多模式高效率Buck DC-DC转换器的研究与设计
发布时间：2022-01-22 21:44
随着科技发展,开关电源芯片朝着小型化、数字化的方向发展,同时要求芯片有较大的带载能力,快速的瞬态响应以及较高的转换效率。本文设计了一款多种调制模式、峰值电流反馈控制的Buck DC-DC转换器,主要包括电压控制环路和电流控制环路两部分。本论文从Buck型开关电源的工作原理、整体架构、小信号模型和电路几个方面出发,对Buck DC-DC转换器进行了深入研究。论文主要工作如下:①对Buck型开关电源系统进行小信号建模,结合开关网络平均法分别推导出电压环路和电流环路的传递函数,然后用SIMPLIS软件对其进行仿真验证。②设计了三种工作模式,系统根据负载自动切换工作模式:重载下工作在PWM调制模式;超载下工作在限流模式,使系统在全负载范围内都有较高效率,超载下不会因为过大电流造成损坏。③采用了分段线性的斜坡补偿方式,防止出现过补偿,同时还集成了斜坡恢复功能,防止芯片在低降压比的情况下带载能力下降。④采用了同步整流技术降低了续流二极管的损耗,也为此设计了死区时间控制电路,防止系统出现短时间的过冲电流。⑤设计了无需外接电容的软启动电路,防止系统启动时产生大的浪涌电流;系统的控制电路,功率管以及补偿...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
uck转换器拓扑结构图
华侨大学硕士学位论文10此时续流二极管正偏，使电流重新回到电感左侧，形成回路。开关管由周期性的方波信号控制其导通与关断，上述的两种状态会周期性的交替进行，通过电感不断地充电、放电，将电源电能稳定的输出到负载上。电容起到了滤波的作用，降低了输出端的电压纹波，是输出电压稳定。当该拓扑电路能稳定工作时，必然满足伏秒积原理，即导通期间的电感伏秒积与关断期间伏秒积相等[24]，可得：()INOonOoffVVtVt（2.3）式（2.3）也可表示为：onOonoffINtVDttV（2.4）即可得到方波控制信号的占空比与输入电压，输出电压的关系。整个过程中，主要信号的电流和占空比波形如图2.2所示。图2.2uck转换器主要电流波形电感电流的纹波即是开关管导通期间电流的增量，也可以是开关管关断期间电流的下降量[25]，故可以表示为：onT+--ODINOINLoffTVVVVVIdttLL（2.5）2.2BuckDC-DC转换器的反馈环路控制方式uckDC-DC开关电源主要由功率级和反馈控制环路构成，功率级主要包含功率开关管、续流二极管、储能电感和滤波电容，其作用是把电源输入的能量
第2章uckDC-DC转换器的基本原理11传输到负载端。反馈控制环路的主要作用通过采样输出信号如输出电压，输出电流等作为反馈输入，经过一系列的控制电路控制功率管驱动信号的占空比，从而使系统稳定工作[26]。反馈控制环路的交流特性决定了这个开关电源系统的性能，比如输出精度，稳定性，负载调整率，线性调整率等。目前常见的控制方式主要有电压反馈控制和电流反馈控制[27]，本节主要介绍这2种反馈控制模式的原理和具体结构，再详细分析和比较这2种反馈控制方式不同点，得出其各自的优势。2.2.1电压控制模式传统的uck型DC-DC开关电源主要用电压反馈控制模式，其整体结构框架如图2.3所示：图2.3电压控制模式uck转换器的整体框架电压反馈控制环路主要由电阻分压网络，误差放大器，PWM比较器和驱动电路构成。其工作原理为输出电压信号经过电阻分压后输入到误差放大器的负输入端，误差放大器放大了该信号与参考电压Vref的差值，其输出信号Vea作为PWM比较器的输入，与固定周期的锯齿波Vsaw作比较，即可输出一个由Vea控制的方波信号，经过驱动模块后即可控制功率管的导通时长和关断时长，当输出电压Vo上升时，误差放大器的输出Vea下降，使方波信号的占空比减小从而降低输出电压；当输出电压Vo下降时，Vea上升，增加方波信号的占空比从而提高输出电压。通过这样的反馈就能得到稳定的输出电压。电压控制模式uck型开关电源的优点是结构比较简单，易于分析和建模仿真；由于只采样输出电压信号，其抗干扰能力较强[28]。但其缺点也比较明显，
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国IC产业现状和未来方向[J]. 丁文武. 集成电路应用. 2016(12)
[2]一种DC-DC转换器中斜坡与反斜坡补偿电路的设计[J]. 万超,代辛恩,张国俊. 微电子学与计算机. 2015(12)
[3]开关电源变换器的小信号建模设计[J]. 冯丹,任宏滨,宁飞,张兴. 计算机仿真. 2015(11)
[4]软开关技术的分析研究[J]. 陈辰. 通信电源技术. 2014(04)
[5]提高带载能力的高稳定性自适应斜坡补偿电路[J]. 代国定,欧健,马任月,杨令,刘跃智. 电子科技大学学报. 2014(02)
[6]DC-DC电源管理芯片中死区时间的研究[J]. 郝志燕,姜岩峰,鲍嘉明,鞠家欣. 微电子学. 2012(06)
[7]开关型DC-DC控制芯片片上软启动电路设计[J]. 吕婧,吴晓波,赵梦恋. 固体电子学研究与进展. 2011(02)
[8]提高峰值电流模DC/DC带载能力的限流设计[J]. 代国定,胡波,马晓辉,陈跃. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(04)
[9]采用频率抖动技术降低开关电源芯片的EMI设计[J]. 程东方,孟祥斌,徐新龙,沈伟星. 半导体技术. 2011(04)
[10]开关电源的发展及技术趋势[J]. 丘涛文. 电力技术. 2008(06)
博士论文
[1]现代便携式设备中集成式电源管理的关键技术研究[D]. 娄佳娜.浙江大学 2011
[2]高性能低压差线性稳压器研究与设计[D]. 王忆.浙江大学 2010
[3]高效率大负载高集成电源芯片设计技术研究[D]. 袁冰.西安电子科技大学 2009
硕士论文
[1]Buck型DC-DC开关电源的研究与设计[D]. 余泞江.重庆邮电大学 2017
[2]BUCK变换器的环路建模与研究[D]. 严宏举.西南交通大学 2016
[3]Buck变换器环路稳定性的研究与设计[D]. 黄苏平.西南交通大学 2014
[4]一种高效率的电流型BuckDC-DC变换器的分析与设计[D]. 张实.上海交通大学 2012
[5]高效率PWM调制DC-DC变换器的分析与设计[D]. 褚敏.上海交通大学 2011
本文编号：3602952
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
uck转换器拓扑结构图
华侨大学硕士学位论文10此时续流二极管正偏，使电流重新回到电感左侧，形成回路。开关管由周期性的方波信号控制其导通与关断，上述的两种状态会周期性的交替进行，通过电感不断地充电、放电，将电源电能稳定的输出到负载上。电容起到了滤波的作用，降低了输出端的电压纹波，是输出电压稳定。当该拓扑电路能稳定工作时，必然满足伏秒积原理，即导通期间的电感伏秒积与关断期间伏秒积相等[24]，可得：()INOonOoffVVtVt（2.3）式（2.3）也可表示为：onOonoffINtVDttV（2.4）即可得到方波控制信号的占空比与输入电压，输出电压的关系。整个过程中，主要信号的电流和占空比波形如图2.2所示。图2.2uck转换器主要电流波形电感电流的纹波即是开关管导通期间电流的增量，也可以是开关管关断期间电流的下降量[25]，故可以表示为：onT+--ODINOINLoffTVVVVVIdttLL（2.5）2.2BuckDC-DC转换器的反馈环路控制方式uckDC-DC开关电源主要由功率级和反馈控制环路构成，功率级主要包含功率开关管、续流二极管、储能电感和滤波电容，其作用是把电源输入的能量
第2章uckDC-DC转换器的基本原理11传输到负载端。反馈控制环路的主要作用通过采样输出信号如输出电压，输出电流等作为反馈输入，经过一系列的控制电路控制功率管驱动信号的占空比，从而使系统稳定工作[26]。反馈控制环路的交流特性决定了这个开关电源系统的性能，比如输出精度，稳定性，负载调整率，线性调整率等。目前常见的控制方式主要有电压反馈控制和电流反馈控制[27]，本节主要介绍这2种反馈控制模式的原理和具体结构，再详细分析和比较这2种反馈控制方式不同点，得出其各自的优势。2.2.1电压控制模式传统的uck型DC-DC开关电源主要用电压反馈控制模式，其整体结构框架如图2.3所示：图2.3电压控制模式uck转换器的整体框架电压反馈控制环路主要由电阻分压网络，误差放大器，PWM比较器和驱动电路构成。其工作原理为输出电压信号经过电阻分压后输入到误差放大器的负输入端，误差放大器放大了该信号与参考电压Vref的差值，其输出信号Vea作为PWM比较器的输入，与固定周期的锯齿波Vsaw作比较，即可输出一个由Vea控制的方波信号，经过驱动模块后即可控制功率管的导通时长和关断时长，当输出电压Vo上升时，误差放大器的输出Vea下降，使方波信号的占空比减小从而降低输出电压；当输出电压Vo下降时，Vea上升，增加方波信号的占空比从而提高输出电压。通过这样的反馈就能得到稳定的输出电压。电压控制模式uck型开关电源的优点是结构比较简单，易于分析和建模仿真；由于只采样输出电压信号，其抗干扰能力较强[28]。但其缺点也比较明显，
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国IC产业现状和未来方向[J]. 丁文武. 集成电路应用. 2016(12)
[2]一种DC-DC转换器中斜坡与反斜坡补偿电路的设计[J]. 万超,代辛恩,张国俊. 微电子学与计算机. 2015(12)
[3]开关电源变换器的小信号建模设计[J]. 冯丹,任宏滨,宁飞,张兴. 计算机仿真. 2015(11)
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[5]提高带载能力的高稳定性自适应斜坡补偿电路[J]. 代国定,欧健,马任月,杨令,刘跃智. 电子科技大学学报. 2014(02)
[6]DC-DC电源管理芯片中死区时间的研究[J]. 郝志燕,姜岩峰,鲍嘉明,鞠家欣. 微电子学. 2012(06)
[7]开关型DC-DC控制芯片片上软启动电路设计[J]. 吕婧,吴晓波,赵梦恋. 固体电子学研究与进展. 2011(02)
[8]提高峰值电流模DC/DC带载能力的限流设计[J]. 代国定,胡波,马晓辉,陈跃. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(04)
[9]采用频率抖动技术降低开关电源芯片的EMI设计[J]. 程东方,孟祥斌,徐新龙,沈伟星. 半导体技术. 2011(04)
[10]开关电源的发展及技术趋势[J]. 丘涛文. 电力技术. 2008(06)
博士论文
[1]现代便携式设备中集成式电源管理的关键技术研究[D]. 娄佳娜.浙江大学 2011
[2]高性能低压差线性稳压器研究与设计[D]. 王忆.浙江大学 2010
[3]高效率大负载高集成电源芯片设计技术研究[D]. 袁冰.西安电子科技大学 2009
硕士论文
[1]Buck型DC-DC开关电源的研究与设计[D]. 余泞江.重庆邮电大学 2017
[2]BUCK变换器的环路建模与研究[D]. 严宏举.西南交通大学 2016
[3]Buck变换器环路稳定性的研究与设计[D]. 黄苏平.西南交通大学 2014
[4]一种高效率的电流型BuckDC-DC变换器的分析与设计[D]. 张实.上海交通大学 2012
[5]高效率PWM调制DC-DC变换器的分析与设计[D]. 褚敏.上海交通大学 2011
本文编号：3602952
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