DCDC變換器研究背景目的意義及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1、dc-dc變換器研究背景目的意義及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1研究背景12 研究目的及意義13 dc-dc變換器的發(fā)展及其保護(hù)電路現(xiàn)狀23.1 輸出過電壓保護(hù)現(xiàn)狀23.2 低電壓欠壓保護(hù)現(xiàn)狀33.3 過溫保護(hù)電路現(xiàn)狀31研究背景電源在一個(gè)系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。從某種意義上說，電源可被看作是系統(tǒng)的心臟。電源給系統(tǒng)的電路提供持續(xù)的、穩(wěn)定的能量，并使系統(tǒng)免受外部侵?jǐn)_?？梢?，電源的性能優(yōu)劣與電子設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和可靠性息息相關(guān)。而保護(hù)電路則是開關(guān)電源中的一個(gè)不可或缺的重要組成部分，它可以提高產(chǎn)品的可靠性，使電源在惡劣的條件下正常工作，對(duì)保障整個(gè)電子設(shè)備系統(tǒng)的安全起著至關(guān)重要的作用。因此，選擇保護(hù)功能完善的產(chǎn)品

2、能夠延長(zhǎng)模塊電源壽命、提高系統(tǒng)可靠性，即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時(shí)，模塊電源能夠自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于永久失效，當(dāng)外部故障消失后能自動(dòng)恢復(fù)正常。從而保證了系統(tǒng)的安全性。模塊電源的保護(hù)功能主要包括欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)和過溫保護(hù)等等。2 研究目的及意義由于集成電路的迅速普及，電子設(shè)備趨向小型化，并已廣泛應(yīng)用于我們現(xiàn)代社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，隨著社會(huì)的信息化，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗫焖贁U(kuò)大，可以說是無處不在?，F(xiàn)代電子設(shè)備所需電力的穩(wěn)定供應(yīng)，幾乎都依賴于開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電源具有體積小、損耗低的特點(diǎn)，近年來也隨同電子設(shè)備的快速發(fā)展而日益進(jìn)步，供電方式由集中供電向分布式供電發(fā)展，并對(duì)其可靠性提出了更高的要

3、求。評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)主要是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下能夠安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防止過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護(hù)電路。同時(shí)，在同一開關(guān)電源電路中，設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路的相互關(guān)聯(lián)也需引起足夠的重視。因此，完善的保護(hù)電路模塊對(duì)于dc-dc變換器芯片是相當(dāng)重要的，本設(shè)計(jì)包括過電壓保護(hù)電路子模塊、低電壓欠壓鎖定電路子模塊和過溫保護(hù)電路模塊。首先，如果當(dāng)芯片的輸出引腳電壓過高，超過了負(fù)載能夠承受的范圍，那么可能引起負(fù)載短路或者直接被燒壞，因此需要對(duì)輸出電壓的上限和下限有所限制，為此采用

4、輸出過電壓保護(hù)電路。其次，當(dāng)芯片在低于額定電壓下工作，雖然不會(huì)被燒壞，但是長(zhǎng)期工作在低壓情況下，那么將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成損害，使系統(tǒng)功能不完整，為此采用欠壓保護(hù)以提高電源的可靠性和安全性。再次，溫度也是影響電源設(shè)備可靠性的最重要因素之一，根據(jù)有關(guān)資料分析表明，電子元器件溫度每升高2，可靠性下降10%，溫度升高50時(shí)的工作壽命只有溫度升高25時(shí)的1/6，為了保護(hù)電源管理芯片，使其在高溫情況下不會(huì)損壞，必須設(shè)置過溫保護(hù)電路，以便當(dāng)芯片工作溫度超過允許值時(shí)，保護(hù)電路將主要的功耗電路切斷。所以針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，對(duì)芯片的保護(hù)電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)是非常有意義和價(jià)值的。3 dc-dc變換器的發(fā)展及

5、其保護(hù)電路現(xiàn)狀dc-dc變換是將大小固定的直流電壓變換成大小可調(diào)的直流電壓的變換，也稱直流斬波。它在電子技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。從八十年代末起，為了縮小dc-dc變換器的體積，提高功率密度，設(shè)計(jì)者大幅度提高了開關(guān)電源的工作頻率，雖然這種結(jié)果確實(shí)是很大程度上縮小了體積，卻降低了效率。因?yàn)轶w積縮小，發(fā)熱增多，就難過高溫關(guān)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)mosfet的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使mosfet的開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加。因此，半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)mosfet技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過幾代mosfet設(shè)計(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，從第一代到第八代，光刻工藝從5m進(jìn)步到0.5m，使選擇的材料電阻率大幅下降。加上進(jìn)一步減薄的晶片

6、，優(yōu)秀的芯片粘結(jié)焊接技術(shù)，使當(dāng)今的mosfet導(dǎo)通電阻降至5m以下，開關(guān)時(shí)間已小于20ns，柵電荷僅20nc。目前，國(guó)外有高級(jí)dc-dc制造商已經(jīng)在高功率密度的dc-dc中使用了小型微處理器的技術(shù)。它可以取代很多模擬電路，減少了模擬元件的數(shù)量，還可以取代窗口比較器 、檢測(cè)器、鎖存器等完成電源的起動(dòng)、過壓保護(hù)、欠壓鎖定、過流保護(hù)、短路保護(hù)及過溫保護(hù)等功能。由于這些功能都是依靠微控制器上運(yùn)行的程序，所以技術(shù)容易保密。3.1 輸出過電壓保護(hù)現(xiàn)狀輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的方法是晶閘管短路保護(hù)，當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，穩(wěn)壓管被反向擊穿，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，使輸出端短路,造成過電流，通過保險(xiǎn)

7、絲或電路保護(hù)器將輸入切斷，從而保護(hù)了負(fù)載。但是這種方法的閾值電壓容易波動(dòng)，在溫度變化大的場(chǎng)合容易發(fā)生誤關(guān)斷的情況。目前，采用集成電路電壓比較器來檢測(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓是較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變和相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。3.2 低電壓欠壓保護(hù)現(xiàn)狀集成于芯片內(nèi)部的低電壓欠壓保護(hù)電路是隨著集成電路的發(fā)展而發(fā)展起來的。它指的是穩(wěn)壓電源由于某種原因，使輸出電壓降到某極限值時(shí)，欠壓保護(hù)電路能自動(dòng)檢測(cè)到電源電壓的不足，將穩(wěn)壓電源切斷并保持切斷狀態(tài)，等到電源電壓上升到極限值以上某一個(gè)值時(shí)，電路可恢復(fù)供電。現(xiàn)有的電路設(shè)計(jì)中，一種是使用比較器或運(yùn)算放大器將

8、采樣來的電源電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，以此來判斷是否欠壓。因此，需要額外關(guān)注基準(zhǔn)電壓源和比較器本身的設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另一種是內(nèi)部自建基準(zhǔn)電壓作為比較電平，不需要運(yùn)算放大器，但是響應(yīng)比較慢，需要用額外的電路來加速翻轉(zhuǎn)。3.3 過溫保護(hù)電路現(xiàn)狀早先的過溫保護(hù)電路基本上都是基于雙極型工藝實(shí)現(xiàn)的。它利用對(duì)溫度敏感的元件來檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路工作，將系統(tǒng)關(guān)斷，以防其損壞。集成電路中傳統(tǒng)的過溫保護(hù)電路一般是利用二極管、三極管的溫度特性來做傳感器。雖然用雙極型工藝制作的過溫保護(hù)電路精度高，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，電源電壓也較低，但是功耗高、占用芯片面積比較大且電路本身存在熱振蕩問題，不利于用來作保護(hù)電路。由于cmos工藝在模擬集成電路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使電路能夠達(dá)到低功耗及高密度集成效果，因此，cmos已成為目前的主流制作工藝?，F(xiàn)在的過溫保護(hù)電路大部分都是以cm