[发明专利]迟滞模式降压型DC/DC开关变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种迟滞模式降压型DC/DC开关变换器。

技术背景

电源是向电子设备提供功率的装置。电源功率的大小、电压和电流是否稳定，都将直接影响到电子设备的工作性能和使用寿命。在现代便携式电子系统中，如移动电话、数码照相机/摄像机以及笔记本电脑等，无论是采用蓄电池组供电，还是由交流市电经整流后(或者经交流适配器)供电，电源电压都会存在较大的变化。因此，输入电源一般不能直接给电子系统供电，而必须先经过稳压电源以便给电子系统提供持续稳定的能量。一个高质量的稳压电源能够在宽泛的输入电源电压范围内提供良好的功率输出。而随着信息科学和集成电路的发展，市场对于微功耗、节能型、智能化电子产品的需求在不断地增长。这对研究和开发具有高性能和高供电质量的电源管理IC提出了新的挑战。

目前，常用的DC/DC稳压电源主要有三大类：线性稳压电源、电容式开关电源和电感式开关电源。线性稳压电源，如LDO，虽然输出纹波小，但是由于调整管上总有一定的压降，功耗较大，转换效率很低；电容式开关电源，俗称电荷泵(Charge Pump)，为了改变功率拓扑，内部需要集成开关阵列而增大芯片的面积和功耗，降低转换效率；电感式开关电源，简称“开关电源”，通过控制功率开关的占空比来稳定输出。与线性稳压电源不同，开关电源的调整管只是工作在开关状态，因而由开关造成的损耗很小，转换效率很高，可以达到90％以上，并且能够提供大的负载电流。单从转换效率而言，开关电源是三种DC/DC稳压电源中最高的。高的转换效率有助于节能环保，而对于用电池供电的便携式电子产品，高的转换效率也有助于提高电池的利用率。

BUCK变换器是一种能够将高输入电压转换为低输出电压的DC/DC开关电源，迟滞模式控制的具体结构如图1所示，包括输入电压源，滤波电路和与滤波电路并联的负载；所述的滤波电路包括并联连接的电感和电容，电感和输入电压源之间设有主开关，电感与地之间设有同步开关；滤波电路的输出端与迟滞比较器的负输入端连接，迟滞比较器的正输入端输入输出参考电压信号，迟滞比较器的输出端与能产生不相交迭的开关驱动信号、避免主开关和同步开关同时导通的死区时间控制及驱动模块连接；所述的主开关和同步开关受控于死区时间控制及驱动模块。

在此典型控制结构中，系统通过将输出电压纹波保持在由输出参考电压V_RFE和迟滞PWM比较电路设定的迟滞窗口内来实现对输出电压的调节。系统工作于CCM模式时的关键控制波形如图2所示。当主开关S_H导通，同步管S_L关断时，输出电压上升，直至上升到迟滞上边带V_{HYS_H}时，主开关S_H关断，同步管S_L导通，使输出电压下降；当输出电压下降至迟滞下边带V_{HYS_L}时，主开关S_H重新导通，同步管S_L重新关断，开始下一个新的开关周期。为了避免由LC相移问题引起的工作不稳定，系统需要保证在迟滞PWM比较电路的输入端有足够大的与开关相位一致的输出电压纹波。在实际应用中，还需要用到等效串联电阻(ESR)相对较大的电解电容或者在输出电容支路串联一个外部电阻(R_C)。这不仅会增加设计成本，也会造成一定的功耗而降低转换效率。

由于典型迟滞模式控制是直接通过控制输出电压纹波来保证系统正常工作，因此，其开关频率严重依赖于系统参数。

BUCK变换器主要的控制模式包括电压模式、电流模式以及迟滞模式。对于电压模式和电流模式，为了确保工作稳定，两者都需要进行复杂的反馈环路补偿。这不仅增加了设计难度，也增加了产品成本。另外，由于开关频率对环路增益带宽的限制，两者的瞬态响应也相对较慢。迟滞模式被认为是控制结构最简单、瞬态响应最快速的控制方法。它无需设计补偿网络，并且能够对同一开关周期内的负载电流跳变做出响应，很适合应用于微处理器、数字信号处理器以及其他一些具有高摆率的动态负载中。但是，开关频率严重受系统参数的影响，特别是输入电压。开关频率的较大变化将会引起潜在的电磁干扰(EMI)问题，使得迟滞模式不适合应用于一些对EMI要求比较严格的场合。