1、上海交通大学硕士学位论文一种高精度PWM降压型DC-DC转换器的设计姓名：林刚磊申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：戴庆元20081201上海交通大学硕士学位论文 I 一种高精度 PWM 降压型 DC-DC 转换器的设计 摘 要 电源在电视、计算机和移动通讯终端等电子设备中占有重要位置，它是一切电路能否正常工作的基础。开关电源（ Switch Mode Power Supply）由于具有体积小、重量轻、效率高、输出稳 压范围宽等优势，被应用于各种电子、电器设备领域。开关电源核心的部分就是控制 IC，具有高集成度、高性价比、高效率的优点，得到广泛的应用。 尤其是 近年来，随着便
2、携式电子产品的迅速增长，与其配套的电源管理芯片也具有越来越广泛的市场。由于人们对电子产品的功能及性能的要求不断提高以及对节能环保的重视，高效率及高精度已经成为芯片设计中至关重要的因素 ， 这也是本次设计的主要目的。 本文设计了一款高精度电感型降压 DC-DC 转换器。芯片采用电压型 PWM 控制模式同时运用降频保护技术，并设计了 全数字逻辑控制 的软启动电路。芯片具有 输出电压精度高、 转换效率高 、启动阶段过冲电压、浪涌电流小等特点。 芯片采用 华虹 NEC（ HHNEC） 0.35 微米 BCD 工艺参数的 Spectre模型，在 Cadence 中进行仿真。芯片的输入电压为 4V-12V
3、，输出电压为 1.8V-6V，最大输出电流 1A。以 5V 输入、 2.5V 输出、 5O 负载为例，仿真表明输出电压波纹低于 2mV，输出精度高达 0.05%，转换上海交通大学硕士学位论文 II 效率 高于 90%。另外，在 5V 降至 3.3V、 2.5V、 1.8V、及 12V 降至5V、 3.3V、 2.5V 的典型仿真中，芯片的性能均达到了预期的目标。由于时间原因， 芯片版图 已由 代工厂 设计，并 进行流片， 等待 测试结果。 关键词： DC-DC， 电 压 模式 ， PWM， 高精度 上海交通大学硕士学位论文 III DESIGN OF A HIGH PRECISION PWM
4、BUCK DC-DC CONVERTER ABSTRACT Power supply is an indispensable part in application electronic equipments such as TV, computer and portable communication equipments, which is the fundamental requirement for normal operation. Switch mode power supply, with its compact volume, small weight, high effici
5、ency and good line regulation, has been widely applied in most of electronic fields. The core of switch mode power supply is integrated IC control system. Its high integration level, quality-price ratio and efficiency make it become the major candidate for application power design. In recent years,
6、the portable electronic products is becoming more and more popular, which makes a rapid growth of power management IC. With the purpose of providing more functions and high performance, as far as saving energy, these electronic products need switching power supply chip with high conversion efficienc
7、y and high precision. This thesis proposes a high precision monolithic buck DC-DC converter. The chip adopts the voltage PWM control mode, and uses decreasing frequency protection. In the chip, a digital controlled soft-star 上海交通大学硕士学位论文 IV circuit is contained. This chip is characterized by high pr
8、ecision, high converting efficiency and small strike-voltage and surge-current at starting stage. Spectre simulations are done on each cell and the whole system in cadence with the parameter of HHNEC 0.35um BCD process. It works at 4V to 12V supply voltage, and provides 1.8V to 6V output voltage wit
9、h a maximal output current of 1A. Simulation indicates that the output ripple is only 2mV, the output precision is 0.05%, and the power efficiency is above 90% with 5V supply voltage, 2.5V output voltage and 5O load resistor. Also in other typical simulations, the respective values are achieved. KEY
10、 WORDS： DC-DC, Voltage Mode, PWM, High Precision 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文 作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同
11、意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ?，在 年解密后适用本授权书。 本学位论 文属于 不保密 ?。 （请在以上方框内打 “v”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 概述 1-3 DC-DC 开关电源是电力变换设备的一种。目前，电能是大多数工业设备的直接动力，但是由于用电设备千差万别，供电部门提供的电能在很多情况下要经过电
12、力变换设备的变换才能够使用。传统的公路交通设备是以汽油机、柴油机等为直接动力的，在这一领域中，电动汽车的出现是一个重大的突破。电动汽车的电能通常也要经过变换才能很好地满足驱动电机的要求。 按照输入输出电能的种类，电力变换设备包括 DC-DC 变换器、 AC-DC 整流器、 DC-AC 逆变器、 AC-AC 变频器等。 DC-DC 开关电源是电力变换设备的一种，它应用半导体开关器件，通常利用 PWM 开关技术，将直流电能输入变换为具用良好应用特性的直流电能输出。 DC-DC 开关电源是目前最常见的 DC-DC 变换器，它的输出在极性、大小、与输入的共地或隔离等方面有很大的灵活性。 DC-DC 开
13、关电源通常要通过适当的控制，保持输出电压稳定，或者满足特定负载的要求。 图 1-1 DC-DC 开关电源系统 Figure 1-1 DC-DC switching power supply system 一般的 DC-DC 开关电源系统如图 1-1 所示。在这个系统中，电路部分包上海交通大学硕士学位论文 2 括开关主电路（有时称为功率级）和控制器；输入输出包括能量输入、参考值输入和能量输出。为了达到电能变换的目标，可以从能量输出端向控制器引入反馈控制，也可以从能量输入端引入前馈控制。 1.2 电源转换技术简介 4-7 对于可满足手机内部电源转换要求的不同电压稳压器 ，图 1-2 为 MAXIM
14、 2008 年产品选购指南中的电源 IC 分类 ， 目前比较流行的有三种：线性 LDO 稳压器、电容式开关稳压电源（ Charge Pump）以及传统的电感式开关稳压电源，所 以我们必须认真考虑它们的优缺点（见表 1-1）。 图 1-2 电源 IC 分类框图 Figure 1-2 Power management IC 上海交通大学硕士学位论文 3 表 1-1 三种方案优缺点比较 Table 1-1 Comparison among 3 converters 特点 LDO 稳压器 电荷泵 电感开关电源 设计复杂性 低 中 中到高 成本 低 中 中 噪声 最低 低 低到中 效率 低到中 中到高
15、高 热量管理 差到中 好 最好 输出电流 中 低 大 需要磁性元件 不需要 不需要 需要 局限性 不能升压 Vin/Vout 比 布局考虑 1.2.1 线性 LDO 稳压器 将电压降至下一级的最简单方法是使用 LDO 稳压器。 LDO 具有成本低，封装小、外围器件少和 噪声 小的特点。超低的输出电压噪声是 LDO 最大的优势，从而非常适用 于作为 对噪声敏感的 RF 和音频电路的供电电路。同时由于 LDO采用线性调节方案，因此 不存在 开关 期间 大电流所引起的电磁干扰（ EMI），所以 有利于 对音频放大器、 RF 电路系统或摄像机 CCD 感光器 等 的 “ 噪声 ” 开关模式稳压输出进行
16、后置滤波。 但是 LDO 的缺点是低效率，且只能用于降压的场合。 LDO 的效率取决于输出 电压和输入电压之比： ?=Vout/Vin。在输入电压为 3.6V（单节锂电池）的情况下，输出电压为 3V 是，效率为 90.9%，而在输出电压为 1.5V时，效率则下降为41.7%。这样低的效率在输出电流较大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热 ， 影响系统稳定性。 1.2.2 电容式开关稳压电源（ Charge Pump） 电容式开关稳压电源也被称作充电泵，是采用 “ 快速 ” 或 “ 泵式 ” 电容器而不是电感器或变压器来存储能量的 DC-DC 转换器。内部 FET 开关阵列控制着 “ 快速
17、 ” 电容器的充放电，因此输入电压会乘以或除以 0.5、 2、 3 或 4 等系数，然后上海交通大学硕士学位论文 4 再进行线性调节，从而生成所需的输出电压。这种独特的调制方案可实现高达90%的效率。 电荷泵是利用电容作为储能元件，其内部的开关管阵列控制着电容的充放电。为了减少由于开关造成的 EMI 和电压纹波，很多 IC 中采用双电荷泵的结构。电荷泵同样可以完成升压、降压和反转电压的功能。由于电荷泵内部 结构 的关系，当输出电压与出入电压成一定倍数关系时，比如 2 倍或 1.5 倍，最高的效率可达90%以上。但是效率会随着两者之间的比例关系而变化，有时效率也可低至 70%以下。所以设计者应尽
18、量利用电荷泵的最佳转换工作 条件。由于储能电容的限制，输出电压一般不超过输入电压的 3 倍，而输出电流不超过 300mA。电荷泵 的 特性介于 LDO 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围电路设计， EMI 和纹波的特性居中，但是缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。 1.2.3 电感式开关稳压电源 电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件，为负载提供持续不断的电流。通过不同的拓扑结构，这种电源可以实现降压和升压功能。电感式开关电源的转换效率受负载影响较大，其主要电能损耗包括 :（ 1）作为开关的功率 MOSFET的导通损耗 ，主要与占空比、导通电流及 MOSFE
19、T 的导通电阻有关；（ 2）动态损耗，包括开关管和整流管同时导通时的开关损耗及驱动 MOSFET 开关电容的电能损耗，主要与输入电压、开关频率及死区时间的控制有关；（ 3）静态损耗，主要与 IC 内部所有模块电路的漏电流有关。在外部负载较大时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源的效率可以高达 95%。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得较大，影响效率。 电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大 (主要是电感和电容 )，而且通常需要将电感和输出滤波电容置于芯片外面，另外输出电压的纹 波也比较大，可能对其周围电路造成电磁干扰（ EMI），因此在 PCB 布版时需要仔细考量。为了减小对大
20、电感和大电容的需要以及减小纹波，提高开关频率是非常有效的办法。 本次设计采用的是电感式开关稳压电源方案。 上海交通大学硕士学位论文 5 1.3 研究背景和应用意义 8-11 作为电子产品中必不可少的器件之一，电源管理器件与整个电子工业的发展休戚相关。通信与网络、计算机与消费电子、工业与汽车电子等诸多产品领域的需求增长带动了电源管理市场的强劲增长。据 iSuppli 公司最新的报告预计，除射频晶体管外， 2003 年的电源管理市场将达到 149 亿美元，与 2002 年的 135 亿美元相比增加了 10.3%。这也是自 2001 年以来，该市场重新恢复两位数的增长。 图 1-3 电源管理市场与终
21、端设备市场的发展曲线 Figure 1-3 Power management market and terminal equipment market iSuppli 的报告还体现了这样一种趋势，即电源管理器件市场的增长速度比终端市场的成长速度要快。例如该公司预计 2003 年，终端设备市场收入将增长 4.8%，随后几年的平均增长率约为 6%；相比之下，电源管理 器件市场在今后几年的平均增长率都将超过 10%。这主要是因为，随着终端产品对电源供应的要求越来越复杂，各种类型的电压调整器被大量使用，使得电源管理器件的发货量远远高于终端设备的发货量。 我们也注意到，中国电源市场在全球市场中的地位正呈
22、上升的态势。 IMS 高级分析师 Matthew Towers 说： “ 对各种电源管理器件和子系统供应商而言，中国大陆在多年的发展后已成为一个越来越重要的市场。 ” 根据该公司的数据显示，2002 年中国大陆市场在全球电源市场中所占的比例已经达到 12%，并将在今后几年内保持年均 13%的速度增长。 上海交通大学硕士学位论文 6 表 1-2 各种电源管理器件的增长率 Table 1-2 The increase of different types of power management 电源管理器件 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2002-2007年均增长率
23、电压调节器 35.71 42.21 50.29 54.01 61.77 74 15.1% 接口 IC 19.92 22.02 25.47 26.36 29.01 32.8 10.5% 整流器 9.22 20.35 21.94 21.03 21.94 23.34 4.0% 闸流管 5.76 5.9 6.05 6.06 6.26 6.46 2.3% 功率晶体管 53.44 58.55 66.65 70.85 77.69 87.27 10.3% MOSFET 34.98 39.18 45.11 49.07 54.53 62.5 12.3% IGBT 7.29 7.81 9.16 9.17 9.95
24、10.8 8.2% 双极管 11.17 11.56 12.38 12.61 13.21 13.97 4.6% 电源管理总和 135.05 149.03 170.4 178.31 196.67 223.87 10.6% 单位：亿美元 资料来源： iSuppli 2008 年 4 月 正如德州仪器 （ TI） 负责电源管理产品市场的开发经理 Mike Caruso 所说的那样，电源管理和电源控制 IC 市场仍然是整个半导体产业中最为活跃的领域之一。这是因为功耗与成本问题始终是人们最为关注的焦点，也是元器件供应商和终端设备制造商在产品开发阶段经常面临的技术挑战。因此，降低电子产品的功耗这一广泛需求，
25、将推动电源管理器件市场的稳步发展。 开关电源 产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输入端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展。在开关电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式调节器等。所有这些改进，都使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地 12。 上海交通大学硕士学位论文 7 1.4 国内外 开关电源 现状 与发展趋势 1314 1.4.1 国际开关电源现状 根据美国半导体产业协会 （ SIA） 的预测，从 2005 年到 200
26、8 年，全球半导体销售额的年复合增长率 （ CAGR） 约为 9.7%，到 2008 年将达 3,090 亿美元。 从地理位置来看， SIA 预计亚太地区 （ 日本除外 ） 是增长最迅速的地区，从 2005 年到 2008 年将以 14.1%的 CAGR 增长 市场规模从 2004 年的 888 亿美元成长到 2008 年的 1,504 亿美元。亚洲的市场占有率预计将增加 7 个百分点，达到 48.6%，而其它所有地区的占有率则将下跌。 SIA 主席 George Scalise 在 2005 年 11 月中旬指出 ，虽然 IT 产品继续是半导体的最大应用市场，但消费电子将是带动市场成长的最主
27、要力量。 与此相同，市场调查公司 Databeans 在最近的一份报告中表示，消费电子市场已经从历来的线性成长趋势一跃而为指数级成长。 Databeans 估计 2004 年消费半导体营收 427 亿美元，占 2,140 亿美元的整个半导体市场的 20%左右。平均每年成长 12%，到 2012 年消费电子产品市场占有率应该达 22%，大约 810 亿美元 15。 1.4.2 国内开关电源现状 我国的电源技术研究，从理论到实验、仿 真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破，但是在产品方面，结构和工艺的差距就明显了。现在看来，我国电源企业据统计大小有几千家。有条件的企业能实现整机系统集成
28、、 全自动化的生产，产品体积 小 ， 具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市场。而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。 现在我国一些大公司生产的开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而已有一定数量的出口。在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对 0.8V/50A 电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。因 为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。这也说明作电上海交通大学硕士学位论文 8 路拓扑研究的人员
29、，要了解和研究系统集成的知识。某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用 16。 1.5 电源芯片发展趋势 17 1.5.1 高效率、高功率密度 如今通 信产品日趋小型化，必然要求模块电源减小体积、提高功率密度，而提高效率是与之相辅相成的。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度达到 188 瓦 /立方英寸，比传统的电源功率密度增大不止一倍，效率可超过 90。之所以能达到这些指标，应归功于微电子技术的发展 ， 使大量高性能的新型器件涌现出来，从
30、而使损耗降低。较典型的是高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管 （ MOSFETs） ，其在同步整流器中取代了传统设计中使用的二极管，使压降由 0.4V 降到 0.2V；功率 MOSFET 制造商正在开发导通电阻越来越小的器件，其导 通电阻已由 180 mO 降到 18 mO；高度的硅晶片集成使元件数目减少 2/3 以上，结构紧密、相对于分立元件的布局减小了杂散电感和连线电阻。高效率可使功耗相对减少，工作温度降低，所需的输入功率减少，也提高了功率密度。 1.5.2 低压大电流 随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的 5V 降到了现在的 3.3V 甚至 1.8V，业界预测，电源输出
31、电压还将降到 1.0V 以下。与此同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。对于 1V/100A的模块电源，有效负载相当 于 0.01O，传统技术难以胜任如此高难度的设计要求。在 10mO 负载的情况下，通往负载路径上的每 mO 电阻都会使效率下降 10%，印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、 MOSFET 的导通电阻及 MOSFET 的管芯接线等对效率都有影响。 新技术的发展能把对电路整体布局至关重要的功率半导体和无源元件集成在一起，构成功能完善的基本模块，降低了通往负载路径上的电阻，从而降低了功耗并缩小了尺寸。利用基本模块组合起来的多相设计技术逐步得到推广。由于上海
32、交通大学硕士学位论文 9 每相输出电流减小，可以采用较小的功率 MOSFET 以及 较小 的电感器和电容器，这样也简化了设计。 市场上已出现的基本功率模块封装只有 11mm11mm大小，开关频率 1MHz，级联多个模块和相关元件，可获得大于 100A 的工作电流，与其它采用分立式元件的电路相比，其效率提高了 6%，功率损耗降低 25，器件尺寸缩小 50%左右。 1.5.2 标准化工作 模块电源产品走势日趋模块化、标准化，并以积木式结构组成分布式供电系统，封装式模块电源则以国际工业标准半砖或砖式结构为主。 50W、 75W、 100W及 150W 为半砖式结构， 200W、 250W、 300W
33、 及 400W 为砖式结构。标准化的管脚对设计师和使用者都带来了即插即用的便利，使设计师能够方便地完成产品的设计，利于电源升级。现在，标准对电源产业的作用已越来越被重视，标准化可以缩短产品推向市场的周期并降低成本，但目前多数国内企业采用自己的企业标准生产，按照自己的测试规范测试，各个行业标准也存在着技术指标落后，测试方法可操作性差等问题，导致业界没有统一、完善的设计、生产与检测标准，为了推动模块电源的技术进步，提供国内企业生产质量控制的依据，制定科学的国家标准迫在眉睫。 1.5.2 利用软件设计电源 在当今的通信 系统中，直流电压的品种不断增加，在 5V、 3.3V、 2.7 V 甚至 1.8
34、V、 1.0V 以下，功率密度和集成度的提高亦增加了设计难度，传统的手工设计与验证已无法适应快速变化的市场需求，于是，电源辅助设计软件应运而生了。这些软件可指导元器件选择，并提供材料清单、电路仿真及热分析，缩短了电源设计的周期，提高了电源的性能。辅助设计软件可使用多种参数定制电源，包括输入及输出电压范围、最大输出电流等，引导设计人员进行器件选择，它包含完整的变压器设计，使用多种拓扑方法来综合电路，按成本或效率进行优化，并输出元件清单 。 软件的另一个功能是通过仿真的方法评估模块电源的性能。它可以全面分析上海交通大学硕士学位论文 10 电源在稳定状态下的性能，可显示要探测的任何节点处的波形，并用
35、精确的方法来计算效率。另外热分析可根据线路板定位、边缘温度和气流的方向及速度等环境参数给出一幅用不同颜色标记的曲线图，从而帮助设计人员掌握整个线路板在稳定状态条件下的热量分布情况。 1.6 主要工作与论文组织结构 近年来便携式设备应用越来越广泛，体积日益缩小，因而对电源的要求也越来越高。如在电池供电的设备中提出延长电池的使用时间，提高电源效率，减小电源体积等一系列要求。 本课题就是在这 种情况下提出的，属于跟公司合作的项目。要求设计一种 简洁高效、 稳定性强、芯片面积小、 输出 电压误差低于 0.1%的 转换器，主要应用于小型和中型的 OLED 显示、移动电话、数码相机和便携式摄像机，具体要求
36、如下： (1) 输入电压可在 4V 12V， 输出电压可在 1.8V 6V 之间连续可调； (2) 最大负载电流可达 1A； (3) 能量转化效率高于 90； (4) 具有 800KHz/80KHz 两种工作频率； (5) 线性调整率低：在 4V 12V 的输入电压范围内，均能保证输出电压稳定； (6) 具有 高性能 软启动功能 ，降低对器件的损耗 ； (7) 具有高可靠性：在电路中集成有多种保护电路，如过 热 、过流、过压保护等； 本文设计了一个单片集成开关电源管理 IC。首先，借鉴已经成熟的产品，从系统的角度出发选取本电路所需要的电路结构，确定所需要的模块和参数指标，节省设计时间；其次，根
37、据提出的设计要求，详细分析设计各个子电路；最后，利用 Cadence 软件在合作公司提供的模型基础上对各个子电路和整个系统电路进行仿真验证，确保电路能满足设计要求。本文主要由以下部分组成： 第二章：简要介绍了 DC-DC 电源管理芯片的 工作原理 ，常见的 DC-DC 分类和架构，以及表征 DC-DC 转换器的参数。 上海交通大学硕士学位论文 11 第 三 章：子电路的设计与仿真。对本课题中的子电路模块进行分析，对 带隙基准 电路、 误差放大 电路 、 PWM 比较生成电路 和振荡器电路 的工作原理及参数求解都做了较为详细的阐述，给出了典型情况的仿真结果并作了详细的分析；对其他电路 ， 包括
38、软启动电路、 限流比较器、过热保护电路、欠压保护电路 以及逻辑控制电路等给出了简单分析 及仿真结果 。 第 四 章： 最后对整体电路进行了模拟和分析 ，给出系统的多项参数指标，同时给出 系统 转换效率 。 第 五 章：总结本文所做的工作和对开关电源未来的展望。 上海交通大学硕士学位论文 12 第二章 DC-DC 转换器的原理与分析 开关电源的主要特点是功率开关管工作在开关状态。开关电源利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电流能量断续的经过开关管，暂时以磁场能的形式存储在电感器中，然后经电容滤波得到连续的能量并传送到负载，转换后得到电压脉动较小
39、的直流电能，实现 DC-DC 变换。 开关电源系统由主电路和控制电路组成。构成开关电源主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，他们共同完 成电能的转换和传递，合称功率级；控制电路则通过控制功率管的通断，实现调节输出电压恒定在设定值的要求，从而控制住电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定 18。 2.1 开关电源的电路拓扑结构 19 DC-DC 转换器把没有经过调整的直流输入电压 Vin 转换成稳定的直流输出电压 Vout，图 2-1 是一个基本的 DC-
40、DC 开关电源的原理框图。通过比较输出反馈电压 Vfb和基准电压 Vref 来调节开关导通的周期，脉 冲宽度调制控制斩波电压的平均值，从而控制输出电压的大小。 图 2-1 PWM 型 DC-DC 转换器基本结构 Figure 2-1 PWM DC-DC converter architecture 上海交通大学硕士学位论文 13 将功率开关元件和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以得到各种输出电压与输入电压的关系。开关电源的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件和储能元件的具体配置关系。正是多种拓扑结构的存在使开关电源具有灵活的正负极性和升、降压方式，这一特性明显优于
41、线性稳压器和电荷泵。 Buck、 Boost、 Invert 和 Cuk 是四种基本的开关电源拓扑结构 20。 2.1.1 Buck 变换器 Buck 型开关电源将输入电压 Vin 变换成 0=V0=Vin 的稳定输出电压 V0，所以又称降压开关电源。 图 2-2 是 Buck 变换器拓扑图： Vin 为输入电源，通常为电池或电池组。Mp 是主开关管，因其源端接电源 Vin，适宜选用低电平导通的 PMOS 管。二极管是辅助开关管，也叫整流管，一般使用具有较低正向电压的肖特基二极管。Vp 是 Mp 的控制信号，由控制电路提供， RL 表示负载电阻。 图 2-2 Buck 变换器拓扑图 Figur
42、e 2-2 Buck DC-DC converter 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下， Mp 导通， X 点高电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经 Mp，电感 L 到电容 C 和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使 Mp 截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X 点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管 D 导通，为电感电流提供通路，电 流由电感 L 流向电容 C和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 上海交通大学硕士学位论文 14 经电感 L，
43、电容 C 滤波，在负载 RL 上可得到脉动很小的直流电压。 设开关 导通 的时间是 Ton，断开的时间是 Toff，一个周期 T=Ton+Toff，那么在 Toff 结束时刻，即 t=T 时电感电流应该是： ToffLVoTonL VoVinidtLVoToniTi LToffTonTonLL+=+= + )0()()( （ 2.1） 由于电感电流是周期性变化的，因此 t=0 和 t=T 时刻电感电流是相等的，即： )0()( += LL iTi ， 故有 ToffLVoTonL VoVin = （ 2.2） 于是 DVinTTonVinVo = （ 2.3） 其中 D 为占空比， 设电感电流
44、的波动幅度为 Ir，则 ToffLVoTonL VoVinIr = （ 2.4） 于是 L 可以表示为： ( )DfIrVoTTonIrVoTTToffIrVoTToffIrVoL = = 11 （ 2.5） 同理，设 Vr 为输出电压的波动幅度，则 电容 C 可以表达为： ( )DLTVrVoC = 182（ 2.6） 由 （ 2.5） 和 （ 2.6） 式 可以看到，在开关信号占空比 D 恒定的情况下，电感电流的纹波 Ir 与电感值和开关频率成反比，而输出电压的纹波 Vr 则反比于 f2 与LC 的乘积，所以要减小输出电压纹波可以提高开关频率或增大 LC 值。 LC 构成低通输出滤波器，合
45、理选择 LC 可以决定滤波器的截止频率，同时对于减小输出纹波和毛刺信号也有重要作用。 2.1.2 Boost 变换器 Boost 型开关电源将输入电压 Vin 变换成 Vin=V0 的稳定输出电压 V0，所以又称升压开关电源。 上海交通大学硕士学位论文 15 图 2-3 Boost 变换器拓扑图 Figure 2-3 Boost DC-DC converter 图 2-3 是 Boost 变换器拓扑图： Vin 为输入电源。 Mn 是主开关管，因其源端接地，适宜选用高电平导通的 NMOS 管。二极管是辅助开关管，使用具有较低正向电压的肖特基二极管。 Vn 是 Mn 的控制信号，由控制电路提供，
46、 RL 表示负载电阻。 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下， Mn 导通， X 点低电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经电感 L、开关管 Mn 到地，电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电 路使 Mn 截止，切断地和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X 点电位升高到比 V0 还高一个二极管的正向导通压降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电感流向电容和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 经电感 L，电容 C 滤波，在负载 RL 上可得到脉动很小的直流电压。 对 Boost 变换器进
47、行类似 Buck 的简单的分析可以得到： DVsVo= 1 （ 2.7） DfIrVsTTonIrVsTTonIrVsL = （ 2.8） DRTVrVoTTonRTVrVoC = （ 2.9） 2.1.3 Invert 变换器 Invert 型开关电源将输入电压 Vin 变换成 V0=0 的稳定输出电压 V0，所以上海交通大学硕士学位论文 16 又称负电压开关电源。 图 2-4 Invert 变换器拓扑图 Figure 2-4 Invert DC-DC converter 图 2-4 是 Invert 变换器拓扑图： Vin 为输入电源， Mp 是主开关管，因其源端接电源 Vin，适宜选用低
48、电平导通的 PMOS 管。二极管是辅助开关管，一般使用具有较低正向电压的肖特基二极管。 Vp 是 Mp 的控制信号，由控制电路提供， RL 表示负载电阻。 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下， Mp 导通， X 点高电位，二极管因为受反向偏压而截止，电流由电池经过 Mp、电感 L 到电容 C 和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使 开关管 截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电流维持原来的流向，迫使 X 点电位降至比 V0 还低一个二极管的正向导通压 降，二极管导通，为电感电流提供通路，电流由电容 C 和负
49、载流向电感 L，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 经电感 L，电容 C 滤波，在负载上 RL 可得到脉动很小的直流电压。 经过简单的分析计算有： inout VDDV=1 （ 2.10） 当 0D0.5 时， inout VV ，实现降压功能；当 0.5D1 时， inout VV ，实现升压功能。另外我们必须注意的是，输出电压和输入电压的极 性相反，因此这种拓扑结构又称作极性反转型结构。 上海交通大学硕士学位论文 17 2.1.4 Cuk 变换器 Cuk 变换器的电路图如图 2-5 所示。当开关 Mn 导通时，输入电流使得 L1 储能， C1 的放电电流使 L2 储能，并给负载供电，流过开关 Mn 的电流为输入、输出电流之和。当开关断开后，电源输入和 L1 的释能电流向 C1 充电，同时 L2 的释能电流 I2 以维持负载。流过二极管的电流为输入、输出电流之和。 图 2-4 Cuk 变换器拓扑图 Figure 2-4 Cuk DC-DC conve
