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基于PLL调制的恒定导通时间控制BUCK变换器设计

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基于PLL调制的恒定导通时间控制BUCK变换器设计

作者：陈佳伟电子科技大学

学位级别：硕士

电源管理芯片作为现今社会电子设备中的关键模块,它的性能直接决定着电子设备的好坏。开关电源以其功耗低、效率高、应用范围广、可集成化高等优点,被越来越普遍的应用。恒定导通时间（Constant On Time,COT）控制Buck变换器有着瞬态响... 详细信息

电源管理芯片作为现今社会电子设备中的关键模块,它的性能直接决定着电子设备的好坏。开关电源以其功耗低、效率高、应用范围广、可集成化高等优点,被越来越普遍的应用。恒定导通时间（Constant On Time,COT）控制Buck变换器有着瞬态响应性能好、轻载效率高等优点,因而受到了设计人员的青睐,但是COT控制Buck变换器存在着开关频率易受工作条件改变而变化的缺点。本文设计了一款基于锁相环（Phase Locked Loop,PLL）调制的恒定导通时间控制Buck变换器。本文针对COT控制Buck变换器开关频率易受工作条件改变而变化等问题,建立COT控制Buck变换器小信号模型,确定了系统环路的补偿方案,并重点设计了频率同步作用的锁相环和外部时钟同步作用的锁相环。前一个锁相环可以将系统的开关频率锁定到一个参考时钟频率,使Buck变换器稳定工作时的开关频率恒定不变,从而解决了传统COT控制中开关频率偏移的问题。设计锁相环的带宽为Buck变换器环路带宽的四分之一左右,保证了瞬态阶跃时,保持COT控制模式瞬态响应速度快的特点,让Buck变换器的输出电压快速的恢复,不至于被锁相环降低响应速度。而第二个锁相环可以使系统的内部的参考时钟频率与外部输入时钟频率同步,为多电源芯片的并联提供了可能,极大的增加了供电方案的灵活性,去除复杂电源系统中的拍频干扰（Frequency Beating Interference）。本文基于0.35μm BCD工艺设计实现了一款基于锁相环调制的恒定导通时间控制Buck变换器芯片。并在Spectre下仿真和验证。仿真结果显示,时钟同步锁相环可以将内部时钟信号与外部时钟同步,频率同步锁相环可以稳定的控制开关频率。输入电压4V到14V变化过程中,芯片的线性调整率为0.015%/V,负载电流0A到4A变化过程中,负载调整率为0.18%。测试结果显示,本文设计的Buck变换器具有频率同步功能,实现了宽电压范围条件下输出电压的高精度和开关频率的高稳定性。为提高输出电流,本文还设计了一款采用PLL进行频率同步的Buck变换器控制器芯片。其输入电压范围为6V8V,输出电压范围为0.6V0V。电流采样电路采用了DCR采样方式,DCR电流采样电路中加入了电平位移电路与浮动电压产生电路,保证了宽输出电压范围情况下电流采样正确性,电流采样电路带宽为9.35MHz,增益为15.4dB,共模输入范围为0V0V。

关键词：锁相环 Buck变换器恒定导通时间开关频率调制 DCR电流采样

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大功率单相数字APFC的研究与实现

大功率单相数字APFC的研究与实现

作者：王晗上海交通大学

学位级别：硕士

在单相电网中，随着电力电子技术的快速发展，越来越多的电力电子设备在电网中投入使用，特别是采用整流桥和电解电容作为前级电路的开关电源电路和交直交变频电路的广泛使用，对电网造成了严重的谐波电流污染。有源功率因数校正（APFC... 详细信息

在单相电网中，随着电力电子技术的快速发展，越来越多的电力电子设备在电网中投入使用，特别是采用整流桥和电解电容作为前级电路的开关电源电路和交直交变频电路的广泛使用，对电网造成了严重的谐波电流污染。有源功率因数校正（APFC）技术作为解决谐波电流污染的重要技术，得到了广泛的研究和发展。本文主要进行了以下几个方面的研究：对单相APFC的发展情况、研究现状、两个主要谐波标准（IEC61000-3-2和IEC61000-3-12）、拓扑结构、工作原理、控制策略等方面进行了详细的研究、分析和总结，把APFC电路的大功率化和数字化作为本文的主要研究目标;对模拟APFC电路进行了大功率化研究，基于模拟PFC专用控制芯片L4981B设计了一款大功率APFC电路，分析了L4981B的内部结构和工作原理，进行了外围器件参数的设计选型，特别是功率电感、功率开关管以及滤波电容的设计，重点研究了L4981B的开关频率调制的特点，并进行了基于L4981B控制原理的SIMULINK仿真分析，最后对电路进行了大功率试验研究，丰富深化了单相APFC的研究功率等级;分析了无桥功率因数校正（BLPFC）拓扑的工作原理和部分PFC的各种控制策略，结合这两者设计了一款无桥部分APFC电路，采用FPAB50PH60智能功率模块作为电路的主功率器件，单片机ST7MC1K2作为电路的核心控制器，对电感和输出滤波电容等参数进行了设计选型，并进行了仿真分析，总结了BLPFC电路的本质特点，最后进行了大功率试验研究;研究了有桥APFC电路的数字化实现，进行了硬件电路的设计和相关外围器件参数的选型。采用数字信号处理器TMS320LF2808作为核心控制器，具体实现了乘法器这种PFC控制策略的算法，其中包括电流环、电压环的算法的研究和实现，以及数字PI调节器和数字滤波等各种算法的实现。最后进行了数字APFC电路的大功率试验研究，效果良好，达到了设计的目的。

关键词：有源功率因数校正(APFC) 模拟APFC电路开关频率调制无桥APFC电路部分PFC 数字APFC

基于ACOT控制的宽输入范围Buck变换器的设计

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基于ACOT控制的宽输入范围Buck变换器的设计

作者：李博电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,多种多样的电子产品在社会生活的方方面面发挥着至关重要的作用,改变了人们的生产与生活方式,使之朝着更加方便快捷的方向发展。电源管理芯片能否为电子设备高质量高稳定地供电,对设备高效可靠运行至关重要,可谓是... 详细信息

随着科学技术的发展,多种多样的电子产品在社会生活的方方面面发挥着至关重要的作用,改变了人们的生产与生活方式,使之朝着更加方便快捷的方向发展。电源管理芯片能否为电子设备高质量高稳定地供电,对设备高效可靠运行至关重要,可谓是所有电子设备的核心。以开关电源为代表的DC-DC变换器,由于高功率密度、高效率、高可靠性和低成本等特点受到业界广泛的使用,Buck变换器作为开关电源的代表,不断向着宽输入范围、高功率密度、低EMI和新型功率器件等趋势不断发展。本文设计了一款自适应恒定导通时间(Adaptive Constant On-time,ACOT)控制的宽输入电压范围Buck变换器,首先对Buck变换器架构与原理进行介绍,对自适应恒定导通时间即ACOT控制策略进行分析,采用描述函数法进行小信号建模以指导环路补偿设计并提出自适应设定开关频率的片内补偿方案。传统自适应恒定导通时间即ACOT控制的Buck变换器通过采样输入电压和输出电压信息决定上管导通时间T,本项目为实现在宽输入电压、输出电压和负载电流范围内实现开关频率与设定的基准频率保持一致并相位一致,引入了双锁相环架构,即在上管导通时间T中再引入设定开关频率和开关动作与基准时钟间的频率差相位差信息,实现锁频锁相功能。时钟同步锁相环可以对外部输入时钟进行错相处理,或根据调频电阻产生时钟并输出错向后的时钟;相位同步锁相环根据开关动作与基准时钟间的频率差相位差信息,微调根据输入输出电压和基准频率信息决定的T,以实现锁频锁相功能。在T中引入设定的开关频率信息,可减小相位同步锁相环的最大调节范围以减小频率的抖动,调节T使得在宽输入电压、输出电压和负载电流范围的情况下实现对开关动作的锁频锁相,为多芯片片上或模组集成提供基础条件。负载电流上阶跃时,在锁相环的调节下会提高的等效占空比,为了进一步提高瞬态响应速度,本文提出了一种相位同步锁相环的自适应补偿方案。在系统级设计的基础上,论文重点对时钟同步锁相环、相位同步锁相环调制的自适应恒定导通时间产生电路、宽输入电压范围LDO和自适应过零检测器等关键子模块进行设计。本文基于0.18μm BCD工艺,设计了一款ACOT控制的宽输入范围Buck变换器,输入电压6V-32V,输出电压1.2V-28V,最大负载能力2A。利用仿真软件进行仿真验证,仿真结果正常,进行整体版图设计、COB封装、原理图与PCB设计和芯片测试工作,测试结果表明在各种输入输出电压与CCM和DCM模式下均正常工作,开关动作与基准时钟可以实现锁频锁相,负载电流由0.5A跳变至1.5A时,恢复时间为7.25μs。

关键词： Buck变换器自适应恒定导通时间宽输入范围锁相环开关频率调制

一种高效率低待机功耗的副边反馈的AC-DC反激式变换器的设计

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一种高效率低待机功耗的副边反馈的AC-DC反激式变换器的设计

作者：居冬乾东南大学

学位级别：硕士

近些年来,由于电子技术的快速发展和人们生活水平的提高,消费电子产品市场持续火热,全球市场对于开关电源的尤其是反激式变换器的需求日益增加。此外,随着世界能源愈发紧张,人们环保意识显著提高,绿色电源存在着极大的发展潜力。为了适... 详细信息

近些年来,由于电子技术的快速发展和人们生活水平的提高,消费电子产品市场持续火热,全球市场对于开关电源的尤其是反激式变换器的需求日益增加。此外,随着世界能源愈发紧张,人们环保意识显著提高,绿色电源存在着极大的发展潜力。为了适应市场的需求,亟需研究设计一种高效率、低待机功耗的反激式变换器芯片。针对上述的要求,本文从提高电源的转换效率和降低其待机功耗两个方面进行了设计和研究。对于反激式变换器,传统提升转换效率的方法,电路结构复杂,成本高昂,只能提高特定负载下的转换效率,不利于实际生产。本文从副边反馈的反激式变换器系统的损耗着手,总结分析了六种主要损耗,归纳了开关频率和系统的原边峰值电流是影响系统损耗的主要因素。根据分析结果,为了降低损耗,提高系统的转换效率,设计了开关频率控制电路和峰值电流控制电路,随负载调节系统的开关频率和原边的峰值电流。在轻载时,系统降低开关频率,减少开关损耗,在重载时,系统限制原边峰值电流的大小,减少导通损耗,提高了系统整体的平均效率。另外,本文采用突发工作模式来降低待机功耗,通过反馈电压的控制,使得系统间歇工作,减少了系统在待机模式下的静态功耗。本文所设计的芯片采用华虹宏力HHNEC BCD 350nm GE工艺制造版图并进行流片,通过12V/1A的测试电路进行验证。测试结果表明:在90～265V交流输入电压下,系统的最大待机功耗为65m W。恒压输出12V时,系统的恒压输出精度为±1.3%,线性调整率为±0.6%,负载调整率±0.7%。重载下最大转换效率为86.48%,轻载下最低转换效率为82.66%,平均转换效率高于85%。所以,本文设计的反激式变换器具有高效率、低待机功耗的特点,在中低功率的反激式变换器市场上有着良好的应用前景。

关键词：反激式AC-DC变换器副边反馈开关频率调制峰值电流调制突发工作模式