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1、s亠=特别说明此资料来自豆丁网(http:/ )您现在所看到的文档是使用 下载器所生成的文档此文档的原件位于http:/ flMl 三复旦大学硕士学位论文降压型DCDC转换器设计姓名：李梁海申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：洪志良20070530论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究二作及取得的研究成果.论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外.不包含其他心其它机构已经发表或撰写* 过的研究成果.其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在沦文中作丁明确 的声明并表示了谢意.作者签名：多 日期：竺匕密_论文使用授权声明本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定.即：学
2、校有权保留送交论文姑复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部戒部 分内容.可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文.保密的论文在解密后 遵守此规定.导师签名：_日期:泌世由于有较高的电源转换效率，在对电源转换效率和体积都非常敏感的便携式 产品中，开关电源得到了广泛应用。而其中又以降压型DCDC开关转换器占多 数。并且由于降压型DCDC转换器结构相对较为简单，但已经包含了开关电源 的大部分原理。因此本论文选择降压型DCDC开关转换器作为设计和研究的对象。本文首先对现在常见的电流控制型DCDC降压转换器进行系统建模和分析.深入了解其工作的原理；随后对关键的转换效率问题，进行了深入的分析
3、并提出 解决方法；接着进行实例设计以验证其理论，同时对一些关键的电路结构进行了 说明；最后进行仿真验证设计结果并做总结。本文的实际设计中，使用了曲线斜率补偿电路。相对常见的斜线补偿方式,它可以适应更大范围的输入输岀电压比和电感取值，因此更加实用。同时在小负 载电流时，使用LDO模式代替常见的burst模式降低自身功耗，克服了 burst模式纹波系数大的弊瑞。关键词：开关电源电压控制模式电流控制模式连续电流模式非连续电流模 式单位增益带宽相位裕量 斜率补偿LDO Burst-ModeAbstractThe switching power supply has been widely employ
4、ed in portable applications, where its size-efiectiveness is mostly considered, for its higher efficiency and smaller size. And most of them are buck DCDC converters.This article firstly studies the principle of modem current controlled buck DCDC switching power converter, by establishing and analyz
5、ing the corresponding mathematical models; and then deeply analyses the critical convert efficiency issue, and presents some solutions; after that, a practical design, including some important circuits, is presented to apply the principles; finally, simulaticm is done to verify the design and summar
6、ization as well#constant slope compensation circuit, it can adapt widely input and ou)ut voltage scope and inductors. And what is more, an innovative LDO mode is adopted for low load current mode, instead of usual BursL mode. The LDO mode overcomes the large ripple problem of burst mode.Key words: S
7、witching power suppliesVoltage programmed mode Current programmed mode” Continuous current mode” “Discontinuous current mode” 仏Unit gain bandwidth” 4Thase margin ULDO mode Burst mode”第1章引言电源系统向电子设备提供持续稳定的能量，是保证电子设备可靠，稳定，安 全工作的基础。标志电源特征的参数，如效率、尺寸、工作频率.输入输出电压范围、负载调整率等等，往往是互相影响和折衷的。即使是对同一参数，不同的电源结构也会有很
8、大区别。此电源的形式是多种多样的，需要人们根据不同的#应用需求进行不同的设计。L1直流电压转换器IC简述#微电子技术日益发展的今天，各种便携式电子设备如雨后春笋般出现。对于 便携式电子设备，常常需要多种不同的工作电压，同时又具备多种不同的工作模 式，特别是低功耗模式。这样就需要多个灵活高效的直流电压转换器IC进行电 压转换以满足不同的电源要求。直流电压转换器IC的主要性能参数包括：转换效率、工作频率、开关噪声、 控制精度、输入电压范围、静态功耗、体积和成本等等。便携式系统的持续工作 时间是很重要的性能，因此需要高效率的直流电压转换器芯片.而便携式系统常 常具备的待机功能，需要直流电压转换器芯片
9、在微功耗状态时，仍然能够保持非 常高的转换效率，这常常需要芯片具备特殊的模式来降低此时自身消耗的电流。常见的直流电压转换器芯片有DC-DC、LDO、电荷泵等。DC-DC开关电源转换效率最高，采用同步整流时转换效率可达85T5%；开 关电源电压变换灵活，具有buck、boost、buck-boosts cuk等多种结构，可实 现降压、升压、升降压和极性反转等功能；能提供大的负载驱动电流。但需要外 接电感、电容滤波组件，体积较大，需复杂的补偿网络；电感的存在导致大输出 纹波，将带来较大的开关噪声。对于便携式应用，必须综合考虑驱动及体积和转 换效率各参数LDO (Low-Dropout-Vo 11a
10、ge)属于线性电压调整电源，一般由调整管、误差 放大器、和外加补偿网络组成。调整管工作于线性区，负反馈环路改变调整管的 导通电阻或电压降，维持输出电压的稳定。外接旁路电容一般只需12个，因 此具有体积小，结构简单且噪声低、静态功耗低的优点.LD0转换效率较低，一 般只有3040%o并且只能实现降压变换。但在极低电流情况下，由于其自身 消耗电流低于开关型转换器，反而能够取得离于开关型转换器的效率. 电荷泵(Charge-Bump)即开关电容DCT)C,与前两者相比，它仅由开关、比较 器、振荡器、外接电容器组成，具有小尺寸的优点，输出电压可以高于、低于输 入，也可以实现反向，且避免了电感组件引起的
11、EMI,但输出驱动能力较低，且 输出纹波较大1.2 DC-DC转换器中的新技术为实现高性能DC-DC转换器设计,近年来在此领域不断发展并涌现出许多新 的电路设计技术，主要有：1. 同步整流技术随着供电电源电压的降低，传统的肖特基二极管整流引起的整流管上0.3V 左右的导通压降，成为DC-DC转换器提高转换效率的瓶颈，目前先进的DC-DC 转换器大多采用M0S管做整流管，其导通压降可以低至几十毫伏，在低电压应用 中，可以极大提高转换效率。2. 软开关技术软开关技术是在同步整流技术的基础上发展起来的。为了防止开关管和整流 管同时导通，引起一个,到地的短路电流，通常在两个管子交替导通之间插入 一个都
12、不导通的死区时间。死区时间过长或过短会引起电容充放电损耗以及寄生 二极管导通的损耗，针对合适的死区时间出现了软开关技术。所谓软开关是指使 MOS管两端电压为0时MOS管导通，MOS管中流过电流为0时关断，这样将保证 MOS管上电压、电流没有交迭区域而无电容充放电损耗。传统的软开关技术是利 用电抗性组件的谐振实现，直流电压转换器中是利用数字控制技术实现。在高频 工作、以驱动损耗和开关损耗为主的应用场合下能提高效率.3. 多工作模式技术针对不同的负载情况，DC-DC可以工作于PFM和PWM结合的工作模式，根据 PWM控制重载效率高而PFM轻载效率高的特点，电路应根据负载情况自由切换， 当重载时，工
13、作于P刖模式，当轻载时，工作于PFM模式。此外，在极低负载电 流时，还可以采用“Burst”模式，使芯片间歇工作，以最大限度降低自身功耗。 本文也提出了一种新颖的结合LDO技术的低功耗控制模式。4. 其它技术随着集成度的提高，开关电源的体积越来越小，目前己经出现了寄生效应很 小的片上电感，以及同一个输入电源单电感实现多路电源输出的拓扑结构。此外， 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。数字控制 可以达到更高的精度和速度，成本也更低廉。13本论文主要工作随着开关电源技术的不断深入发展，其控制技术已经从最初的电压模式单环 #控制转化为了电流模式双环控制，不论是电压模式控制还
14、是电流模式控制，开关 电源由于其自身功率级的限制和电流模式控制的不稳定性问题，都需要精确设计 补偿网络，在保证整个系统在任何情况下都能稳定之外，还要对扰动有快速的响 应.这就需要对系统进行数学建模分析，并提出补偿机制。高效率是DC-DC转换器一直不断追求的重要指标，要提高效率就必须分析各 种引起损耗的机制，以及提出改善的措施。采用同步整流比起传统的二极管整流 效率有很大提高，但由于双MOS管的导通之间需要引入死区时间，而死区时间又 影响转换效率，因此功率开关管和整流管的控制需精确设计进行上述设计之后, 还需要合适的电路设计来达到最终目的。基于上述需求，本论文结构体系如下所示: 第二章对降压型D
15、C-DC的基本概念介绍；简单分析CCM和DCM两种工作模式的概念、输入输出关系及其适用情况；从功率级的建模开始，对整个系统的稳定 性分析，提出了最优补偿网络，并利用HSpice软件进行验证。第三章具体分析介绍电路中的损耗源和提高效率的设计第四章先总体设计，后对电路系统的一些关键模拟电路进行了设计，并采用 了 HSpice软件模拟检验结果是否符合要求。第五章给出了设计的整体仿真结果并进行总结。第2章降压转换器电流型控制电路系统建模电流型控制方式通过控制开关管的电流峰值山来实现控制。控制输入是ic(0,使跟随ic(t) 这种控制方法称为电流型控制(CPM： current programmed control )包流型控制的方式有峰值电流控制和平均电流控制。由于平均电流控制需要另加 一组的积分组件，实现成本高，所以目前使用峰值电流检测得多，这里主要讲峰 值电流控制方式。2.1电流型PWM降压器结构介绍 11.1电流型，PWM
