开关电容变换器的研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 开关电容变换器的研究 姓名：梅纯 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：熊蕊 20070210 I 摘 要 开关电容变换器是一种典型的无感变换器，电路中主要由开关管和电容器来实现 电压变换和能量转换，由于电路中不含电感和变压器，可以大大缩小电源体积，减轻 重量，并且易于在芯片上集成随着电子设备的小型化，开关电容 DC-DC 变换器将 具有广阔的应用前景 基于开关电容 DC-DC 变换器的研究现状，本文首先系统地阐述了开关电容 DC-DC 变换器的工作原理以及目前的一些最新的发展趋势和研究方向，并从中选择 有新意和价值的开关电容谐振变换器作为研究课题 传统的开关电容变换器在电容周期性的充放电过程中会产生很大的电流应力，并 且随着输出电流的增加，变换器的效率将急剧下降，因此，传统的开关电容变换器只 能使用在输出电流很小的场合为了解决这一问题，本文针对一种谐振型开关电容变 换器拓扑，详细分析了其工作原理和设计方法，实验结果验证了此类变换器的高效性 和高功率性 在第 5 部分中， 着眼于 2 倍压的传统型和谐振型开关电容变换器的寄生参数分析 由于理想模型和实际电路之间存在很大的性能差异，分析中通过加入电路元件寄生电 阻，给出了一种修正模型。

采用修正模型分析了电路的负载效应和电路参数之间的变 化关系输出电压的精确表达式表明了谐振型开关电容变换器性能明显优于传统型开 关电容变换器，同时提供了变换器的一种输出电压调节方式仿真结果验证了性能分 析的正确性 关键词： 开关电容 谐振变换器 零电流开关 II Abstract Capacitor converter is a kind of typical inductorless converter,it is the switch and capacitor in the circuit that achieve the voltage conversion and energy transfer,for the absence of the magnetic components,the size and weight of the converter will reduce,and easy to integration. With the miniaturization of electronic equipment, switched capacitor DC-DC converter will have broad application prospects. According to the present situation of studying on switched capacitor DC-DC converter,in the paper,firstly systematically explain the principle of switched capacitor DC-DC converters and new trends in recent years in this area,and choose the resonant switched capacitor DC-DC converter as my main objective for its novelty and the bright prospect. During the periodical charging and discharging operation in the capacitors, current stress is usually very high for conventional switched capacitor converter,and its efficiency is much decreased as the output current is increased.As a result,conventional switched capacitor have been limited to be used with a very small output current.To solve this problem,a resonant switched capacitor converter topology is presented in this paper,the theoretical analysis and design method are described in detail,High efficiency and high power are confirmed by experimental results. In part 5,focus on the parasitical parametric analysis of a double-mode conventional and resonant switched capacitor converter.Since there exists great performance differences between ideal model and real circuit,in the work presented a modified model by adding the parasitical resistance of circuit components.The modified model is then employed to study the circuit performance with respect to loading effect and the variation of circuit parametric. Exact expressions of the output voltage shows that resonant switched capacitor converter performance than traditional switched capacitor converter,and provides a means of regulating the converter`s output voltage. Simulation results demonstrate the correctness of performance analysis. Keywords:Switched capacitor Resonant converter Zero-current switching 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保 密□，在____________年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 言 1.1 单片集成 DC-DC 变换器 人类社会发展进入信息时期后，人们对信息的获取和互相之间的传递有更高的要 求 社会的高度流动性促进了便携式电子产品的迅猛发展， 从移动到笔记本电脑， 从数码摄照相机到 U 盘，便携式电子产品已经与人们的生活息息相关，成为电子行业 增长速度最快的一个分支。

通讯和计算机领域的、 掌上电脑、 电子字典； 消费类电子的 CD 机、 DVD 机、 彩色液晶电视、各种袖珍电子游戏机；工业领域的小型仪器如便携式测湿度计、频率 计、抄表器；医疗保健用的测血压的手表、能塞入耳道的助听器、随身携带的动态心 电图仪、 能达到 0.010C 测温精度的体温计以及各种理疗功能的电子仪器等等这些便 携式电子产品具有操作简单和易于携带等显著优点为了满足这些优点，与一般固定 仪器相比，在便携式仪器中的设计中应该更多考虑到尺寸、重量、功耗等问题 对于便携式电子产品来说，电源的可靠性、精度、体积和效率直接影响甚至决定 该产品的一些重要特性在不同的应用环境中需要有不同的电压等级，例如，数字电 路在 1.2V 和 3.3V 的电压范围内工作，精确的模拟电路需要 3.3V 至 5V 的电压，而运 算放大器则需要 10V 或者以上的电压才能正常工作， 但是应用场合中往往只有一个供 电电源，因此为了保证各个部件均能正常工作，便需要 DC-DC 变换器，以便产生不 同的直流工作电压DC-DC 变换器有两种类型，即线性变换器和开关变换器线性 变换器中功率管工作性放大区，其优点是： (1) 电压稳定度及负载稳定度高。

(2) 输出纹波电压很小 (3) 电路的瞬态响应速度快 (4) 电路结构简单，故障率低，便于维修 (5) 没有高频开关干扰 其缺点是： (1) 功耗大、效率低，其效率只有 35％～45％ (2) 体积、重量大，难以小型化 2 鉴于上述缺点，人们提出了开关变换器开关 DC-DC 变换器中功率管工作在开 关状态，它利用无源磁性元件或者电容元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离 的能量，暂态的能量以磁场形式存储在电感器中，或者以电场形式存储在电容器中， 然后将能量转换到负载，实现电压变换[1] 开关 DC-DC 变换器的优点是： (1) 功耗小、效率高由于功率晶体管交替工作在导通－截止的开关状态，转换 速度很快，频率一般在几十到几百 KHz这就使得功率晶体管的损耗较小， 电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到 80％以上 (2) 体积小、重量轻由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管上 的耗散功率大幅降低后，又省去了较大的散热片，因此开关稳压电源的体 积和重量都可以减小 (3) 调压范围较宽开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的， 输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。

在工频电网电压有较 大或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以调压范围 宽、稳压效果好 (4) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小开关稳压电源 的工作频率可以工作上在 50KHz 左右或者更高，是线性稳压电源频率的 1000 倍，这使滤波电路中元件的体积和重量减小很多 其缺点是： (1) 存在较为严重的开关干扰功率晶体管工作在开关状态，它产生的交流电 压和电流会通过电路中的其他器件产生干扰，这些干扰如不能得到抑制、 消除和屏蔽，就会严重地影响整个电源系统的正常工作；这些干扰也会串 入工频电网，使附近的其它电子仪器、设备受到严重的干扰 (2) 电路结构相对于线性变换器复杂得多，故障率高，维修困难 现在市场上商品化的集成开关DC-DC变换器可以实现各种电压变换例如： 24V/12V、3.3V/5V，以及仙童半导体公司的FAN5066产品，它能够实现5V/400mV的 电压转换；TI公司的TPS6200X系列的产品，其输入电压在2V/5.5V之间，输出电压可 以在0.8V和3.3V之间变化，输出电流可以达到600mA；此外，利用电荷泵进行能量转 换的DC-DC变换器也收到广泛关注，例如在3V/6V的升。