开关电容DCDC变换器的理论研究安规电容

开关电容DC/DC变换器的理论研究

开关电容DC/DC变换器的理论研究 2011年12月09日 来源： 1 引 言 上 世 纪 70年 代 后 期 以 来 ,随 着 集 成 电 路 设 计 与 制 造 技 术 的 进 步 ,各 种 用 电 设 备 逐 渐 向 小 型 化 方 向 发 展 ,相 应 地 ,研 究 与 之 配 套 的 体 积 小 ,重 量 轻 ,效 率 高 的 电 源 已 成 为 人 们 感 兴 趣 的 重 要 课 题 。 传 统 的 开 关 电 源 采 用 软 开 关 技 术 ,通 过 提 高 开 关 频 率 可 以 缩 小 电 源 的 体 积 ,但 是 由 于 结 构 中 含 有 电 感 和 变 压 器 ,因 而 限 制 了 电 源 体 积 的 进 一 步 缩 小 。 如 今 虽 然 已 有 片 状 电 感 问 世 ,但 仍 然 不 能 令 人 满 意 。 近 年 来 ,人 们 提 出 了 一 种 新 型 的 开 关 电 容 变 换 器 ,这 种 变 换 器 结 构 中 不 含 电 感 和 变 压 器 ,仅 由 电 容 网 络 和 开 关 管 构 成 ,因 此 可 望 进 一 步 缩 小 电 源 的 体 积 ,甚 至 在 芯 片 中 实 现 集 成 ,基 于 这 些 显 著 的 优 点 ,这 种 变 换 器 愈 来 愈 引 起 人 们 的 广 泛 兴 趣 。2 开 关 电 容 DC/DC变 换 器 的 统 一 模 型 及 工 作 原 理 开 关 电 容 DC/DC变 换 器 的 统 一 模 型 如 图 1所 示 ,图 中 S代 表 功 率 开 关 ， Ci代 表 ni阶 的 串 并 电 容 组 合 结 构 ,阶 数 ni为 其 中 的 电 容 个 数 ,下 标 i代 表 第 i级 串 并 电 容 组 合 结 构 。 串 并 电 容 组 合 结 构 是 由 电 容 （ 通 常 取 值 相 同 ） 和 二 极 管 构 成 的 ， 其 中 的 电 容 具 有 串 联 充 电 ， 并 联 放 电 的 特 性 ， 如 图 2虚 线 框 中 为 二 阶 串 并 电 容 组 合 结 构 ， 图 3为 基 本 的 开 关 电 容 DC/DC变 换 器 。 在 状 态 I， Si1和 Si4导 通 ， Si3截 止 ， C1....Cm并 联 充 电 ,而 根 据 串 并 电 容 组 合 结 构 的 特 点 , 构 成 Ci的 ni个 电 容 Cij却 呈 串 联 状 态 ； 同 样 地 ,在 状 态 II,Si1和 Si4截 止 ,Si3导 通 ， C1....Cm串 联 放 电 ,而 构 成 Ci 的 ni个 电 容 Cij却 呈 并 联 状 态 。 在 状 态 I,Co放 电 提 供 负 载 电 流 ,在 状 态 II， C1....Cm向 Co补 充 电 量 。 同 时 Co起 到 输 出 滤 波 的 作 用 ,这 样 便 能 得 到 一 个 平 滑 的 输 出 电 压 。3 开 关 电 容 DC/DC变 换 器 的 分 析 方 法3.1 状 态 空 间 平 均 法 状 态 空 间 平 均 法 的 基 本 思 想 就 是 先 确 定 几 个 状 态 变 量 (一 般 为 电 容 电 压 或 者 电 感 电 流 )， 将 电 路 在 一 个 工 作 周 期 之 内 分 成 几 个 不 同 的 工 作 状 态 ， 分 别 列 写 在 每 一 状 态 下 电 路 的 状 态 方 程 ， 再 综 合 考 虑 各 个 状 态 下 的 状 态 方 程 ， 求 出 一 个 平 均 状 态 方 程 ， 求 解 这 个 平 均 状 态 方 程 即 可 解 出 各 个 状 态 变 量 对 时 间 t的 关 系 函 数 ， 于 是 电 路 中 的 各 个 变 量 (节 点 电 压 或 支 路 电 流 )即 可 求 出 。 状 态 方 程 的 一 般 矩 阵 形 式 为 现 以 图 2的 二 阶 开 关 电 容 DC/DC变 换 器 为 例 ,说 明 利 用 状 态 空 间 平 均 法 分 析 开 关 电 容 变 换 器 的 具 体 过 程 。 设 C11=C12=C， 输 出 滤 波 电 容 Co， 电 容 C11和 C12的 串 联 寄 生 电 阻 为 r， 开 关 管 的 通 态 电 阻 为 r′ ， 二 极 管 的 正 向 压 降 为 Vd， 电 源 内 阻 及 输 出 电 容 的 寄 生 电 阻 忽 略 不 计 ， 状 态 变 量 x1， x2， x3分 别 为 Vc1， Vc2， Vco； e=[Vs Vd]。 则 状 态 I时 平 均 状 态 方 程 的 系 数 矩 阵 为空 比 ； Ts为 工 作 周 期 ； 求 解 该 状 态 方 程 即 可 得 出 各 个 状 态 变 量 的 解 ， 即 Vc1=f1(t)， Vc2=f2(t)， Vco=f3(t)， 输 出 电 压 Vo=Vco=f3(t)。3.2 等 效 电 量 关 系 法

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