基于h桥高效率升压降压dc-dc转换器设计based on the h bridge efficiency step-up step-down dc - dc converter design.docx

摘要
近年来,便携式设备如掌上电脑、个人通信设备等电子消费产品得到了飞速发展,这些电子产品均采用锂电池供电。锂离子电池的电压随着充放电状态的改变会发生很大变化,使得电池电压可能高于、也可能低于系统所需电源电压,需要升压/降压 DC-DC 转换器将变化的电池电压转换为稳定的直流电压。实现升压模式与降压模式之间的平滑过渡和提高过渡模式的效率是升压/降压 DC-DC 转换器研究的热点和难点。
本文首先介绍了 H 桥升压/降压转换器的工作原理与存在的问题。系统在升压和降压转换过程中,会发生跳周期现象,产生较大输出纹波,因此本文提出在该转换模式下,增加 H 桥非反相工作模式作为过渡模式,以减小系统的输出纹波。在过渡模式下为了得到高的转换效率,因此本文改进 H 桥非反相工作模式,来提高系统的转换效率。其次,本文推导出 H 桥升压/降压转换器的三种工作模式包括升压模式、过渡模式、降压模式的小信号模型,用 sisotool 工具搭建系统频域模型,确定系统的补偿方案,再用 simulink 搭建整个 H 桥升压/降压转换器系统,在三种工作模式下验证补偿方案。最后,本论文采用 TSMC CMOS 工艺设计 H 桥升压/降压 DC-DC 转换器,可输入电压范围是 -, VFB 为 ,开关频率范围为 300KHz-2MHz,输出最大电流为 600mA。提取电路网表,在开关频率为 1MHz 条件下,Hspice 仿真与分析,从仿真结果上看, 当输出电阻分别为 R= R=33Ω重载情况下下,系统在升压模式的转换效率为 91%和 94%、在升压/降压模式的转换效率为 75%和 83%、在降压模式下转换效为 73%和 79%,过渡模式下的纹波为 30mV;当输出电阻 R=50Ω轻载条件下,输入电压分别为 、、,系统的转换效率分别为 79%、65%、 73%。以上结果表明本文所实现的 DC 电路达到高效、纹波小的要求。
关键词: H 桥升压/降压平滑过渡高效率重载和轻载
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Abstract
In recent years, portable devices such as puter, munication equipment and other consumer electronics products obtained the rapid development, the electronic products are powered by a lithium battery. Lithium ion battery voltage as the state of charge and discharge change will change greatly, so that the battery voltage may be higher, may also lower than the supply voltage, battery voltage step-up / step-down DC-DC converter will change into a stable DC voltage. A smooth transition between the step-up and step-down modes and improve the efficiency of transition models is a hot and difficult research step-up / step-down DC-DC converter.
This paper firstly introduces the working principle of H bridge boost / buck converter and proposed problems. System in the process of step-up and step-down conversion,with skipping cycle , produces larger output ripple, this article put forward under the mode of the transformation, increase the inverting H bridge work patterns as transition mode, to minimize the output ripple of the system. In transition mode in order to get high conversion efficiency, thus impr