基于BT2747和LT1170芯片宽输入升降压型微系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.1研究背景：

随着个人消费类电子产品市场的迅速发展,便携式电子产品不断向小型化、轻型化转变,产品体积的变小使得其电池体积和容量也随之减小。这就要求尽可能地提高此类设备供电模块的转换效率,减小功耗,并使其能在较宽的电池电压变化范围内提供稳定输出电压,以便延长电池的使用时间。为了能够提高电池利用率,提高系统转换效率,延长设备使用时间,本文阐述一种能在宽输入范围下工作的升降压型dcdc转换器。该转换器被用来将变化的锂电池电压转换为稳定电压,从而为便携式设备供电。

目前能够同时实现升压降压功能的拓扑结构主要有sepic、zeta、cuk、buck^boost以及四开关结构。其中cuk、buck/boost拓扑结构虽然能够实现升降压的功能，但是这两种结构的输入输出电压极性相反，因而不便于应用于便携式电子产品中。sepic、zeta拓扑结构虽然在实现了升降压变换的基础上同时又实现了输入输出电压的同向变化,但是考虑到这两个拓扑结构要用到多个大的电感、电容，因而整体电路的体积变大，这在追求小体积的便携式电子产品中式不适用的。

2. 研究内容和预期目标

2.1开关型稳压电源的电路结构一般分类如下：

（1）按驱动方式分，有自激式和他激式。

自激式：当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

他激式：他激式开关电源必须要拥有独立的振荡器、激励级、稳压器、脉宽调制器和供电保护系统等电路，因此电路较自激式开关电源复杂的多。

（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。

单端正激式和反激式：正激式变压器不蓄积能量,只担负偶合传输,反激式变压器需把开通过程中的能量蓄积在本身,关断过程中再释放:正激式绕组同相位,反激式绕组反相;正激式变压器不用调节电感值,反激式需调节.正激式工作存在剩磁为防饱和需消磁电路,本身不蓄能需要蓄能线圈和续流二极管.反激式不用..因为成本和它们的特性,一般反激式电源在100瓦以下,正激式100瓦以上,并不是它们不能互换做功率.

推挽式：整流输出推挽式变压器开关电源，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多。

半桥式：一个电感L，一个电容C，一个变压器L，就是谐振变换器。是通过半桥开关频率的变化来调整输出电压的。电感L和电容C，还有变压器是串联的，当频率变化时，传送到变压器的能量就会发生变化，因为电感和电容的阻抗分别为：wL和1/（wC），二者都与频率有关。根据分压原理，传送到变压器的能量就会随频率的变化而变化。

全桥式：变压器原边一个线圈,但双边磁化,变压器利用率高，变压器原边工作电压为输入电源电压，存在直流偏磁问题，原边存在电压短路的可能性。全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时互通，同一侧半桥上下两开关交替互通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

降压型：开关稳压器使用输出级，重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。

升压型：如图1所示，当开关管 VT1 导通时，电感L储存能量。当开关管VT1 截止时，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

升降压型：图2为升降压型开关电源原理图。开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。因开关电源工作效率高，一般可达到80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： Is=KIf 式中：Is—开关电源的额定输出电流；If—用电设备的最大吸收电流； K—裕量系数，一般取1.5～1.8；

（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。

谐振型：在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。

非谐振型：以部分谐振、多谐振、电流换流式等命名的变换器都是具有这种特性的零电压开关变换器。其中电感换流式变换器在原理上即使以非谐振方式进行零电压开关，也很少发生浪涌现象，而且也可以通过PWM控制进行电压调整，如图是这种方式的基本电路。Lc为换流时用的电感。Cc为切断直流电用的电容器(非谐振用)。在这种方式下，VTl和VT2会不断交替导通、截止。在导通、截止之间两开关都会出现断开时间，在这段时间里由电感Lr的能量对VT1和VT2的集一射间的电容进行充、放电，使之在下一次开关前将A点的电压降为零或与电源电压U相等而达到零电压开关条件，同时也控制了浪涌电流。

（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式。

脉冲宽度调制(PWM)式：脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉冲调制，顾名思义，大概包括了后两种调制方式，但更多时候可能是指通过脉冲幅度的变化来传送不同的符号信息。

脉冲频率调制(PFM)式：脉冲频率调制(PFM)是一种转换方法， 通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。在TI提供的产品说明书中，PFM也被称作“节电” 模式。工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式， 在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。这种工作模式使转换器可以在宽泛的电流输出范围内均保持极高的效率。脉冲频率调制(PFM)方式具有调频特性，可望有较高的传输信噪比，而且信号的脉冲形式便于中继传输、再生整形， 因而既可放宽对系统线性的容限要求， 又可获得较好的抗干扰能力。脉冲频率调制(PFM)以传输性能远优于基带直接光强调制及成本远低于脉冲编码调制而在光纤通信中得到广泛的应用。

2.2预期目标：

本课题是完成基于BT2747微小型化宽输入电压输出可调隔离型DCDC电源转换微模块设计。微模块的技术指标如表1:

表1 输出可调的宽输入隔离升压微系统

（1）完成电路分析，用LTspice对电路进行仿真和优化，使得电路结构正确，绘制电路图。

（2）完成器件参数的分析、计算和选择。

（3）设计微小化PCB设计，达到设计指标，绘制电路板。

（4）焊接完成微模块，测试、分析和优化达到设计指标。

3. 研究的方法与步骤

3.1引脚功能

SW:内置功率开关的集电极，有大电流流过，电感中的电流通过这个开关流入地。

VIN:芯片的供电引脚，使用时要连接旁路电容。

GND:PGND和SGND合并后的引脚，其中PGND是电源地,流入SW引脚的大电流从该引脚流出。SGND是信号地，流入芯片的驱动电流从该引脚流出。

S/S:这个脚具有两个功能:（1)同步外部时钟，在输入电压的下降沿内部功率管打开，同步模式开启。（2)S/S从低变高为1.5V时，芯片正常工作,从高变低为1.06V时，芯片关机；芯片正常工作时一般可以将S/S接到VIN。

FB:对于BOOST模式，FB为外部反馈电阻的 输入引脚，通过电阻RFB连接到VQUT。由电阻 RFB和Rref的比值决定输出电压。FB脚的参考电压为1.27V。

RFB:对于flyback模式，RFB为外部反馈输入引脚，通过RFB的电阻连接到SW脚。由RFB 和FB的电阻的比值决定输出电压。流入RFB脚的电流平均为lOOuA。

VC:用作环路补偿，连接RC串联电路到地。

3.2工作原理

BT2747是一款升压式与反激式相互切换的开关电源。BT2747工作在电流模式，内置开关的占空比主要受内置检流电阻上的电流控制。在每个周期开始时，BT2747会打开内置开关管，这时电感上的电流增大，当检流电阻上的电压达到一定值时，比较器会输出高电平，使得逻辑模块拉低开关管的基极，即关掉了内置开关管。反馈电压用于调节检流电阻上的最大电流。这样设计的优点如下：

1、 加快电路对输入电压变化的响应；

2、 简化各种输入输出条件下的环路补偿电路；

3、 在负载过载或短路的情况下可以限制输出，保护电路。

内部集成了一个高性能的线性稳压器，这使得芯片的工作电压可以在4V到55V之间随意选择。内部集成的238kHz振荡器为电路提供了基本的时钟源。每当振荡器产生一个高电平脉冲后，就会打开内置开关管。

内部集成的大功率管NPN最大可以走2A的电流，出于安全考虑，内部有一个功能模块限制了这个电流，使它不能变得很大。

当内置开关管达到一定阈值（该阈值与VC正相关）后，内部的开关管就会被关闭，这个电流的检测就是靠串联在开关管下方的0.02Q 的检流电阻和误差放大器。但这里请注意，开关信号存在最小占空比，这段时间的存在是为了防止开关打开的瞬间一些寄生电容的放电，导致开关管上流过过大电流，继而导致芯片关闭开关管。电压反馈引脚(FB)接到误差放大器的反相端，误差放大器的同相端输入的是帯隙基准电压 1.27V。

S/S引脚用于同步和关机功能，在输入电压的下降沿内部功率管打开，同步模式开启；S/S从低变高为1.5V时，芯片正常工作，从高变低为1.06V时，芯片关机；芯片正常工作时一般可以将S/S接到VIN。

RFB引脚用于模式切换，当RFB接地时，flyback EA关闭，普通的EA工作；当RFB与SW接电阻时，普通的EA关闭，flybackEA工作。

反激式工作模式:

对于反激式工作模式，在RFB与SW之间接电 阻Rrfb，此时flybackEA工作，FB接电阻Rfb到地，通过电阻Rrfb与Rfb和匝比设置输出电压。

反馈机制:

当功率管NPN关闭时，SW上的引脚会高于VIN，高出的电压值可以用如下公式算：

V_f 二极管正向压降

I_SEC 次级线圈上的电流

ESR 整个次级电路上的等效串流电阻

N_p变压器初级线圈和次级线圈的有效扎匝数比

在功率管NPN关闭期间，VFLBK相当于把SW点的电压减去VIN，这个电压全部加在R_RFG两端，这一路所有电流都通过RFB流入大地，此时采样点的FB电压与芯片内部的间隙基准电压(V_BG=1.27V)比较，就可获知次级线圈处于有无电流的情况了。级线圈电流下降到零时，内置开关管打开，电路工作在零边界模式。

V_FBK与V_BG的关系：

其中α为三极管的放大系数

这样就可以通过R_RFG与R_FB的匝数比设置输出电压了：

升压式工作模式:

对于升压式工作模式，将RFB脚接地，此时普通EA工作，FB接分压电阻到输出端，通过分压电阻设置输出电压。采样FB点的电压与芯片内部的间隙基准电压(V_BG=1.27V)比较，调节输出电压：

3.3设计的主要步骤:

本次毕业设计需要完成的所有内容大致流程为设计电路原理图，完成电路原理图的仿真，完成微小型PCB板的制作，完成PCB板的焊接与测试，对PCB板进行检验以达到课题标准。

4. 参考文献

[1] 孙树朴，郑征等.电子电子技术.徐州：中国矿业大学出版社.2000

[2] 周志敏，周纪海.开关电源实用技术－设计与应用.北京：人民邮电出版社.2003

[3] 杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京：机械工业出版社.2003

5. 计划与进度安排

1周~4周翻译和文献调研

5周~12周设计与仿真