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1、. . .国外电源管理技术研究毕业论文目 录第一章 绪论11.1国外电源管理技术概述11.2开关型电压转换器简介2第二章 XD2607系统构建82.1控制模式的选取82.2工作模式的选取102.3系统设计与系统框图112.4效率的考虑132.5 主要电特性指标14第三章 XD2607设计中的技术关键及其解决方案163.1电流环稳定性分析与斜率补偿163.2电压环稳定性分析与电路建模21第四章 XD2607电路设计与仿真验证284.1使能控制与PTAT电流偏置（ENABLE）284.2带隙基准源（VREF）314.3零温度系数电流基准（IREF）364.4误差放大器（EA）384.5振荡器模块（
2、OSC）414.6斜坡产生模块（SLOPE）434.7电流比较器（ICOMP）454.8 误差箝位电路（CLAMP）474.9自动测试电路（TEST）494.10控制逻辑（LOGIC）53第五章 XD2607整体电路仿真验证及主要性能指标实现56结束语62参考文献64在学期间撰写的学术论文和参加科研情况66.参考资料. . .第一章 绪论本章首先对国外电源管理现状及发展趋势进行了简要的介绍。继而在此基础之上对开关型转换器的基本结构、分类及其发展作出较为简明的阐述。1.1国外电源管理技术研概述以电力电子学为核心的电源管理技术从20世纪60年代中期开始形成，但此时的电源管理容相对简单，以整流技术（
3、AC/DC）为主的各种电源装置的出现是该时期的主要标志。而后随着电子技术的飞速发展和不断创新，电子电力设备与人们的工作、生活的关系日益密切，电子设备都离不开可靠的电源，由此带来了电源管理技术腾飞。电源的管理与控制已经是电子系统设计中最基本和关键的需求。进入20世纪80年代后，国际上开关电源开始了实用化，PFM高频调制技术、软开关技术、处理网测斜波电流和提高网测功率因数的PFC技术的研究以及柔性交流输电系统概念的提出引起学术界和企业界的广泛瞩目。受改革开放浪潮和发展电力电子技术需求的激励，我国电工电子业界掀起了三大研究和开发热潮：高频电子镇流器、高频逆变整流式弧焊电源和交流电机变频调速。一些高科
4、技公司开始了开关电源量产化工作。20世纪90年代以来是我国电力电子技术和电源管理技术的快速发展期。业界出现了一些技术难度较大且具有国际先进水平的产品，如“多谐振双环控制的通信开关”、“单芯片控制的500W以下PFC控制器”、“智能化高频开关电源”、“数千kw级的IGBT中压变频器”等。但与国际发达国家相比，我国在应用基础研究深度方面的差距为5-10年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面差距估计为1015年左右。如今我国的电源管理技术更是面临着加入WTO后所带来的巨大考验。自1958年集成电路问世以来，半导体技术的发展可谓一日千
5、里。如今集成电压转换器已被广泛采用以简化繁冗的电源电路设计工作，并成为任何模拟或数字系统的关键组成模块之一，近十多年来的飞速发展引人瞩目，目前国外已发展到几百个品种。我们大致可以按照以下几种方式归类：1按电路的工作方式分类：（1）线性集成稳压器（2）开关式集成电压转换器2按电路的结构形式分类：（1） 单片式集成电压转换器（2） 组合式集成电压转换器3按管脚的连接方式分类：（1） 三端式集成电压转换器（2） 多端式集成电压转换器4按制造工艺分：（1） 半导体集成电压转换器（2） 薄膜混合集成电压转换器（3） 厚膜混合集成电压转换器不同的电压转换器结构也各有其所擅长的优势，从设计电源系统的角度来看
6、，必须根据特定的负载需求做以取舍进而选择不同的管理方案。电源管理技术的不断发展和推出新，不仅使便携式电子产品成为电子行业中增长速度最快的一个分支，也会使得选择电源方案的优先级不断地发生变化。1.2开关型电压转换器简介上世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了电源换代。进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子监测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，开关电源技术得以迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率管导通和关断时间比率，输出恒压的一种稳压器，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。主要分为两类：AC/D
7、C和DC/DC。AC/DC变换是用以将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的被称为“整流”，功率流由负载返回电源的被称为“有源逆变”。按电路的接线方式可分为：半波电路、全波电路；按电源相数可分为：单向、三项和多相。按电流工作象限又可分为：一象限、二象限、三象限、四象限。由于AC/DC变换必须经过整流和滤波，因此体积相对较大的滤波电容必不可少，同时交流输入还必须加EMC滤波即使用符合安全标准的元件，这样就限制了电源体积的小型化。另外由于部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容的难度加大，也就对部高密度安装电路设计提出了很高的要求，同时也使得电源工作消耗增大，
8、限制了其模块化、集成化进程。DC/DC变换是将固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波。它有两种工作方式：其一是脉宽调制方式（PWM），其二是频率调制方式（PFM）。当今的DC/DC已有了质的飞跃，电路效率达到90%以上。DC/DC电压转换器已经实现模块化、集成化，且设计技术及生产工艺在国外均已成熟并标准化。下面首先对DC/DC电压转换器的基本结构及未来发展趋势做以简介。1基本结构我们将采用最少器件数所构成的电源转换电路称为基本电压转换电路；采用多于最少器件数的器件构成的电源转换电路则被命名为衍生电压转换电路1。对于开关型电压转换器来说主要有三种基本结构：Buck型转换器（Buck
9、Converter）、Boost转换器(Boost Converter)和Buck-boost型转换器(Buck-boost converter)。图1.2.1Buck型转换器拓扑结构（1）Buck型转换器(Buck converter)Buck型转换器拓扑结构如图1.2.1所示，其中Q1是功率管，CR为续流二极管。当Q1导通时，能量向输出端传送，续流二极管CR处于反偏态。若忽略Q1导通压降，则电感两端压降，因此在此期间的电感电流线性增加，上升斜率为：（1.2-1）能量被储存于电感中。Q1一旦被关断，由于电感电流不能突变，二极管CR便会正向导通进行续流，忽略CR正向导通压降，电感上压降则为Vo
10、，电感电流变化斜率为：（1.2-2）可以看出电感电流线性减小，释放所储能量。如果在Q1关断期间，电感电流未下降到零，那么转换器就工作在连续导通模式（CCM）；反之，若是电感能量在此期间耗尽，并维持一段时间零电流，则工作于不连续导通模式（DCM）。如图1.2.2，图1.2.3所示。 图1.2.2 CCM电流波形 图1.2.3 DCM电流波形当工作于CCM时，显然有：(1.2-3)设开关频率为f，则电感电流纹波ILpp为：(1.2-4)Buck型转换器实际上是一种降压型结构，其输出电压永远低于输入电源电压。仅当功率管Q1持续导通时，输出电压达到最大值：（1.2-5）其中，V Q1 (on)表示Q1
11、导通压降。图1.2.4 Boost型转换器拓扑结构图1.2.5 Buck-Boost型转换器拓扑结构（2）Boost转换器(Boost converter)Boost型转换器拓扑结构如图1.2.4所示。当Q1导通时，能量储存于电感中，二极管CR处于反偏。忽略Q1导通压降，则电感两端压降为Vi，电感电流线性上升，上升斜率为： （1.2-6）Q1关断时，先前的电感接地端现在被切换至CR阳极，输入电压便与电感压降相串接，于是导致二极管阳极电压高于输入电压。类似地，电感两端的电压约为ViVo，可得其电流斜率为： （1.2-7）即电感电流下降并释放能量。由于电感两端电势差取决于Q1导通时间，则可通过控制
12、该导通时间来实现对输出电压幅度的控制。Boost型转换器属于升压型转换器。当Q1导通时间为零时，输出电压达到最小值： （1.2-8）其中，V CR (on)表示CR正向导通压降。(3)Buck-boost型转换器(Buck-boost converter)Buck-boost型转换器为一种反压拓扑结构，如图1.2.5所示。这种拓扑结构接收一个正电压，输出一极性相反的电压，且该电压在幅度上可以高于也可以低于输入电压，这一切都取决于功率管导通时间。因此，该拓扑结构既可以用于升压也可用于降压。当Q1导通时，能量流向输出电感，电感电流线性增加，其斜率为： （1.2-9）此时由于CR处于反偏，输出级电路
13、对输入级无影响，但是却需要输出电容C为负载供电。Q1关断时，输入电路与输出级不发生连接关系。由于电感的突然切换且其电流不能突变，电流就会通过地和负载R流向处于正偏的CR的阳极，同时为负载电容充电。忽略CR正向导通电压，电感上的压降为Vo，这说明电感电流线性减小，下降斜率为： （1.2-10）电感释放所储存的能量。在基本电源转换电路的基础之上再添加某些功能就派生出各种各样的衍生电压转换电路，其主要特点就是具有电压隔离和多路输出功能。以Buck型衍生稳压电路为例，主要有：前向型转换器（Forward Converter）、推挽型转换器（Push-Pull Converter）、半桥型转换器（Hal
14、f-Bridge Converter）和全桥型转换器（Bridge Converter）等。2未来发展趋势为了满足不断发展的电子产品的需要，并且随着半导体工艺水平不断提高，集成DC/DC电压转换器的发展正呈现出以下趋势和特点。（1）提高效率电源管理正成为当今便携设备设计师遇到的最严峻技术挑战，这主要来源于一个日益明显的矛盾，即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，因此电压转换器的效率具有重要意义。在集成DC/DC电压转换器中，主要有以下几种提高效率的措施：（a）低漏电压漏电压（Drop-out Voltage）是指为了保证输出基本稳定，输入电压必须高过输出
15、电压的最小值。一般定义为在一定负载条件下，输出电压达到额定值的98%时，输入、输出电压差值。传统的转换器，漏电压为1V以上，而现代的低漏转换器，漏电压仅有几十毫伏，这样可以更大限度地利用电池能量。（b）低静态电流电压转换器工作时本身需要耗用一部分电流，这部分电流未被负载利用而直接流向地，称为静态电流（或对地电流）。为了提高效率，自然希望芯片自身的静态电流越小越好，现今，电压转换器静态电流普遍做到了mA级以下。（c）低维持电压电压转换器一旦启动，能够维持正常工作的最低电源电压称为维持电压（Hold-on Voltage），维持电压越低，电池能量利用的越充分。有些电压转换器采用电源切换的方法已经使维持电压降到比启动电压低许多。例如凌特公司的LTC3404可以实现0.85V启动，但其维持电压仅为0.5V。（d）同步整流2用部集成的同步MOSFET取代以往的外接肖特极二极管。通过合适选取功率MOSFET的导通电阻，可大大提高
