【畢業(yè)學位論文】升壓式DCDC變換器的研究與設計-微電子學與固體電子學

西安電子科技大學碩士學位論文升壓式楠申請學位級別：碩士專業(yè)：微電子學與固體電子學指導教師：吳玉廣20100101摘要摘要本文設計了一款升壓式入電壓范圍為27V，適用鋰離子電池供電的便攜式設備，可輸出高達18載電流最大達200路采用電壓控制型建頻率為1用同步整流技術提高系統(tǒng)效率。同時對升壓型變換器的模型建立進行了研究，設計了過溫關斷、欠壓鎖定等保護電路來提高系統(tǒng)可靠性。此升壓式差放大器、位電路、振蕩器、系統(tǒng)補償電路等單元電路組成。電路基于035用真結果顯示本文的設計切實可行，達到設計目標。關鍵詞： 升壓式步整流CDC an 7 5 in by up a as 8 he in a 5to 1aS WM meis of創(chuàng)新性)聲明秉承學校嚴謹?shù)膶W風和優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切的法律責任。本人簽名：蛐西安電子科技大學關于論文使用授權的說明本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬西安電子科技大學。學校有權保留送交論文的復印件，允許查閱和借閱論文；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。同時本人保證，畢業(yè)后結合學位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學。(保密的論文在解密后遵守此規(guī)定)本學位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權書。本人簽名：導師簽名：日期越l里，f：逆f Q l f!絲第一章緒論第一章緒論電源是各種用電設備的動力裝置，是電子工業(yè)的基礎產(chǎn)品，開關電源一直是市場熱點之一。本文首先簡要介紹開關電源的發(fā)展狀況，然后闡述點及發(fā)展趨勢，最后介紹本論文的主要工作以及論文的架構。11開關電源簡介電源一般按習慣可以分為線性穩(wěn)壓電源(開關穩(wěn)壓電源。開關電源就是利用現(xiàn)代電力電子技術與微電子技術，控制半導體功率開關器件開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為通過用電子線路組成開關式(方波)電路來達到對電能的轉換。開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達80以上，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。開關電源的發(fā)展經(jīng)歷了幾個時期：電子管穩(wěn)壓電源時期(1950年代)960年代1970年代中期)、低性能穩(wěn)壓電源時期(1970年代1980年代末期)、高性能的開關穩(wěn)壓電源時期(1990年代至今)。由于開關電源功耗小、效率高(可高達7095)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點，而線性電源效率低(一般低于50)，并且電壓轉換形式單一(只有降壓)等缺點，如今開關電源已逐漸取代線性電源。當然線性電源因為其低噪聲、紋波小的優(yōu)點，在一些電子測量儀器、代線性電源性電源仍然無法被開關電源取代【l】。開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，其優(yōu)點是小型、輕量、效率高。它的這種優(yōu)點適應電子設備的輕、薄、短、小與節(jié)能的要求，其應用范圍迅速擴大。目前它已成為國際上開發(fā)中、小功率開關電源、精密開關電源及電源模塊的優(yōu)選。驅動集成電源市場蓬勃發(fā)展的主要原因有兩個：首先是在提高性能的基礎上，所有電子設備中使用的硅組件正不斷增加；其次是消費性電子產(chǎn)品大量數(shù)字化的結果，需要更多高性能的電源組件來支持日趨復雜的功能。2 升壓式開關電源的市場前景這幾年通信行業(yè)的發(fā)展，特別是以開關電源技術為核心的通信開關電源，僅國內就有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科研人員對其進行開發(fā)研究。目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家，國產(chǎn)開關電源已經(jīng)占據(jù)了相當市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已經(jīng)獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。但是，目前國內電源整機廠家所用的電源管理芯片均由國外公司提供，不僅大部分利潤被國外廠商剝奪，而且技術上受制于人，很難實現(xiàn)大的突破，這對我國的經(jīng)濟發(fā)展和國防建設都非常不利。所以，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的電源管理芯片已是形勢所迫。13論文主要內容及章節(jié)安排論文主要內容：本文的研究課題是升壓式計采用電壓型脈寬調制方式。輸入電壓范圍為27V，輸出電壓穩(wěn)定在18V。輸出最大負載電流可達200文的內容包括了升壓變換器的拓撲分析，電壓控制型變換器模型的建立，電路各個子模塊的原理與設計和仿真結果以及整體電路的設計和仿真。整個系統(tǒng)包含了帶隙基準電壓模塊，蕩器、差放大器、輸出鉗位電路、驅動電路和電壓控制型升壓變換器的模型，以及系統(tǒng)補償網(wǎng)絡、欠壓保護和過溫保護電路。文中設計基于035用整子電路的結構和參數(shù)，使其滿足設計要求。本文分為六章，第一章簡單介紹開關電源及其市場前景。第二章介紹作原理和調制方式。第三章利用基于狀態(tài)空間平均法的四章提出系統(tǒng)設計指標并給出電路正向設計思路。第五章對電路各個子模塊進行設計和仿真并給出系統(tǒng)整體真結果。第六章對前文工作進行總結和展望。第二章稱為直流直流變換器，它利用無源元件電感和電容的能量儲存特性，從輸入電壓獲得能量，暫時把能量以磁場的形式存儲在電感中，或者以電場的形式存儲在電容之中，然后將其變換到負載，實現(xiàn)攜式電子產(chǎn)品通常需要多種電壓，但是這些產(chǎn)品只能由一組電池供電，因此所需要的各種直流電壓必須通過據(jù)輸入電路與輸出電路的關系，壓型(升壓型(升壓降壓型(反相型(面分別介紹這幾種變換器的工作原理。2I 為續(xù)流二極管，卜圖2I 入電壓加載在儲能電感的兩端，能量被儲存在電感中而不傳遞給輸出端，根據(jù)電感方程，有：V,=21)由此可以推出：卜專持不變，則有：(2 升壓式f+厶血(2 r L“其中五岫為開關此可以看出，開關導通后，電感上的電流線性上升，開關上的電流也呈線性上升，在t=刻，當開關導通的狀態(tài)終止時，電感電流達到最大值：k (2關斷開時，電感電壓反向，該電壓和電源電壓疊加后，通過二極管感儲存的能量通過二極管傳遞給輸出端，同時直流源也給負載提供能量。則有：一=哮(2t。時刻，流過電感：乞一一畢() (26)當過電感的電流最小，其值為： 五血：毛一一畢o(2：+2式經(jīng)整理后可得：=警=1+號卜 【 k 電路的輸出電壓高于輸入電壓，所以將其稱為升壓型作過程中，開關的導通時間2 換電路存在著濾波電感連續(xù)導通模式非連續(xù)導通模式種工第二章穩(wěn)定狀態(tài)下每個周期中電感電流都回到零，稱為非連續(xù)導通模式(若電流回到某一非零值，稱為連續(xù)導通模式(4】。面討論21 =&。個周期內，開關管導通時間為的凈增加量：=T。N=2一感電流(211)E=三心)2_三孕 階段輸出負載電流由輸出電容提供，由于開關頻率足夠的大，周期很短，可以認為輸出電壓為輸出電壓紋波，它相對輸出電壓的值可以忽略，認為負載仍獲得均勻的輸出電流，為使輸出電壓紋波盡可能的小，輸出電容必須足夠的大。 開關斷開的時間為(1一D)T，電感電流的下降量為：k=半k=警(1 (213)在穩(wěn)態(tài)下，必須等于k，則電路能夠以穩(wěn)定的能量包的形式向負載傳輸能量，則有 升壓式=尚=等=等(214)(215)其中易是輸出電流，是開關工作頻率。根據(jù)紋波電壓的指標可以選擇適用的電容值。定義電壓紋波系數(shù)：y： (216)。減小輸出電壓紋波，可以通過提高開關頻率或者增大輸出電容等方法。電感只是作為儲能元件，而并非輸出濾波器組成部分，因此升壓變換器的輸出紋波一般大于降壓變換器的紋波。222 換器有可能進入非連續(xù)導通模式下工作，其開關導通時工作過程基本沒有變化。開關斷開時，電感電流如圖23所示的分成了兩個階段：圖23非連續(xù)導通時刻電感電流圖如圖2分為時，5 圖所示是一個可以拆分成上面兩種電路。的二章” 5 電感電流連續(xù)的條件下，得到：一南在電感電流不連續(xù)的條件下，則有：一號(226)(2上式可知，當時，有很多共同特性，不同之處是6 制電路的主要功能是為開關管提供時間或比率可調的驅動脈沖，從而達到穩(wěn)定的輸出電壓的目的。目前出現(xiàn)的有時間和比率調節(jié)的方式。調節(jié)方式有四種【2】：脈沖寬度調制(礬脈沖頻率調制(調寬調頻(跨周期調锘261 過改變功率開關管的導通時間或者截止時間來改變占空比的一種調制方式，是目前功率變換器中應用最為廣泛的一種控制方式【3】。工作原理：首先對被控輸出電壓進行檢測，得到反饋電壓，將其加至運放的反相輸入端，另一個精確的基準參考電壓加至運放的同相輸入端。反饋電壓與基10 升壓式至一個固定頻率的振蕩器產(chǎn)生鋸齒波信號加至比較器的反相輸入端，二者經(jīng)過出一方波信號，此方波信號的占空比隨著誤差電壓變化而變化，實現(xiàn)脈寬調制。部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調節(jié)主電路開關管的導通時間(即脈沖寬度)，保持脈沖的周期不變來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的62 節(jié)開關管的截止時間，通過改變脈沖頻率來穩(wěn)定輸出電壓。其特點是：輸出取樣值控制頻率控制器，占空比變化范圍大，效率高，功耗低，輸出電壓的可調范圍比且在負載變化范圍大的情況下，可得到較高的效率。但是，濾波電感為了能適應較寬的頻段，其體積和重量必定也要增大。工作原理：取自輸出端的反饋電壓加在誤差放大器的反相輸入端，另一個精確的基準電壓加在誤差放大器的同相輸入端，二者之間的壓差被放大后去控制可變頻率控制器?？勺冾l率控制器是一個壓控頻率變換器，提高輸入電壓就能提高輸出脈沖的頻率。輸出電壓的改變就是通過調整開關頻率得到調整的。換器只有比較稀的脈沖群，在脈沖群與脈沖群之間兩個基本點功率管都關斷，電路空閑不工作，電感電流為零。在這個過程中，輸出電容為負載提供電流。當輸出電容放電，使得電壓低于基準電壓時，變換器重新工作，再產(chǎn)生一些脈沖群，使得輸出電容被充電。顯然，電路中與負載無關的損耗減小，隨著負載電流的減小，空閑時間增加。263 開關損耗與輸出功率成正比，效率幾乎與負載無關。工作原理：控制器對輸出電壓進行檢測，如果在一個時鐘周期內輸出的電壓值低于額定值，則這個周期內開關管導通。否則開關管截止。這樣就可以使得輸?shù)诙逻_到穩(wěn)定后，開關管的平均工作頻率，即有效頻率由負載決定。如果負載足夠大，開關管將在每個周期內導通，此時有效頻率達到最大工作頻率石緞=1T。在一般情況下，開關管只在部分周期內導通，此時有效頻率兀將小亍呲活，動態(tài)響應比較好，文中設計采用7 常用反饋回路來控制輸出電壓，根據(jù)采樣的變量的不同，分為電壓控制和電流控制?？紤]到電壓型控制只有一個控制環(huán)路，設計分析比較簡單，并且電路體積較小，振蕩器產(chǎn)生的幅值比較大，抗干擾能力比較強，文中設計采用電壓型方式進行控下面重點介紹電壓控制型調制方式的原理。271電壓控制電壓控制原理圖電壓控制的原理圖如圖27所示，輸出電壓差放大器同相端為帶隙基準提供的基準電壓、，0，二者經(jīng)誤差放大器放大輸出的直流電平振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的鋸齒波比較，輸出一方波，經(jīng)過驅動電路后驅動功率開關管。輸出電壓下12 升壓式饋電壓下降，誤差放大電壓增大，比較器門限增大，開關導通時間越長，從而保證電感儲存足夠的能量，維持負載電壓的穩(wěn)定。由以上分析可知：=么(一) (228)=3229)=而A (2中果彳盧l，輸出電壓吉，則此時是一個與輸入電壓，負載電流分析可知，電壓反饋控制只響應輸出負載電壓的變化，當負載電流或者輸入電壓變化時，必須等到負載電壓發(fā)生變化時才能夠響應。同時因為種延遲經(jīng)常為一個或者多個周期。由于輸出的環(huán)路穩(wěn)定性造成不良影響，通過設計合理的補償網(wǎng)絡可以抵消這兩個極點的影響，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。電壓控制模式的優(yōu)點有：(1)沖寬度調節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；(2)占空比調節(jié)不受限制；(3)對于多路輸出電源，他們之間的交互調節(jié)效應較好；(4)單一反饋電壓閉環(huán)設計，調試比較容易；(5)對輸出負載的變化有較好的響應調節(jié)。缺點有：(1)對輸入電壓的變化動態(tài)響應較慢；(2)補償網(wǎng)路設計本來就較為復雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化更為復雜；(3)輸出補償誤差放大器時，需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點進行補償。272電流型控制方法第二章所示，與電壓型不同的是誤差放大器的輸出并不直接與鋸齒波做比較而是與一個變化的合成的三角波合成信號做比較，然后去控制開關管的導通。與電壓模式相比，電流模式是雙閉環(huán)系統(tǒng)。外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，內環(huán)由采樣電感輸出電流電路形成。內環(huán)電流在每個周期內上升，不僅可以響應負載電壓的變化，且可以響應電流的變化，比電壓具有更大帶寬。因為本設計中沒有采用電流型控制，不再贅述。圖28電流控制原理圖第三章 何判定它的穩(wěn)定性成為問題，由于開關頻率很高，一次仿真需要花費很長的時間，通過一次次仿真進行嘗試補償顯然不可取，而且變換器的頻域特性至關重要，并不能直接從仿真結果中得到，所以有必要對變換器的低頻工作特性進行建模，從而更好的了解系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。為補償網(wǎng)絡和誤差放大器的設計打下基礎【刀。目前對個廣為人知的方法就是S中的建模方法是在基于狀態(tài)空間平均法基礎上，加入了一些特定的假設將電路結構進一步簡化，從而建立合適的電路模型。首先引入處定義為滿足如下兩個條件的電路結構：(1)可以從變換器電路中分離并且用低頻等效電路來取代；(2)包含了變換器中全部的開關元件，盡量少含變換器中其他的電路元件。一旦變換器中的流源和恒壓源就可以連接在2 設計中通過選取合適的電感值可以避免變換器進入非連續(xù)工作模式，此處建模時將非連續(xù)模式考慮在內主要為了模型的可擴展性，首先考慮連續(xù)模式下變換器的工作特點，電感被等效為恒流源，21連續(xù)模式下的變換器工作特點參考圖31中的兩幅圖，分別代表了連續(xù)模式下開關打開和關閉時的等效16 升壓式0以在臨界狀態(tài)有：易三互1L=三孚一D) (4j)得到臨界電感值為：k=切6)的輸入范由是27V55V，輸出電流最小為100到電感取值：三叼7)可見在輸入電壓最大，輸出電流最小時有最差情況的電感值合常用電感的最小規(guī)格是47四章1同步整流基本原理43同步整流技術開關電源的損耗主要由功率開關管和輸出端整流管的損耗組成，在大電流輸出的情況下，整流二極管的導通電壓較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴投O管(超快恢復二極管(達12V，即使采用低壓降的肖特基二極管(也會產(chǎn)生大約06就導致整流損耗增大，電源效率降低【111。同步整流技術是采用通態(tài)電阻極低的功率代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高率在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。利用上壓降可以通過采用大寬長比管子而降得很低，可以顯著提高轉換效率。采用功率現(xiàn)了輸出整流管通態(tài)壓降小、耗散功率低，效率高的擇功率和雙極型晶體管不同，柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值電壓時才開始導通。因此柵極驅動器的負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內完成對等效柵極電容充電。利用低導通電阻的41同步整流結構示意圖432同步整流的死區(qū)時間控制24 升壓式動電路要用幾個璐甚至更長的時間來使其翻轉，帶來兩個功率管同時導通的隱患，因此需要在兩個功率管的開啟和關斷之間人為的加入一定時間延時，以保證一個功率管完全關斷后另一個開始導通。這段時間稱作死區(qū)時間，死區(qū)時間內由功率管的體二極管充當續(xù)流二極管，工作方式與普通二極管類似。導通壓降約為07v，顯然，死區(qū)時間過長，將引起較大損耗，因此同步整流中的死區(qū)時間應精確控制【12】。在眾多死區(qū)時間控制技術中，交錯延時死區(qū)時間控制電路比較簡單，使用較為廣泛。在電路設計中，可以通過計算估算出整流管的寄生電容大小，再根據(jù)負載電流算出寄生電容的放電時間，只要反相器鏈的延時時間等于寄生電容的放電時間，就不會產(chǎn)生整流管體二極管導通損耗或開關電容損耗，從而實現(xiàn)高效率的轉換。交錯延時死區(qū)時間控制電路，可以通過反相器鏈來控制延時時間，如果負載電流發(fā)生變化，寄生電容的放電時間就會跟著改變。負載電流變大，寄生電容很快放完電，此時整流管還沒有導通，整流管體二極管在電感作用下會導通，產(chǎn)生導通損耗；負載電流變小，寄生電容還沒有放完電整流管就開始導通，寄生電容會通過整流管放電，產(chǎn)生開關電容損耗?？紤]到交錯延時死區(qū)時間控制電路比較簡單，可以從全負載范圍來考慮選擇一個合適的固定死區(qū)時間，而忽略那些隨負載電流變化帶來的損耗，從而避免采用復雜的電路結構來進行死區(qū)時間控制。44功率管尺寸的確定功率開關管的選擇需要滿足電流能力、損耗大小和耐壓等要求，功率開關管允許的最大損耗需結合系統(tǒng)效率要求，作損耗分析獲得。系統(tǒng)的損耗包括了整流損耗，電感出電容率開關管導通損耗，功率開關損耗和功率管驅動損耗等，下面逐一分析。441電阻引起損耗圖42為。等效兩個功率管的寄生電容，電阻冠分別等效電感直流電阻和輸出電容的四章ii吞 Z T=籽似出+弘c叫 ，竺久(t)2曩-+(1一D)廓l】其中如(t)是平均電感電流，如。和彤。分別是論上增大功率管的寬度肜可以降低導通電阻從而減小電阻引起的損耗。442寄生電容引起損耗如果以減小電阻損耗為目的，一味增大功率管的寬度礦，伴隨寬度形的增加，寄生電容也伴隨面積的增加而增加。由寄生電容充放電引起的損耗=筋。嘞=(C，+CP，t)2 (49)其中C。和q。分別是兩個功率管的寄生電容?？梢姡谠龃蟮V減小導通損耗和減小形減小電容充放電損耗的兩個不同方向上存在著一個最優(yōu)功率管寬形。443驅動電路引起損耗驅動電路損耗，驅動電路的損耗包含了開關功率管和整流功率管兩部分的損耗：k=+嘞=氐()喪+鯫()鼉 (4中柵是驅動功率管柵極的驅動電壓。升壓式4靜態(tài)功耗和死區(qū)耗散電路所有的控制電路，包括偏置電路，運算放大器，比較器等幾乎所有模擬電路模塊都需要一定的靜態(tài)電流來維持其工作，數(shù)字電路雖然理論上不存在靜態(tài)電流損耗，但是由于總數(shù)量很大，在頻率很高時，其柵極在狀態(tài)改變中由寄生電容充放電造成的損耗同樣不容小視。靜態(tài)電流引起的功耗可以表示為：尼=乇 (411)在死區(qū)時間內，兩個功率管都不導通，此時續(xù)流二極管由整流功率管的體二極管充當，工作原理類似普通二極管，導通壓降大概為O7v。引起的死區(qū)耗散可以表示為，昂=冬(屯)等 (412)其中礎是整流管的體二極管的導通壓降。通過以上描述，可以看到，電路總的損耗是這幾個方面損耗之和：尸=氣+忍+匕岍+易 (413)445功率管的最優(yōu)尺寸因為上式中涉及的導通電阻，寄生電容都和功率管面積A。和4。成比例，用總功耗以求得便損耗(-硒嘞+(k) )4t 2易沂插l2鰳+。(叮) (4中t=如b。，和如-，。分別是兩管的柵漏和柵源單位面積寄生電蓉?？梢钥吹?，通過查詢工藝參數(shù)和求出系統(tǒng)穩(wěn)定時的占空比以輸入電壓36V，輸出電壓18略功率管的導通壓降，占空比為80。帶入到式414和415中?？梢郧蟪鲩_關功第四章7率管的寬約為12流功率管的寬約為3445輸出鉗位技術注意到圖42中的系統(tǒng)示意圖，需要有一路信號來驅動得驅動信號整流管的柵源電壓V品=0時，即整流管的柵源電壓論上能夠快速的為功率管的柵電容充電，使其翻轉。但是柵源之間的緣層很薄，過高的輸出電壓以需要一個合適的使整流管開啟時，其柵源電壓33V)。本設計中采取的方法是設計一路輸出鉗位電路，通過將輸出電壓到一始終低于經(jīng)過電平位移后為整流管提供一擺幅在和體實現(xiàn)電路將在下一章提出。461系統(tǒng)引腳定義46系統(tǒng)工作原理及引腳定義如圖43系統(tǒng)框圖所示，系統(tǒng)輸入輸出引腳共6個，下面對其分別定義：統(tǒng)的電源輸入。直接連接一節(jié)鋰離子電池或者三節(jié)鎳鎘電池，給電路中的功率管、模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊供電。為了降低輸入端的紋波和消除噪聲問題，需要在此引腳加入輸入電容；統(tǒng)所有模塊的地線；感和功率開關管的連接端；升壓式饋電壓引腳，采樣自輸出電壓并作為誤差放大器的一端輸入；統(tǒng)輸出電壓。462系統(tǒng)工作原理圖43芯片系統(tǒng)框圖圖43為變換器系統(tǒng)工作原理框圖。當統(tǒng)進入工作狀態(tài)。內部電路提供1226樣輸出電壓軟啟動電路產(chǎn)生的啟動信號一同輸入誤差放大器，經(jīng)過誤差放大器放大后的輸出電壓有可能超出振蕩器產(chǎn)生的三角波幅度范圍，采用鉗位電路限制誤差放大器輸出的范圍，然后送入與低壓鎖定和過溫保護信號經(jīng)過邏輯運算后輸出。由于能直接由該輸出信號驅動，分別設計了驅動開關管和整流管的驅動模塊。P 線。463各子模塊功能說明基準電源模塊(給運放、穩(wěn)壓器及其它模塊提供參考電壓；穩(wěn)壓器(給運放、比較器、振蕩器等模塊提供25差放大器(當輸出電壓變化時，將輸出電壓的采樣電壓與參考電壓的誤差信號放大，輸出電壓作為較振蕩器產(chǎn)生的固定頻率的三角波和誤差放大器輸出電壓從而第四章蕩器(輸出頻率為15動電路(，分別是開關管和整流管的驅動電路。增強位電路(將誤差放大器的輸出通過鉗位得到在啟動電路(為系統(tǒng)提供軟啟動信號；輸出鉗位電路(P 將輸出電壓鉗位后得到一個始終與輸出電壓相差3線；保護電路(為系統(tǒng)提供過溫保護信號和欠壓鎖定信號。第五章電路子模塊設計第五章電路子模塊設計51帶隙基準電路的設計帶隙基準電路的主要功能是為電路的其它單元提供穩(wěn)定的輸入電壓和溫度變化影響極小的基準電壓，還可以提供電路設計中極為重要的模塊。該模塊的設計要求為：輸出為1226度系數(shù)低于10個C。511帶隙基準工作原理工作原理：根據(jù)硅材料的帶隙電壓與輸入電壓和溫度無關的特性，利用兩個具有相反溫度系數(shù)的量以適當?shù)臋嘀叵嗉?，可以得到理論上的零溫度系?shù)基準。雙極晶體管的基極一發(fā)射極電壓，或者說有負溫度系數(shù)131。 監(jiān)：+m)(51)的溫度系數(shù)與溫度有關系，與本身的大小有關，當750=300。一15加礦。K (52)兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極一發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。例如，兩個同樣的晶體管(L=置的集電極電流分別為咄和厶，并忽略它們的基極電流，那么：=t一z=巧5樣，的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)：32 升壓式,：魚-4)ar 到：(55)因為室溫下a10T一15K，T+0087K，通過選取口以得到零溫度系數(shù)。512帶隙基準電路實現(xiàn) 上!上田h M 1L 1L mr r 舊rJ 1LM”I r。 1岬”I I：l 。I!習h 融期廣 一。i I卜再阿習h I， f。怎山帶隙基準電路圖上圖為帶隙電路的結構，運算放大器與 管構成一個負反饋，使得運放正負輸入端電壓相等。發(fā)射極面積之比為 的兩個三極管2的基極差值加在電阻墨上。由前面的分析可知，與絕對溫度成正比，電阻上的電壓也和絕對溫度成正比，可以用來補償隨絕對溫度減小的部分，合理地選擇墨和 的值，就可以得到與溫度關系很小的輸出電壓：=，+魯巧56 為了使電路在上電過程中能夠進入正常工作點，加入了啟動電路，啟動電路由 ， ， ， 管組成， 和 管采用二極管方式連接，電路上電時， 管的柵極電壓為：第五章電路子模塊設計一57)設計時保證： (58)則電路上電時低9，15的柵極電壓，電流流入帶隙基準的核心電路。電路進入正常工作后，得斷啟動電路，不再消耗電流，不影響電路正常工作。電路中需要一個高增益的放大器來保證電路中放大器兩端的電壓相等，因此采用了且使用自偏置結構。513帶隙基準仿真結果(1)帶隙基準的建立帶隙基準電壓的瞬態(tài)仿真波形如下所示：圖52為電源電壓從0V，溫度為27，在不同模型參數(shù)下，啟動電路開始工作，帶隙基準電壓建立，最后穩(wěn)定在1262V。鬻 器“l(fā)一。 一一一B 一，圖52上電過程中帶隙基準電壓的瞬態(tài)特性(2)溫度系數(shù)仿真(C)由于溫度變化而引起基準輸出電壓的變化量，簡稱溫度漂移，單位是10_6y(即1 C)。溫度系數(shù)反映了基準源在整個工作溫度范圍，輸出電升壓式計算公式如下式：上蜓當!L一】l o。6 yC (59)勰舭(乃愀一)。理論上帶隙基準電路可以實現(xiàn)零溫漂，實際上受到很多因素的影響，基準電壓只能接近零溫漂。通常來講，C，下圖為本文中設計基準電壓與溫度的曲線關系，在電源電壓為36行40。的溫度掃描，電壓變化范圍為172個弼=篙筠)c (5乙2一2 6 乙 、，、1 一(_40)17可以滿足電路需要。圖53基準電壓與溫度關系圖(3)線性調整率仿真圖54是室溫為27時，基準電壓隨電源電壓變化的曲線，由圖可知，電源電壓從3準電壓的線性調整率為：蒜4 m了v(5)墨墨翟=3鬣蜀墨豈二=nC f v二=二=圖54帶隙電壓隨電源電壓變化曲線第五章電路子模塊設計 35(4)電源抑制比仿真電源抑制比(輸入電源變化量(以伏為單位)與輸出變化量(以伏為單位)的比值，常用分貝表示。它實際反映的是輸出電壓對電源線上的“噪聲的一種抑制能力。定義如下：勰：,： ! (512)眵呻啊 4(塒)其中(朋一唰)為輸出電壓對電源電壓的增益。圖55為基準電壓的以看到電源抑制比達到了75本可以滿足電路需要。C 一30鼉一一一，一。 。圖55帶隙基準 變換器的內部單元模塊需要一個穩(wěn)定的電壓源給電路供電，為了方便標準電源的替換，設計使此電壓值為25V，由21 準電壓源，其功能是為差放大器，其功能主要是用來控制輸出電壓，將后通過負反饋控制而控制輸出電壓到需要的值；反饋網(wǎng)絡，它的36 升壓式通過電阻分壓后與率調整管，它的主要作用是向負載輸出大電流提供通道，理想的功率管是夠實現(xiàn)低壓差輸出【141。所示，對于一個穩(wěn)壓器電路，電壓調整率和負載調整率是重要的質量參數(shù)。它們分別表示了輸入電壓變化、輸出負載變化時輸出能夠保持在規(guī)定值上的能力。根據(jù)放大器的直流開環(huán)增益要求較高。因此運放的跨導越大，穩(wěn)壓器的電壓調整率和負載調整率性能越好。放大器的輸出電流直接驅動夠提供足夠大的輸出驅動電流。輸出驅動電流跟隨負載變化，誤差放大器本身必須在負載變化時仍處于放大狀態(tài)，保持負反饋從而實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。圖56 2 1，3，5管構成放大器的第一級，7，6管為第二級提供偏置電流，2為反饋電阻，由于放大器的作用，當選取2的阻值，就可以得到2557 7523 )溫度系數(shù)仿真：令輸入電壓為36V，對穩(wěn)壓電路進行直流掃描，溫度范圍為55125 真結果如圖59所示。由圖可知：當溫度從551250準電壓從249644變化到250068V，差值為424度系數(shù)為942 C。C 2，591密25毋諺露o49902，49802497212。4參$毋一f e 18：(281j2：。白諺5毒， 辮。辨：51，87790圖58穩(wěn)壓電路的溫度特性(2)電壓調整率仿真：溫度27，輸入電壓從27V，穩(wěn)壓器輸出如下圖，電壓調整率為： =066)6V v=一= (5527)2505a|7a。，穩(wěn)壓器輸出隨電源電壓變化曲線38 升壓式振蕩器的設計振蕩器的作用是為了給其與誤差放大器的輸出比較后產(chǎn)生驅動信號【15】。振蕩器頻率即為開關工作頻率。本設計中開關頻率是15作原理：如圖510所示，用一個恒流源，。為電容容上的電壓分別與兩個基準電壓做比較后輸出到而決定電容放電。振蕩器開始工作時，電容上電壓刪工發(fā)器輸出0，1，觸發(fā)器輸出為高，容放電。當電容電壓低于加礦時，循環(huán)往復，電容上電壓即為輸出三角波電壓【161。電容充電時間：放電時間：鼉型圖510振蕩器結構示意圖乃=墜寧的大小又由開關管的大小決定。故振蕩周期：(5515)(5爪了0第五章電路子模塊設計 39T=t+巧=c(一嚀+手)10 1過調整充電電容大小和放電管的大小可以改變振蕩周期。可以從圖中讀出三角波的振蕩頻率約為15幅約為個固定頻率的三角波會與后文中誤差放大器的輸出進行比較從而為開關管產(chǎn)生驅動信號。圖511振蕩器輸出波形圖54 路的主要功能是把誤差放大器的輸出經(jīng)過生而改變占空比，控制開關管的打開或者關斷【1刀?！北容^器需要足夠的增益來達到較高的分辨率，因此采用兩級較器的設計和運放的設計很相似，所不同的是比較器工作在開環(huán)狀態(tài)下且不需要補償。其電路結構如圖所示：從左至右，5，7，9，成比較器的第二級，后跟兩個反相器可以起到整形并提高驅動能力的作用。比較器的增益為：A，=g。9(乞5乞7)幸(乞2乞9) (517)升壓式2 513為比較器的增益仿真曲線，可以看到比較器的低頻增益為62益比較低但基本滿足電路需要。習 |趴 廠趴篩悵 圈 腳 柑、一 ! ：一警 豳勻嗣囂：l 固：、由