DC-DC切换式稳压器中产生PWM讯号的电压和电流模式控制

DC-DC工作方式PFM与PWM比较
DC-DC工作方式PFM与PWM比较 :
PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切换控制模式这三种控制方式各有各的优点与缺点: DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压,通过变化开关次数进行控制,从而得到与设定电压相同的输出电压.
PFM控制时,当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关,在下降到设定电压
前,DC/DC变换器不会进行任何操作.但如果输出电压下降到设定电压以下,DC/DC变换器会再次开始开关,使输出电压达到设定电压.PWM控制也是与频率同步进行开关,但是它会在达到升压设定值时,尽量减少流入线圈的电流,调整升压使其与设定电压保持一致.
与PWM相比,PFM的输出电流小,但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作,所以消耗的电流就会变得很小.因此,消耗电流的减少可改进低负荷时的效率.PWM在低负荷时虽然效率较逊色,但是因其纹波电压小,且开关频率固定,所以噪声滤波器设计比较容易,消除噪声也较简单.
若需同时具备PFM与PWM的优点的话,可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器.此功能是在重负荷时由PWM控制,低负荷时自动切换到PFM控制,即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点.在备有待机模式的系统中,采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率.。

PWM型DCDC开关变换器研究综述PWM型DC-DC开关变换器通过开关元件的不断开启和关闭实现电能的转换，使得输入电压或电流在输出端产生与输入端不同的电压或电流。

PWM型DC-DC开关变换器的工作原理是利用开关元件将直流电源的电能转换为脉冲形式的电能，然后通过滤波电容和电感等元件进行滤波，最终获得稳定的输出电压或电流。

1.基本拓扑结构：PWM型DC-DC开关变换器有多种不同的拓扑结构，包括升压、降压、升降压和反激等。

研究人员通过对各种拓扑结构的比较与分析，选择最适合特定应用场景的拓扑结构。

2.控制策略：PWM型DC-DC开关变换器的控制策略是保证输出电压或电流稳定的关键。

常见的控制策略包括电流环控制、电压环控制、电压-电流双环控制等。

研究人员通过优化控制策略，提高开关变换器的性能指标，如响应时间、稳态误差和抗干扰能力等。

3.开关元件选型：开关元件的选型对PWM型DC-DC开关变换器的性能具有重要影响。

研究人员通过研究不同类型的开关元件（如MOSFET、IGBT等）的特性和参数，选择最适合特定应用场景的开关元件，并提出相关的控制策略和保护机制。

PWM型DC-DC开关变换器在各个领域中都有广泛的应用。

例如，PWM 型DC-DC开关变换器被应用于电动汽车以提供适宜的电源电压和电流；在太阳能光伏电池系统中，PWM型DC-DC开关变换器被用来调节光伏阵列的输出电压与负载匹配；此外，PWM型DC-DC开关变换器还被用于电力供应系统、通信设备、工业自动化等领域。

综上所述，PWM型DC-DC开关变换器是一种重要的电力转换设备，在不同领域中有广泛的应用。

对PWM型DC-DC开关变换器的研究包括基本拓扑结构、控制策略、开关元件选型和功率损耗分析等方面，通过优化这些关键技术，可以提高开关变换器的性能指标，满足各种应用需求。

DC/DC变换器的PWM控制技术DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。

它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。

开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。

开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。

实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。

现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。

从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。

PWM 的占空因数（δ）是“on”时间（ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。

对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。

开关频率和储能元件DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。

磁性元件所耦合的功率是：P（L）=1/2（LI2f）。

随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。

由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。

电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。

元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。

开关变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。

很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。

变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。

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，具有简洁高效的特性。

同时，在模块电路设计中，采用0.35µm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 ICMajor：Microelectronics and Solid ElectronicsName: 李强Signature: Supervisor: Associate Prof. Lu Gang Signature:AbstractIn today’s consumer market, battery-operated portable electronic devices are ingreat demand. For these devices, small size, light weight, and long battery run-time arethe main demands. The highly efficient low-voltage switch-mode DC–DC convertersare mandatory in these devices for minimizing the size and weight and extending thebattery 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 areintroduced firstly. Meanwhile, two operation modes are depicted in detail. Then thewhole system is designed and analysis. And the key modules, such as current sensingcircuit, over current protection circuit, and synchronous rectifying driver, are designedand modulated. A simple slope compensation circuit is used to substitute for chargingand discharging capacitor in the window comparator oscillator. And the oscillator issimple 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 completed by the control IC with few external parts,is simulatedby Hspice, with 0.35µm CMOS process, whose results indicate that the system is stableand circuit function and performance have perfectly satisfied the design requirements.Key words: PWM peak current-mode control method; Buck DC-DC converter;oscillator with slope compensation circuit 1 引言11.1 开关电源的发展 (1)1.1.1 开关电源的发展现状 (1)1.1.2 开关电源的发展趋势 (2)1.2 开关电源的分类与比较 (3)1.3 本文的主要工作 (4)2 DC-DC转换器的拓扑结构和原理分析52.1 Buck DC-DC转换器的工作原理分析 (5)2.1.1 CCM模式分析 (6)2.1.2 DCM模式分析 (9)2.2 DC-DC转换器的控制方式和控制模式 (11)2.2.1 DC-DC转换器的控制方式 (11)2.2.2 DC-DC转换器的控制模式 (12)3 PWM电流模式DC-DC降压控制电路的设计与分析173.1 系统设计目标及系统结构 (17)3.2 误差放大器的设计与仿真 (18)3.2.1 电路的分析与设计 (18)3.2.2 电路的仿真结果 (22)3.3 带隙基准电压源的设计与仿真 (24)3.3.1 电路的分析与设计 (24)3.3.2 电路的仿真结果 (27)3.4 PWM比较器的设计与仿真 (30)3.4.1 电路设计与分析 (30)3.4.2 电路仿真结果 (31)3.5 电流感应电路与过流保护电路的设计与仿真 (33)3.5.1 电流感应电路设计与分析 (33)3.5.2 过流保护电路的设计与分析 (35)3.5.3 电路的仿真结果 (36)3.6 带斜坡补偿的振荡器电路的设计与仿真 (38)3.6.1 比较器的设计与分析 (39)3.6.2 斜坡补偿电路的设计与分析 (40)4.6.3 脉冲展宽电路的设计与分析 (42)3.6.4 仿真结果 (43)3.7 逻辑控制电路与同步整流驱动电路的设计与仿真 (44)3.7.1 逻辑控制电路的设计与分析 (44)3.7.2 同步整流驱动电路的设计与分析 (45)3.7.3 电路的仿真结果 (47)3.8 软启动电路的设计与仿真 (48)4 整体仿真 504.1 输出电压 (50)4.2 开关管M p和整流管M n导通电阻 (51)4.3 转换效率 (52)结论55致谢56参考文献571 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。

一、DC-DC转换器DC-DC 开关电源是将一种直流电变换成另一种形式直流电的设备。

它的应用范围非常广泛，主要对电压电流实现变化，就是通过改变开关接通时间和工作周期的比例来改变输出电压，再利用电感、电容及二极管的储能和释能作用实现稳压。

DC-DC 转换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。

DC-DC 变换可分为若干基本类型，由功率开关和储能器件的不同组合亦可获得多种DC-DC 电路结构。

根据输入、输出电压的大小及相位关系，这三种基本类型称为:降压变换(Buck)，升压变换(Boost)和降压-升压变换(Buck-Boost)。

正是多种拓扑结构的存在使DC-DC 转换器具有灵活的正负极性和升、降压方式，这一特性使其明显优于线性稳压器和电荷泵。

Buck 变换Buck 型转换器实现的是降压变换，将输入电压Vin变换成0<Vo<Vin的稳定输出电压Vo，所以又称为降压开关电源。

Boost 变换Boost 转换器的作用是产生一个与输入电压极性相同并在幅度上大于输入电压的直流输出电平，它将输入电压Vin变换成Vin≤V0的稳定输出电压V0，所以又称升压开关电源。

Boost 电路可以在连续电流模式和不连续电流模式两种状态下工作。

连续模式表示电路在每个开关过程中都有连续变化的电感电流;而不连续模式表示电路在整个工作状态中有部分时间电感电流为零，在每个开关过程开始时，电感电流从零逐渐增加，到达一定值又逐渐下降，一直降到电流为零，然后保持零电流到整个开关过程结束，整个过程周而复始。

BOOST 电路的工作模式与电感值的选取和负载的大小息息相关。

由于电路在不同模式下会有不同的频率响应，通常电路被设计只在一种状态下工作。

Buck-boost 变换Buck-boost 转换器既可以实现升压变换，也可以实现降压变换，且同时具有反向变压的特性。

二、PWM比较器1、PWM脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

变换器基础及特点（DCDC电荷泵线性稳压器）一、DCDC概念及分类几乎所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源，DC to DC变换器是用于提供直流(DC)电源的器件。

DC-DC实际上是个很宽的概念，广义上包括所有的从直流变换到直流的变压器件，可分为线性变换器和开关变换器2种。

线性变换器中比较常用到的细分种类是LDO，而开关变换器就是通常所说的狭义上的DC-DC。

1，开关变换器开关变换器，指利用电感、电容的储能的特性，通过可控开关器件(MOSFET等)进行高频率的周期性的开通和关断，将输入的电能储存在电感（容）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

所以，开关变换器根据储能器件不同又可以分为电感储能型和电容储能型2种。

电感储能型DCDC就是电子产品中最常用的那种需要外挂个功率电感的常规DCDC，而电容储能型DCDC 变换器通常又被叫作电荷泵(bèng)。

我们常用的电感储能型DC-DC产品有三种类型，分别为BUCK （降压型）、BOOST（升压型）和BUCK/BOOST型（升降压型）。

另外，如果用变压器来代替储能电感，就是隔离型DCDC，隔离型又分多种：单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)、双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flybackconverter）、推挽电路（Push-pull converter）和半桥电路（Half-bridge converter）等。

隔离型不是本文要讲的重点。

2，线性变换器线性型，是从电源向负载连续的输送功率，传输能量器件（如晶体管、场效应管）工作于线性区，其负责调节从电源至负载的电流流动。

线性稳压器属于广义的DC-DC变换器，而LDO 又是一种低压差的线性稳压器。

二，线性稳压器。

1，原理：线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。

dcdc pwm调压原理DCDC PWM调压原理是一种常见的电路调节方法，能够将输入电压转换为需要的输出电压。

本文将详细介绍DCDC PWM调压原理的工作原理和实现方式。

我们先来了解一下什么是PWM调制。

PWM即脉冲宽度调制，它是一种通过改变脉冲宽度来控制输出信号平均功率的技术。

在DCDC调压中，PWM调制被应用于调节开关器件的开关状态，从而实现对输出电压的调节。

DCDC PWM调压原理的核心是使用一个开关器件（一般为MOS 管）来控制电路的导通和断开。

当开关器件导通时，输入电压通过电感和电容储能；当开关器件断开时，储能元件向负载释放能量。

通过不断重复这个过程，可以实现对输出电压的调节。

DCDC PWM调压原理的具体工作过程如下：1. 输入电压经过滤波电路，去除噪声和纹波，得到稳定的直流电压。

2. 控制信号通过PWM控制电路，调节开关器件的导通和断开时间。

3. 开关器件导通时，电流从输入电源经过电感和开关器件，储存在输出电容中。

4. 开关器件断开时，储存在输出电容中的能量被释放到负载电路中。

5. 通过不断重复开关器件的导通和断开，可以实现对输出电压的精确调节。

DCDC PWM调压原理的优点有：1. 高效性：由于开关器件的导通和断开是快速进行的，能量损耗较小，因此具有较高的转换效率。

2. 稳定性：通过PWM调制，可以精确控制输出电压的稳定性，适用于对输出电压要求较高的应用场景。

3. 可调性：通过调节PWM信号的占空比，可以实现对输出电压的连续调节，满足不同负载要求。

DCDC PWM调压原理的实现方式有多种，常见的有两种：1. 单端反激式DCDC调压：开关器件串联在电感上，通过控制开关器件的导通和断开，实现对输出电压的调节。

2. 双端反激式DCDC调压：开关器件分别串联在电感的两端，通过交替导通和断开，实现对输出电压的调节。

双端反激式调压具有更高的转换效率和更低的电磁干扰。

除了以上两种实现方式，还有其他的DCDC PWM调压方案，如降压转换器、升压转换器、反激式转换器等，每种方案都有其适用的场景和特点。

dcdc转换器原理DC-DC转换器是一种将一种直流电压转换成另一种直流电压的电子装置。

它通常由一个开关电路和一个储能电感组成，可以将高电压的直流电转化为低电压的直流电，也可以将低电压的直流电转化为高电压的直流电，具有普遍的应用。

下面，我们将从DC-DC转换器的原理出发来讲述它的工作原理和具体的实现过程。

1. PWM控制DC-DC转换器是通过PWM控制来实现的。

PWM控制是指记录一个给定周期内的占空比，然后依据这个占空比来控制输出电压的平均值。

2. 基本电路DC-DC转换器基本电路图由开关、储能电感、输出滤波电容等器件组成。

而在使用中，开关也就成了MOS管。

3. 工作方式DC-DC转换器根据开关的切换频率，分为脉冲模式和连续模式。

a. 脉冲模式在脉冲模式下，当MOS管开启时，电感中的电流逐渐增加，储能到电感中。

当MOS管关闭时，这个电流将绕过回路，去激励输出负载。

b. 连续模式当MOS管开启时间足够长时，电流是连续的。

如果调整开启时间短，就达到了脉冲模式。

在连续模式下，开关频率越高，输出电压的纹波越小。

4. 输出电压输出电压的大小，与开关时的时间和一定电感与负载的比例有关。

我们可以通过精确定义PWM信号来控制输出电压的稳定性。

5. 应用DC-DC转换器是用来处理不同电压方案的一种有效方法。

在很多应用中，例如车载电子、手机、笔记本，都有DC-DC转换器的应用。

总之，DC-DC转换器通过控制开关来实现电压升降的目的，直接作用对象是输入和输出电压，为其他电器和代替传统的线性稳压技术提供了先进的电源解决方案。

DC－DC开关稳压器输出电压的动态调整：一个小妙招儿，帮你实现！-设计应用一般来说，DC-DC开关稳压器都是固定电压输出。

有没有办法使用数字控制信号，实现电源输出电压的动态调整？本文介绍如何使用ADI专用的数模转换器（DAC）LTC7106，实现电源输出电压的动态调整。

如何实现电源输出电压的动态调整？电阻分压电路%2B电位器对于DC-DC开关稳压器输出电压的动态调整，常见的做法是设置电阻分压电路。

如下图，我们用一个电位器（Potentiometer）来代替其中一个分压电阻，就能动态调整DC-DC开关稳压器的电压输出。

图1：使用电位器来调整DC-DC开关稳压器输出（图片：ADI）这个方法很有效，但是需要我们手动操作。

如果需要使用数字控制信号来控制输出电压，一个好办法就是在上面的反馈节点输入一个正或负电流。

因此，我们需要一个专门为动态调整输出电压而开发的小型DAC。

电阻分压电路%2BDAC我们以ADI的DACLTC7106举例：如下图，LTC7106向电阻分压电路输出一个电流，使得DCDC开关稳压器反馈引脚上的电压改变，从而使得DC-DC开关稳压器输出电压可以根据数字控制信号而改变。

图2：LTC7106 DAC接入DC-DC电源反馈路径（图片：ADI）这种方法对DAC提出了一个要求。

当DAC没有数字控制信号的时候，不能有电流输出，否则可能会使得DC-DC开关稳压器在启动的时候，有不必要的电压出现。

专门的DAC可以克服这一个现象，比如ADI的LTC7106就是专门为这种应用而设计。

只要没有有效的数字控制信号，LTC7106输出引脚IDAC 上就没有电流（即高阻抗），从而避免电路启动期间，出现不需要的电压。

LTC7106是一个7位DAC，可以实现1LSB（有效位）、1μA的分辨率。

我们可以根据DAC的特性来设计合适的电阻分压电路，来匹配DAC的。

下面我们通过一个设计实例来说明。

基于LTC7106的设计实例如下图，使用LTC7150S作为DC-DC开关稳压器，提供1.5V电压输出。

DC-DC切换式稳压器中产生PWM讯号的电压和电流模式控制切换式DC-DC 电压转换器（稳压器）含有两个元件：控制器和功率级。

功率级含有切换元件，能将输入电压转换成所需的输出。

控制器会监控切换作业，调节输出电压。

两者由回授回路连结，会将实际的输出电压与所需的输出进行比较，得到误差电压。

控制器是电源供应器保持稳定和精密的关键，几乎所有的设计都采用脉宽调变(PWM) 技术进行调节。

产生PWM 讯号的方法主要有两种：电压模式控制和电流模式控制。

电压模式控制技术较早发明，但具有缺点，例如回应负载变化缓慢和回路增益会随着输入电压改变等，因此激励工程师开发以电流为基础的替代方法。

目前工程师已经能选用多款采用这两种控制技术的电源模组。

这些产品整合了技术，能克服之前产品的主要缺失。

本文将说明在切换式稳压器中产生PWM 讯号的电压和电流模式控制技术，并说明各项应用的最佳用途。

电压模式控制设计人员若要打造电源供应器，可选择离散式元件（参阅TechZone 文章《DC/DC 稳压器：如何在离散式和模组化设计中选择》）、个别控制器和功率元件，或是在单晶片上整合两者的电源供应器模组。

但无论使用何种技术，调节功能都非常有可能会采用通常为固定频率的PWM 技术。

（偏好采用恒定切换频率，因为可限制电源供应器产生的电磁干扰(EMI)。

）在电压模式控制的稳压器中，PWM 讯号的产生系透过将控制电压(VC) 施加到比较器的其中一个输入，以及将时脉产生的固定频率锯齿形电压（Vramp 或PWM 斜波）施加到另一个输入（图1）。

Texas Instruments 的切换式稳压器PWM 产生器图片图1：切换式稳压器的PWM 产生器。

PWM 讯号的工作周期与控制电压成比例，并可决定切换元件的导通时间百分比，进而决定输出电压。

控制电压系由实际输出电压以及所需输出电压（或参考电压）之间的差异求得。

调变器增益Fm 的定义为工作周期从0% 提高到100% 时，控制电压的改变(Fm = d/VC = 1/Vramp)。