应用于高效片上升压变换器的准滑模控制技术研究

摘要

升压变换器是现代电子系统中重要的基本电源转换电路，被广泛应用于固态照明、高压偏置等场合。尤其是由于现代电子系统越来越注重环保和节能理念，对于高转换效率和无污染的要求催生了用固态照明替代传统含汞灯具照明的发展趋势。提高升压变换器的转换效率和集成度对于设计节能环保的电子系统具有重要意义。
　　 基于线性化模型，脉冲宽度调制控制的升压变换电路需要设计复杂的补偿环路以实现系统的稳定，这也就意味着较多的补偿元件和更高的成本。此外在低负载下，脉冲宽度调制控制由于开关频率的恒定，其转换效率也较低。相对线性化控制，采用滑模控制的开关变换器无需环路补偿，且具有良好的动态特性和鲁棒性。升压变换电路由于本身拓扑的原因，其电感电流在输出非连续，无法像降压变换器一样方便地实现迟滞滑模控制。因此根据升压电路的特点，提出了自适应开通时间准滑模控制方法。该控制方法能使升压电路在低负载下自动工作于脉冲宽度调制模式，提高了整体转换效率。
　　 基于两维相平面分析，推导了自适应开通时间控制的稳定条件。设计的自适应开通时间能依据输入和输出电压自适应改变，使变换器在电感连续导通模式下的开关频率保持恒定以控制输出电压纹波。在改进反馈结构后，功率级表现为电压控制电压源，可用于高调光比的大功率发光二极管驱动电路设计。
　　 同时，针对新型低压电池(如燃料电池)低输出电压的特点，在自适应开通时间控制基础上，提出了预测关断-开通时间准滑模控制。该控制方法可以实现更高的最大占空比以提高升压比。采用这种控制方法，对带有功率管集成的通用型片上升压电压调节器进行了实现。与电流模式控制的参考电路相比，提出的电路具有更好的瞬态响应和更高的低载转换效率。
　　 为了进一步提高升压电压调节器的集成度，降低外围元件数，还探讨了片上电流检测、过流保护和补偿网络等的电路技术。给出了预测关断-开通时间控制片上升压电压调节器的单片化设计，并进行了仿真验证。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章绪论

1.1电源管理类芯片产业背景

1.2电源管理芯片技术发展趋势

1.3选题依据以及研究现状

1.3.1立题依据

1.3.2研究现状

1.4论文的工作进展

1.5论文结构和章节安排

第二章Boost变换器的线性控制

2.1 Boost电路的小信号模型

2.2电压模式控制

2.3平均电流模式控制

2.3.1 Boost型平均电流模式控制PFC的系统设计

2.3.2电流环路设计及其补偿

2.3.3电压环路设计及其补偿

2.3.4实验结果

2.4峰值电流模式控制

2.5本章小结

第三章自适应开通时问准滑模(AOT-QS)控制

3.1滑模控制技术简介

3.1.1滑模控制

3.1.2迟滞控制

3.2自适应开通时间升压变换器

3.2.1 Boost电路固定开通时间准滑模控制

3.2.2系统设计

3.2.3电路设计

3.2.4仿真与验证

3.3本章小结

第四章AOT-QS在LED驱动中的应用

4.1 LED简介

4.2 LED的驱动

4.2.1 LED器件的小信号建模

4.2.2电流控制

4.2.3 LED的调光

4.2.4大功率LED的驱动

4.3基于AOT-QS BOOST的高调光比LED驱动控制器设计

4.3.1原有方案的缺点

4.3.2基于AOT-QS boost的大功率LED驱动电路设计

4.3.3仿真与测试结果

4.4本章小结

第五章预测关断-开通时间准滑模(PFT-QS)控制

5.1通用型升压变换器

5.2预测关断-开通时间准滑模控制

5.2.1系统设计

5.2.2频率控制

5.2.3 PFT-QS稳定性分析

5.2.4环路补偿设计

5.3 PFT-QS控制集成升压电压调节器

5.3.1非同步整流boost电路效率模型

5.3.2电路设计

5.3.3系统测试结果

5.4本章小结

第六章片上电源设计研究

6.1片上电源简介

6.2功率器件的单片集成

6.2.1片上电流检测

6.2.2片上补偿

6.3 PFT-QS控制升压变换器的单片化设计

6.3.1基于电容倍增的环路频率

6.3.2电感电流检测

6.3.3过流保护

6.3.4系统仿真

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1本文工作总结

7.2未来工作展望

参考文献

作者简历

研究生期间所取得的研究成果