基于电流模Buck-Boost转换器的系统与电路设计

摘要

随着便携式设备功能和性能要求的不断提升，对电源管理系统的性能要求也越来越高。例如更长久的电池运行时间、更高的功率密度、更小的外形、以及更高的可靠性等。锂电池由于其能量密度高、自放电小和价格低等优点而被广泛地用于便携式设备的电源。在锂电池供电的便携式设备中采用升降压DC-DC变换器能够扩大电池的供电电压范围，从而延长电池的使用寿命。 论文在对传统升降压拓扑对比分析的基础上，选用四开关控制的升降压拓扑结构，设计了一款基于电流模控制的升降压转换器。与传统升降压拓扑相比，它能够实现电压的同相转换，且不需要很大的电感、电容。考虑到四开关同时工作会增加开关损耗，采用的拓扑可根据不同的输入条件选择不同的工作模式，减小了同时工作的开关管数目，降低了开关损耗。文章首先分析了升降压自动切换系统的关键技术，包括升降压切换点电压的设置、切换控制方案的实现，其次分析了升降压变换器的功率级，推导出了经典四开关结构升降压功率级的小信号模型，并与降压、升压功率级小信号模型作了比较。得出在环路补偿时，当升压型环路能满足稳定性要求时，其他模式也已经满足稳定性要求的结论。最后针对电流模系统存在的稳定性问题，对工作于三种工作模式下的升降压系统进行了稳定性分析和设计。 论文采用CSMC0．5μm工艺完成了对各个功能模块和系统的设计，采用Candece Spectre S进行电路和系统的仿真。系统开关频率为1MHz，设计效率为85％。仿真结果表明当输入电源电压在2．5～5．5V的范围内，输出电压都稳定在3．3V左右，实现了升降压功能。三种模式下的最低效率为85％，稳态时的开关纹波最大值为56mV，已达到了预期的设计目标。基于BUCK-BOOST技术的转换器应用非常广泛，在便携式设备如掌上型电脑，手持式仪器，MP3播放器，数码相机中都获得了广泛的应用，是单节锂离子电池、多节碱性电池或NiMH电池应用的理想选择。

目录

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英文文摘

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第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究目标和主要内容

1.4 论文组织

第二章 开关电源的基本原理及系统分析

2.1 开关电源的基本拓扑结构分析

2.1.1 Buck型开关电源的基本原理

2.1.2 Boost型开关电源的基本原理

2.1.3 典型四开关Buck-Boost型开关电源的基本原理

2.2 系统控制模式的选择

2.3 升/降压拓扑的比较和分析

第三章 高效升降压变换器的系统设计

3.1 Buck-Boost切换点电压分析与设计

3.2 切换控制电路分析

3.3 CCM工作的功率级模型

3.3.1 开关三端结构及平均模型

3.3.2 功率级线性等效电路

3.4. 电流环路稳定性分析

3.4.1 无补偿斜坡下的稳定性

3.4.2 斜坡补偿的作用

3.5 系统控制环路的设计

3.5.1 电流环路设计

3.5.2 电压环路设计

第四章 系统模块电路设计

4.1 基准电路的设计

4.1.1 偏置电路的设计

4.1.2 运放的设计

4.1.3 基准源的设计

4.2 误差放火器的设计

4.3 斜坡振荡器的设计

4.3.1 恒流源以及参考电压的实现

4.3.2 高速比较器电路

4.3.3 模拟结果

4.4 电压-电流转换电路

4.5 电流检测电路

4.5.1 降压和升降压模式

4.5.2 升压模式

4.6 死区时间控制电路的设计

4.7 模式控制电路及逻辑驱动

4.8 其它电路设计

第五章 系统仿真验证

5.1 Buck-Boost自动切换系统静态特性

5.1.1 三种工作模式下系统的工作特性

5.1.2 振荡频率的温度特性

5.1.3 Buck-Boost系统的转换效率

5.2 系统动态特性

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士学位期间发表的论文