便携式电子系统的DC_DC开关电源系统结构设计和研究
dcdc开关电源设计原理和制作
dcdc开关电源设计原理和制作一、开关电源的基本原理开关电源是一种通过控制开关晶体管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的电源。
它主要由输入电路、输出电路、开关晶体管、振荡电路、稳压控制电路等组成。
开关电源具有效率高、体积小、重量轻等优点，广泛应用于电子设备、电力电子等领域。
二、开关电源的组成开关电源主要由以下几个部分组成：1.输入电路：接收交流电源输入，进行滤波、整流等处理，将交流电转化为直流电。
2.输出电路：将开关晶体管输出的脉动直流电进行滤波、稳压等处理，输出稳定的直流电。
3.开关晶体管：控制电源的开通和关断，决定输出电压的大小。
4.振荡电路：产生一定频率的脉冲信号，控制开关晶体管的开通和关断时间比率。
5.稳压控制电路：根据输出电压的变化，控制开关晶体管的导通时间，维持输出电压的稳定。
三、开关电源的设计设计开关电源需要考虑以下因素：1.输入电压范围：根据设备需要确定输入电压范围。
2.输出电压和电流：根据设备需要确定输出电压和电流。
3.转换效率：选择合适的开关晶体管和电路设计，提高转换效率。
4.稳定性：选择合适的稳压控制电路和反馈元件，保证输出电压的稳定性。
5.散热设计：选择合适的散热器和设计合适的散热结构，保证开关电源的正常工作。
四、开关电源的制作制作开关电源需要按照以下步骤进行：1.设计电路板：根据设计好的电路图，制作适合的电路板。
2.选择合适的电子元件：根据设计需要选择合适的电子元件，如开关晶体管、电容、电感等。
3.组装电路：将选择的电子元件按照电路图组装在一起。
高效率移动电源设计与研究
高效率移动电源设计与研究移动电源作为一种便携式充电设备，广泛应用于手机、平板电脑、音响等电子产品的充电。
随着科技的不断发展，人们对移动电源的需求也越来越高，要求它具有高效率，能够快速地为电子产品进行充电，同时也希望它本身的充电速度快，能够快速地存储电能。
因此，高效率移动电源的设计与研究具有重要意义。
首先，高效率移动电源的设计应该考虑到其内部电路的优化。
电源电路的设计采用高效率的开关电源技术，可以减少能量的损耗，提高充电效率。
同时，采用高效率的功率转换器，可以提高移动电源充放电的效率，减少能量的损失。
此外，高效率移动电源还应该具备过载保护、短路保护、电池过充过放保护等多重保护措施，确保其使用安全可靠。
其次，高效率移动电源的设计还需要考虑到电池的选用。
电池是移动电源的核心部件，对移动电源的性能有着决定性的影响。
目前市场上常见的电池有锂离子电池、聚合物锂离子电池等。
聚合物锂离子电池具有体积小、重量轻、充放电效率高等特点，是移动电源的理想选择。
在电池选用上，还需要注意其容量和放电率的匹配，以满足快速充电和高效率放电的需求。
此外，高效率移动电源的设计还需要考虑到充电接口的设计。
充电接口应该支持快速充电技术，例如USBPD快充技术，可以提高充电速度和效率。
此外，还应该考虑到充电线材质的选择和接口的稳定性，以降低充电线路的阻抗，提高充电效率。
最后，高效率移动电源的设计还应该关注产品的整体结构和散热设计。
优化产品的结构设计，可以提高电路的散热能力，减少温度的升高，提高移动电源的工作效率。
此外，还可以采用高导热材料和散热设计方法，提高散热效果，保持电源的稳定工作状态。
综上所述，高效率移动电源的设计与研究需要考虑到电源电路的优化、电池的选用、充电接口的设计以及产品的整体结构和散热设计等方面。
只有在这些方面做到合理优化，才能提高移动电源的工作效率，满足人们对充电速度和效率的需求。
便携式应用中DC-DC转换器的设计技术及XD1250的电路实现的开题报告
便携式应用中DC-DC转换器的设计技术及XD1250的电路实现的开题报告一、选题依据：随着移动设备的日益普及，对便携式电源的需求越来越大。
而便携式电源需要一个DC-DC转换器，将电池的低电压转换为设备需要的高电压。
因此，设计一款高效、小型化的DC-DC转换器是必要的。
本次毕业设计选题为“便携式应用中DC-DC转换器的设计技术及XD1250的电路实现”。
二、研究内容：DC-DC转换器是电源管理系统中的一个重要部分，具有扩大电源范围、提高效率、减小体积、增加可靠性等优点。
本项目的研究内容主要包括以下方面：1. DC-DC转换器的基础原理及设计技术：针对便携式应用需求，选定合适的DC-DC转换器拓扑结构，在控制电路、电感电容的选用等方面进行深入探究。
2. 物理模型建立与仿真：使用PSIM等软件建立DC-DC转换器的模型，对模型进行仿真分析、参数调整等操作，比较不同参数下的效率、稳定性等表现。
3. 原理图设计与电路实现：根据仿真结果和可靠性的要求，进行原理图设计和电路实现，充分利用技术和知识，选用合适的元器件和材料，完成小型化、高效、低成本的DC-DC转换器设计。
4. 认真撰写设计报告：设计报告需要包含电路设计的详细过程、仿真结果以及电路实现的过程和结果，并给出成品的性能测试数据和结论。
三、可行性分析：本项目设计的XD1250是一款高效、小型的DC-DC转换器，适用于移动设备等便携式应用。
本项目对DC-DC转换器的设计原理和技术进行深入研究，结合实际应用需求，可以充分提升转换器的效率和稳定性。
使用PSIM等软件进行仿真分析，可以在短时间内找出最佳参数，避免了设计和调试过程中的不确定性和浪费。
电路实现过程中，可以利用现有的技术和元器件，实现小型化、高效、低成本的DC-DC转换器设计。
综上所述，本项目具有较高的可行性。
四、预期成果：1.掌握DC-DC转换器的原理和设计技术，熟悉PSIM等软件的应用。
2.设计一款高效、小型化的便携式DC-DC转换器XD1250，完成原理图设计和电路实现。
DC-DC开关电源的设计
高效DC-DC开关稳压电源一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
图1电源框图二、要求在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1．基本要求（1）输出电压V O：3.3V；（2）额定输出电流I ON：10A；（3）V in从DC41V变到DC57V时，电压调整率S U≤2%（I O=10A）；（4）I O从0变到10A时，负载调整率S I≤5%（V in=48V）；（5）输出噪声纹波电压峰-峰值V OPP≤100mV（Vin=48V,V O=3.3V,I O=10A）；（6）D C-DC变换器的效率η≥60%（Vin=48V,Vo=3.3V,I O=10A）；（7）具有过流保护功能，动作电流I O（th）=11±0.2A；2．发挥部分（1）进一步提高电压调整率，使S U≤0.5%（I O=10A）；（2）进一步提高负载调整率，使S I≤1%（Vin=48V）；（3）进一步提高效率，使η≥85%（Vin=48V,U O=3.3V,I O=10A）；（4）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；（5）具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。
（6）其他。
三、说明（1）D C-DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。
（2）V in可由可调直流稳压电源得到，DC-DC变换器（含控制电路）只能由V N端口供电，不得另加辅助电源。
（3）本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量V OPP。
（4）本题中电压调整率S U指Vin在指定范围内变化时，输出电压V O的变化率；负载调整率S I指I O在指定范围内变化时，输出电压V O的变化率；DC-DC变换器效率 =P O/ P IN，其中P O＝V O I O，P IN＝V IN I IN。
（5）电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。
DC-DC开关电源设计解读
DC-DC开关电源设计摘要开关稳压电源因为其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点日益得到广泛的应用。
目前，国内外开关稳压电源的发展的趋势是不断提高输出效率和输出功率。
要提高输出的效率，必须提高电源的开关频率。
这就对电路中其它器件的频率特性提出了更高的要求。
并且现在的开关调节模块大多都已经集成化，使用方便，有很高的线性和负载调节特性，转换效率高负载调整率低而且输出纹波小，这里我用lm2596开关调节器实现降压，用STC89S52为核心电路控制ADC0809模数转换对输出电压电流的监测，将监测到的数据显示在液晶LCD1602上，有过流保护功能，监测电路使用的电源由降压后转换提供。
关键字开关稳压电源开关调节器ADC0809 STC89S52 LCD1602一、设计要求和指标要求1.基本部分：1.输出可调电压5—15V，输出电流不小于1.5A,接入负载能长时间稳定工作；（15）2.DC/DC 转换效率不低于70%；（5）3.能够显示输出电压，电流，误差小于2%；（10）4. U=12V、Io 在0.1~1A 范围内变化，负载调整率SI≤2%;(10)5.输入电压24V，输出电压稳定12V，输出电流为1.5A 时输出纹波小于200mv；（10）2.发挥部分：1.输出可调电压为3—18V，输出电流达到2.5A 以上，接入负载能长时间稳定工作,进一步扩展电源输出功率；（5）2.能够显示输出电压，电流，误差小于0.5%；（10）3.Uo=12V 、Io 在0.1~2.5A 范围内变化，负载调整SI ≤0.5%;(5)4.输出电压稳定为12V，输出电流为2.5A 时，输出纹波小于50（10）5.输出电流为2.5A 进一步提升DC/DC 转换效率，使不低于85（10）6.具有输出过流保护功能，Io≥3.5A 时动作；且故障排除后够恢;(5)7.其他；（5）3、说明（1）输入电压由直流稳压电源提供，逆变电源全部电路均由UI供电，不得再使用其他电源；（2）负载调整率计算方法：Io=0.1A时输出电压为Uo1，Io=1A时输出电压Uo2，则负载调整率:（3）注意作品制作工艺，留出电流、电压测试端口。
dcdc开关电源管理芯片的设计
DC-DC开关电源管理芯片的设计引言电源是一切电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性;而开关电源更为如此,越来越受到人们的重视;目前的计算机设备和各种高效便携式电子产品发展趋于小型化,其功耗都比较大,要求与之配套的电池供电系统体积更小、重量更轻、效率更高,必须采用高效率的DC/ DC开关稳压电源;目前电力电子与电路的发展主要方向是模块化、集成化;具有各种控制功能的专用芯片,近几年发展很迅速集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高,给应用带来极大方便;从另一方面说在开关电源DC-DC变换器中,由于输入电压或输出端负载可能出现波动,应保持平均直流输出电压应能够控制在所要求的幅值偏差范围内,需要复杂的控制技术,于是各种 PWM控制结构的研究就成为研究的热点;在这样的前提下,设计开发开关电源DC-DC 控制芯片,无论是从经济,还是科学研究上都是是很有价值的;1. 开关电源控制电路原理分析DC－DC变换器就是利用一个或多个开关器件的切换,把某一等级直流输入电压变换成另—等级直流输出电压;在给定直流输入电压下,通过调节电路开关器件的导通时间来控制平均输出电压控制方法之一就是采用某一固定频率进行开关切换,并通过调整导通区间长度来控制平均输出电压,这种方法也称为脉宽调制PWM法;PWM从控制方式上可以分为两类,即电压型控制voltage mode control和电流型控制current mode control ;电压型控制方式的基本原理就是通过误差放大器输出信号与一固定的锯齿波进行比较,产生控制用的PWM信号;从控制理论的角度来讲,电压型控制方式是一种单环控制系统;电压控制型变换器是一个二阶系统,它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流;二阶系统是一个有条件稳定系统,只有对控制电路进行精心的设计和计算后,在满足一定的条件下,闭环系统方能稳定的工作;图1即为电压型控制的原理框图;图1 电压型控制的原理框图电流型控制是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较．从而对输出脉冲的占空比进行控制,使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化;电流控制型是一个一阶系统,而一阶系统是无条件的稳定系统;是在传统的PWM电压控制的基础上,增加电流负反馈环节,使其成为一个双环控制系统,让电感电流不在是一个独立的变量,从而使开关变换器的二阶模型变成了一个一阶系统;信号;从图2中可以看出,与单一闭环的电压控制模式相比,电流模式控制是双闭环控制系统,外环由输出电压反馈电路形成,内环由互感器采样输出电感电流形成;在该双环控制中,由电压外环控制电流内环,即内环电流在每一开关周期内上升,直至达到电压外环设定的误差电压阂值;电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的,并且监测输出电感电流的动态变化,电压外环只负责控制输出电压;因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的带宽;图2 电流型控制原理框图电流型控制模式有不少优点：线性调整率电压调整率非常好；整个反馈电路变成了一阶电路,由于反馈信号电路与电压型相比,减少了一阶,因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化,稳定度得以提高并且改善了频响,具有更大的增益带宽乘积；具有瞬时峰值电流限流功能；简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计,减少了元器件的数量和成本,这对提高开关电源的功率密度,实现小型化,模块化具有重要的意义;当然了也有缺点,例如占空比大于50％时系统可能出现不稳定性,可能会产生次谐波振荡；另外,在电路拓扑结构选择上也有局限,在升压型和降压—升压型电路中,由于储能电感不在输出端,存在峰值电流与平均电流的误差;对噪声敏感,抗噪声性差等等;对于这样的缺点现在已经有了解决的方案,斜波补偿是很必要的一种方法;2．芯片内部模块的设计本目的是设计一个基于PWM控制的boost升压式DC-DC电源转换芯片,该芯片实现基于双环电压环和电流环一阶控制系统的电流模式PWM控制电路, 在该集成模块内将包括控制、驱动、保护、检测电路等;最后在电路系统基本框架的基础上,结合电力电子技术与微电子技术,采用采用BiCMOS工艺,具体针对DC-DC变换电路的实现进行研究;系统方面的设计以及系统框图和各个功能模块的设计思想图3 系统模块原理框图下面分别的介绍系统各个功能模块：①误差放大电路误差是用于调整变换器的高增益差分放大器;放大器产生误差信号,他被供给PWM比较器;当输出电压样本与内部电压基准比较并放大差值时产生误差信号;误差放大器的2号脚Vref就是基准电压产生的固定基准;② PWM比较器当来自电流取样信号,当然是电感电流和振荡器产生的补偿谐波想加后的电流信号,超过误差信号时,PWM比较器翻转,复位驱动锁存器断开电源开关,以此来控制开关管的开通与关断;③振荡器模块振荡器电路提供一定频率的时钟信号,以设置变换器工作频率,以及用于斜率补偿的定时斜升波;时钟波形为脉冲,而定时斜升波就是用于斜波补偿的,在电感取样端相加;④驱动器锁存器锁存器包括RS触发器与相关逻辑,它通过接通和断开驱动电路来控制电源开关的状态;来自锁存器的低输出电平把它断开;正常工作方式下,在时钟脉冲期间触发器被置为高电平,当PWM比较器输出变为高电平时锁存器复位;⑤软启动电路模块当整个系统刚启动时,电感产生一个很大的冲击电流,软启动让系统开始时不能在全占空比下启动,使输出电压以受控的上升速率增加至额定稳压点;设计思想是利用外接电容的充放电使得占空比慢慢提高,达到输出稳定的目的;⑥电流采样电路提供斜率补偿电流灵敏电压给PWM比较器;⑦保护电路模块监视电源开关的电流,若该值超过额定峰值,则该电路作用,重新开始软启动周期;3．设计中必须要考虑的几点细节问题①关于斜波补偿这是在上文提到过的电流控制型开关变换器中存在的根本性问题;电流控制型就是将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接到ＰＷＭ比较器的两端进行比较,用来控制开关管;下面分析斜波补偿的原因;如下图分别是占空比大于50%和小于50%的尖峰电流控制的电感电流波形图;图4 斜坡补偿原理分析其中Ve是电压放大器输出的电流设定值,ΔI0是扰动电流,m1,m2分别是电感电流的上升沿及下降沿斜率;由图可知,当占空比小于50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l变小了,而占空比大于50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l变大了;所以尖峰电流模式控制在占空比大于50%时,经过一个周期会将扰动信号扩大,从而造成工作不稳定,这时需给删比较器加坡度补偿以稳定电路,加了坡度补偿,即使占空比小于50%,电路性能也能得到改善;因此斜坡补偿能很好的增加电路稳定性,使电感电流平均值不随占空比变化,并减小峰值和平均值的误差,斜坡补偿还能抑制次谐波振荡和振铃电感电流;这里就不再详细地说明,斜波补偿方面必须要确定补偿波形的斜率的精确大小,采用的方法就是建立系统模型,导出传递函数,计算出补偿斜率的值;这是很关键的一步;②关于软启动问题DC/ DC开关电源在启动过程中 ,容易产生浪涌电流 ,可能对电子系统产生损伤;为避免启动时输入电流过大,输出电压过冲,在设计中必须采用软启动电路,该方法的不足之处是 ,当输出电压的阈值未达到时 ,发生浪涌电流现象可能对电子系统造成损伤 ,而且在输出电压达到阈值之后 ,也可能因为偶然的过流使得电源多次重新启动;因此应采用基于周期到周期的电流限制门限来限制上电时的浪涌电流,并防止电源多次重新启动;如图5图5 软启动电路4.总结本文对开关电源工作原理进行了详细的分析,对芯片内部模块进行了设计,最后采用BiCMOS工艺对芯片进行实现;,对芯片系统方面的设计又整体的把握,详细的论述了芯片设计的思想,这种方法对其他领域的芯片系统设计又很大帮助,因此有很大意义;。
升压式DC／DC变换器的研究与设计
升压式DC／DC变换器的研究与设计李亚雄摘要如今，随着手机、相机以及平板电脑等各种便携式数码电子产品的快速发展和市场的不断扩大，电子产品扮演着人们日常生活中举足轻重的地位。
电源管理芯片，作为整个电子系统中不可或缺的组成部件，其发展和需求量都得到了迅猛增加。
由于具有转换效率高、小体积是等特点，DC/DC变换器被广泛应用于各种便携式电子产品中。
本文通过分析和研究DC/DC 变换器的三种基本的拓扑结构和工作原理，设计了一款升压式DC/DC变换器。
该升压式DC/DC变换器的输入电压范围为2.7 V-5.5 V，可应用于锂离子电池供电的各种便携式电子产品中，稳定输出电压高达18 V，最大负载电流可达200 mA。
电路调制采用电压控制PWM方式，内建振荡器的频率为1.5 MHz。
为提高系统效率采用同步整流技术。
并且研究了升压型变换器的模型建立，设计了欠压锁定、过温关断等保护电路提升了系统的稳定性。
本文完成了带隙基准电压源、LDO稳压器、PWM比较器、误差放大器、钳位电路、振荡器、系统补偿电路等DC/DC变换芯片控制电路的子模块的设计。
电路基于0.35 μm BCD6S 工艺，使用Cadence Spectre仿真工具完成了系统的仿真验证。
仿真结果表明本文设计的升压式DC/DC变换器切实可行，各项性能均能达到设计目标。
关键词：DC/DC变换器；升压式；设计；仿真；1 引言日常使用的便携式电子产品需要多种电压，但是这些产品通常只能由一组电池供电，所以其必须通过DC/DC 变换器供给所需要的各种直流电压。
依据输入电路与输出电路的之间关系，DC/DC变换器可分为升压型(Boost)、降压型(Bulk)，升压-降压型(Boost-Bulk)和反相型(CuK)DC/DC变换器[1]。
Boost 型DC/DC变换器技术尤其是数控Boost 型DC/DC变换器技术是一门实践性非常强的工程技术，其应用服务于各行各业。
如今Boost 型DC/DC变换器技术融合了电子、系统集成、电气、材料和控制理论等诸多学科领域。
DC-DC电源 实用电源分析设计与制作 教学PPT课件
图4-16 5V DC-DC变换器电路
实用电源分析设计制作 2020年12月18日
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（一）任务实施器材
1）降压型5V DC-DC变换器电原理图一份，如图 4-16所示。
2）元器件清单如表4-1所示，实验板（应包括任 务要求所需的元件器）。
3）每组配备示波器和数字式万用表各一只。 4）元件器手册。
选。
4）振荡频率：52kHz。 5）转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）。 6）控制方式：PWM。 7）工作温度范围：-40℃～+125℃。 8）工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制。 9）工作模式控制：TTL电平兼容。 10）所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）。 11）器件保护：热关断及电流限制。 12）封装形式：TO-220或TO-263。
2020年12月18日实用电源分析设计制作12421lm2576芯片介绍lm2576系列是美国国家半导体公司生产的3a电流输出降压dcdc变换电路它内含固定频率振荡器52khz和基准稳压器123v并具有完善的保护电路包括电流限制及热关断电路等利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电lm2576芯片的升级型号是lm25962020年12月18日实用电源分析设计制作132020年12月18日实用电源分析设计制作14图45lm2576芯片内部结构12封装形式
⑥脚：电源输出端。
⑦脚：负载峰值电流取样端，当⑥、⑦脚之间电压 超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能。
⑧脚：驱动管VT2集电极引出端。
实用电源分析设计制作 2020年12月18日
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图4-2 升压式DC-DC变换电路
实用电源分析设计制作 2020年12月18日
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电路的输入电压为12V，输出电压为28V，输出电 流可达175mA。
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便携式电子系统的DC DC开关电源系统结构设计和研究Ξ王海永 李永明 陈弘毅(清华大学微电子学研究所,北京,100084)20000711收稿,20001110收改稿摘要:介绍了DC DC开关稳压电源系统结构的设计,分析了提高电源转换效率的系统设计方法。
提出了一种适于L S I实现的DC DC开关稳压电源系统结构。
关键词:直流 直流;低输入输出压差;开关稳压电源;大规模集成电路中图分类号:TN47 文献标识码:A 文章编号:100023819(2002)022164206System Arch itecture D esign and Research of a DC DC Sw itch M ode Power Supply for Portable Electron ics SystemW AN G H aiyong L I Yongm ing CH EN Hongyi(Institu te of M icroelectronics,T singH ua U niversity,B eij ing,100084,CH N)Abstract:T h is paper in troduced the system arch itectu re design of a DC DC s w itch m ode pow er supp ly,analyzed the m ethod of system design fo r i m p roving the efficiency of pow er supp ly converti on.F inally,th is p ap er p resen ted a system arch itech tu re of a DC DC s w itch m ode pow er supp ly,w h ich is i m p lem en ted in L S I ch i p.Key words:DC DC;low-dropout;switch m ode power supply;L SIEEACC:25701 引 言电源是电子产品的一个重要组成部分。
便携式电子产品对电源的要求更是苛刻[1～3],最突出的要求是高的转换效率。
便携式电子产品通常是电池供电,延长电池的使用寿命,提高电源的转换效率成为便携式电子产品的DC DC开关稳压电源设计主要追求的目标[4],要求电源的系统设计必须紧凑、合理。
目前便携式电子系统的开关电源的转换效率都在95%左右,而且大都采用先进的B i C M O S工艺设计开关电源控制器I C。
由于电源系统的设计是一个系统工程,要考虑的问题很多,为了尽可能地把所有的问题都考虑周全,就必须进行系统级设计优化。
本文先讨论提高电源转换效率的主导思想,然后提出了设计中为提高效率所采取的种种措施,最后给出一个完整的开关电源系统。
2 提高DC DC开关电源转换效率的设计方法 文中提出的系统结构设计中突出体现如何提高电源的转换效率。
提高电源的转换效率有主动、被动和专用方法优化电池供电设计三种基本方法[5]。
第22卷 第2期2002年5月 固体电子学研究与进展R ESEA RCH&PRO GR ESS O F SSE V o l.22,N o.2M ay,2002Ξ2.1 被动方法它是通过使用最高效率(最低导通电阻)的功率开关管减少I2R损耗。
设计时通过增加开关管并联结构的单元密度或采用M O SFET(或BJT)新的设计结构。
随着应用系统电压的降低,而工作频率却不断升高。
为了减少因为工作频率不断升高而导致的功率损耗,新的电源控制方式更具有吸引力。
例如,大电流电路中的二极管具有恒定的电压降,这导致功率损耗(V3I)相当高。
额定电压降017V的二极管流过10A电流时,损耗即为7W。
因此,通过半导体工艺的改进,用低导通电阻的M O SFET替代开关电源拓扑结构中的整流(或续流)二极管降低功耗。
例如5毫欧M O SFET,当10A的电流通过时,损耗仅仅为015W。
这种方法叫做同步整流。
采用的M O SFET称作同步整流器。
当系统电压接近1V,电流增加到20或30A时,这种被动的方案会特别重要。
2.2 主动方法主动的开关电源控制方法是通过电路控制实现,设计合适的使能信号控制各个电路模块的工作与否,或者在系统中设计一种内置的休眠模式功能。
将不必要的电流消耗减至最小。
2.3 专用的解决方案在设计电源的过程中,可以把前面的两种方案融合到一个设计中以进一步提高转换效率。
本设计采用专用解决方案,精心选择拓扑结构,设计功率开关管、电感等元件;精心设计电感线圈尽可能地降低寄生参数,同时在开关电源控制器I C的设计中,通过对电感的峰值电流加以控制来降低寄生功率损耗;设计一个片内过渡电源降低片内功耗;为充分利用电感的性能,通过增加绕组线圈还可获得多个输出电压。
3 系统设计方案为最大限度地提高电源转换效率、优化开关电源系统结构,具体采取的措施有如下几个方面。
3.1 功率开关管MOSFET栅驱动——输出驱动电路 在低频情况下,功率MOSFET很高的输入阻抗,只需要很低的电流,施加电压就可以使得功率MOSFET工作于开关状态。
在高的开关频率下,由于功耗密度的提高,功率MOSFET的输入电容成为输入阻抗的主要方面[6],驱动电路应有较大的源电流和吸收电流的能力,对功率MOSFET的有效的栅-源电容充电或放电。
3.2 工作模式脉冲频率调制(PF M:Pulse Frequency M odula tion)模式的轻负载特性优于脉冲宽度调制(P WM:Pulse W idth M odula tion)方式,在电池供电的设备中应用很广泛,但是,PF M稳定性、频域影响[7]等问题需要改进。
这里采用后者模式。
固定频率的P WM的各种控制结构有最稳定和可以预测的噪声性能[7]。
对某些电子系统,可以通过选择开关电源的开关频率,避免电子系统受到电源开关噪声的影响。
通过控制器与外部时钟信号的同步来消除振荡频率的误差和漂移。
本文采用特殊的、电流控制的P WM型控制模式。
特殊性体现在,当电源处于轻负载时,自动控制进入跳频状态,允许控制开关管的信号跳过几个时钟周期。
当处于重负载时,自动进入固定频率的P WM控制状态,提高了整个系统的效率。
而电流控制的P WM控制器控制的是电感的峰值电流,可以尽可能地降低电感的寄生损耗。
同时该方法使得占空比的补偿及时而又精确,系统更容易稳定[6]。
3.3 同步整流管代替整流二极管同步整流二极管能提高电源的效率,适合于低压、低功耗的应用。
同步整流管是一个电子开关,导通阻抗低,可以提高电源的转换效率。
通常是利用MOSFET作为这样的整流管,也可采用双极晶体管和其它半导体开关器件。
图1(a)是一般的整流结构,当开关管导通时,输入电压通过电感给输出电容充电,同时把能量存储在电感中。
当开关管关断时,由于电感中的电流方向不变,整流二极管导通,存储在电感中的能量给输出电容补充能量,此时,整流二极管把开关结点(开关管和5612期 王海永等:便携式电子系统的DC DC开关电源系统结构设计和研究电感的连接点)的电压箝位到-0.4V 左右,并且该整流二极管的前向压降和输出电压端串联,整流二极管上的功率损失影响整个电路的效率。
图1(b )是利用同步整流管的电路结构。
用一个N 沟MOSFET 开关管替代肖特基整流二极管,形成一个半波结构,也即控制高端开关管(靠近输入电压端)和低端开关管(连接电源地端,又称同步整流管)导通的控制信号恰好反相。
它同样可以完成如图1(a )的工作,只是同步整流MOSFET 可以把开关结点箝位到-0.1V 左右。
降低了整流管上的功率损耗,有利于提高整个电路系统效率。
(a )(b )图1 有无同步整流管的结构对比:(a )没有同步整流管的结构;(b )有同步整流管的结构。
F ig .1 T he contrast of circuit configurati on w hetherw ith synch ronous rectifier o r no t :(a )T he circuit configurati on w ithout synch ronous rectifier ;(b )T he circuit configurati on w ith synch ronous recifitier .开关结点的箝位电压越低,整流管的功率损耗就越高。
随着输入电压的下降,在整流管上引起的功率损耗与负载的功率损耗相比将占更大的比重。
利用同步整流管可以降低前向压降引起的功率损耗,但是驱动同步整流管开关动作又需要功率损耗。
于是,决定用二极管还是用MOSFET 同步整流管,其基本折中依据是比较一下它引起系统效率的损失(驱动同步整流MOSFET 开关消耗功率)与获得系统效率的提高(同步整流MOSFET 减小前向压降减少功率损耗)哪个占主导地位。
通过同步整流管所获得的效率与负载电流、电池电压、输出电压、开关频率和别的应用参数(如表1a -b 所示)密切相关[8]。
表1中可以看出输入电压越高,负载电流越轻,同步整流管的改进效率的优势就越明显。
相对高端开关管,同步整流管的占空比等于1-∆,随电池电压的增加而增加,其中∆=T ON(T ON +T OFF )。
而且该高端开关管的前向压降随负载电流的减小而降低。
比较表1(a )和表1(b )可知,利用同步整流结构,其开关损耗是一般整流结构的2倍,而且同步整流管所需要栅驱动损耗在一般整流结构中没有。
这是同步整流结构的不利之处,但是其较低的前向压降节省了更多的功率损耗。
于是,对于系统的整体效率而言,要进行如表1的计算来决定该采用何种结构。
比较二极管和同步整流管,可以发现同步管不能完全替代一般的肖特基二极管。
因为高端和低端MOS FET 可能产生交迭电流,为了消除该效应,一般的调整器都包括一段空载时间。
同步整流MOS FET 包含一个集成的寄生体二极管,在空载时间内,它可以作为箝位管,箝住电感的负电压摆幅。
但是,该体二极管是有损耗的,它的关断速度比较慢,将使效率下降1%到2%。
表1是对某一型号的开关调整器I C 的测试所得。
针对5V 到313V 的转换器,其输出电流为3A (P OUT =9.9W )。
其中∆是开关的占空比,C X 是开关结点的寄生电容,f 是开关频率,Q G 是MOS FET 的栅电荷。
表1(a ) 没用同步整流管时的损耗情况Tab.1(a )The loss without synchronous rectif ier M echanis m Exp ressi on D issi pati onConducti on lo ss I l oad V F WD (1-∆)459mW Sw itch ing lo ss C X V I N 2f5mW Gate 2drive lo ss(none )0mW To tal lo ss Conducti on +Sw itch ing 464mWIdealized efficiency[P OU T(P OU T +P LO SS )]×10095.5%表1(b ) 用同步整流管时的损耗情况Tab.1(b )The loss with synchronous rectif ier M echanis mExp ressi on D issi pati on Conducti on lo ss I l oad2R ON (1-∆)153mW Sw itch ing lo ss CV N 2f 10mW Gate 2drive lo ss Q G V G A TE f15mW To tal lo ssConducti on +Sw itch ing +D rive178mW Idealized efficiency [P T(P T +P )]×10098.2%661固 体 电 子 学 研 究 与 进 展22卷 为了消除电源的这种效率损失,通常用一个肖特基二极管和同步整流管并联来实现这一目的。