高效率同步电流模开关电源设计与仿真

【摘要】本文设计了一款同步降压型开关电源。创新地提出了脉宽-跳周期方式有效地提高了轻载效率;仿真结果表明，电源输入电压范围为2.3-4V;当电源输入电压为3.3V、工作频率为2MHz时，输出电压稳定在1.8V，纹波小于2%;当负载电流为1A，电源电压从3.3突变到4V变化时，线性调整率为0.7%;当负载从0.5突变到1.1A变化时，负载调整率为0.8%;当负载从70mA-1A变化时电源转换效率保持在65%-95.2%。

【关键词】波特图;电流型开关电源;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

同步峰值电流型开关电源有两个环路，电流内环完成电流采样，电压外环完成电压采样，根据采样结果稳定输出电压。当占空比大于50%时，电流环容易产生次谐波振荡，因此必须加入斜坡补偿环节。在一些低功耗产品中，对开关电源的轻载效率越来越高。本文创新新性地提出了脉宽跳周期方式有效地提高了电源轻载效率。通过仿真，电源的各项指标性能比较理想，与传统的设计方法相比，此设计方法简单，且提高了开关电源的设计效率。给工程人员设计开关电源提供了参考依据[1]。

2.关键电路

本文设计关键电路是脉宽-跳周期切换逻辑控制模块和环形振荡器模块。最后接上元件进行以下各类仿真验证。

2.1 逻辑控制电路

驱动控制电路主要完成了PWM和PSM切换、死区控制、模式强制选择、过零关断续流管等功能，其电路原理如图1所示。脉宽-跳周期模其原理如下，设定PSM切换时电流为200mA，V_PSM0表示当电感电流为200mA时的采样电压，VS表示任意时候的采样电压。COMP1是一个比较器，当VS在V_PSM0上下波动时，COMP1的输出为一系列的高低电平。当输出为高时，VS低于V_PSM0，表示电感平均电流小于200mA，也就是负载较轻，所以系统应工作在SKIP模式。此时，COMP1的输出通过一个反相器后为低电平，决定了I2，I4两个与非门的输出为高电平，因此P_DRV和N_DRV信号都是高电平，也就关断了主开关管，打开续流管，使电路工作在SKIP模式下。当VS的电压大于V_PSM0时，表示输出电流大于200mA，电路工作在重载模式，此时I2，I4的一个输入端便为高电平，其输出决定于D触发器的输出，也就决定于PWM信号，PWM是来自于由输出电压和电流决定的占空比变化的脉冲序列，因此电路此时在PWM模式下[3-5]。

图1 逻辑驱动电路原理图

图2

2.2 环形振荡器电路

振荡器是绝大多数电子系统的主要组成部分，主要构成整个系统时钟驱动部分。一般来说振荡器主要分张弛振荡器、环形振荡器、LC振荡器等。本电源系统工作频率为2MHz，在此频率下用环形比较器比较容易实现，而且环形比较器结构比较简单，大大提高了设计效率[6，7]。其电路原理图如图2所示。

3.仿真结果

3.1 振荡器

通过tsmc018rf工艺对电路在spectre下仿真，其瞬态结果如图3所示。从图中可以看到电路的频率很接近2MHz，达到了电路设计指标。

图3 环形振荡器瞬态仿真结果

3.2 输出电压与纹波验证

电源测试条件为：输入电压3.3V、输出电压预期值为1.8V、占空比D为0.545、负载电阻1.8欧、工作频率2MHz、输出电感1uH、输出电容28nF。瞬态仿真的结果如图4所示。上面是输出电压，下面是电感电流。可以看到DC-DC输出电压是1.8V，纹波电压大小为0.02V，小于5%，达到了设计指标。

图4 瞬态仿真结果

3.3 输入电压范围验证

输入电源范围仿真验证，负载电流选择1A、输出电压Vout=1.8V时，将电源电压从2.3到4V内变化，监视输出电压变化情况。从图5仿真波形来看，当输入电压在2.3到4V范围内变化时，输出电压一直稳定在1.8V，说明电路达到了设计指标中的输入电压范围。

3.4 负载调整率验证

电源的负载调整率如图6所示，当负载电流从0.5A突变到1.1A时以及再突变回0.5A的过程中，输出电压变化不超过0.3V，而且仅用了0.4ms就稳定在了1.8V，负载调整率为0.8%，其瞬态响应速度比较理想。

图5 输入电压范围扫描

图6 负载调整率验证结果

图7 开关电源线性调整率仿真

图8 开关电源转换效率

3.5 线性调整率

固定负载电流为1A，将电源电压3.3V在5us内变化至4V，经历一段时间后在5us内又变化至3.3V，监视输出电压的纹波。图7为线性调整率结果，从上往下依次是输出电压、输入电压、输出电流。可以看到，无论是输入电压突然增大还是减小，输出电压和电流都能很快地调整到额定值，且抖动量都（下转第106页）（上接第103页）很小，经测量，其线性调整率为0.7%，达到预期指标。

3.6 效率曲线

本文设计的开关电源采用了电流型同步整流的方式，同时运用了脉宽-跳周期双模调制的方法，提高了轻载的效率，其效率曲线如图7所示。结果表明，当负载从70mA-1A变化时电源转换效率达到65%-95.2%。

4.结束语

全文完整地叙述了开关电源从建模到电路实现的设计流程。运用Matlab仿真工具，从电流环路增益以及控制到输出传递函数波特图这两种角度简单地得到了系统需要的补偿斜率;提出了脉宽与跳周期相结合提高轻载效率的方法。仿真结果表明电源各项指标都比较好，为工程人员进行开关电源设计提供了参考依据。

参考文献

[1]李文，雷虹，冯进军，陈银杏.小型高效小功率开关电源的设计[J].电力电子技术，2006，40（5）：110-142.

[2]王兴贵，邹应炜，刘金龙.全桥型DC/DC开关电源的建模与控制[J].电力电子技术，2007，41（7）：86-8.

[3]Su J-H，Jiann-Jong C，Dong-Shiuh W.Learning feedback controller design of switching converters via MATLAB/SIMULINK[J].Education，IEEE Transactions on.2002，45（4）：307-315.

[4]Juing-Huei S，Chien-Ming W，Jiann-Jong C，Jing-Da L，Tzu-Ling C，editors.Interactive Simulation and Verification SIMULINK Models for DC-DC Switching Converter Circuits using PWM Control ICs.Power Electronics and Drives Systems，2005 PEDS 2005 International Conference on;2005 28-01 Nov.2005.

[5]B.Ridley Ra.A New Small-Signal Model for Current-Mode Control[D]：Institute and State University;November，1990.

[6]黄雷，彭达洲.新型双管正激式开关电源建模与设计研究[J].电源技术，2012，36（6）：69-72.

[7]严尔梅，韦远武，虢韬，杨军.一种适用于同步整流开关电源的过零检测电路[J].电子技术应用，2013，39（8）：47-53.

作者简介：刘雪飞（1988―），男，重庆人，硕士，主要研究方向：模拟集成电路设计，开关电源。