DCDC变换器研究背景目的意义及国内外现状.doc

DC-DC变换器研究背景目的意义及国内外现状1研究背景12 研究目的及意义13 DC-DC变换器的发展及其保护电路现状23.1 输出过电压保护现状23.2 低电压欠压保护现状33.3 过温保护电路现状31研究背景电源在一个系统中担当着非常重要的角色。从某种意义上说，电源可被看作是系统的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量，并使系统免受外部侵扰。可见，电源的性能优劣与电子设备的各项技术指标和可靠性息息相关。而保护电路则是开关电源中的一个不可或缺的重要组成部分，它可以提高产品的可靠性，使电源在恶劣的条件下正常工作，对保障整个电子设备系统的安全起着至关重要的作用。因此，选择保护功能完善的产品能够延长模块电源寿命、提高系统可靠性，即在模块电源外部电路出现故障时，模块电源能够自动进入保护状态而不至于永久失效，当外部故障消失后能自动恢复正常。从而保证了系统的安全性。模块电源的保护功能主要包括欠压保护、过压保护和过温保护等等。2 研究目的及意义由于集成电路的迅速普及，电子设备趋向小型化，并已广泛应用于我们现代社会生活的各个领域中，随着社会的信息化，它的应用领域将不断快速扩大，可以说是无处不在。现代电子设备所需电力的稳定供应，几乎都依赖于开关电源来实现。开关电源具有体积小、损耗低的特点，近年来也随同电子设备的快速发展而日益进步，供电方式由集中供电向分布式供电发展，并对其可靠性提出了更高的要求。评价开关电源的质量指标主要是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下能够安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防止过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联也需引起足够的重视。因此，完善的保护电路模块对于DC-DC变换器芯片是相当重要的，本设计包括过电压保护电路子模块、低电压欠压锁定电路子模块和过温保护电路模块。首先，如果当芯片的输出引脚电压过高，超过了负载能够承受的范围，那么可能引起负载短路或者直接被烧坏，因此需要对输出电压的上限和下限有所限制，为此采用输出过电压保护电路。其次，当芯片在低于额定电压下工作，虽然不会被烧坏，但是长期工作在低压情况下，那么将会对系统的稳定性造成损害，使系统功能不完整，为此采用欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。再次，温度也是影响电源设备可靠性的最重要因素之一，根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10%，温度升高50时的工作寿命只有温度升高25时的1/6，为了保护电源管理芯片，使其在高温情况下不会损坏，必须设置过温保护电路，以便当芯片工作温度超过允许值时，保护电路将主要的功耗电路切断。所以针对不同应用环境的不同需求，对芯片的保护电路进行分析和设计是非常有意义和价值的。3 DC-DC变换器的发展及其保护电路现状DC-DC变换是将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换，也称直流斩波。它在电子技术领域中的应用非常广泛。从八十年代末起，为了缩小DC-DC变换器的体积，提高功率密度，设计者大幅度提高了开关电源的工作频率，虽然这种结果确实是很大程度上缩小了体积，却降低了效率。因为体积缩小，发热增多，就难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。因此，半导体业界对MOSFET技术进行了改进。经过几代MOSFET设计工业技术的进步，从第一代到第八代，光刻工艺从5M进步到0.5M，使选择的材料电阻率大幅下降。加上进一步减薄的晶片，优秀的芯片粘结焊接技术，使当今的MOSFET导通电阻降至5m以下，开关时间已小于20ns，栅电荷仅20nc。目前，国外有高级DC-DC制造商已经在高功率密度的DC-DC中使用了小型微处理器的技术。它可以取代很多模拟电路，减少了模拟元件的数量，还可以取代窗口比较器 、检测器、锁存器等完成电源的起动、过压保护、欠压锁定、过流保护、短路保护及过温保护等功能。由于这些功能都是依靠微控制器上运行的程序，所以技术容易保密。3.1 输出过电压保护现状输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。传统的方法是晶闸管短路保护，当输出电压过高时，稳压管被反向击穿，触发晶闸管导通，使输出端短路,造成过电流，通过保险丝或电路保护器将输入切断，从而保护了负载。但是这种方法的阈值电压容易波动，在温度变化大的场合容易发生误关断的情况。目前，采用集成电路电压比较器来检测开关稳压器的输出电压是较为常用的方法，利用比较器的输出状态的改变和相应的逻辑电路配合，构成过电压保护电路，这种电路既灵敏又稳定。3.2 低电压欠压保护现状集成于芯片内部的低电压欠压保护电路是随着集成电路的发展而发展起来的。它指的是稳压电源由于某种原因，使输出电压降到某极限值时，欠压保护电路能自动检测到电源电压的不足，将稳压电源切断并保持切断状态，等到电源电压上升到极限值以上某一个值时，电路可恢复供电。现有的电路设计中，一种是使用比较器或运算放大器将采样来的电源电压信号与基准电压源产生的基准信号进行比较，以此来判断是否欠压。因此，需要额外关注基准电压源和比较器本身的设计，电路结构较复杂。另一种是内部自建基准电压作为比较电平，不需要运算放大器，但是响应比较慢，需要用额外的电路来加速翻转。3.3 过温保护电路现状早先的过温保护电路基本上都是基于双极型工艺实现的。它利用对温度敏感的元件来检测芯片内部温度的变化，当温度超过设定值时，保护电路工作，将系统关断，以防其损坏。集成电路中传统的过温保护电路一般是利用二极管、三极管的温度特性来做传感器。虽然用双极型工艺制作的过温保护电路精度高，驱动能力强，电源电压也较低，但是功耗高、占用芯片面积比较大且电路本身存在热振荡问题，不利于用来作保护电路。由于CMOS工艺在模拟集成电路结构的应用，使电路能够达到低功耗及高密度集成效果，因此，CMOS已成为目前的主流制作工艺。现在的过温保护电路大部分都是以CMOS工艺实现的，它不但可以集成在模拟电路中，而且还可以集成在数字电路中。虽然CMOS工艺集成电路具有低电压、低功耗、高速度的特点，但是它的电源电压比较高。因此如果结合双极型工艺和CMOS工艺的优点，可以设计出更低的电源电压和更低的功耗，还可以实现良好的开关特性。