看到，因为纹波电流的峰峰幅值不随输出负载电流的改变而改变。在一个升压功率级电路中，如果电感电流试图降。AIL一士P生|卜TOFF一，*I_卜一Ts1图24临界导通模式下BOOST功率级电路波形。AIL一士一一I坠 L!一k一Ts叫图25非连续导通模式下BOOST功率级电路波形112 采用峰值电流模PWM控制的BOOST型DCDC转换器的设计到低于零值时，它就停在零值处(由于单向电流流过二极管D)，同时会一直保持在零值，直到下一个开关周期的开始。这种工作模式就是非连续导
45、通模式。与连续导通模式的两种状态不同，当升压功率级工作在非连续导通模式下，每个开关周期内有三个特定的状态。图24给出临界导通模式下BOOST功率级电路波形，即功率级电路在连续导通模式和非连续导通模式临界处的电感电流条件。这显示了电感电流在何时正好降到零，同时在电感电流降到零时下一个开关周期J下好开始。在输出负载电流持续减小时会促使功率级电路进入非连续电流导通模式。图25示意了这个条件。非连续导通模式功率级电路的频率响应不同于连续导通模式频率响应。由下面的推导表明输入与输出的关系也不同于连续导通模式下的。在开始推导非连续电流模式升压功率级电路电压转换比率之前，回顾之前假设的在非连续电流导通模式下
46、的三种特定的状态。导通状态是处于MI导通，二极管D截止的情况下。截止状态是处于Ml截止，二极管D导通的情况下。空闲状态是在M1和二极管D都截止的时候。非连续电流导通模式下的前两个状态同连续导通模式相似，除了ToFF(1D)Ts外。开关周期的剩余部分是空闲状态。此外，输出电感的直流电阻、输出二极管的导通压降和导通状态下的功率管的导通压降都是假设足够小，以至于可以被忽略。导通状态的持续时间是ToN=DTs，这里的D是由控制电路设置的占空比，表示了开关的导通时间占整个开关周期Ts的比率。截止状态的持续时间是ToFF=D2TS。空闲时间就是整个开关周期的剩余时间，其值为TsToN_ToFF=D3TS。
47、在图26中以波形的方式显示了这些时间值。对于电感电流增加和减小的等式在前面的分析中并没有给出详细的解释，下面将给出详细的解释。在导通状态下，电感电流的增加值为：讼逡婆莓；皿； 0一Ts一：一ls叫图26非连续导通模式下BOOST功率级电路波形2虬(+)=孚=半D五=k (2-9)L L纹波的幅度世“+)也是电感电流的峰值IPK，这是因为在非连续导通模式，电感电流在每个周期都是从零开始。在截止状态的电感电流的减小值为：第二章BOOST型DCDC转换器的基本原理及系统分析 13地(一)一Four-VhV To阡一V。旧，-Vm D2rs(2-10)正如与分析连续导通模式的情况一样，在非连续导通模式
48、下，导通状态电流的增加量L(+)和截止状态的电流减小量虬(一)是相等的。因此，用这两个等式相等则可以解得VoUT，获得电压转换比率：VOUT=箸=警 (211)1D盯 “2现在来计算输出电流(由输出电压VoLrr除以输出负载R来得到)。在D2的时间内，输出电流是电感电流在整个开关周期的平均值。厶=WoRtrr=划1-Ilz lerD2Ts I (2-12)现在将，Pr(即，(+)代入上式，可以得到：易=Vo尺trr可1 V21 F(VI#。TsD2Ts易=VoR。rr=可YznDD2Ts (2-13)(2-14)我们现在有两个等式，一个是刚才推导出的输出电流，一个是由输出电压得到的输出电流，这
49、两个等式都是就VIN，D和D2而言。现在解出每个等式中的D2，同时令这两个等式相等。得到的结果可以用来推导输出电压VoUT的表达式。非连续导通模式升压转换关系式为：1+a1-t堡圪沂：上#(215)这里的K为：一，K=兰(216)尺2；上面的关系式显示了这两种导通模式的一个主要区别。对于非连续导通模式，电压转换关系是输入电压、占空比、功率级电感值、开关频率和输出负载电阻的函数。对于连续导通模式，电压转换关系仅仅依赖于输入电压和占空比。在典型应用中，升压功率级可以工作在连续导通模式，也可以工作在非连续导通模式。对于某一特定的应用，选择了其中的一种导通模式，那么也需要设计对应的功率级电路来维持这种模式。下一部分将给出功率级电感值，以使电路仅工作在一种导通模式，假定输入和输出电压的范围和输出负载电流已经给定。3
