摘 要

在传统的DC-DC变换器中，必须令功率开关工作在很大或很小的导通比下，才能实现在进行较悬殊电压变比的升压变换或较大电压变比的降压变换，这影响了变换器的效率，也使变换器的动态特性降低。经过试验的发现，如果将几种特殊的开关电容(SC)网络与传统的开关DC-DC变换器相结合，利用SC网络对电压进行预变换，降低在DC-DC变换器中的大变比，借以改善传统的变换器性能的方法，提出一系列新的拓扑结构，如SC-Boost变换器、SC-Buck变换器以及SC-Cuk变换器等。

由于现代开关电源发展趋势为小型化，更多的时候，我们需要的是微电压、低电压，因此本文选择设计SC-Buck变换器，实现更高效率的大变比降压。

本文先阐述Buck变换器的电路结构、降压原理以及工作特性，再介绍几种主流的降压式开关电容变换器工作原理和实用性，通过分析它们在进行大变比降压时的不足之处，提出使用SC-Buck变换器，综合两者的优点，可以更实现大变比降压。因此接着介绍SC-Buck变换器的工作原理、实现目的以及电路改进方法，然后通过orCAD的仿真分析，从效率和结合实际的角度考虑，讨论元件参数的选择，以实现最优性能、最大效率的大变比降压。

关键词：大变比；开关电容（SC）；降压；效率

Abstract

In the conventional DC-DC converter, the power switch must be operated at a large or small conduction ratio to achieve a step-down conversion of a relatively large voltage ratio or a step-down conversion of a large voltage ratio. This affects the efficiency of the converter and also reduces the dynamic characteristics of the converter. It has been experimentally found that if several special switched capacitor (SC) networks are combined with conventional switching DC-DC converters, the SC network is used to pre-transform the voltage to reduce the large ratio in the DC-DC converter. In order to improve the performance of the traditional converter, a series of new topologies such as SC-Boost converter, SC-Buck converter and SC-Cuk converter are proposed.

Since the development trend of modern switching power supplies is miniaturization, more often, we need micro voltage and low voltage. Therefore, we choose to design SC-Buck converter to achieve higher efficiency and large step-down.

This paper first describes the circuit structure, buck principle and working characteristics of the Buck converter, and then introduces the working principle and practicability of several mainstream buck-switched capacitor-to-capacitor converters, and analyzes their shortcomings when performing large-ratio ratio bucking. At the same time, it is proposed to use the SC-Buck converter to combine the advantages of both, and it is possible to achieve a larger ratio of buck. Therefore, the working principle, implementation purpose and circuit improvement method of SC-Buck converter are introduced. Then, through the simulation analysis of orCAD, the selection of component parameters is discussed from the perspective of efficiency and practicality to achieve optimal performance and maximum efficiency. Big change is lower than buck.

Key words: Big change ratio；Switched capacitor (SC) ；Buck；Effectiveness

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.21 DC-DC变换器的研究现状 1

1.22 开关电容变换器的研究现状 1

1.3 论文研究内容 1

第二章 电路结构与工作原理 1

2.1 Buck变换器 1

2.2 降压型开关电容变换器 1

2.3 本章小结 1

第三章 SC-Buck变换器的提出 1

3.1 传统变换器的纹波和效率 1

3.2 SC-Buck拓扑结构与原理分析 1

3.3 本章小结 1

第四章 仿真分析与实验 1

4.1 仿真模型建立 1

4.2 仿真结果分析 1

4.3 本章小结 1

第五章 全文总结与展望 1

参考文献 1

致谢 1

第一章 绪论

1.1 研究背景

在我们的生活中，几乎所有的电子产品都离不开直流（DC）电源，如手机、笔记本电脑、家用电器设备、出行乘坐的巴士等等，都含有直流-直流（DC-DC）变换电路。DC-DC变换电路的作用是在输入电压有波动以及输出端负载可以调节的情况下，为其设备提供所需要的稳定的直流电源。这些DC-DC变换电路在各个位置中起着不可忽略的作用。

但是，随着开关电源小型化趋势的发展，DC-DC开关变换器在过去的几年里也发生了巨大的变化。在一些小型的电子设备中，如kindle、遥控器、电子词典、手机等，这些设备所需要的输出电压通常都比较低。很多集成电路和辅助电路的标准供电电压已经降低到了1V甚至更小。可以预计到，在不久的将来，微处理器的供电电压会降到0.4-0.5V。

因此，更多的时候，我们需要的是低电压、微电压，需要的是更大变压比的DC-DC变换器。与此同时，我们还需要考虑成本、效率，以及最大可能的节能减排，仅仅依靠最基本的传统DC-DC变换器是远远不够的，因此研究大变比的DC-DC变换器意义重大。

1.2 研究现状

1.21 DC-DC变换器的研究现状

上个世纪五十年代末，世界上首个集成电路在美国物理学家基尔比的研究下诞生了，开拓了电子器件微型化的新纪元，DC-DC变换电路也随之而来。DC-DC开关变换器的工作过程为：通过改变电路中的开关管的导通时间与关断时间的比值，使电路工作状态为第一阶段开关管导通电源给电路充电、第二阶段开关管关断电路再把电能转给负载实现放电，控制功率从输入的电源端传递到输出的负载端，从而实现电压的直流-直流变换。与低压差线性稳压器和电荷泵这两种电压变换器相比，DC-DC变换器具有宽调压面积、大功率密度比、高功率因数、灵活的升降压等优点，因此广泛应用于各个领域。随着近几十年以来半导体的深入研究与发展，DC-DC变换电路的研究有了很大的突破与发展，已经衍生出了很多的类型，包括线性直流电源、升压型DC-DC电源、降压型DC-DC电源等等，下面来简单介绍一下这三种类型：

线性直流电源（LDO）的工作原理是利用MOSFET工作在线性区的特点，实现直流电压的线性转换。它有输出噪声小、变换速度快的优点，但是由于受到本身热性能的限制，它所能提供的电流会达不到要求。升/降压型DC-DC电源是利用功率开关管，将直流输入电压升高/降低到负载所需要的另一电压，主要有Boost（升压）变换器和Buck（降压）变换器（由于研究方向为大变比降压，本论文将在第二章着重介绍Buck变换器）。

到了20世纪末，随着功率开关的发展，DC-DC变换器的结构和技术都已经取得了极大的成就，DC-DC变换器正朝着提高控制精度、提高功率因数、提高集成度、数字化、轻量化和小型化的方向飞速发展，而且取得了不可忽视的成果。主要成果可以从两个点来分析，一方面，提高集成度，并且能够减小体积与重量。有文献^[1][2]指出，到上个世纪九十年代的时候，功率集成电路已经发展到了由控制芯片、功率开关管和电感、电容元件组成，这不但实现了功率调节的功能，还大幅度地降低其体积和重量，更令人振奋的是，还能实现远程控制。因而可以看出，功率集成电路的研究发展成果，顺应了当代微型电子设备电压向低电压、微电压发展的趋势，理所应当地得到了快速发展和广泛应用。有文献指出，发展到今天的功率集成电路，可构成开关电源设备，已经完全把控制电路和功率开关管放在一块芯片上，外部也仅需要少量的电感、电容元件。另一方面，提高功率因数。提高功率因数即减少变换器在转换电压的过程中能量的损耗，也就是提高变换器工作过程中的转换效率，这在微电压、低电压中显得特别的重要。不管是DC-DC开关变换器的充电模式还是放电模式，都涉及到了二极管，而二极管本身是存在电阻的，而且电阻都比较大，不仅会使损耗产生，更重要的是由于电阻的存在，会产生压降导致结果的误差。针对这部分损耗，有文献指出，可以使用场效应晶体管(MOSFET)代替整流二极管。和整流二极管相比，MOSFET的一个显著的优点是导通电阻只有几百毫欧，甚至几十或者几欧，非常的小，所以大大的降低了开关导通损耗，提高了工作效率。并且，即使是使用MOSFET，DC-DC变换器工作原理、工作状态以及工作结果也都可以完美的符合要求，与使用整流二极管时的原理方式一样，因此，这种方法是非常可行的。

目前传统的DC-DC开关变换器要进行较悬殊的降低电压或者较大变比的升高电压，就必须把功率开关管的导通占空比调的很大或者很小，但是这种将占空比调的很大或者很小，不但会使变换器的转换效率与动态特性降低，还会使电路的输出电压很不稳定，误差会极大。因此，想要获得较悬殊的降低电压或者较大变比的升高电压的转换，通过简单的调节开关管的占空比是远远不够的。

于是，在这种情况下，就衍生出了单级多相交错技术，多项交错技术要比单相的DC-DC变换器更优。因为多项的交错技术会降低输出端的电压纹波与电流纹波，这样的话输出电容的大小会比之前的更小。并且，由于多项交错技术的本身优势，会增加总的响应带宽，会比单级单项DC-DC变换器更加稳定。但是，之前提过，可以预计到未来的电子设备的芯片的工作电压，可能会降低到0.4-0.5V，甚至更低，不管是使用单级单相的拓扑结构还是使用单级多相的拓扑结构，都不可能得到我们想要的结果，难以满足要求。因此，又有研究者提出了两级的拓扑结构，来实现大变比的升降压。

图1.1 两级拓扑结构框图

如图1.1所示，从本质上来讲，两级的拓扑结构就是两个变换器，通过第一个变换器实现大变比、高效率的DC-DC转换，然后再通过第二级实现电压调节。两级结构由于实用性地提高，备受研究者们的关注，目前为止，两级拓扑结构的已经取得了很有前景的研究成果。

有文献^[3]表明两级拓扑结构的转换效率和功率因数确实要比传统的单级拓扑结构更高，因为它的一级与二级都是采用的多相工作模式，也就是在不同的频率下各自工作、各自运行。但是，也有文献^[6]指出，两级拓扑结构也是存在缺陷的，它的第一级要实现高频率、大变比的DC-DC变换，就必须工作在较低的工作频率下，这样才能达到我们的要求，但这样弊端就突显出来了，会使变换器的磁性元件的体积变大，这样就不符合现代电子设备电源的发展趋势——小型化。但两级结构自身优势摆在那儿，因此，两级拓扑结构的研究意义重大、研究价值非凡。

1.22 开关电容变换器的研究现状

上个世纪七十年代初，就有人提出了第一代开关电容变换器，它的作用是将一个原本无法调节的直流电压变换成可以调整的直流电压。但是由于当时的生产环境条件有限，开关电容变换器并没有引起社会研究家们的重视，直到最近十几年，由于社会生产发展的需要以及组成开关电容变换器的元件的发展，开关电容变换器才得到了重视并取得了很大的突破与成就。

开关电容变换器，物如其名，由MOS开关与MOS电容组成，它的组成并不含有磁性元件（磁性元件指的是电感和变压器，它们的所占空间和质量都比较大），所以开关电容变换器的所占空间小、重量轻。早期的开关电容变换器本身电容数量较多，而且由于负载端的输出电压很受电源端的输入电压的影响，其电压调节范围很窄，存在的许多的不足，实用性并不高。

针对早期的开关电容变换器的不足之处，有文献^[8]提出了一种新型的开关电容变换器拓扑电路，这个电路的电压调节范围相对早期的开关电容电路变宽了很多，但是它却还是没解决效率低的问题，因为这个电路存在比较大的纹波。于是，研究者们经过不断地探索与尝试，减少输入的电流，克服了早期的一些不足，终于得到了能够得到大变比的开关电容变换器的拓扑电路。

由于开关电容变换器和两级变换器的优势都逐渐被发现，因此引起了研究者们的注意。除了前面提到的两个优点外，开关电容变换器的功率密度还很高，可以集成在一个很小地芯片上面，很适用于小型电子设备，在当前各种电子设备都往所占空间小、质量轻、便于携带的方向发展，这非常顺应当今开关电源的发展潮流，因此，研究开关电容变换器所在意义重大。

1.3 论文研究内容

本文将研究一种基于开关电容的大变比降压变换器，利用前面的两级拓扑结构的思路，把开关电容变换器与传统的Buck变换器相结合，综合了两者各自的优点。本文的主要工作有下：

（1）第二章简要介绍Buck电路和几种主流开关电容变换器的电路拓扑和运行原理，以及它们的控制特性和分析方法。

（2）第三章首先求出Buck变换器和开关电容变换器在正常工作情况下的效率，其次分析各自在大变比降压下的优缺点，然后提出SC-Buck变换器，最后介绍其可行之处与优势之处。

（3）第四章则是通过orCAD进行仿真分析，从效率和结合实际的角度考虑，使用控制变量法来测量开关电容的电容值C、占空比D以及负载R对电路运行效率的影响，求出能提高效率的措施，讨论SC-Buck变换器元件参数的选择以及电路的改进。

（4）第五章进行全文总结，并对SC-Buck变换器的前景提出展望。

第二章 电路结构与工作原理

2.1 Buck变换器

开关变换器有两种基本电路，在我们周围应用很广泛，即为Buck（降压）和Boost（升压）变换器，这两个变换器的拓扑是其它绝大多数电路的基本结构，因为基本上都可以根据这两种电路推导出来。比如说，根据Buck电路，可以推衍生出推挽变换器与其它变换器，Buck和Boost两者的电路通过特定的方式连接可以组成Buck-Boost电路，而组成的Buck-Boost电路又可以推衍出常见的Cuk变换器。本节接下来就着重介绍Buck变换器。

1.电路结构

由功率开关管和整流二极管构成的开关型变换电路，可以实现最简单的DC-DC降压。Buck型DC-DC变换器就是在降压型变换电路的基础上、连接输出滤波电路LC、实现稳定高效地直流-直流降压，而组成的。对开关管T进行周期性的导通和中断控制的变换，目的是把直流电源的Vs变换为我们所需要的直流电压V₀，输出到负载R两端。

图2.1 Buck变换器电路结构

Buck变换器的基本拓扑结构如图2.1所示。其中，V_S表示输入电压、V₀表示输出电压。T表示功率开关管，功率开关管可以通过对脉冲电压V_G进行周期性地通断控制，以实现对电路的通与断的控制。D表示续流二极管，性质为正向流过电流时导通电阻很小，相当于短接，反向流过时其电阻很大，相当于断路。L、C分别为电感、电容，两者均为动态元件，根据换路定则可知，换路前后（这里体现为功率开关管的通断导致的电路变换），电路中的电感电流和电容电压不能立即跟随电路发生改变。也就是说，电感是通过磁场存储电能，电容则是通过电荷存储电能，理想情况下两者均不耗能，为最简单的储能元件。

2.降压原理

在一个周期里，对功率开关管T施加如图2.2所示的脉冲信号V_G，此信号具有周期性通断的特点，在期间，有V_G=1，即为高电位，此时开关管处于导通状态；而当在期间的时候，有V_G=0，即为低电位，此时开关管处于断开状态。一般情况下都取较短的周期，对功率开关管进行频率地、周期性地通与断控制，周期为T_S，频率即f_s=1/T_S开关管的导通占空比D为导通时间与一个周期内的总时间的比值，简称占空比，数学表达式为，即可以推导出导通时间，同理可得开关管的阻断时间。我们所讨论的电路里面的周期为2，而假设导通时间为，那么占空比D=。

当开关管处于导通状态的时候，直流电源电压V_S经过开关管直接输出到右边的LC电路，此时开关管输出电压=V_S。此时，由于流过二极管的电流是反向的，二极管电阻很大，处于截止状态相当于断路，流过的电流端的电压V_D=V_S。电源电流经过开关管流入电感，由于电感电流不能发生突变，所以会先保持原有的电流大小，但会慢慢上升到。当开关管处于阻断状态的时候，负载与电源隔离，由于电感的电流不能发生跃变，即开关管断开后的极短时间内不为零，电流经过负载和二极管续流，因此二极管D也被称为续流二极管。在整个周期T_S中电流连续且大于零，也就是说，如果在开关管中断的整个期间，电路一直都有电流流过，电感电流经过二极管D环流时，并不会衰减，那么在期间，二极管D将一直处于导电，变换器的输出电压，图2.3表示输出电压的波形。

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