基于恒定关断时间控制模式的Boost型DC-DC变换器的研究与改进

发布时间：2020-03-17 21:43

【摘要】：集成电路技术的飞速发展以及消费市场的需求导向,对电源管理芯片提出了更高的要求。随着电源管理技术逐渐趋于高效化,低功耗小体积的DC-DC变换器成为了电源管理芯片研究发展的重点。为了适应新兴绿色能源的发展需求,许多研究机构开始致力于具有升压功能的Boost型DC-DC变换器的研究,并在变换器的高稳定性、快速瞬态响应以及高效率方面进行优化设计研究。本文首先对DC-DC变换器在系统稳定性、准恒频化以及高转换效率等方面的研究现状进行了讨论。在对Boost变换器的基本工作原理以及效率损失因素的研究基础上,对恒定关断时间(Constant Off-Time,CFT)电流模式控制进行分析。研究表明,CFT控制Boost变换器的开关频率随输入输出变化,且轻载下开关频率随负载减小逐渐增大,导致变换器的开关损耗和驱动损耗较大。基于此问题,在CFT控制架构的基础上,通过详细的理论分析和研究,本文利用误差信号随负载变化的趋势设计了一种适应于轻载下的非线性变频控制,而重载下利用自适应的关断时间实现近似恒频。本文通过对Boost变换器系统进行环路分析与小信号建模,设计了合适的补偿网络,提高了输出电压精度。本文利用Simulink软件对变换器系统进行建模,并对Simulink系统行为级模型进行验证与分析。分析结果表明,轻载下,当Boost变换器工作在非线性变频控制下,变换器开关频率和纹波电压的变化与充电系数有关。充电系数越大,开关频率越大,纹波电压越小。其他条件一定,功率管的导通压降越大,Boost变换器的开关频率越小。同时,研究表明系统环路的截止频率和相位裕度大小受负载,电感电流采样系数以及外围参数的影响。基于东部0.18μm BCD工艺,本文设计了一种适用于轻载下的关断定时器,并利用Cadence仿真软件对控制电路模块进行了搭建,在Spectre仿真平台上对系统整体性能进行了仿真。仿真结果表明,在3~5 V的输出电压范围内,变换器的纹波电压均不超过50 mV,效率高达93.1%,系统在设计的全负载范围内实现了变换器的高转换效率。最后通过仿真手段,与CFT控制、AFT控制及脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)进行了效率对比。仿真结果显示,在输入电压为4 V的情况下,非线性变频控制相比于改进前的CFT控制轻载下效率最大提高了8.9%。本文的研究工作对改善CFT控制下Boost变换器的性能具有一定的借鉴意义。
【图文】：

图 3.10 Boost 变换器系统 Simulink 模型（1）系统稳定性验证根据 Simulink 模型，通过环路分析对功率级进行补偿设计。由式（3-39）可知负载越大，右半平面零点越小。为了保证全负载范围内，Boost 变换器稳定工作。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN86

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本文编号：2587742