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1、高效的带电流模控制的DC-DC转换器的设计摘要本文介绍了开关电源的发展，PWM的控制方式以及它们各自的优缺点。设计了一种基于2um 40V双极工艺的高频率低功耗的PWM升压型DC-DC转换芯片。采用了恒定频率、电流模式的控制结构以提供优秀的电源和负载稳压。同时内部的电流监视电路可以保护功率开关以及连接到芯片上的外部元件。通过对开关脉冲宽度的调节，加快了升压速度，减小了稳压状态的输出纹波,提高了转换效率。电路内置有过压保护，当输出电压超过阈值电压29V时，将误差放大器的输出拉低，开关进入关断模式。在电路的电流反馈环路中加入了斜坡补偿信号，由于在占空比大于50%时电流环的不稳定性，为此提出了斜坡电
2、流补偿技术，使电路的不稳定性问题得到了改善。芯片的开关频率为1.5MHz,输出电压可调至29V,转换效率可达81%以上。关键词：电流模式,斜坡补偿,脉宽调制,DC-DC转换器AbstractThis article describes the development of switching power supplies, PWM control mode and their respective advantages and disadvantages. A high frequency PWM step-up DC-DC convert by using 2um, 40V high vol
3、tage bipolar process. The chip uses a constant frequency, current-mode control scheme to provide excellent line and load regulation. Internal current-monitor circuit helps protect the power switch as well as the external components connected to chip. Regulating pulse width can accelerate the step-up
4、 speed, reduce the output ripple voltage and improve the conversion efficiency. Circuit has built-in overvoltage protection（OVP）to allow the device goes into shutdown mode when the output voltage exceeds the OVP threshold of 29V. The current feedback loop in the circuit by adding a slope compensatio
5、n signal, due to more than 50% duty cycle when the current loop instability of the slope current compensation proposed for this technology, the problem of instability in the circuit has been improved. The conversion efficiency 81% and PWM switching frequency 1.5 MHz, adjustable output voltage up to
6、29V.Key words: current-mode, slope compensation, pulse width modulation（PWM）, DC-DC converter3目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 开关电源的发展11.2 开关电源的基本结构31.3 本文的组织结构4第二章 开关电源基础电路52.1 电流检测电路52.2 PWM反馈控制模式62.2.1 电压模式控制72.2.2 峰值电流模式控制92.2.3 平均电流模式控制112.2.4 峰值电流控制与平均电流控制的比较13第三章 斜坡补偿控制设计153.1斜坡补偿的慨述153.1.1 降压型斜坡补
7、偿原理153.1.2 升压型斜坡补偿原理173.3 DC-DC转换器设计193.3.1电路框图结构说明193.3.2电路模块设计分析203.3.3整体电路仿真28第四章 版图和工艺的实现304.1版图设计的基本概述和原则304.1.1 版图的基本概述304.1.2 版图的基本原则314.2 版图中ESD设计的考虑事项324.3电路的版图设计344.4 制造工艺364.4.1典型的双极集成电路工艺364.4.2 电路的工艺特点和流程37第五章 结论38参考文献39致 谢40第一章 引言1.1 开关电源的发展随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与
8、人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，其已很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，
9、美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源，在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛应用于电子、电气设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为
10、零。所以，其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此，开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V（110%），而开关型稳压电源在电网电压在110260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源实现了小型化，并使开关电源进入更广泛
11、的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外，开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。目前市场上开关电源中的功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用功率MOSFET的开关电源的转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种电路工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下4个方面。1.小型化、薄型化、轻量化、高频化开
12、关电源的体积和重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。2.高可靠性开关电源使用的元器件数量是连续工作线性电源的几十分之一，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光电耦合器及排风扇等元器件和部件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的元器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。3.低噪
13、声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。采用谐振变换技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。4.采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简单结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高
14、滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之。人们在开关电源技术领域里。边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型化、薄型化、高频化、低噪声以及高可靠性方向发展。1.2 开关电源的基本结构开关电源的基本构成如图1-1所示，其中DC/DC变换器用以进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，并与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动器控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大
15、小的目的。图1-1 开关电源的基本构成DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。用于DC/DC变换器的基本拓扑结构有4种，本文设计的电路采用的是降压变换器，它是将输入电压变换成较低的稳定输出电压。输出电压（UOUT）和输入电压（UIN）的关系为：（占空比） 对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要有调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应性能指标也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。1.3 本文的组织结构本文第一章是绪论，介绍开关电源的发展和开关电源的基本构成。第二章介绍开关电源的基础电路，包括PWM反馈控制模式和电流检测电路，着重介绍了PWM反馈控制方式的优缺点。第三章是斜坡补偿控制设计，介绍了斜坡补偿的基本原理，对具体电路的各个模块进行了分析。第四章是电路的版图设计和工艺实现。第五章是结论。第二章 开关电源基础电路2.1 电流检测电路功率开关电路的拓扑结构分为电流模式控制和电压模式控制两种。电流模式控制具体动态反应快。补
