现代集成DC-DC变换器的高效率控制技术研究

【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。