一种电流模升压DC_DC开关电源的研究与设计_黄军军.docx

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1、 分类号 密级 UDC 学 位 论 文 一种电流模升压 DC-DC 开关电源的研究与设计 (题名和副题名） 黄军军 (作者姓名） 指导教师 乔明 副 _ 电子科技大学 成都 (姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士学科专业微电子学与固体电子学 提交论文日期 2015.04 论文答辩日期 2015.05 学位授予单位和日期 电子科技大学 2 0 1 5 年 月 日 答 辩 委 员 会 主 席 . 评阅 注 1 : 注 明 C 国际十进分类法 UDC的类号 RESERCH AND DESIGN OF A CURRENT MODE BOOST DC DC CONVERTEER A Master

2、Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major; Microelectronics and Solid-State Electronics Author： Huang Junjun Advisor： Associate Professor Qiao Ming School ： School of Microelectronics and Solid-State Electronics 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进疔的研宂工作 及 収 得 的 研 究

3、成 果 。 据 我 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果 ，也 不包含为 获 得电子科技火学或其它教宵机构的学位或证书而使用过的村料。 与 我 一同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说 叫并表示谢意。 作者签名 ： m u 期 ： 年 夂 丨 攻 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学苻关保留、 使用学位论文 的规记， * 权保留并向国家奋关部门或机构送交论文的 S 印件和磁盘， 允 许 论 文 被 杳 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 电 子 科 技 大 学 可

4、以 将 学 位 论 文 的 全 部或部分内袢编入有关数据库进行检索 ，可 以采用影印 、缩 卬或扫描 等 复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵分此规逛） 作者签名： i 至聳 导师签名： ,J/i n 期： / r 年夕月 円 近年来，随着微电子技术和通讯技术迅速发展，极大地促进消费电子的研发 和 普及，电子设备己融入人类生活和工作之中，成为现代生活不可缺少的一部 分。然 而，不论是生活中所需的普通电器，还是应用尖端科技的电子仪器、电气 设备，稳 定可靠的电源是维持其正常工作的前提之一。开关电源可以实现较高的 能量利用率， 并且性能稳定，同时还有体积小等特点。电流模式

5、 DC-DC 开关电 源因为响应速度 快、较高的稳定性以及内含限流保护等特点而得到了普遍的运 用。 在此背景下，本文通过仔细研宄升压型 DC-DC 开关电源电路理论，通过分析 电 压改变和电感电流波动可能引起环路不稳定的过程，寻找相关的解决办法。最 终设 计一款用于 LED 驱动的开关电源电路。电路为 Boost 型开关电源变换器，采 用峰值 电流模式控制，并使用脉冲宽度调节的方式。电路的时钟频率为 1.7MHz， 输入电 压范围为 2.5V5.5V，最大输出电压为 20V，并且输出电流可以根据需要进 行调节， 并实现相对较高的稳定性。 为了实现设计目标，设计了电路工作必要的模块，其中有带隙基

6、准、振荡器、 自 适应斜坡补偿等。同时基于可靠性考虑，设计了欠压锁定模块等保护电路，使 得芯 片能够最大限度地在安全范围内工作并获得稳定精确的输出。 在完成了子模块设计后，基于某公司 .5pmBCD 工艺，使用 Cadence Spectre 仿 真工具对所设计的电路进行仿真验证，并对总体电路进行仿真。结果显示，电 路启 动时间约为 240。输出电压 15.8V 时，输出电流为 61.2mA 左右，其变化范 围为 0.95mA;当保持调节电流的电阻不变时，改变负载 LED 的数目，输入电流 的变化 很小。另一方面，当改变调节电流电阻的阻值时，电流数值会呈反比例的 变化，并 且电流纹波很小。这些

7、表明所设计的电路基本能实现输出电流的稳定， 基本满足电 路设计要求。 关键词：开关电源， Boost， LED 驱动，自适应斜坡补偿 ABSTRACT ABSTRACT Development of microelectronics and communication technology has greatly promoted the research and popularization of consumer electronics. The electronic equipment has become part of peopled lives. No matter the com

8、mon equipment or the cutting-eage technology instruments, the stable power supply is the premise of maintaining their operating. Switching Power Supply can achieve high energy efficiency, stable performance and small size. Because of the high response speed and current protection, the DC-DC converte

9、r has been widely adopted in different field. The thesis resesrchs the theory of the Boost DC-DC converter and analyses the reason of unstable process which caused by the changing voltage and inductance current fluctuations. We find the related solutions and design a converter for LED driver. The ci

10、rcuit is a Boost type converter which adopts peak current mode and pluse width modulation. The frequency is 1.7MHz, the range of input voltage is 2.5V-5.5V and the maximum output voltage 20 V. Specially, the output current can be regulated according the requirement and realizes high stability. For a

11、chieving the purpose, we have designed the related modules, including bandgap reference, oscillators, adaptive alope aonpensation and so on. Considering its reliability, we designed the under voltage lock out circuit and other protection modules to make the chip work in the safe operating area. Afte

12、r the design of the sub-module of the converter, we simulated the circuit by Cadence Spectre base on 0.5(im BCD peocess. The simulation results show the start time is about 240(is. When the output voltage is 15.8V, the average output current is 61.2 mA and the current fluctuation range is 0.95mA. Wh

13、en we keep the regulation current resistance constant and change the number of LED, the average output current changes very little. On the other hand, if we change the regulation current resistance, the output current has inverse proportion ratio changes and the current ripple is still small. This i

14、ndicates that the circuit can achieve constant current and meet the design requimients basically. Keywords: Switching Power Supply, Boost, LED driver, adaptive alope aompensation. m 目 录 目 录 m-m m . i i.i 课题研宄背景和意义 . 1 1.2 国内外研宄现状和发展趋势 . 2 1.3 本论文主要内容和安排 . 4 第二章 DC-DC 开关电源的理论基础 . 5 2.1 DC-DC 开关电源 . 5

15、 2.1.1 升压型（ Boost) DC-DC 开关电源 . 6 2.1.2 降压型（ Buck) DC-DC 开关电源 . 9 2.1.3 极性反转型（ Buck-Boost) DC-DC 开关电源 . 10 2.2 开关电源的调制方式 . 11 2.2.1 脉冲宽度调制方式 . 11 2.2.2 脉冲频率调制方式 . 12 2.2.3 脉宽 -脉冲混合调制方式 . 13 2.3 DC-DC 开关电源的控制模式 . 14 2.3.1 电压控制模式 . 14 2.3.2 电流控制模式 . 15 2.3.3 两种控制模式的比较 . 17 2.4 本章小结 . 17 第三章电路系统设计及稳定性分

16、析 . 18 3.1 电路设计功能和规格参数设计 . 18 3.1.1 电路整体功能概述 . 18 3 丄 2 电路引脚功能描述 . 18 3 丄 3 电路的电学特性 . 18 3.2 电路的系统设计及框图 . 19 3.3 芯片外围器件的选择 . 21 3.3.1 选择 _ . 22 3.3.2 选择输入电容 . 23 3.3.3 选择输出电容 . 23 3.3.4 选择续流二极管 . 23 3.3.5 选择功率开关管 . 23 3.4 开关电源反馈环路稳定性分析 . 24 IV 3.4.1 电压反馈环路稳定性的分析 . 25 3.4.2 电流反馈环路稳定性的分析 . 26 3.4.2.1

17、固定斜率斜坡补偿 . 28 3.4.2.2 自适应斜坡补偿 . 29 3.5 本章小结 . 30 第四章芯片子电路的设计与分析 . 31 4.1 基准电路 . 31 4.1.1 基准工作原理 . 31 4.1.2 基准电路的设计 . 33 4.1.3 基准电路仿真验证及结果分析 . 35 4.1.3.1 基准电路的温度特性 . 35 4.1.3.2 基准的电源抑制比 . 35 4.1.3.3 基准的线性调整率 . 36 4.1.3.4 基准电路的瞬态启动特性 . 37 4.1.3.5 基准电路的大信号特性 . 38 4.2 振荡器电路 . 38 4.2.1 振荡器电路的设计与分析 . 39 4

18、.2.2 振荡器电路仿真结果及分析 . 42 4.3 误差放大器的设计 . 43 4.3.1 误差放大器电路设计 . 43 4.3.2 误差放大 器的仿真分析 . 44 4.3.2.1 误差放大器的相频和幅频特性 . 44 4.3.2.2 误差放大器的电源抑制比 . 46 4.3.2.3 误差放大器的输入共模范围 . 46 4.4 自适应斜坡补偿电路 . 47 4.4.1 自适应斜坡补偿电路的的设计 . 47 4.4.2 自适应斜坡补偿电路的仿真分析 . 50 4.5 欠压保护电路（ UVLO) . 51 4.5.1 欠压保护电路的设计 . 51 4.5.2 欠压保护电路的仿真 . 53 4.

19、6 本章小结 . 53 第五章芯片整体电路仿真 . 55 5.1 电路仿真参数设置 . 55 5.2 VIN=3.7V,RA=4Q,N=5 时整体仿真结果 . 55 5.3 VIN=3.7V,RA=4Q,N=3 时整体仿真结果 . 58 5.4 VIN=3.7V,RA=2Q,N=5 时整体仿真结果 . 58 5.5 本章小结 . 60 第 六 章 结 论 . 61 m m . 62 参考文献 . 63 攻读硕士学位期间取得的成果 . 65 第 一 章 绪 论 第 一 章 绪 论 1.1 课题研究背景和意义 近年来，随着微电子技术和通讯技术迅速发展，极大地促进消费电子的研发 和普 及，电子设备己

20、融入人类日常生活和工作之中，成为现代生活不可缺少的一 部分。然 而，不论是生活中所需的普通电器，还是应用尖端科技的电子仪器、电 子设备，都离 不开电源技术的支持和应用，稳定可靠的电源是维持其正常工作的 前提之一。并且对 于不同产品对供电要求的变化，如何合理稳定的提供电源是首 要解决的问题。另一方 面，能源问题成为困扰和影响经济发展的重要因素，许多 国家在一方面寻找新能源的 同时，另一方面都在研究新的节能方法，提高能源利 用率，减小能源损耗。电能作为 世界上通用性最高的能源，成为人们研宄节能技 术的重要目标，合理的分配和适应不 同条件下的供电要求，对于能源的节约利用 影响 巨大。 电源管理是指针

21、对系统要求的变化，进行电能的合理分配。通过减小组件空 闲时 的能量消耗，控制电路的功耗同时提高电能的利用效率。随着电子产品应用 范围的不 断扩大和市场需求量的强劲增长，电源作为电子产品的心脏也因此呈现 出惊人的发展 速度，成为电子产业中最受人关注的方向之一。 伴随着移动互联网的飞速发展，便携式设备，尤其是像手机、平板电脑、数 码相 机、智能穿戴设备等便携式电子产品，经过几年的高速发展，变得越来越普 及。面对 各种不同设备对电源的要求，如何对电池能量进行更加合理有效的利用 以及在复杂条 件下满足设备对电源电压和电流的要求，这些都对电源管理芯片的 设计提出了更高的 要求。 DC-DC 开关电源通过

22、电路设计，进行直流电之间的相互转化。可以分为三 类： 升压 (Boost)型开关电源、降压 (Buck)型开关电源以及极性反转 (Buck-Boost) 型。开 关电源的一般使用功率管做为开关器件。功率开关管饱和导通时，即使电 流可能比较 大，但其电压降近似为零，消耗的能量不会很多。当其关断时，电流 为零。所以其功 耗也很小，一般的 DC-DC 开关电源转换效率达到 70% 95%。性 能出色并且适应现代 电子设备以及便携式电子产品 “ 小、轻、薄 ” 的发展趋势，从 而在稳压电源的市场里 得到了蓬勃地发展和应用，同时它也代表了电源未来的发 展方向和趋势。开关电源发 展迅猛，在军工科研，通讯，

23、医疗，音频 /视频处理等 众多行业得到了广泛的应用， 是当今社会发展不可缺省的一种电子行业 1 。 按控制方法，可以将开关电源分为电压型和电流型两种 2 。反馈输出电压， 2 电子科技大学硕士学位论文 控制开关导通时间和周期是电压型的典型特点。不过在其调节过程中，电感电流 相对 独立，此时电路为一个二阶系统。实现二阶系统的稳定需要满足一定的条件 3 ，所以对于电压控制方式，需要对控制环路进行仔细分析。 电压模式拥有诸多优点 +5 ，不过也有突出的缺点：（ 1)电源电压变化时，响 应较 为迟钝；（ 2)补偿网络复杂，输入电源电压对环路增益的影响更增加了补偿 难度；（ 3) 环路有两个极点，需要设

24、置一个零点对其补偿。 电流模式是在电压模式的进一步发展。它多了一个电流环路，实现对电感电 流的 采样，并通过电压电流转换对开关进行控制。由于电感电流引入控制环路， 电路不再 为二阶电路，因此更容易稳定。另一方面，电流反馈在每个功率管导通 周期控制电感 电流，通过这样方式控制输出，因此对负载变化与输入电源变化有 更快的反应能力。 电流控制还可以对电感电流进行限制，从而减小开关管因电流 过大而失效的几率。 开关电源是国际上争相研宄的热点，拥有较强的竞争性。在 2009 年金融危机 的 背景下，开关电源仍然拥有总额超过 1000 亿人民币的销售业绩。中国电源学会 和调 查机构 ICTresearch

25、 的预计，在 2015 年，国内电源行业的年生产总值将提高到 2156 亿元人民币，其中开关电源的产值将会增至 1875 亿元人民币。 2011-2015 年 年均复 合增长率为 13.39%。开源电源产业的前景广阔，但关键技术和高附加值产 品还主要 掌握在国际公司手中，国内品牌需要继续在理论研究、产品性能等多方 面加大投入， 才可以更多分享不断扩大的市场。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 开关电源最早出现于美国，经过几十年的不断发展，出现了各色各样电源产 品， 很多产品收到了人们热烈追捧。相比较而言，国内虽然也发展较早，但实力 相比国外 还是有明显差距，目前技术含量较高的产品几乎都为国外公

26、司开发。 上世纪 60 年代，国内开始进行开关电源的研发。从 1974 年开始，研制出工作 频 率 10kHz，输出电压为 5V 的无工频降压变压器。到目前为止，经过几十年的不 断努 力和发展，国内电源行业取得了长足的发展，出现了很多在特定市场拥有一 定影响与 竞争力的公司。不过国内电源行业相比国外同行和及台湾地区的企业， 还有明显的差 距。 国际上在开关电源设计领域市场占有率较高的公司有德州仪器（ II)，意法半 导体（ ST)、 Fairchild、 Linear 等。另夕卜 On semiconductor、 Maxim、 IR、 Power Integration 等也在开关电源领域占

27、据较大市场，上面介绍的开关电源设计公司拥有绝大部分 的市 场份额。国内比较知名的开关电源设计厂商有明纬、茂硕等，相比国外，国 内厂商设 计能力相对弱小。不过近年来随着集成电路设计重心向国内转移，而且 3 第 一 章 绪 论 国家政策的扶持力度不断加大，很多开关电源设计企业涌现出来。中国开关电源 产业 发展势头蓬勃，因此进行开关电源的研究和设计，对众多半导体公司来说是 难得的机 遇。 以上介绍了国外和国内开关电源的发展情况，下面将介绍一下当前在开关电 源发 展中出现的新趋势。 未来开关电源的发展呈现以下的新趋势 6 : (1) 小型化 随着移动互联网的迅猛发展，便携式电子产品及可穿戴设备成为市场

28、的热 点，作 为电子产品中至关重要的电源模块，减小体积有利于提高系统的集成度， 有助于产品 在市场的竞争中处于有利地位。由于开关电源需要使用电感和电容作 为储能元件，而 电感和电容占据了开关电源体积和重量的绝大部分，因此减小储 能元件的体积是减小 开关电源体积的主要方向。 (2) 高频化 开关频率的提高是开关电源设计的一大发展趋势。这是因为电路所需电感和 电容 的尺寸可以得到减小，另外频率的增加有助于功率密度的提升。大量的实践 经验表明， 在一定限度内提高开关频率的工作频率，不但可以实现电感电容体积 等元件的体积， 对系统动态性能的提高也有重要影响 7 _9 。但频率的提高可能会造 成系统的动

29、态损耗 增加、效率降低等问题，因此需要折衷考虑。 (3) 高效率及绿色环保 能量 利用效率是评判是否节能的重要标准。利用效率越高，产生的无用的能 量消 耗就越低。提高电源的能量利用效率需通过调节设备不同模式下的能量消耗 方式。随 着低碳环保，节能减排的观念深入人心，发展高效率低功耗的电源成为 行业争相研宄 的重点。电源效率的提高有助于节约能源，同时也增加了产品的续 航时间，在电池体 积越来越小的今天，有十分重要的意义。改善开关电源的控制 模式，研发功耗更低的 功率器件等，都有助于效率的提高。 (4) 低噪声和抗电磁干扰 开关电源需要功率管频繁的开启和关闭，衬底噪声耦合较大，随着工作频率 的增 加，衬底耦合