【畢業(yè)學(xué)位論文】升壓式DCDC變換器的研究與設(shè)計(jì)-微電子學(xué)與固體電子學(xué)

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文升壓式楠申請學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：吳玉廣20100101摘要摘要本文設(shè)計(jì)了一款升壓式入電壓范圍為27V，適用鋰離子電池供電的便攜式設(shè)備，可輸出高達(dá)18載電流最大達(dá)200路采用電壓控制型建頻率為1用同步整流技術(shù)提高系統(tǒng)效率。同時(shí)對(duì)升壓型變換器的模型建立進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了過溫關(guān)斷、欠壓鎖定等保護(hù)電路來提高系統(tǒng)可靠性。此升壓式差放大器、位電路、振蕩器、系統(tǒng)補(bǔ)償電路等單元電路組成。電路基于035用真結(jié)果顯示本文的設(shè)計(jì)切實(shí)可行，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞： 升壓式步整流CDC an 7 5 in by up a as 8 he in a 5to 1aS WM meis of創(chuàng)新性)聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)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。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(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(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名：蛐西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。(保密的論文在解密后遵守此規(guī)定)本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名：導(dǎo)師簽名：日期越l里，f：逆f Q l f!絲第一章緒論第一章緒論電源是各種用電設(shè)備的動(dòng)力裝置，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，開關(guān)電源一直是市場熱點(diǎn)之一。本文首先簡要介紹開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r，然后闡述點(diǎn)及發(fā)展趨勢，最后介紹本論文的主要工作以及論文的架構(gòu)。11開關(guān)電源簡介電源一般按習(xí)慣可以分為線性穩(wěn)壓電源(開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源就是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，控制半導(dǎo)體功率開關(guān)器件開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為通過用電子線路組成開關(guān)式(方波)電路來達(dá)到對(duì)電能的轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)時(shí)期：電子管穩(wěn)壓電源時(shí)期(1950年代)960年代1970年代中期)、低性能穩(wěn)壓電源時(shí)期(1970年代1980年代末期)、高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)期(1990年代至今)。由于開關(guān)電源功耗小、效率高(可高達(dá)7095)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點(diǎn)，而線性電源效率低(一般低于50)，并且電壓轉(zhuǎn)換形式單一(只有降壓)等缺點(diǎn)，如今開關(guān)電源已逐漸取代線性電源。當(dāng)然線性電源因?yàn)槠涞驮肼暋⒓y波小的優(yōu)點(diǎn)，在一些電子測量儀器、代線性電源性電源仍然無法被開關(guān)電源取代【l】。開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，其優(yōu)點(diǎn)是小型、輕量、效率高。它的這種優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)電子設(shè)備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，其應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。目前它已成為國際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選。驅(qū)動(dòng)集成電源市場蓬勃發(fā)展的主要原因有兩個(gè)：首先是在提高性能的基礎(chǔ)上，所有電子設(shè)備中使用的硅組件正不斷增加；其次是消費(fèi)性電子產(chǎn)品大量數(shù)字化的結(jié)果，需要更多高性能的電源組件來支持日趨復(fù)雜的功能。2 升壓式開關(guān)電源的市場前景這幾年通信行業(yè)的發(fā)展，特別是以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信開關(guān)電源，僅國內(nèi)就有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內(nèi)外一大批科研人員對(duì)其進(jìn)行開發(fā)研究。目前，國內(nèi)開關(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，國產(chǎn)開關(guān)電源已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。但是，目前國內(nèi)電源整機(jī)廠家所用的電源管理芯片均由國外公司提供，不僅大部分利潤被國外廠商剝奪，而且技術(shù)上受制于人，很難實(shí)現(xiàn)大的突破，這對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)都非常不利。所以，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電源管理芯片已是形勢所迫。13論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排論文主要內(nèi)容：本文的研究課題是升壓式計(jì)采用電壓型脈寬調(diào)制方式。輸入電壓范圍為27V，輸出電壓穩(wěn)定在18V。輸出最大負(fù)載電流可達(dá)200文的內(nèi)容包括了升壓變換器的拓?fù)浞治觯妷嚎刂菩妥儞Q器模型的建立，電路各個(gè)子模塊的原理與設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果以及整體電路的設(shè)計(jì)和仿真。整個(gè)系統(tǒng)包含了帶隙基準(zhǔn)電壓模塊，蕩器、差放大器、輸出鉗位電路、驅(qū)動(dòng)電路和電壓控制型升壓變換器的模型，以及系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、欠壓保護(hù)和過溫保護(hù)電路。文中設(shè)計(jì)基于035用整子電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其滿足設(shè)計(jì)要求。本文分為六章，第一章簡單介紹開關(guān)電源及其市場前景。第二章介紹作原理和調(diào)制方式。第三章利用基于狀態(tài)空間平均法的四章提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)并給出電路正向設(shè)計(jì)思路。第五章對(duì)電路各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真并給出系統(tǒng)整體真結(jié)果。第六章對(duì)前文工作進(jìn)行總結(jié)和展望。第二章稱為直流直流變換器，它利用無源元件電感和電容的能量儲(chǔ)存特性，從輸入電壓獲得能量，暫時(shí)把能量以磁場的形式存儲(chǔ)在電感中，或者以電場的形式存儲(chǔ)在電容之中，然后將其變換到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)攜式電子產(chǎn)品通常需要多種電壓，但是這些產(chǎn)品只能由一組電池供電，因此所需要的各種直流電壓必須通過據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，壓型(升壓型(升壓降壓型(反相型(面分別介紹這幾種變換器的工作原理。2I 為續(xù)流二極管，卜圖2I 入電壓加載在儲(chǔ)能電感的兩端，能量被儲(chǔ)存在電感中而不傳遞給輸出端，根據(jù)電感方程，有：V,=21)由此可以推出：卜專持不變，則有：(2 升壓式f+厶血(2 r L“其中五岫為開關(guān)此可以看出，開關(guān)導(dǎo)通后，電感上的電流線性上升，開關(guān)上的電流也呈線性上升，在t=刻，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)終止時(shí)，電感電流達(dá)到最大值：k (2關(guān)斷開時(shí)，電感電壓反向，該電壓和電源電壓疊加后，通過二極管感儲(chǔ)存的能量通過二極管傳遞給輸出端，同時(shí)直流源也給負(fù)載提供能量。則有：一=哮(2t。時(shí)刻，流過電感：乞一一畢() (26)當(dāng)過電感的電流最小，其值為： 五血：毛一一畢o(2：+2式經(jīng)整理后可得：=警=1+號(hào)卜 【 k 電路的輸出電壓高于輸入電壓，所以將其稱為升壓型作過程中，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間2 換電路存在著濾波電感連續(xù)導(dǎo)通模式非連續(xù)導(dǎo)通模式種工第二章穩(wěn)定狀態(tài)下每個(gè)周期中電感電流都回到零，稱為非連續(xù)導(dǎo)通模式(若電流回到某一非零值，稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(4】。面討論21 =&。個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為的凈增加量：=T。N=2一感電流(211)E=三心)2_三孕 階段輸出負(fù)載電流由輸出電容提供，由于開關(guān)頻率足夠的大，周期很短，可以認(rèn)為輸出電壓為輸出電壓紋波，它相對(duì)輸出電壓的值可以忽略，認(rèn)為負(fù)載仍獲得均勻的輸出電流，為使輸出電壓紋波盡可能的小，輸出電容必須足夠的大。 開關(guān)斷開的時(shí)間為(1一D)T，電感電流的下降量為：k=半k=警(1 (213)在穩(wěn)態(tài)下，必須等于k，則電路能夠以穩(wěn)定的能量包的形式向負(fù)載傳輸能量，則有 升壓式=尚=等=等(214)(215)其中易是輸出電流，是開關(guān)工作頻率。根據(jù)紋波電壓的指標(biāo)可以選擇適用的電容值。定義電壓紋波系數(shù)：y： (216)。減小輸出電壓紋波，可以通過提高開關(guān)頻率或者增大輸出電容等方法。電感只是作為儲(chǔ)能元件，而并非輸出濾波器組成部分，因此升壓變換器的輸出紋波一般大于降壓變換器的紋波。222 換器有可能進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，其開關(guān)導(dǎo)通時(shí)工作過程基本沒有變化。開關(guān)斷開時(shí)，電感電流如圖23所示的分成了兩個(gè)階段：圖23非連續(xù)導(dǎo)通時(shí)刻電感電流圖如圖2分為時(shí)，5 圖所示是一個(gè)可以拆分成上面兩種電路。的二章” 5 電感電流連續(xù)的條件下，得到：一南在電感電流不連續(xù)的條件下，則有：一號(hào)(226)(2上式可知，當(dāng)時(shí)，有很多共同特性，不同之處是6 制電路的主要功能是為開關(guān)管提供時(shí)間或比率可調(diào)的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓的目的。目前出現(xiàn)的有時(shí)間和比率調(diào)節(jié)的方式。調(diào)節(jié)方式有四種【2】：脈沖寬度調(diào)制(礬脈沖頻率調(diào)制(調(diào)寬調(diào)頻(跨周期調(diào)锘261 過改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間或者截止時(shí)間來改變占空比的一種調(diào)制方式，是目前功率變換器中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式【3】。工作原理：首先對(duì)被控輸出電壓進(jìn)行檢測，得到反饋電壓，將其加至運(yùn)放的反相輸入端，另一個(gè)精確的基準(zhǔn)參考電壓加至運(yùn)放的同相輸入端。反饋電壓與基10 升壓式至一個(gè)固定頻率的振蕩器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)加至比較器的反相輸入端，二者經(jīng)過出一方波信號(hào)，此方波信號(hào)的占空比隨著誤差電壓變化而變化，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(即脈沖寬度)，保持脈沖的周期不變來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的62 節(jié)開關(guān)管的截止時(shí)間，通過改變脈沖頻率來穩(wěn)定輸出電壓。其特點(diǎn)是：輸出取樣值控制頻率控制器，占空比變化范圍大，效率高，功耗低，輸出電壓的可調(diào)范圍比且在負(fù)載變化范圍大的情況下，可得到較高的效率。但是，濾波電感為了能適應(yīng)較寬的頻段，其體積和重量必定也要增大。工作原理：取自輸出端的反饋電壓加在誤差放大器的反相輸入端，另一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓加在誤差放大器的同相輸入端，二者之間的壓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)壓控頻率變換器，提高輸入電壓就能提高輸出脈沖的頻率。輸出電壓的改變就是通過調(diào)整開關(guān)頻率得到調(diào)整的。換器只有比較稀的脈沖群，在脈沖群與脈沖群之間兩個(gè)基本點(diǎn)功率管都關(guān)斷，電路空閑不工作，電感電流為零。在這個(gè)過程中，輸出電容為負(fù)載提供電流。當(dāng)輸出電容放電，使得電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，變換器重新工作，再產(chǎn)生一些脈沖群，使得輸出電容被充電。顯然，電路中與負(fù)載無關(guān)的損耗減小，隨著負(fù)載電流的減小，空閑時(shí)間增加。263 開關(guān)損耗與輸出功率成正比，效率幾乎與負(fù)載無關(guān)。工作原理：控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測，如果在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出的電壓值低于額定值，則這個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通。否則開關(guān)管截止。這樣就可以使得輸?shù)诙逻_(dá)到穩(wěn)定后，開關(guān)管的平均工作頻率，即有效頻率由負(fù)載決定。如果負(fù)載足夠大，開關(guān)管將在每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，此時(shí)有效頻率達(dá)到最大工作頻率石緞=1T。在一般情況下，開關(guān)管只在部分周期內(nèi)導(dǎo)通，此時(shí)有效頻率兀將小亍呲活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，文中設(shè)計(jì)采用7 常用反饋回路來控制輸出電壓，根據(jù)采樣的變量的不同，分為電壓控制和電流控制?？紤]到電壓型控制只有一個(gè)控制環(huán)路，設(shè)計(jì)分析比較簡單，并且電路體積較小，振蕩器產(chǎn)生的幅值比較大，抗干擾能力比較強(qiáng)，文中設(shè)計(jì)采用電壓型方式進(jìn)行控下面重點(diǎn)介紹電壓控制型調(diào)制方式的原理。271電壓控制電壓控制原理圖電壓控制的原理圖如圖27所示，輸出電壓差放大器同相端為帶隙基準(zhǔn)提供的基準(zhǔn)電壓、，0，二者經(jīng)誤差放大器放大輸出的直流電平振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的鋸齒波比較，輸出一方波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。輸出電壓下12 升壓式饋電壓下降，誤差放大電壓增大，比較器門限增大，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間越長，從而保證電感儲(chǔ)存足夠的能量，維持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。由以上分析可知：=么(一) (228)=3229)=而A (2中果彳盧l，輸出電壓吉，則此時(shí)是一個(gè)與輸入電壓，負(fù)載電流分析可知，電壓反饋控制只響應(yīng)輸出負(fù)載電壓的變化，當(dāng)負(fù)載電流或者輸入電壓變化時(shí)，必須等到負(fù)載電壓發(fā)生變化時(shí)才能夠響應(yīng)。同時(shí)因?yàn)榉N延遲經(jīng)常為一個(gè)或者多個(gè)周期。由于輸出的環(huán)路穩(wěn)定性造成不良影響，通過設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以抵消這兩個(gè)極點(diǎn)的影響，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)有：(1)沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲裕量；(2)占空比調(diào)節(jié)不受限制；(3)對(duì)于多路輸出電源，他們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好；(4)單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計(jì)，調(diào)試比較容易；(5)對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)有：(1)對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢；(2)補(bǔ)償網(wǎng)路設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化更為復(fù)雜；(3)輸出補(bǔ)償誤差放大器時(shí)，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。272電流型控制方法第二章所示，與電壓型不同的是誤差放大器的輸出并不直接與鋸齒波做比較而是與一個(gè)變化的合成的三角波合成信號(hào)做比較，然后去控制開關(guān)管的導(dǎo)通。與電壓模式相比，電流模式是雙閉環(huán)系統(tǒng)。外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，內(nèi)環(huán)由采樣電感輸出電流電路形成。內(nèi)環(huán)電流在每個(gè)周期內(nèi)上升，不僅可以響應(yīng)負(fù)載電壓的變化，且可以響應(yīng)電流的變化，比電壓具有更大帶寬。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中沒有采用電流型控制，不再贅述。圖28電流控制原理圖第三章 何判定它的穩(wěn)定性成為問題，由于開關(guān)頻率很高，一次仿真需要花費(fèi)很長的時(shí)間，通過一次次仿真進(jìn)行嘗試補(bǔ)償顯然不可取，而且變換器的頻域特性至關(guān)重要，并不能直接從仿真結(jié)果中得到，所以有必要對(duì)變換器的低頻工作特性進(jìn)行建模，從而更好的了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)【刀。目前對(duì)個(gè)廣為人知的方法就是S中的建模方法是在基于狀態(tài)空間平均法基礎(chǔ)上，加入了一些特定的假設(shè)將電路結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，從而建立合適的電路模型。首先引入處定義為滿足如下兩個(gè)條件的電路結(jié)構(gòu)：(1)可以從變換器電路中分離并且用低頻等效電路來取代；(2)包含了變換器中全部的開關(guān)元件，盡量少含變換器中其他的電路元件。一旦變換器中的流源和恒壓源就可以連接在2 設(shè)計(jì)中通過選取合適的電感值可以避免變換器進(jìn)入非連續(xù)工作模式，此處建模時(shí)將非連續(xù)模式考慮在內(nèi)主要為了模型的可擴(kuò)展性，首先考慮連續(xù)模式下變換器的工作特點(diǎn)，電感被等效為恒流源，21連續(xù)模式下的變換器工作特點(diǎn)參考圖31中的兩幅圖，分別代表了連續(xù)模式下開關(guān)打開和關(guān)閉時(shí)的等效16 升壓式0以在臨界狀態(tài)有：易三互1L=三孚一D) (4j)得到臨界電感值為：k=切6)的輸入范由是27V55V，輸出電流最小為100到電感取值：三叼7)可見在輸入電壓最大，輸出電流最小時(shí)有最差情況的電感值合常用電感的最小規(guī)格是47四章1同步整流基本原理43同步整流技術(shù)開關(guān)電源的損耗主要由功率開關(guān)管和輸出端整流管的損耗組成，在大電流輸出的情況下，整流二極管的導(dǎo)通電壓較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴?fù)二極管(超快恢復(fù)二極管(達(dá)12V，即使采用低壓降的肖特基二極管(也會(huì)產(chǎn)生大約06就導(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低【111。同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的功率代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高率在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。利用上壓降可以通過采用大寬長比管子而降得很低，可以顯著提高轉(zhuǎn)換效率。采用功率現(xiàn)了輸出整流管通態(tài)壓降小、耗散功率低，效率高的擇功率和雙極型晶體管不同，柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓時(shí)才開始導(dǎo)通。因此柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容充電。利用低導(dǎo)通電阻的41同步整流結(jié)構(gòu)示意圖432同步整流的死區(qū)時(shí)間控制24 升壓式動(dòng)電路要用幾個(gè)璐甚至更長的時(shí)間來使其翻轉(zhuǎn)，帶來兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通的隱患，因此需要在兩個(gè)功率管的開啟和關(guān)斷之間人為的加入一定時(shí)間延時(shí)，以保證一個(gè)功率管完全關(guān)斷后另一個(gè)開始導(dǎo)通。這段時(shí)間稱作死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間內(nèi)由功率管的體二極管充當(dāng)續(xù)流二極管，工作方式與普通二極管類似。導(dǎo)通壓降約為07v，顯然，死區(qū)時(shí)間過長，將引起較大損耗，因此同步整流中的死區(qū)時(shí)間應(yīng)精確控制【12】。在眾多死區(qū)時(shí)間控制技術(shù)中，交錯(cuò)延時(shí)死區(qū)時(shí)間控制電路比較簡單，使用較為廣泛。在電路設(shè)計(jì)中，可以通過計(jì)算估算出整流管的寄生電容大小，再根據(jù)負(fù)載電流算出寄生電容的放電時(shí)間，只要反相器鏈的延時(shí)時(shí)間等于寄生電容的放電時(shí)間，就不會(huì)產(chǎn)生整流管體二極管導(dǎo)通損耗或開關(guān)電容損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)換。交錯(cuò)延時(shí)死區(qū)時(shí)間控制電路，可以通過反相器鏈來控制延時(shí)時(shí)間，如果負(fù)載電流發(fā)生變化，寄生電容的放電時(shí)間就會(huì)跟著改變。負(fù)載電流變大，寄生電容很快放完電，此時(shí)整流管還沒有導(dǎo)通，整流管體二極管在電感作用下會(huì)導(dǎo)通，產(chǎn)生導(dǎo)通損耗；負(fù)載電流變小，寄生電容還沒有放完電整流管就開始導(dǎo)通，寄生電容會(huì)通過整流管放電，產(chǎn)生開關(guān)電容損耗?？紤]到交錯(cuò)延時(shí)死區(qū)時(shí)間控制電路比較簡單，可以從全負(fù)載范圍來考慮選擇一個(gè)合適的固定死區(qū)時(shí)間，而忽略那些隨負(fù)載電流變化帶來的損耗，從而避免采用復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)來進(jìn)行死區(qū)時(shí)間控制。44功率管尺寸的確定功率開關(guān)管的選擇需要滿足電流能力、損耗大小和耐壓等要求，功率開關(guān)管允許的最大損耗需結(jié)合系統(tǒng)效率要求，作損耗分析獲得。系統(tǒng)的損耗包括了整流損耗，電感出電容率開關(guān)管導(dǎo)通損耗，功率開關(guān)損耗和功率管驅(qū)動(dòng)損耗等，下面逐一分析。441電阻引起損耗圖42為。等效兩個(gè)功率管的寄生電容，電阻冠分別等效電感直流電阻和輸出電容的四章ii吞 Z T=籽似出+弘c叫 ，竺久(t)2曩-+(1一D)廓l】其中如(t)是平均電感電流，如。和彤。分別是論上增大功率管的寬度肜可以降低導(dǎo)通電阻從而減小電阻引起的損耗。442寄生電容引起損耗如果以減小電阻損耗為目的，一味增大功率管的寬度礦，伴隨寬度形的增加，寄生電容也伴隨面積的增加而增加。由寄生電容充放電引起的損耗=筋。嘞=(C，+CP，t)2 (49)其中C。和q。分別是兩個(gè)功率管的寄生電容?？梢?，在增大礦減小導(dǎo)通損耗和減小形減小電容充放電損耗的兩個(gè)不同方向上存在著一個(gè)最優(yōu)功率管寬形。443驅(qū)動(dòng)電路引起損耗驅(qū)動(dòng)電路損耗，驅(qū)動(dòng)電路的損耗包含了開關(guān)功率管和整流功率管兩部分的損耗：k=+嘞=氐()喪+鯫()鼉 (4中柵是驅(qū)動(dòng)功率管柵極的驅(qū)動(dòng)電壓。升壓式4靜態(tài)功耗和死區(qū)耗散電路所有的控制電路，包括偏置電路，運(yùn)算放大器，比較器等幾乎所有模擬電路模塊都需要一定的靜態(tài)電流來維持其工作，數(shù)字電路雖然理論上不存在靜態(tài)電流損耗，但是由于總數(shù)量很大，在頻率很高時(shí)，其柵極在狀態(tài)改變中由寄生電容充放電造成的損耗同樣不容小視。靜態(tài)電流引起的功耗可以表示為：尼=乇 (411)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)功率管都不導(dǎo)通，此時(shí)續(xù)流二極管由整流功率管的體二極管充當(dāng)，工作原理類似普通二極管，導(dǎo)通壓降大概為O7v。引起的死區(qū)耗散可以表示為，昂=冬(屯)等 (412)其中礎(chǔ)是整流管的體二極管的導(dǎo)通壓降。通過以上描述，可以看到，電路總的損耗是這幾個(gè)方面損耗之和：尸=氣+忍+匕岍+易 (413)445功率管的最優(yōu)尺寸因?yàn)樯鲜街猩婕暗膶?dǎo)通電阻，寄生電容都和功率管面積A。和4。成比例，用總功耗以求得便損耗(-硒嘞+(k) )4t 2易沂插l2鰳+。(叮) (4中t=如b。，和如-，。分別是兩管的柵漏和柵源單位面積寄生電蓉?？梢钥吹剑ㄟ^查詢工藝參數(shù)和求出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的占空比以輸入電壓36V，輸出電壓18略功率管的導(dǎo)通壓降，占空比為80。帶入到式414和415中?？梢郧蟪鲩_關(guān)功第四章7率管的寬約為12流功率管的寬約為3445輸出鉗位技術(shù)注意到圖42中的系統(tǒng)示意圖，需要有一路信號(hào)來驅(qū)動(dòng)得驅(qū)動(dòng)信號(hào)整流管的柵源電壓V品=0時(shí)，即整流管的柵源電壓論上能夠快速的為功率管的柵電容充電，使其翻轉(zhuǎn)。但是柵源之間的緣層很薄，過高的輸出電壓以需要一個(gè)合適的使整流管開啟時(shí)，其柵源電壓33V)。本設(shè)計(jì)中采取的方法是設(shè)計(jì)一路輸出鉗位電路，通過將輸出電壓到一始終低于經(jīng)過電平位移后為整流管提供一擺幅在和體實(shí)現(xiàn)電路將在下一章提出。461系統(tǒng)引腳定義46系統(tǒng)工作原理及引腳定義如圖43系統(tǒng)框圖所示，系統(tǒng)輸入輸出引腳共6個(gè)，下面對(duì)其分別定義：統(tǒng)的電源輸入。直接連接一節(jié)鋰離子電池或者三節(jié)鎳鎘電池，給電路中的功率管、模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊供電。為了降低輸入端的紋波和消除噪聲問題，需要在此引腳加入輸入電容；統(tǒng)所有模塊的地線；感和功率開關(guān)管的連接端；升壓式饋電壓引腳，采樣自輸出電壓并作為誤差放大器的一端輸入；統(tǒng)輸出電壓。462系統(tǒng)工作原理圖43芯片系統(tǒng)框圖圖43為變換器系統(tǒng)工作原理框圖。當(dāng)統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。內(nèi)部電路提供1226樣輸出電壓軟啟動(dòng)電路產(chǎn)生的啟動(dòng)信號(hào)一同輸入誤差放大器，經(jīng)過誤差放大器放大后的輸出電壓有可能超出振蕩器產(chǎn)生的三角波幅度范圍，采用鉗位電路限制誤差放大器輸出的范圍，然后送入與低壓鎖定和過溫保護(hù)信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算后輸出。由于能直接由該輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)，分別設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和整流管的驅(qū)動(dòng)模塊。P 線。463各子模塊功能說明基準(zhǔn)電源模塊(給運(yùn)放、穩(wěn)壓器及其它模塊提供參考電壓；穩(wěn)壓器(給運(yùn)放、比較器、振蕩器等模塊提供25差放大器(當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，將輸出電壓的采樣電壓與參考電壓的誤差信號(hào)放大，輸出電壓作為較振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的三角波和誤差放大器輸出電壓從而第四章蕩器(輸出頻率為15動(dòng)電路(，分別是開關(guān)管和整流管的驅(qū)動(dòng)電路。增強(qiáng)位電路(將誤差放大器的輸出通過鉗位得到在啟動(dòng)電路(為系統(tǒng)提供軟啟動(dòng)信號(hào)；輸出鉗位電路(P 將輸出電壓鉗位后得到一個(gè)始終與輸出電壓相差3線；保護(hù)電路(為系統(tǒng)提供過溫保護(hù)信號(hào)和欠壓鎖定信號(hào)。第五章電路子模塊設(shè)計(jì)第五章電路子模塊設(shè)計(jì)51帶隙基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)電路的主要功能是為電路的其它單元提供穩(wěn)定的輸入電壓和溫度變化影響極小的基準(zhǔn)電壓，還可以提供電路設(shè)計(jì)中極為重要的模塊。該模塊的設(shè)計(jì)要求為：輸出為1226度系數(shù)低于10個(gè)C。511帶隙基準(zhǔn)工作原理工作原理：根據(jù)硅材料的帶隙電壓與輸入電壓和溫度無關(guān)的特性，利用兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，可以得到理論上的零溫度系數(shù)基準(zhǔn)。雙極晶體管的基極一發(fā)射極電壓，或者說有負(fù)溫度系數(shù)131。 監(jiān)：+m)(51)的溫度系數(shù)與溫度有關(guān)系，與本身的大小有關(guān)，當(dāng)750=300。一15加礦。K (52)兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極一發(fā)射極電壓的差值與絕對(duì)溫度成正比。例如，兩個(gè)同樣的晶體管(L=置的集電極電流分別為咄和厶，并忽略它們的基極電流，那么：=t一z=巧5樣，的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)：32 升壓式,：魚-4)ar 到：(55)因?yàn)槭覝叵耡10T一15K，T+0087K，通過選取口以得到零溫度系數(shù)。512帶隙基準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn) 上!上田h M 1L 1L mr r 舊rJ 1LM”I r。 1岬”I I：l 。I!習(xí)h 融期廣 一。i I卜再阿習(xí)h I， f。怎山帶隙基準(zhǔn)電路圖上圖為帶隙電路的結(jié)構(gòu)，運(yùn)算放大器與 管構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋，使得運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓相等。發(fā)射極面積之比為 的兩個(gè)三極管2的基極差值加在電阻墨上。由前面的分析可知，與絕對(duì)溫度成正比，電阻上的電壓也和絕對(duì)溫度成正比，可以用來補(bǔ)償隨絕對(duì)溫度減小的部分，合理地選擇墨和 的值，就可以得到與溫度關(guān)系很小的輸出電壓：=，+魯巧56 為了使電路在上電過程中能夠進(jìn)入正常工作點(diǎn)，加入了啟動(dòng)電路，啟動(dòng)電路由 ， ， ， 管組成， 和 管采用二極管方式連接，電路上電時(shí)， 管的柵極電壓為：第五章電路子模塊設(shè)計(jì)一57)設(shè)計(jì)時(shí)保證： (58)則電路上電時(shí)低9，15的柵極電壓，電流流入帶隙基準(zhǔn)的核心電路。電路進(jìn)入正常工作后，得斷啟動(dòng)電路，不再消耗電流，不影響電路正常工作。電路中需要一個(gè)高增益的放大器來保證電路中放大器兩端的電壓相等，因此采用了且使用自偏置結(jié)構(gòu)。513帶隙基準(zhǔn)仿真結(jié)果(1)帶隙基準(zhǔn)的建立帶隙基準(zhǔn)電壓的瞬態(tài)仿真波形如下所示：圖52為電源電壓從0V，溫度為27，在不同模型參數(shù)下，啟動(dòng)電路開始工作，帶隙基準(zhǔn)電壓建立，最后穩(wěn)定在1262V。鬻 器“l(fā)一。 一一一B 一，圖52上電過程中帶隙基準(zhǔn)電壓的瞬態(tài)特性(2)溫度系數(shù)仿真(C)由于溫度變化而引起基準(zhǔn)輸出電壓的變化量，簡稱溫度漂移，單位是10_6y(即1 C)。溫度系數(shù)反映了基準(zhǔn)源在整個(gè)工作溫度范圍，輸出電升壓式計(jì)算公式如下式：上蜓當(dāng)!L一】l o。6 yC (59)勰舭(乃愀一)。理論上帶隙基準(zhǔn)電路可以實(shí)現(xiàn)零溫漂，實(shí)際上受到很多因素的影響，基準(zhǔn)電壓只能接近零溫漂。通常來講，C，下圖為本文中設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓與溫度的曲線關(guān)系，在電源電壓為36行40。的溫度掃描，電壓變化范圍為172個(gè)弼=篙筠)c (5乙2一2 6 乙 、，、1 一(_40)17可以滿足電路需要。圖53基準(zhǔn)電壓與溫度關(guān)系圖(3)線性調(diào)整率仿真圖54是室溫為27時(shí)，基準(zhǔn)電壓隨電源電壓變化的曲線，由圖可知，電源電壓從3準(zhǔn)電壓的線性調(diào)整率為：蒜4 m了v(5)墨墨翟=3鬣蜀墨豈二=nC f v二=二=圖54帶隙電壓隨電源電壓變化曲線第五章電路子模塊設(shè)計(jì) 35(4)電源抑制比仿真電源抑制比(輸入電源變化量(以伏為單位)與輸出變化量(以伏為單位)的比值，常用分貝表示。它實(shí)際反映的是輸出電壓對(duì)電源線上的“噪聲的一種抑制能力。定義如下：勰：,： ! (512)眵呻啊 4(塒)其中(朋一唰)為輸出電壓對(duì)電源電壓的增益。圖55為基準(zhǔn)電壓的以看到電源抑制比達(dá)到了75本可以滿足電路需要。C 一30鼉一一一，一。 。圖55帶隙基準(zhǔn) 變換器的內(nèi)部單元模塊需要一個(gè)穩(wěn)定的電壓源給電路供電，為了方便標(biāo)準(zhǔn)電源的替換，設(shè)計(jì)使此電壓值為25V，由21 準(zhǔn)電壓源，其功能是為差放大器，其功能主要是用來控制輸出電壓，將后通過負(fù)反饋控制而控制輸出電壓到需要的值；反饋網(wǎng)絡(luò)，它的36 升壓式通過電阻分壓后與率調(diào)整管，它的主要作用是向負(fù)載輸出大電流提供通道，理想的功率管是夠?qū)崿F(xiàn)低壓差輸出【141。所示，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)壓器電路，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率是重要的質(zhì)量參數(shù)。它們分別表示了輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化時(shí)輸出能夠保持在規(guī)定值上的能力。根據(jù)放大器的直流開環(huán)增益要求較高。因此運(yùn)放的跨導(dǎo)越大，穩(wěn)壓器的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能越好。放大器的輸出電流直接驅(qū)動(dòng)夠提供足夠大的輸出驅(qū)動(dòng)電流。輸出驅(qū)動(dòng)電流跟隨負(fù)載變化，誤差放大器本身必須在負(fù)載變化時(shí)仍處于放大狀態(tài)，保持負(fù)反饋從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。圖56 2 1，3，5管構(gòu)成放大器的第一級(jí)，7，6管為第二級(jí)提供偏置電流，2為反饋電阻，由于放大器的作用，當(dāng)選取2的阻值，就可以得到2557 7523 )溫度系數(shù)仿真：令輸入電壓為36V，對(duì)穩(wěn)壓電路進(jìn)行直流掃描，溫度范圍為55125 真結(jié)果如圖59所示。由圖可知：當(dāng)溫度從551250準(zhǔn)電壓從249644變化到250068V，差值為424度系數(shù)為942 C。C 2，591密25毋諺露o49902，49802497212。4參$毋一f e 18：(281j2：。白諺5毒， 辮。辨：51，87790圖58穩(wěn)壓電路的溫度特性(2)電壓調(diào)整率仿真：溫度27，輸入電壓從27V，穩(wěn)壓器輸出如下圖，電壓調(diào)整率為： =066)6V v=一= (5527)2505a|7a。，穩(wěn)壓器輸出隨電源電壓變化曲線38 升壓式振蕩器的設(shè)計(jì)振蕩器的作用是為了給其與誤差放大器的輸出比較后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)【15】。振蕩器頻率即為開關(guān)工作頻率。本設(shè)計(jì)中開關(guān)頻率是15作原理：如圖510所示，用一個(gè)恒流源，。為電容容上的電壓分別與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓做比較后輸出到而決定電容放電。振蕩器開始工作時(shí)，電容上電壓刪工發(fā)器輸出0，1，觸發(fā)器輸出為高，容放電。當(dāng)電容電壓低于加礦時(shí)，循環(huán)往復(fù)，電容上電壓即為輸出三角波電壓【161。電容充電時(shí)間：放電時(shí)間：鼉型圖510振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖乃=墜寧的大小又由開關(guān)管的大小決定。故振蕩周期：(5515)(5爪了0第五章電路子模塊設(shè)計(jì) 39T=t+巧=c(一嚀+手)10 1過調(diào)整充電電容大小和放電管的大小可以改變振蕩周期。可以從圖中讀出三角波的振蕩頻率約為15幅約為個(gè)固定頻率的三角波會(huì)與后文中誤差放大器的輸出進(jìn)行比較從而為開關(guān)管產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖511振蕩器輸出波形圖54 路的主要功能是把誤差放大器的輸出經(jīng)過生而改變占空比，控制開關(guān)管的打開或者關(guān)斷【1刀?！北容^器需要足夠的增益來達(dá)到較高的分辨率，因此采用兩級(jí)較器的設(shè)計(jì)和運(yùn)放的設(shè)計(jì)很相似，所不同的是比較器工作在開環(huán)狀態(tài)下且不需要補(bǔ)償。其電路結(jié)構(gòu)如圖所示：從左至右，5，7，9，成比較器的第二級(jí)，后跟兩個(gè)反相器可以起到整形并提高驅(qū)動(dòng)能力的作用。比較器的增益為：A，=g。9(乞5乞7)幸(乞2乞9) (517)升壓式2 513為比較器的增益仿真曲線，可以看到比較器的低頻增益為62益比較低但基本滿足電路需要。習(xí) |趴 廠趴篩悵 圈 腳 柑、一 ! ：一警 豳勻嗣囂：l 固：、由