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线性开关电容DC-DC变换器及其单片集成

时间:2016-05-04 00:21 浏览:


  理论分析证明开关电容(SC)DC-DC变换器的效率仅取决于拓扑结构和电压变比而与控制方式无关,提出了临界频率极限、工作频率极限和输出功率极限等概念。利用开关电容网络中的等效电量关系揭示了这种变换器的PWM(脉宽调制)模式、FM(频率调制)模式和过渡模式之间的相互联系和分界条件。结果表明:只有电压变比接近于由其拓扑结构决定的本征值时,(SC)DC-DC变换器才能有高转换效率。为此,提出了一系列可有不同本征电压变比的(SC)DC-DC变换器新结构。与他人工作相比,这些新结构具有结构简单、使用元件少和控制方便的优点,因而便于集成化。研究结果还表明,为解决变换器效率与输入电压动态范围之间的固有矛盾,须令其拓扑结构随输入电压的改变而改变,从而提出了变结构(SC)DC-DC变换器的拓扑结构及其控制方法。   本项目还建立了(SC)DC-DC变换器的统一等效电路,并据此指出负载变化对其控制特性有强烈影响。由于(SC)DC-DC变换器的任何控制方法都是能耗控制,因而级联低压差线性稳压器是其最佳形式。这个结论对于简化设计和集成化具有重要指导意义。   本项目还针对(SC)DC-DC变换器的应用分析了开关器件的应力问题,结果指出:采用双重充电通道,即让各电容器组在变换器启动时通过限流电阻充电,在其稳定工作后通过与限流电阻并联的开关器件充电,从而避免过大瞬时充放电电流对器件的冲击。   由单一驱动电路控制若干并联单元电路的方法充分利用了MOSFET易于并联使用的优点,既减小了开关器件的电流应力,又有利于提高输出功率,适合于(SC)DC-DC变换器的单片集成。关键问题是如何在有限面积芯片上制作性能优良的大容量电容器。本项目采用MOS电容和双层多晶硅电容并联的双层结构来扩大电容器容量,设计并试制了一个由11个并联单元构成的12V/5V单片集成(SC)DC-DC变换器,每单元的电容器容量为25pF,总容量为1100pF。实验芯片的测试结果表明,电路的最高工作频率为1.7MHz,输出功率为8mW,基本达到设计要求。