宽转换范围大功率Boost变换器的研究与设计.pdf

单位代码单位代码1035910359 学学 号号20181710342018171034 密密 级级公开公开 分类号分类号TNTN4747 Hefei University of Technology 硕士学位论文硕士学位论文 MASTER’S DISSERTATION 论文题目论文题目 宽转换范围大功率 Boost 变换器 的研究与设计 学位类别学位类别 专业硕士 专业专业名称名称 集成电路工程 作者姓名作者姓名 孟睿锐 导师姓名导师姓名 尹勇生 研究员 孟煦 副教授 完成时间完成时间 2021 年 4 月 万方数据 合 肥 工 业 大 学 专业专业硕士学位论文硕士学位论文 宽转换范围大功率宽转换范围大功率 Boost 变换器变换器 的的研究与设计研究与设计 作者姓名作者姓名 孟睿锐 指导教师指导教师 尹勇生 研究员 孟煦 副教授 专业名称专业名称 集成电路工程 研究方向研究方向 SOC 设计 2021 年 4 月 万方数据 A Dissertation ted for the Degree of Master Research and Design of High-Power Boost Converter with Wide Conversion Range By Meng Ruirui Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China April, 2021 万方数据 万方数据 万方数据 I 致致 谢谢 时间匆匆如白驹过隙， 硕士生涯即将结束。 三年前我带着诚恳求学的态度加入 微电子设计研究所的大家庭， 在这里不仅有学业上的收获， 更有亦师亦友的深情。 在学位论文即将完成之际，谨对各位良师益友致以最诚挚的感谢。 首先特别感谢我的恩师孟煦老师。初入师门，才疏学浅，承蒙老师耐心指点， 方对集成电路设计之技略懂一二。孟老师治学严谨，为人和善，是学生一生学习的 楷模。在论文撰写期间，孟老师始终如一，及时督促，认真批改，使我能够顺利完 成学业，在此对孟老师表示由衷的敬意。 感谢尹勇生老师在项目及科研中的鞭策与激励，尹勇生一丝不苟的科研精神 深深地影响了我； 感谢邓红辉老师和陈红梅老师在科研生活中的指导和帮助， 邓老 师和陈老师思维灵活，见解独到，每次交流都能使我有新的收获；感谢木子一老师 和范月红老师在日常生活中的关心与照顾。 感谢闫辉、聂家宜、钱希琛、陈昕宇、孙蕊等师兄师姐在项目和学习中为我解 答疑惑，使我不断成长；感谢同组李海波、谢熙明、万祝娟，是你们使我的研究生 生活更加丰富多彩； 感谢滕海林、 程昊、 武胡、 刘冬梅等师弟师妹在项目中的帮助； 感谢杨莫非、 谢延鹏、 储修君、 董飞翔、 徐树、 杨潇等朋友在生活中的关心和照顾， 认识你们是我人生中莫大的荣幸。 最后特别感谢我的父母在读研期间给予我的关心和支持，你们的鼓励是我人 生前进的动力。 作者孟睿锐 2021 年 4 月 万方数据 II 摘摘 要要 电源管理芯片用来为电子系统提供稳定的电压， 广泛应用于数码产品、 民用家 电以及通信设备等领域。 在各类电源转化芯片中， 开关电源芯片具有转换效率高、 输出功率大、输出电压可以灵活调节等优点，应用范围最广。由于音频驱动、固态 照明等场合需要较高的输出电压以及较大的输出功率，关于升压型开关电源变换 器（Boost Converter，下文简称 Boost 变换器）的研究已经成为学者和工业界的研 究热点。 本文针对宽转换范围大功率 Boost 变换器展开研究， 设计完成了一款峰值电流 控制模式的 Boost 变换器。首先，从基本原理入手，介绍了功率级的拓扑结构、工 作模式以及常用的环路控制方法， 重点分析了峰值电流控制模式， 从大信号和小信 号两个层面解释了次谐波振荡现象。 针对宽电压转换比下 Boost 变换器难以稳定的 问题，进行了理论推导与分析，利用电流内环半开关频率处的品质因数Quality Factor，下文简称 Q 值说明了峰值电流模系统稳定性弱化的原因，并且提出了一 种自适应 Q 值的斜坡补偿方案，该技术使得补偿强度跟随占空比变化，系统在很 宽的占空比范围内保持稳定。然后，从系统指标出发，按照功率级-电流内环-电压 外环的顺序完成系统设计，并通过 Simplis 完成稳定性验证。最后，结合系统关键 参数和芯片设计理论，完成了控制环路、偏置模块以及保护电路的设计。 本设计基于 SMIC 0.18um BCD 工艺，利用 Spectre 软件完成验证，仿真结果 表明输入电压 2.84.6V 时，输出电压范围可达 540V，电压转换比高达 14，最 大输出功率高达 32W；输出电压纹波小于 100mV；峰值效率高达 93.1，大部分 负载情况下效率高于 88；典型应用的 8V 输出电压下，1A 负载跳变的过冲或下 冲均小于输出电压的 5，瞬态恢复时间小于 70us，负载调整率为 2mV/A。 关键词关键词Boost 变换器；宽转换范围；峰值电流模；次谐波振荡；自适应 Q 值的斜 坡补偿 万方数据 III ABSTRACT Power management ICs PMICs have been widely used in digital products, household appliances, and communication equipment, to provide stable voltage for electronic systems. Among various PMICs, the Switched-Mode Power Converter has the advantages of high conversion efficiency, large output power, flexible adjustment of output voltage, as well as the wide application range. With the development of audio drive, solid-state lighting and other applications which require high output voltage and power, the research of boost switching power supply has become a hot topic in the academic and industrial circles. This thesis focuses on the research and design of high-power boost converter with wide conversion range, and a peak current-mode boost converter has been implemented. Starting from the basic principles, this thesis firstly introduces the topology, working mode of power stage and common loop control s. Peak current control mode has been deeply studied, and the sub-harmonic oscillation phenomenon has been explained from both the large and small signal aspects. Aiming at solving the problem that, the boost converter was difficult to be stabilized under a wide voltage conversion ratio, detailed theoretical derivations and analysis have been carried out. Quality factor hereinafter referred to as Q value at the half switching frequency of the inner current loop is used to depict the poorer stability of the peak current mode system. An adaptive Q-value slope compensation manner has been proposed, which makes the compensation intensity following the duty cycle changes, leading to a stable system in a wide range of duty cycles. Then, system level design has been accomplished according to the target specifications, with the sequence of power stage, inner current loop, and finally outer voltage loop. Behavior-level simulation has been done with Simplis. Lastly, circuit level design has been accomplished as well. This design was under the SMIC 0.18μm BCD process, with the simulations in Cadence Spectre plat. The simulation results show that with the voltage range of 2.8 V to 4.6 V, the output voltage range covers from 5 V to 40 V. The maximum voltage conversion ratio achieves 14, with the output power as high as 32 W. The ripples on output voltage are less than 100mV. The peak efficiency is 93.1, and the efficiency is higher than 88 across very wide load range. In a typical application of 8 V output voltage, the overshoot or undershoot is less than 5 of the output voltage, and the transient recovery time is not more than 70us for a load step of 1 A. In addition, the load regulation is 2mV/A. 万方数据 IV KEYWORDS Boost Converter; Wide Conversion Range; Peak Current-Mode Control; Sub-harmonic Oscillation; Adaptive Q-value Slope Compensation 万方数据 V 目目 录录 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 引言 .................................................................................................................... 1 1.2 电源管理芯片概述 ............................................................................................ 2 1.3 开关电源芯片的研究现状 ................................................................................ 3 1.4 论文的主要工作 ................................................................................................ 5 1.5 论文的结构安排 ................................................................................................ 6 第二章 Boost 变换器基础 .............................................................................................. 7 2.1 功率级 ................................................................................................................ 7 2.1.1 拓扑结构 .................................................................................................. 7 2.1.2 工作模式 ................................................................................................ 10 2.1.3 小信号模型 ............................................................................................ 14 2.2 环路控制方式 .................................................................................................. 16 2.2.1 电压控制 ................................................................................................ 16 2.2.2 恒定导通时间控制 ................................................................................ 18 2.2.3 峰值电流控制 ........................................................................................ 19 2.3 电流内环的 Q 值分析 ..................................................................................... 25 2.4 本章小结 .......................................................................................................... 27 第三章 宽转换范围大功率 Boost 变换器系统设计 ................................................... 28 3.1 系统指标分析 .................................................................................................. 28 3.2 功率级设计 ...................................................................................................... 29 3.2.1 效率优化 ................................................................................................ 29 3.2.2 无源器件的选取 .................................................................................... 30 3.3 自适应 Q 值的电流内环设计 ......................................................................... 31 3.3.1 自适应 Q 值的斜坡补偿 ....................................................................... 32 3.3.2 关键参数设计考量 ................................................................................ 33 3.3.3 模型验证 ................................................................................................ 34 3.4 电压外环设计 .................................................................................................. 37 3.5 行为级仿真 ...................................................................................................... 40 3.6 本章小结 .......................................................................................................... 42 第四章 关键电路设计 .................................................................................................. 43 4.1 电流采样电路 .................................................................................................. 43 4.2 斜坡补偿电路 .................................................................................................. 46 万方数据 VI 4.3 比较器 .............................................................................................................. 48 4.4 误差放大器 ...................................................................................................... 50 4.5 带隙基准 .......................................................................................................... 55 4.6 保护模块 .......................................................................................................... 58 4.6.1 欠压保护电路 ........................................................................................ 58 4.6.2 过温保护电路 ........................................................................................ 59 4.7 本章小结 .......................................................................................................... 61 第五章 系统仿真验证 .................................................................................................. 62 5.1 系统框图及仿真电路 ...................................................................................... 62 5.2 系统仿真结果与分析 ...................................................................................... 63 5.2.1 启动过程 ................................................................................................ 63 5.2.2 宽转换范围 ............................................................................................ 64 5.2.3 输出驱动能力 ........................................................................................ 65 5.2.4 转换效率 ................................................................................................ 66 5.2.5 瞬态响应 ................................................................................................ 66 5.3 本章小结 .......................................................................................................... 67 第六章 总结与展望 ...................................................................................................... 68 6.1 本文工作总结 .................................................................................................. 68 6.2 工作展望 .......................................................................................................... 69 参考文献 ........................................................................................................................ 70 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 ................................................................ 74 万方数据 VII 插图清单插图清单 图 1.1 电源管理单元 ................................................................................................... 1 图 2.1 开关电源的基本结构 ....................................................................................... 7 图 2.2 线性电源的结构简图 ....................................................................................... 8 图 2.3 能量传输示意图 ............................................................................................... 8 图 2.4 降压拓扑的基本原理 ....................................................................................... 9 图 2.5 升压拓扑的直观理解 ....................................................................................... 9 图 2.6 升压拓扑两种结构 ......................................................................................... 10 图 2.7 功率级的两种工作模式 .................................................................................. 11 图 2.8 CCM 模式的两个状态 .................................................................................... 11 图 2.9 CCM 模式的关键波形 ................................................................................... 12 图 2.10 功率级的小信号模型 ................................................................................... 15 图 2.11 电压模 Boost 变换器 .................................................................................... 17 图 2.12 PWM 调制原理 ............................................................................................. 17 图 2.13 恒定导通时间控制 Boost 变换器 ................................................................ 19 图 2.14 峰值电流模 Boost 变换器 ............................................................................ 20 图 2.15 电感电流扰动波形 ....................................................................................... 21 图 2.16 斜坡补偿后的电感电流扰动波形（D0.5） ............................................. 22 图 2.17 线性斜坡补偿的斜率分析 ........................................................................... 22 图 2.18 峰值电流模 Boost 变换器的小信号模型 .................................................... 23 图 2.19 Tas的波特图 ............................................................................................... 25 图 2.20 传统斜坡补偿的 Q 值曲线 .......................................................................... 26 图 3.1 带有寄生参数的功率级模型 ......................................................................... 30 图 3.2 电流内环 Q 值曲线对比 ................................................................................ 33 图 3.3 自适应 Q 值的电流内环 ................................................................................ 33 图 3.4 电流内环稳态波形图 ..................................................................................... 34 图 3.5 基于自适应 Q 值斜坡补偿的电流内环的仿真模型 .................................... 35 图 3.6 不同占空比时电流内环的频率响应 ............................................................. 36 图 3.7 极端条件下电流内环的频率响应对比 ......................................................... 36 图 3.8 典型输出电压下电流内环的频率响应 ......................................................... 36 图 3.9 Type II 补偿网络 ............................................................................................ 37 图 3.10 补偿网络的频率响应 ................................................................................... 39 图 3.11 环路传输函数的 AC 仿真图 ........................................................................ 39 万方数据 VIII 图 3.12 基于自适应 Q 值斜坡补偿的峰值电流模仿真模型 .................................. 40 图 3.13 不同负载条件下系统的频率响应 ............................................................... 41 图 3.14 极端条件下系统的频率响应 ....................................................................... 41 图 3.15 系统频率响应对比 ....................................................................................... 42 图 4.1 电流采样电路 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