高效率同步電流模開關(guān)電源設(shè)計與仿真

【摘要】本文設(shè)計了一款同步降壓型開關(guān)電源。創(chuàng)新地提出了脈寬-跳周期方式有效地提高了輕載效率;仿真結(jié)果表明，電源輸入電壓范圍為2.3-4V;當(dāng)電源輸入電壓為3.3V、工作頻率為2MHz時，輸出電壓穩(wěn)定在1.8V，紋波小于2%;當(dāng)負(fù)載電流為1A，電源電壓從3.3突變到4V變化時，線性調(diào)整率為0.7%;當(dāng)負(fù)載從0.5突變到1.1A變化時，負(fù)載調(diào)整率為0.8%;當(dāng)負(fù)載從70mA-1A變化時電源轉(zhuǎn)換效率保持在65%-95.2%。

【關(guān)鍵詞】波特圖;電流型開關(guān)電源;高效率;建模

Abstract：A synchronous buck type switching power supply is designed in this paper.Pulse width-period skip method is used to improve the efficiency under light load;Simulation results show that the power input voltage ranges from 2.3 to 4V;When the input voltage is 3.3V and system frequency is 2MHz，the output voltage stablilizes at 1.8V within 2% ripple;A 0.7% linear adjustment rate is measured under 1A load current by changing supply voltage from 3.3 to 4V in a short time;When the load is changed from 0.5 to 1.1A suddenly，the load adjustment rate is 0.8%;When the load is changed from 70mA-1A，the power conversion efficiency keeps from 65% to 95.2%.

Keywords：Bode plot;current mode switching power supply;high efficiency;modeling

1.引言

同步峰值電流型開關(guān)電源有兩個環(huán)路，電流內(nèi)環(huán)完成電流采樣，電壓外環(huán)完成電壓采樣，根據(jù)采樣結(jié)果穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)占空比大于50%時，電流環(huán)容易產(chǎn)生次諧波振蕩，因此必須加入斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)。在一些低功耗產(chǎn)品中，對開關(guān)電源的輕載效率越來越高。本文創(chuàng)新新性地提出了脈寬跳周期方式有效地提高了電源輕載效率。通過仿真，電源的各項指標(biāo)性能比較理想，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，此設(shè)計方法簡單，且提高了開關(guān)電源的設(shè)計效率。給工程人員設(shè)計開關(guān)電源提供了參考依據(jù)[1]。

2.關(guān)鍵電路

本文設(shè)計關(guān)鍵電路是脈寬-跳周期切換邏輯控制模塊和環(huán)形振蕩器模塊。最后接上外圍元件進(jìn)行以下各類仿真驗證。

2.1 邏輯控制電路

驅(qū)動控制電路主要完成了PWM和PSM切換、死區(qū)控制、模式強(qiáng)制選擇、過零關(guān)斷續(xù)流管等功能，其電路原理如圖1所示。脈寬-跳周期模其原理如下，設(shè)定PSM切換時電流為200mA，V_PSM0表示當(dāng)電感電流為200mA時的采樣電壓，VS表示任意時候的采樣電壓。COMP1是一個比較器，當(dāng)VS在V_PSM0上下波動時，COMP1的輸出為一系列的高低電平。當(dāng)輸出為高時，VS低于V_PSM0，表示電感平均電流小于200mA，也就是負(fù)載較輕，所以系統(tǒng)應(yīng)工作在SKIP模式。此時，COMP1的輸出通過一個反相器后為低電平，決定了I2，I4兩個與非門的輸出為高電平，因此P_DRV和N_DRV信號都是高電平，也就關(guān)斷了主開關(guān)管，打開續(xù)流管，使電路工作在SKIP模式下。當(dāng)VS的電壓大于V_PSM0時，表示輸出電流大于200mA，電路工作在重載模式，此時I2，I4的一個輸入端便為高電平，其輸出決定于D觸發(fā)器的輸出，也就決定于PWM信號，PWM是來自于由輸出電壓和電流決定的占空比變化的脈沖序列，因此電路此時在PWM模式下[3-5]。

圖1 邏輯驅(qū)動電路原理圖

圖2

2.2 環(huán)形振蕩器電路

振蕩器是絕大多數(shù)電子系統(tǒng)的主要組成部分，主要構(gòu)成整個系統(tǒng)時鐘驅(qū)動部分。一般來說振蕩器主要分張弛振蕩器、環(huán)形振蕩器、LC振蕩器等。本電源系統(tǒng)工作頻率為2MHz，在此頻率下用環(huán)形比較器比較容易實(shí)現(xiàn)，而且環(huán)形比較器結(jié)構(gòu)比較簡單，大大提高了設(shè)計效率[6，7]。其電路原理圖如圖2所示。

3.仿真結(jié)果

3.1 振蕩器

通過tsmc018rf工藝對電路在spectre下仿真，其瞬態(tài)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到電路的頻率很接近2MHz，達(dá)到了電路設(shè)計指標(biāo)。

圖3 環(huán)形振蕩器瞬態(tài)仿真結(jié)果

3.2 輸出電壓與紋波驗證

電源測試條件為：輸入電壓3.3V、輸出電壓預(yù)期值為1.8V、占空比D為0.545、負(fù)載電阻1.8歐、工作頻率2MHz、輸出電感1uH、輸出電容28nF。瞬態(tài)仿真的結(jié)果如圖4所示。上面是輸出電壓，下面是電感電流?？梢钥吹紻C-DC輸出電壓是1.8V，紋波電壓大小為0.02V，小于5%，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。

圖4 瞬態(tài)仿真結(jié)果

3.3 輸入電壓范圍驗證

輸入電源范圍仿真驗證，負(fù)載電流選擇1A、輸出電壓Vout=1.8V時，將電源電壓從2.3到4V內(nèi)變化，監(jiān)視輸出電壓變化情況。從圖5仿真波形來看，當(dāng)輸入電壓在2.3到4V范圍內(nèi)變化時，輸出電壓一直穩(wěn)定在1.8V，說明電路達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)中的輸入電壓范圍。

3.4 負(fù)載調(diào)整率驗證

電源的負(fù)載調(diào)整率如圖6所示，當(dāng)負(fù)載電流從0.5A突變到1.1A時以及再突變回0.5A的過程中，輸出電壓變化不超過0.3V，而且僅用了0.4ms就穩(wěn)定在了1.8V，負(fù)載調(diào)整率為0.8%，其瞬態(tài)響應(yīng)速度比較理想。

圖5 輸入電壓范圍掃描

圖6 負(fù)載調(diào)整率驗證結(jié)果

圖7 開關(guān)電源線性調(diào)整率仿真

圖8 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率

3.5 線性調(diào)整率

固定負(fù)載電流為1A，將電源電壓3.3V在5us內(nèi)變化至4V，經(jīng)歷一段時間后在5us內(nèi)又變化至3.3V，監(jiān)視輸出電壓的紋波。圖7為線性調(diào)整率結(jié)果，從上往下依次是輸出電壓、輸入電壓、輸出電流?？梢钥吹剑瑹o論是輸入電壓突然增大還是減小，輸出電壓和電流都能很快地調(diào)整到額定值，且抖動量都（下轉(zhuǎn)第106頁）（上接第103頁）很小，經(jīng)測量，其線性調(diào)整率為0.7%，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

3.6 效率曲線

本文設(shè)計的開關(guān)電源采用了電流型同步整流的方式，同時運(yùn)用了脈寬-跳周期雙模調(diào)制的方法，提高了輕載的效率，其效率曲線如圖7所示。結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載從70mA-1A變化時電源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到65%-95.2%。

4.結(jié)束語

全文完整地敘述了開關(guān)電源從建模到電路實(shí)現(xiàn)的設(shè)計流程。運(yùn)用Matlab仿真工具，從電流環(huán)路增益以及控制到輸出傳遞函數(shù)波特圖這兩種角度簡單地得到了系統(tǒng)需要的補(bǔ)償斜率;提出了脈寬與跳周期相結(jié)合提高輕載效率的方法。仿真結(jié)果表明電源各項指標(biāo)都比較好，為工程人員進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉雪飛（1988—），男，重慶人，碩士，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計，開關(guān)電源。