宽负载范围高效率升压型DC_DC设计技术研究_郭仲杰.pdf

第 卷第期年月电力电子技术，宽负载范围高效率升压型设计技术研究郭 仲杰，李梦丽，刘楠，邱子忆（西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西西安）摘要：为解决传统开关电源在轻负载下的低转换效率问题，这里通过深入研宄 功率损耗的来源，采用过零 检测技术和脉冲宽度调制（）跳周期调制（）自动切换技术相结合方式。提升了不同负载下的转换效率。一方面通过过零检测技术在电感电流下降到零时及时关断 续流管，防止电流倒灌回电源造成能量损耗；另一方 面在轻载时采用跳过部分周期 减小了工作频率，即减小了开关损 耗和驱动损耗，提高了系 统的转换效 率，解决了开关电源在轻载时效 率低的问题。基于 工艺完 成了对所提出方法的物理实现与测 试验证。测试表明在输入电压为，输出电压为时，系 统可以实现模式和模式之间平稳切换，并且在电感电流过零时能 及时 关断续 流管。在整个 全负载电流范围内，最高效率可达，最低效率高达。关键词：开关电源；过零检测；脉冲宽度调制；跳周期调制中图分 类号：文献标识码：文章编号：（），）：，（）？（）？，；，？，？：；：（）；？（）引言随着便携式电子产品的发展，迫切需要高效率、大电流负载和高频率的新型电源和电源管理集成基金 项目：国家自然科学基金面上项目（）；陕西省 创新能力支撑计划项目（）定稿日期：作者简介：郭仲杰（），男，教授，研究方向 为数模混合集成电路设计技术。电路。转换器变得非常重要【。转换器是通过控制 功率管的导通与关断，把电感储存的磁能转化为电能，实现能量转移，因此转换效率是重要参数。文献利用次级电流过零检测技术实现负载短 路和断路保护，使系统更稳定，但控制结构过于复杂。文献在全负载范围内采用和自动切换模 式，系 统由满载到轻载时，恢复时间为在的 负载电流范围内，效率可达到以上。有较快第 卷第期 年月电 力 电子技术 ，的瞬态响应，但轻载效率过低。文 献采用技术，在负载电流范围内转换效率超过，最 高可达。重载时效 率 高，但负载范围小，并且需要 使用旁路开关，电路结 构复杂。文献使用最小占空比模块实现的平稳切 换，电路控制简单。但在负载电流范围内，转 换效率为 以上，轻 载效率太低。针对以上问题，这里提出 了过零检测技 术和自动切换 技术相 结合方式。通过简单的逻 辑 控制，检测 到大电流负载时，系统工作于模 式；检测 到 小电流负载时，系统工作 于模 式，并且过零 检 测电路开始 起作用，以提高系统 在宽负载内的效率。功率损耗分 析转 换器损耗主 要 有导通损耗、开关损耗、驱动 损耗和静态损耗等。转 换器功率 损 耗是指输入功率与输出功率的差 值，系统 转 换 效 率定义为输出功率与输入功率之比，表达式 为：（）（）式中：为系统的输出电压；。为负载电流；为输入电源电压；为输入电流。导通损耗功 率管 存在导通电阻，当电路正常工作时，电流流过功率管会 产生导通损耗，导通损耗可以表示为：尸，（）式中：？为功 率管 导通电阻；为流过功率管 均方根电流。分为直流部分和交流部 分，表达式为：，（），（），（）（）（）当输入电压和输出电压？定时，电感电流纹 波和占空比 固定 不变，代表交流电流产 生的导通损耗固定不 变，而直流电流产生的导通损耗与 负载电流平方成正比。导通损耗与仏成正比，尺聊为：（）式中：为 功 率 管的栅源极电压。由表 达 式可知，增大仏即可减小导通 损 耗。开关损耗栅极驱动信 号在进行周期性开关动作时，流 过功率管的 电流并 不为 零，且功 率管的栅极电压有一定的上升和下降 时间，导致功 率 管上有 能量损耗，称为开关损 耗，其公式为：（）（）式中：和为流过 功率管的最大电流和最小电流；和为 功率 管 栅极驱动 信 号的上升时间和下降 时间；为开关频率。驱动损耗驱动损耗主要 是由于周期性驱动信号对功率管栅极电容充放电导致，其表达式为：（）式中：为栅极电容，由栅源电容、栅漏电容、漏衬电容及栅 氧化层电容组成。静态损耗静态损 耗是转换器模 块电路正常工作时，偏置电流 所产生的功 耗，称 为静态功 耗，是电路中不可避免的。其 表达式 为：二（）式中：为静态电流。可见，减小静 态电流和电源电压即可减小静态损耗。在设 计电路时，可简化电路结构，避免多余静 态电流消耗。静 态电流为微安级，在重载时可忽略。但在 轻 载下，静 态电流占比不小，不可忽略。综上所述，功率管的导通损耗与负载电流的平方成正比，随着负载电流增大，所占的比重大 大增加。开 关损耗和驱动损耗与负载电流无关，与开关频率 成正比，频 率越高损 耗越大，负载越轻功率管开关损耗和驱动 损耗在整个损耗中所占的比重越大，导致轻 载时转换效率 较 低因此，为提高轻载下转 换效 率，此处在轻载时采用方式，跳过部 分周期，减 小开关频率提高效率。整体环路架构此处采用升压型峰值电流模型控制的开关电源整 体 架 构，如图所示，控制电路由电阻反馈网络、误差放大器、比较器、比较器、逻辑门电路、触发器、过 零 检测 电路和数 字电路组成。图所 提出开 关电源原理图 工作 原理是：由于误 差放大器的输出是和负载电流 成正比，随着负载电流下 降，误差放 大器输出电压也随之下降，因此提前设置固定电压等于临界导通模 式下。所对应的。当系统工作在大电流负载时，比较器同相端大于反向端，经过 逻辑门电路最终输出为 低电平，不会对产生影响，整个系统还是工作在模宽负载 范围高效率 升压型设计技术研究式下。在轻载时，此时比较器输出高电平，经过与非门屏蔽掉比较器的输出信号，此时系统工作 在模式下。并且，模式具有自唤醒功能，当检测到轻 载时，功率 管栅 极控制信号开始跳过部 分周期，此时开始下降，那么开始上升，上升到大于仏时，控制环路对主 开关管 和 续流 管产 生周期性的开关 动 作，最 终使得上升到原 先 值。此外，为进一步提高 轻载效率，还设置过零检测电路，在电感电流下 降 到零时，关 断 续流管，切断输出到输入的通路，避免电感电流倒 灌的发生。具体原理是：比较点，电压和，在 续流阶 段时，通过逻辑电路输出高电平，及时关断续流 管。所提电感电流过 零检测电路为防止在 续流阶段，电感电流发生 倒灌，此处设 计了一种过零检测电路，如图所示，主要是通过比较与。当时，过零信号输出低电平，过零检测电路不影响系统的工作状态；当，时，输出高电平，再经过逻辑电路判断是否在 续 流阶段，若此时处于续流阶段，则逻辑信号立即关断续流管，从而减小 系统的功率 损耗。此外，还要考虑逻辑电路存在一定的延迟时间，在设 计电路时要把延迟时间考虑进去，因此电路需保留一定的裕量，以便 在电感电流即将到零时，及时关 断续 流管。图过零检测电路结 构图 及电阻？，？构成电压比较器，与非门、施密特触发器和反相器构成整形电路。其中乂？、构成电流偏置电路，为电路提 供基准电流。电阻？，与？用于调整控制信号提前 翻转的阈值。由于丨和栅极相连，而源极电位不同，因此两 支 路电流大小将由源极电位 决定。过 零检测电路具 体的工作原理是：当时，的源极电压大于的源极电压，此时化，那么点的下拉电流大于上拉电流，：点电位被 拉低，经过逻辑门电路整形输出高电平；当时，乂咖源极电压小于的源极电压，此时点 的上拉电流 大于下拉电流，点电位被拉高，经过逻辑门电路整形，输出低电平。为 防止在队附近反复翻 转，造成输出信 号混乱，在逻辑控制输出电路中加入施密特触发器。阈值大 小 为：（）（）由上式可知改变与大小可获得不同阈值。过零 检测电路可在输出电压大于时，输出高电平 去 关 断续流管，但还需要额外的逻辑控制电路图判 断当，电路处于充电阶段还是续流阶段，只有 在 续流阶段才可关断续流管。如图所示，框出部分的逻辑电路功能是筛选出续流状态，又是电感电流过零。具体工作原理为：主开关 管栅 极信 号队为使能 信号，当系统处于充电阶段也就是为高电平时，使能信号起作用，输出信 号？直接为低电平。当系统处于续流 阶 段，即为低电平时，使能信号不起作用，仅 作 为输入信号，电路构成主从上升沿触发器。此时分析电路的过零信号，当为低电平电感电流没过零时维持；当；为高电平电感电流过零 时为 高电平。电路筛选出续流阶 段电感电流过零状 态。信号为主开关信号经过 反相器延时和 施 密特触发器整形后的波形，目的是为了消除过零信号经过施密特触 发器的下降延迟。第卷第期 年月电力 电子技术，或 非门和将电感电流过零信号筛 选出，避 免电路发生误判现象。实 现原理：在 充电阶段为高电平，输出信 号为 低电平，不影响 系统工作状态。在续流阶段队：和为低电平时，若检测到电感电流过零為为高电平，即为 高电平关断续流管，防止电感电流倒灌；若没检测到过零为低电平，那么也 为 低电平，即为高电平，经过或非门的为低电平，不影响系统的工作状态。综上所述，逻辑控制输出电路可以在续流阶段电感电流过零时，及时关断续流 管，防止造成功率损耗。所提自适应切换方法由于模 式重载效率高而轻 载效率，因此当。时，系统进入，工作在模式，当？时，系统进入，工作在模式下。实验结 果与数据分析基于工艺对所提电路进行 物理版图设计与全面仿真验证，由 型转换器芯片的实 际版图照片可知，整体芯片面 积为（卜。其中过零检测模块版图面积 为，模块版图面积为。此处转换器所 提 供的电源电压范围为？，负载电流范围为。在负载电流 大于时，系统工作在连续导通模式下，电感电流 不 会 发生倒灌现象，说明过高，此处特设计一款自动切 换电路如图所示，可以实现在 轻 载下，电路工作 于模式，跳过 部分周期 减 小开 关 频 率，降低开关 损 耗和驱动损耗，提高系 统效 率。而在重载时，由功 率损 耗分析可知，导通损耗占比最大，与 负载电流的平 方成正比，适 合模式。使用自动切换技术以实现全负载下高效率。、；图自动切换电路零检测电路对处于大电流负载下 的 系统没有任何影响。因此为了对比过零检测电路对系统的影响，只需要 分析系统工作在小电流负载下的情况。图为不加过零检测电路的仿 真波形。其中。为输出电压，为主开关管的栅 极电压，为电感电流，为续 流 管的栅 极电压。可以看出系统在轻载下乂过零之 后下降 到，说明此时形 成了从 输出电压到输入电压的通路，电感电流发生倒灌现象，造成了能 量损耗。和知 具体切换原理：在重 载下，电路工作在模式。当系统进入轻载，电路由连续导通模式（）进入非连 续导通模式（），开始上升，那么反馈电压随之上升，此时下降，当下降到 小于时，比较器模块内经过逻辑门最 终输出为高电平，那么信号不起作用，在此期间将跳 过几个周期，并工作在模式下。直到匕，下降，开始上 升，即电路的自唤醒模式。为临界导通模 式下 负载电流。所对应的值，临界导通模式负载电流值则可以由下列公式 确定：（）（）（）（）式中：？为电感电流均值；为占空比；为系统工作周期；为电感。经过数 学运算，可以求得临界导通模式下。图不加 过 零检测电路的仿真波形 图为加 过零检测电路的仿 真波形。图加过零检测电路的仿真波形 可见，在两 条 标注线之间，即为低电平，系统处于续流阶段时，此时为高电平，到零之后不再继续下降，而是在时，即附近波动。说明在续流阶段过零检测模块检测 到电感电流过零，输出高电平及时 关 断续流 宽负载范围高效率升压型设计技术研究管，避免了因 电感电流倒 灌而造成的能量损耗，提升了系统的转 换效率。图为系统 加入过零检测 和的整体仿真波形，由图，可知在，下，系统工作在模 式，电感电流下降 到 之后再上升，处于 连续导通模式，纹波电压为。￥么？（）重 载时和）轻载时和（）轻载时和。图整体仿 真波形在轻 载，图，中系统工作在下，开关节点，产生正常的谐 振 现象，主开关 管跳过部分周期，减小了开关频率，即减小了开关损耗和驱动 损耗，提升了效率。但是纹波电压也变为，纹 波特性变差了。图为自动 切换波形，。从到再到，其工作频率发生了变化，可以明显看出下的工作频 率小于 下的工作频率，并且系统可以在模式和模式下自动切换。二 ：图自动切换波形，肩叫哪即雖（），和可见 改进后系统 轻