1、PWM电流模式DCDC降压控制电路的设计PWM电流模式DC-DC降压控制电路的设计当今消费市场中，便携式电子产品所占比重较大，这种产品要求电池体积小、重量轻、使用时间长。高效、低压开关DC-DC转换器，通过提高电源转换效率及改进控制技术，达到了所需要求，因此被广泛应用于电子产品中。本文首先介绍了Buck DC-DC转换器的拓扑结构及工作原理，并且详细论述了两种工作模式。然后进行了系统的设计与分析，具体介绍了电流感应电路、过流保护电路、带斜坡补偿的振荡器以及同步整流驱动电路等系统关键模块的设计与仿真。其中，振荡器电路的设计中，利用一种简单的斜坡补偿电路，完成了窗口比较式振荡器的充放电电路的功能，
2、具有简洁高效的特性。 同时，在模块电路设计中，采用0.35m工艺，从功率级设计开始，详细讨论了元件类型的选择以及电路结构参数的确定。之后，配以简单的外围电路构成了Buck DC-DC转换器系统，并对其进行了功能仿真，Hspice仿真结果表明，该系统能稳定工作，并满足设计指标的要求。关键词：PWM峰值电流模式；Buck DC-DC转换器；带斜坡补偿的振荡器Title：DESIGN OF CURRENT-MODE BUCK DC-DC CONVERTER CONTROL IC Major：Microelectronics and Solid ElectronicsName: 李强 Signatur
3、e: Supervisor: Associate Prof. Lu Gang Signature: AbstractIn todays consumer market, battery-operated portable electronic devices are in great demand. For these devices, small size, light weight, and long battery run-time are the main demands. The highly efficient low-voltage switch-mode DCDC conver
4、ters are mandatory in these devices for minimizing the size and weight and extending the battery run-time, by enhancing the efficiency of power supply and improving the control technology.The topology structure and basic principle of buck DC-DC converters are introduced firstly. Meanwhile, two opera
5、tion modes are depicted in detail. Then the whole system is designed and analysis. And the key modules, such as current sensing circuit, over current protection circuit, and synchronous rectifying driver, are designed and modulated. A simple slope compensation circuit is used to substitute for charg
6、ing and discharging capacitor in the window comparator oscillator. And the oscillator is simple and effective.In the module design part, starting with the power stage, the type and parameters selection of electronic devices are discussed. Finally, a whole Buck DC-DC converter system, which can be co
7、mpleted by the control IC with few external parts, is simulated by Hspice, with 0.35m CMOS process, whose results indicate that the system is stable and circuit function and performance have perfectly satisfied the design requirements.1 引言 电源是一切电子设备的动力心脏，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性和安全性。而开关电源（Switch Mode Powe
8、r Supplies，SMPS）是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置，是通过控制开关晶体管导通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源，近几年成为了电源市场的焦点之一，越来越受到人们的重视。与传统的线性电源相比，开关电源最大的优点是体积小、重量轻、效率高。强大的优势使其几乎席卷了整个电子界，同时，由于开关电源技术不断地创新，也为其提供了更为广泛的发展空间。特别近年来随着便携式消费类电子设备市场快速成长，尤其是手机市场突飞猛进的发展速度，更是令厂商们对便携式电子设备趋之若鹜。便携式电子产品的迅速增长是开关电源技术发展的主要推动力，然而随着便携
9、式产品日益丰富的功能，如何设计可靠性好、体积小、重量轻、转化效率高（能延长电池的寿命）的电源转换电路成为便携式产品设计的重要任务16。1.1 开关电源的发展1.1.1 开关电源的发展现状据FROST&SAULLIVAN公司的资料显示，1999年全球开关电源的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元，平均年增长率为10%，这是作为电源和开关电源用户的计算机及其外围设备市场的不断发展，通讯业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景7。据相关报道，2002年全球开关电源市场总收入达到100.9亿美元，这一数字在2009年可望攀升至l56.4亿美元2。日本
10、和美国的电子工业和通讯工业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。美国在2001年AC-DC开关电源48.6亿美元，DC-DC开关电源14亿美元，合计为62.6亿美元，其中用于通信方面的开关电源共21.98亿美元，占开关电源总量的35%7。日本约占全球市场50%，美国约占29%，欧洲约占11%，亚洲（除日本外）约占5%。虽然亚洲目前在全球开关电源市场所占比例尚小，但由于亚洲通讯业的高速发展，对开关电源的需求也将与日俱增，2000年其需求量在全球市场上的比例已达10%，在21世纪初继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一8。国外开发电源管理芯片厂商很多，主要有IR、MAXIM、ST、
11、TI、National等，他们产品非常成熟，能够提供高质量、全系列的电源管理芯片，包括升压、降压、升降压，固定、可调输出，不同负载能力的芯片9。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已经占据了相当的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口9，然而其红火的表象难掩缺乏核心控制芯片技术的尴尬。国内开关电源厂家所用的电源管理芯片均由国外公司提供，由于没有国内厂家能够参与竞争，芯片价格远高于成本数倍，使得开关电源整机成本较高，大部分利润被核心芯片提供商剥夺，技术上受制于人，很难实现大的突破。因
12、此开发具有自主知识产权的电源管理芯片，已是大势所趋、形势所迫10。1.1.2 开关电源的发展趋势近年来，开关电源发展呈现以下趋势1115：（1）小型化、轻量化和高频化开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定。因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高效率和高可靠性开关电源使用的元器件大大少于线性电源，因此提高了可靠性。电容、光电耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用较少
13、的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。（3）低噪声和良好的动态响应单纯追求高频化，会引起很大的噪声。电子信息设备用量的激增使得电磁干扰（EMI）问题日益突出，而开关操作时产生的浪涌和噪声则是开关电源转换器的固有缺陷。采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。尽可能降低噪声影响成为开关电源转换器的又一发展方向。（4）低电压、大电流、高功率、低功耗随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V，业界预测，电源输出电压还将降到1.0V以下。与此同时，集成电路所需的电流增加
14、，要求电源提供较大的负载输出能力。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过程以及动态特性等，也得到进一步提高。开关电源的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题（尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究，诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。从目前至今后一段时间内，它都是电力电子界的热点。（5）电压提供多样化现在的便携产品通常会集成视频、音频、照相、录像文件存储等多种功能。不同功能的实现都需要不同的电压供电，而且要求电压稳定、可靠、高效，这也是电源管理面临的一个挑战。电源管理系统正在日趋复杂化，如何有效地管理多种电压，并
15、且使之互不干扰，是电源设计中正面临的一个难题。（6）开发新型半导体器件开关电源的发展与半导体器件的发展关系紧密。高频化开关电源转换器的实现，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，开发用于高频领域的低损耗磁性材料，改进电磁元件的结构和设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻（Equivalent Serial Resistance，ESR）等，对于开关电源转换器器的小型化始终起着巨大的推动作用。（7）高度集成化开关电源芯片的另一发展趋势是在更小的硅片上集成更多功能特性，以更好的设计灵活性实现更强的系统用电性能，而不会增加成本。
16、多个单一功能的电源器件组合的方法将会被类似PMU（电源管理单元）的芯片取代。经过几十年来的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。1.2 开关电源的分类与比较 按照电力电子的习惯，电源可以分为以下四类：整流（AC-DC），逆变（DC-AC），交流-交流直接变频（AC-AC），直流变换（DC-DC）16。DC-DC转换器已经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并得到用户的认可，但AC-DC因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题17。DC-DC变换器又可以分为低压降调节器
17、（Low Dropout Regulator）、电荷泵（Charge Pump）和开关电源（Switching Power Supply）。表1-1 DC-DC转换器的分类和比较16 18 Table 1-1 classification and comparison of DC-DC converters转换器类型优点缺点低压降调节器（LDO）Low Dropout Regulator1 无磁性元件2 外部元件少，易于设计3 成本低4 噪声最低5 PCB面积小6 瞬态负载响应快1. 适用于低到中等功耗2. 受到Drop Out 电压限制3. 输出只能小于输入4. 效率低5. 热量管理差电荷泵
18、Charge Pump1 无磁性元件2 外部元件少，易于设计3 PCB面积小4 在关断或者空载情况下功耗特别低5 输出可以大于输入1. 只适用于低功耗应用2. 输入电压范围比较窄3. 输出电流小开关电源Switching Power Supply1. 输入电压范围宽2. 可以适用于高功率要求3. 输出可以大于或者小于输入4. 热量管理最好5. 输出电流大1. 需要有磁设计2. 外部元件数量多3. PCB面积大 表1-1是三者的优缺点比较说明。从中可以看出，DC-DC开关电源性能良好，效率最高，因此在便携式电子产品中得到了广泛的应用。除此之外，下面还列举了DC-DC开关电源常见的几类分类方式，分
19、类如下： （1）按照开关管与输入电压的连接方式，DC-DC开关电源可分为串联式和并联式两种。开关管与输入电源电压串接的称为串联型开关电源转换器，开关管与输入电源电压并接的称为并联型开关电源转换器。例如：降压型、升降型DC-DC属于串联式，升压型DC-DC属于并联式。（2）根据输出电压与输入电压的关系又可分为降压型（Buck Converter）、升压型（Boost Converter）、升降型（Buck-Boost Converter）。（3）根据控制方式，DC-DC转换器可以分为脉冲宽度调制（PWM）型、脉冲频率调制（PFM）型和混合调制型（PWM和PFM混合调制型）。（4）根据输入电路和输
20、出电路之间的关系，DC-DC转换器可以分为非隔离式转换器和隔离式转换器。非隔离式转换器工作时输入电源和输出负载共有一个电流通路，可分为降压型转换器、升压型转换器、升降型转换器和负压型转换器。隔离式转换器靠相互耦合的磁性元件（变压器）实现能量转换，电源与负载的联系结合是通过磁通量而不是共同的电流实现，根据转换器电路的拓扑结构，又可分为单端反激转换器、单端正激转换器、推挽式转换器、半桥式转换器和全桥式转换器12。1.3 本文的主要工作本文的主要工作是设计一种降压型的DC-DC转换器控制电路，工作电压范围是2.75.5V，输出为稳定的直流输出电压1.8V，工作频率为1.2MHz。系统采用0.35m
21、CMOS工艺实现，进行了关键电路模块的设计并结合Hspice软件进行电路模块及系统的仿真结果验证。本文各章节内容安排如下：（1） 在参阅了大量参考文献的基础上，第一章回顾了开关电源技术的现状与发展趋势，并对其分类进行了比较说明。（2） 第二章简单介绍了DC-DC转换器的基本拓扑结构及其工作原理，着重分析了降压型DC-DC转换器的工作原理及其控制方式，从而为设计提供了理论依据。（3） 第三章阐述系统分析与设计过程。首先对系统的设计进行了整体性说明，并对各子电路模块误差放大器、PWM比较器、带斜坡补偿的振荡器电路、电流感应电路、同步整流驱动电路及逻辑控制电路等进行了详细的分析，对其工作原理及参数求
22、解都作了详细的分析推导，并给出其功能仿真结果。（4） 第四章对系统的整体特性进行仿真验证。 DC-DC转换器的拓扑结构和原理分析DC-DC变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件和储能元件的集体配置关系19。随着技术的不断发展以及应用层面的拓展，目前DC-DC变换器拥有多种拓扑形式。总之，非隔离式标准DC-DC转换器的拓扑结构有以下四种2 4： （1）Buck型电路降压转换器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。（2）Boost型电路升压转换器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。（3）Buck-Boost型电路降压或升压转换器，其输出平均电压Uo大
23、于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4）Cuk型电路降压或升压转换器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。由于移动PC、掌上电脑等可携式设备的电池电压在224V范围内，而内部的电路单元多是以1.65V为电源，所以对于输入电压高于输出电压的应用，Buck型拓扑结构为首选。因此，下面主要介绍本文设计采用的Buck型转换器，其他三种拓扑结构的介绍可以参考文献12 2023。2.1 Buck DC-DC转换器的工作原理分析DC-DC转换器的主要特点是功率管工作在开
24、关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，暂时以磁场能形式存储在电感器中，然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，得到经变换后的电压脉动较小的直流电能，实现DC-DC变换24。DC-DC转换器系统由主电路和控制电路组成，构成开关电源的主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，在开关管闭合的时候，将能量储存在电感中，在开关管关断的时候，电感中的能量会通过整流管进入到电容，这样就实现了能量的传输和转换，合称为功率级；控制电路则通过控制功率开关管的通断实现调节输出电压恒定在设定值，从而控制
25、主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入的电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定11 25。Buck型DC-DC转换器的拓扑结构如图2-1所示。Vin为输入电源，通常为电池或电池组，Mp是主开关管，因其源端接电源Vin，适宜选用低电平导通的PMOS管。在传统的Buck型DC-DC转换器结构中，次级整流电路中起续流作用的二极管通常使用肖特基二极管，但当电源模块的输入电压逐步降低时，采用肖特基二极管的电源模块的效率损失很大，所以为了提高电源的使用效率，采用了同步整流技术，用开关管Mn代替了二极管，在Mp截止期间打开起到续流的作
26、用。图2-1 Buck 型DC-DC转换器的拓扑结构Fig 2-1 the topology structure of Buck DC-DC converter根据电感电流在一个开关周期起始时是否从零开始，可分为连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）26。在转换器的主开关导通期间，电感中的电流上升；在转换器的主开关截止期间，电感电流下降。如果在转换器的主开关截止期间，电感中的电流降到零，则在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量将为零，转换器工作于非连续导通模式；否则转换器工作于连续导通模式。下面对Buck型转换器的两种工作模式进行分析和讨论，以便于进行系统设计。2.1.1 CCM模式
27、分析在工作过程中，当控制信号使开关Mp导通，Mn截止之后，电感L中的电流逐渐增加，存储的磁场能量也逐渐增加。当电感L中的电流小于负载电流时，电容C放电以维持输出电流，一旦电感L中的电流增大到大于负载电流，多余的电流给电容C充电，电容C上的电压开始上升。经过ton时间以后，控制信号使开关Mp截止，Mn导通，电感L中的电流减小，电感L中存储的磁场能量便通过Mn通路给负载供电。当电感L中的电流降低到小于负载电流时，电容C开始放电以维持输出电流。经过时间toff后，控制信号又使开关导通，上述过程重复发生。Buck 转换器CCM模式波形图如图2-2所示4。图2-2 Buck 转换器CCM模式波形图Fig
28、 2-2 the waveforms of Buck DC-DC converter in CCM mode控制电路输出信号使主开关管Mp导通时，滤波电感L中的电流线性増加。忽略MOSFET的导通压降，MOSFET源极电压应为Vin，则滤波电感电流增量应为： （2.1）式中ILmin为Mp导通前流过电感L中的电流，ILmax为Mp导通状态结束时，即t=ton时，L中的电流达到最大值。控制电路使主开关管Mp关断时，电感L中的电流将线性减小。忽略Mn管的导通压降，则滤波电感电流增量应为： （2.2）由于稳态时这两个变化量相等，所以， （2.3）即 （2.4）式中T为主开关管控制信号的周期，ton是
29、Mp导通时间，toff 是Mp关断时间，D为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。式（2.4）即为DC-DC转换器工作于CCM模式时输入电压和输出电压之间的直流关系，从该式可以看出，由于占空比小于1，该电路输出电压总是低于输入电压21。由于流过电感的电流平均值等于负载电流，故 （2.5）流过主开关的电流平均值为 （2.6）用式（2.2）和（2.5），消去ILmin，可得 （2.7）接着考虑一下输出电压的交流波动分量，当电感中电流大于负载电流时，电容开始充电，输出电压开始升高；当电感电流小于负载电流时，电容开始放电，输出电压开始下降。流过电容的电流可以表示为 （2.8）假设
30、t=0时，主开关Mp导通，电容放电电流开始减小，在经过ton/2之后，电容的放电电流等于零，此时输出电压具有最小值；然后电容开始充电，输出电压开始上升，电容的充电将一直持续到电容充电电流再次变为零为止。在ton/2到ton+toff/2时间段之间电容上的电压增量，就可算出输出电压的纹波值，即 （2.9）又因为导通期间电容电流可表示为： （2.10）由此可以求出式（2.9）的第一项积分 （2.11）根据式（2.1）和（2.5）可得 （2.12）同理，主开关Mp截止期间电容电流可以表示为： （2.13）由此可以求出式（2.9）的第二项积分。为了便于计算，把积分下限移动到坐标原点，得到 （2.14）
31、根据式（2.2）和（2.5）可得 （2.15）将式（2.11）、（2.12）、（2.14）和（2.15）代入式（2.9），经过基本的数学变换，就可以得到输出电压的纹波分量Vo的计算公式 （2.16）将式（2.4）经过适当的数学计算后，式（2.16）最后可以变换为 （2.17）式（2.17）为Buck型转换器工作于连续导通模式时输出纹波与输入输出电压、电感电容和系统工作频率之间的关系。在DC-DC转换器中输出电压的纹波特性是最重要的性能指标之一，在输出纹波指标、输入输出电压已确定的情况下，需要综合考虑工作频率和功率级电感电容的取值。同时由上式也可以看出输出纹波的大小同系统工作频率的平方成反比，即在输入输出电压、电感电容确定的情况下，工作频率越高，系统的输出纹波越小，由此可知当今DC-DC转换器的趋势之一是高频化17 20。2.1.2 DCM模式分析图2-3 Buck转换器DCM模式波形图Fig 2-3 the wa
