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现代集成DC-DC变换器的高效率控制技术研究

作　者: 陈海
导　师: 吴晓波；严晓浪
学　校: 浙江大学
专　业: 电气工程
关键词: DC-DC 高效率集成芯片多模式控制多变换模式控制准谐振
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

DC-DC变换器在电子设备中的应用越来越广泛,在全社会呼吁节能环保的21世纪,提高它们的转换效率以实现设备的高能效显得至关重要。在DC-DC变换器中,主要存在三方面的功率损耗：导通损耗、静态损耗和动态损耗(包括开关管的驱动损耗和交越损耗)。在不同的DC-DC变换器应用中,各种功率损耗对转换效率影响不同,应采取不同的高效控制技术实现效率最优化。导通损耗在大电流、负载固定的应用场合中影响最大,如固态LED照明领域。本文结合基于脉冲电平调制的平均电流检测方法在降低导通损耗方面的优势,提出一种实现高效率高精度浮动Buck LED驱动器的控制方法。该方法采用自适应关断时间控制实现变换器的准恒定频率工作；同时采用低损耗电流检测电路实现LED电流的高精度控制。针对LED照明的数字调光需要,提出基于数字方式的静态模拟存储技术,实现LED关断时模拟控制信号的长时间高精度存储。该技术可以扩展应用到一般的电子设备中,满足系统在待机或出错关断状态时的信息存储需求。降低静态损耗和开关管驱动损耗在低电压且输入输出多变的应用中意义重大,多模式控制和多变换模式控制可以实现这一目标。对于多模式控制,本文以峰值电流模式控制为例,实现了高效率PWM/Burst双模式控制Buck变换器设计。对于多变换模式控制,提出恒定导通时间控制的三段式单电感四开关Buck-Boost变换器控制方法,使Buck-Boost变换器在输入输出条件变化时都能实现较高的转换效率。针对传统恒定导通时间控制的工作频率变化范围大的问题,提出自适应导通时间控制方法,实现变换器的准恒定频率工作。为了进一步优化上述控制方法,提出无ESR纹波采样方法,省去ESR引起的导通损耗,提高了变换器的转换效率。降低动态损耗是高压(大于100V)应用场合的首要目标,采用“软开关”技术和多模式控制技术可以实现。本文针对反激式变换器提出准谐振多模式控制方法,以实现全负载段的高效率,并特别利用集成技术优化控制器在变换器轻载条件下的静态功耗,以降低变换器的待机功耗。本文通过集成电路设计、计算机仿真和集成芯片流片测试,验证了以上提出的控制技术。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图目录  12-15
表目录  15-16
第一章引言  16-30
  1.1 论文研究背景  16-24
    1.1.1 电源管理半导体及其产业以展  16-17
    1.1.2 电源管理技术的具体应用  17
    1.1.3 高效电源管理技术  17-19
    1.1.4 电源管理技术的高效化与集成化研究现状  19-24
  1.2 论文研究内容与主要创新点  24-27
    1.2.1 研究内容  24-26
    1.2.2 主要创新点  26-27
  1.3 论文组织结构  27-30
第二章 DC-DC变换器基础  30-38
  2.1 DC-DC变换器的定义与分类  30-32
  2.2 DC-DC变换器主要功率损耗来源  32-34
    2.2.1 导通损耗  32-33
    2.2.2 动态损耗  33-34
    2.2.3 静态损耗  34
  2.3 本论文研究重点  34-38
    2.3.1 小功率应用中常见的DC-DC变换拓扑  34-36
    2.3.2 针对特定拓扑及应用的高效电源管理技术  36-38
第三章低导通损耗平均电流控制技术  38-66
  3.1 电流检测技术概述  39-41
  3.2 基于脉冲电平调制的平均电流控制技术  41-44
  3.3 高效率浮动Buck集成电流调整器设计  44-56
    3.3.1 LED照明发展对电流调整器设计提出的新要求  44-46
    3.3.2 控制策略及系统框图  46-50
    3.3.3 集成电路实现  50-52
    3.3.4 测试结果  52-56
    3.3.5 浮动降压式LED驱动器设计总结  56
  3.4 基于数字方式的静态模拟存储技术  56-61
    3.4.1 工作原理  57-58
    3.4.2 电路设计  58-60
    3.4.3 仿真验证结果  60-61
    3.4.4 SAM技术其他应用探讨  61
  3.5 低损耗平均电流控制技术应用扩展及讨论  61-63
    3.5.1 Buck变换器电感电流平均值控制  61-62
    3.5.2 Buck变换器输出电流平均值控制  62-63
    3.5.3 Boost变换器电感电流平均值控制  63
    3.5.4 电感电流断续电流工作模式  63
  3.6 本章小结  63-66
第四章高效率Buck变换器研究  66-98
  4.1 Buck变换器功率损耗分析及高效率设计技术  67-78
    4.1.1 Buck变换器导通损耗分析  67-73
    4.1.2 Buck变换器动态损耗分析  73-76
    4.1.3 Buck变换器功耗降低技术总结与比较  76-78
  4.2 多模式控制策略研究  78-88
    4.2.1 定频控制模式  78-80
    4.2.2 变频控制模式  80-86
    4.2.3 模式切换  86-88
  4.3 PWM/Burst双模式控制高效率集成Buck变换器设计  88-96
    4.3.1 控制策略及系统框图  88-91
    4.3.2 电路设计  91-93
    4.3.3 仿真与测试结果  93-96
    4.3.4 PWM/Burst双模式控制Buck变换器设计总结  96
  4.4 本章小结  96-98
第五章高效率Buck-Boost变换器研究  98-132
  5.1 Buck-Boost变换器拓扑  98-102
    5.1.1 单电感反向Buck-Boost拓扑  98-99
    5.1.2 Cuk拓扑  99-100
    5.1.3 反激式拓扑  100
    5.1.4 单端初级电感变换器(SEPIC)拓扑  100-101
    5.1.5 Boost变换器与LDO级联拓扑  101
    5.1.6 Boost与Buck级联拓扑  101-102
    5.1.7 单电感四开关拓扑  102
  5.2 单电感四开关Buck-Boost变换器高效率设计技术  102-112
    5.2.1 变换模式  102-104
    5.2.2 多变换模式控制方法  104-107
    5.2.3 多变换模式控制方法具体实现  107-111
    5.2.4 多变换模式控制尚待解决的问题  111-112
  5.3 恒定导通时间三段式四开关Buck-Boost变换器设计  112-125
    5.3.1 拓扑结构及多变换模式控制  113-114
    5.3.2 恒定导通时间(Constant-On-Time,COT)电压控制方法  114-117
    5.3.3 集成电路实现  117-121
    5.3.4 仿真与测试结果  121-125
    5.3.5 COT控制三段式四开关Buck-Boost变换器设计总结  125
  5.4 无ESR的COT控制方法  125-129
    5.4.1 无ESR的电感电流检测  125-126
    5.4.2 无ESR的COT比较电路  126-127
    5.4.3 仿真结果  127-128
    5.4.4 无ESR的COT控制三段式四开关Buck-Boost变换器总结  128-129
  5.5 本章小结  129-132
第六章准谐振多模式控制高效率反激式变换器研究  132-158
  6.1 准谐振反激式变换器  133-136
    6.1.1 "硬开关"变换  133-134
    6.1.2 "软开关"变换  134-136
  6.2 准谐振多模式控制反激式变换器  136-140
    6.2.1 准谐振临界导通模式  136-137
    6.2.2 准谐振自适应关断时间控制模式  137-138
    6.2.3 突发模式  138-139
    6.2.4 多模式控制  139-140
  6.3 集成控制器设计  140-156
    6.3.1 控制策略及系统框图  140-144
    6.3.2 集成电路实现  144-149
    6.3.3 测试结果  149-156
  6.4 本章小结  156-158
第七章总结与展望  158-162
  7.1 论文工作总结  158-160
  7.2 展望  160-162
参考文献  162-170
作者简历  170-172
攻读学位期间取得的成果  172-173

现代集成DC-DC变换器的高效率控制技术研究

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