现代电子技术
Modern Electronics Technique
Feb.2022Vol.45No.4
2022年2月15日第45卷第4期
0引言
随着功率半导体器件的不断发展和电力电子技术的不断进步，电源半导体产品市场呈现出快速增长的趋 势，电源管理模块应用领域更加广泛，如汽车、工业、电信和网络、消费性电子等[1]。现代电子设备电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。线性稳压电源调整管工作在线性状态下，在实际应用中存在系统功率转
DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.04.018
引用格式：洪怡雯，陈伯文，戴东峰，等.同步整流BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源设计[J].现代电子技术，2022，45（4）：94⁃100.
同步整流BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源设计
洪怡雯1，陈伯文1，2
，戴东峰3，吴金炳2
（1.苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006；2.苏州路之遥科技股份有限公司，江苏苏州
215153；
3.华硕科技苏州有限公司，江苏苏州
215011）
摘
要：为了提高DC⁃DC 电源系统的性能，解决传统的线性直流稳压电源系统功率转换效率低、调压功率损耗大、输出 响应速度慢等问题，文中采用同步整流技术和跨导的Type Ⅲ型补偿网络设计，建立同步整流BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源线路。以UP1540电源控制器和NMOS 同步整流场效应管（NTMFS4C10）为主
要元器件，利用PWM 斩波来控制同步整流场效应管导通、截止，通过电感和电容进行电路能量交换和滤波，再通过Type Ⅲ环路补偿型来实现电路的安全性和输出电压的稳定性。实验结果表明，同步整流BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源具有良好的功率转换效率、更小的调压功率损耗和更快的输出响应速度，达到了预期设计目标。说明采用同步整流技术和跨导的Type Ⅲ型补偿网络设计来优化BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源，可提高电路的功率转换效率和稳定性。 关键词：同步整流；BUCK ；功率转换效率；环路补偿；开关电源；PWM ；电压模式；相位裕度中图分类号：TN86⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X （2022）04⁃0094⁃07
Design of synchronous rectifier BUCK DC⁃DC regulated switching power supply
HONG Yiwen 1，CHEN Bowen 1，2，DAI Dongfeng 3，WU Jinbing 2
（1.School of Electronic and Information Engineering ，Soochow University ，Suzhou 215006，China ；2.Suzhou LZY Technology Co.，Ltd.，Suzhou 215153，China ；
3.ASUS Technology Suzhou Pte.，Ltd.，Suzhou 215011，China ）
单元测试流程
Abstract ：In order to improve the performance of DC⁃DC power supply system and solve the shortcomings of the traditional linear DC regulated power supply system ，such as low power conversion efficiency ，large voltage regulation power loss and slow output response speed ，the synchronous rectification technology and transconductance Type Ⅲcompensation network design are
adopted to establish synchronous rectification buck DC⁃DC regulated switching power supply circuit.Taking the UP1540power controller and synchronous rectifier NMOS field ⁃effect tube （NTMFS4C10）as the main components ，the synchronous rectifier NMOS field⁃effect tube conduction and cut⁃off are controlled by means of the PWM chopper ，the energy exchange and filtering inductance and capacitance in circuit are conducted ，and then the Type Ⅲloop compensation type is used to realize the safety of the circuit and the stability of the output voltage.The experimental results show that synchronous rectification BUCK DC⁃DC
regulated switching power supply has good power conversion efficiency ，smaller voltage regulation power loss and faster output response speed ，which can achieve the expected design goal.It can be seen that the synchronous rectification technology and transconductance Type Ⅲloop compensation network design can be adopted to optimize BUCK DC ⁃DC regulated switching
power supply ，which can improve power conversion efficiency and stability of the circuit.Keywords ：synchronous rectification ；BUCK ；power conversion efficiency ；loop compensation ；switching power supply ；
PWM ；voltage mode ；phase margin
收稿日期：2021⁃06⁃16
修回日期：2021⁃08⁃03
基金项目：国家自然科学基金项目（61701332）；江苏省自然科学基金优秀青年项目（BK20200099）；中国博士后科学基金
（2020T130460；2020M671598）；江苏省博士后科学基金（2020Z109）
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第4期
换效率低、调压功率损耗大、输出响应慢、电压转换形式单一（只有降压）等缺点。开关稳压电源调
整管（如MOSFET）工作在饱和区和截止区，摒弃了传统的工频变压器，具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、可升压等特点。传统的整流开关电源采用肖特基二极管来续流，这种工作方式相比于线性稳压源提高了输出与输入的比值，但传统肖基特二极管的压降在低电压输出时几乎占输出电压的12，会产生很大的二极管导通损耗，极大降低变换器的效率，不适用于低电压大电流领域。因此，在需求日益增大的低电压输出和小体积电子产品中得不到应用[2⁃4]。 为了解决传统的整流电源在实际使用中的缺陷，采用同步整流技术来设计同步整流BUCK型开关电源。同步整流技术采用同步整流MOS管代替传统的肖基特二极管，MOS管的导通电阻一般为毫欧级，在输出大电流时，损耗远低于传统二极管损耗，提高了变换器效率。以UP1540电源控制器和NMOS场效应管（NTMFS4C10）为主要元器件，本文建立同步整流的BUCK型开关电源线路，利用PWM斩波来控制NMOS导通与截止，通过调整PWM斩波的占空比来确定输出电压的大小，通过电感和电容进行电路能量交换和滤波。通过TypeⅢ型环路补偿来实现电路的安全性以及在稳态负载及动态负载下输出电压的稳定性，极大地减小了开关电源的体积，同时功率转换效率得到进一步提高，更加符合低电压输出、小体积电子产品的应用需求[5]。
1同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源的设计
本文同步整流BUCK型开关稳压电源设计的具体指标要求为：输入电压为12V，输出电压为1.1V，开
家具保护垫关稳态负载输出电压的纹波电压V ripple≤40mV，动态负载输出电压V peak⁃peak≤100mV，输出负载平均电流I o=12A，I o，max= 18A，相位裕度在45°~90°之间，电源系统功率转换效率≥85%。以上电源系统设计要求有较好的稳定性、较强的抗干扰能力和较高的功率转换效率。针对以上要求，采用UP1540电源控制器和NMOS场效应管（NTMFS4C10）为电路主要元器件，建立同步整流BUCK 型稳压开关电源。图1所示为电源系统整体框图。
BUCK型稳压开关电源整体系统包括直流电源输入、输入电容滤波、PWM斩波、HMOS（High⁃side MOS）和LMOS（Low⁃side MOS）控制开关、电感传输、输出电容滤波、TypeⅢ型环路补偿、降压输出。相比线性稳压电源系统和传统整流型开关电源电路，同步整流BUCK型开关电源有更高的功率转换效率、更低的电路调压损耗、更快的响应速度，适合应用于低输出电压、高输出负载电流、
小体积的电子设备中。
图1BUCK型DC⁃DC稳压开关电源系统整体框图
2同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源的理论分析
2.1同步整流BUCK电路的基本拓扑结构及理论分析
开关电源设计的同步整流型BUCK电路是降压型电路由一个输入电压源V i、开关元件Q、同步整流管D、LC滤波器及负载电阻R组成，其基本拓扑结构如图2
老化台
所示。
图2同步整流型BUCK电路的基本拓扑结构BUCK线路的理论分析：基于该DC⁃DC开关电源工作在连续导通模式（Continuous Conduction Mode），即流过电感L的电流不会下降为0A。假设所有电力电子元器件都是理想模型：开关Q和同步整流管D的短路和开路转换时间为0，PWM斩波在一个周期T的切换中，输入电压V i和输出滤波电容电压V o的纹波忽略不计，电感L和电容C均为无损耗能量存储元器件。
图3为CCM模式下BUCK电路输出电感L波形，CCM模式BUCK
电路可分为以下两个工作状态。
图3BUCK电路输出电感L的电流状态
洪怡雯，等：同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源设计95
现代电子技术
2022年第45卷
状态一：在t =0时，PWM 控制开关元件Q 导通，同步
整流管D 处于截止状态，电源电压V i 通过开关元件Q 加到输出滤波电感和输出滤波电容C 上，如图4
所示。
图4状态一Q 导通，D 截止
由于输出滤波电容电压不能突变，因此电感L 两端电压为V i -V o ，根据KVL 定律可得：
V i -V o =L
d i
d t （1）
当T =T on 时，i L 达到最大值i L
max
。
Δi L 1
=
∫
0t 1
V i -V o L d t =V i -V o
L
t 1（2）
i L max
=V i -V o
L
T on （3）
此时，电感L 和电容C 都处于充电（储能）状态。
状态二：在T on 时间后开关元件Q 开路，电感电流i L
通过导通的同步整流管D 继续流通，此时电感L 两端的电压为-V o ，如图5所示。根据KVL 定律：
-V o =L
d i
d t
（4）
当t =T 时，i L 达到最小值i L min 。
Δi L 2
=-∫
T on t 2
V o L d t =-V o
L (t 2-T on )（5）
i L min
=-V o
L
(T -T on )（6）此时电感放电，T 时开关元件恢复导通，开始切换
到状态一。
图5状态二Q 截止，D 导通
在稳态工作时，如图3所示，电感电流i L 为一个三角波，周期性地在最大值i L max 和最小值i L min 范围内变化。由于i L 是连续的，所以对电感充放电的电流变化量相同，则有：
V i -V o
L
T on =|||
|||-V o L (T -T on )（7）
经整理可得：
D =
T on T =V o
V i
（8）
综上所述，可以通过确定的占空比D （Duty cycle ）使输出电压保持一个恒值，从而达到稳压的目的[6⁃8]。
2.2
同步整流BUCK 型开关电源的Type Ⅲ型环路补偿
在输出电容后，加入一个Type Ⅲ型环路补偿连接UP1540前馈电路的比较器输入端来优化电源，使电路
形成一个优化动态响应的闭环控制系统。开环控制系统不能检测输出电压误差，也不能校正误差，控制精度、
抑制干扰及动态响应的性能都比较差，仅适用于精度不高的场合。Type Ⅲ型环路补偿与BUCK 线路形成闭环控制系统，通过为环路提供补偿零极点，改善环路的相
位裕度以保证环路稳定，同时实现零极点的抵消，扩展带宽并加快系统的响应速度。环路充分发挥了反馈的重要作用，当输出电压动态变化时，通过该补偿反馈到PWM 斩波，快速调整PWM 斩波的占空比来消除电压变化所产生的偏差，将输出电压保持在设定值[9]。
域网
图6描述了BUCK 电路整体闭环模型。已知BUCK 电路传递函数G （s ）（从控制到输出）和跨导Type Ⅲ型环路补偿传递函数H （s ），整体电路闭环传递函数H′(s )的基本方程为：
H′(s )=
G (s )
1+G (s )H (s )
（9）
当G (s )H (s )=-1，即增益裕度为0dB （增益裕度=
20log ||V o V i ）。当相角裕度为180°时，工作频率为截止频率f 0，闭环传递函数将无穷大。截止频率f 0的大小同样也会影响电路的稳定性。由香农采样定理可知：电力
电子变换器输出电压的截止频率是有上限的，在带宽最大化且系统负载突变时获得最快响应，理论上最高是开关频率（载波频率）的12。过低的下限也会严重影响电路的响应速度[10]
。
图6BUCK 电路闭环模型
所以通过研究G (s )模块与H (s )模块级联后的传递函数，即开环传递函数的参数作为环路稳定性的判据。理论上稳定性标准可描述为开环传递函数在截止频率上的相移不能等于180°（或-180°），但工程上要保证一定的安全裕度。即在伯德图上，开环增益穿过增益裕度=0dB 时，其45°<；相位裕度<135°，同时保证其截止频率f 0在电路工作频率的120~16处。
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第4期
结合UP1540提供的内部逻辑，该BUCK电路为电压控制模式，图7所示为H(s)模块为跨导运算放大器的Type III型环路补偿网络模型，g m为运算放大器的跨导。其反馈传递函数为：
H(s)=-
R9
R9+Z FB(s)g m Z OUT
(s)（10）
化简可得：
H(s)=-g m
R9[]
1+SC9()
R7+R10
R7+R9+SC9(R7R10+R9R10+R7R10)·
1 s ·
sC8R8+1
sR8C8C11+C8+C11
（11
）
图7跨导运算放大器的TypeⅢ型补偿网络模型
由此可得，该环路补偿网络的反馈传递函数提供
3个极点和2个零点，极点使相位产生-90°的相移，使增
益曲线斜率向下转折20dB/dec，零点使相位产
生+90°的相移，使增益曲线斜率向上转折20dB/dec。
f p1=
C8+C11
2πR8C8C11（12）
极点f p1放置在电路的截止频率附近，为电路提供
一个极点，使增益曲线斜率向下转折20dB/dec。
f p
2=
R7+R9
C9()
R7R10+R9R10+R7R10（13）
极点f p
2
应设置在输出电容的等效串联电阻产生的
零点处，用来抵消该零点对电路的影响，增强电源的抗
干扰能力。
f Z
1=
1
2πC9()
R7+R10（14）
f Z
2=
1
2πR8C8（15）
零点f Z
1
和f Z
2
设置在G（s）模块输出电感输出电容的
谐振点f LC附近。由于在接近谐振频率的区域内发生相
移突变，使线路非常不稳定，零点f Z1和f Z2能够很好地抵
消这一影响[11]。
3同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源电
路原理图设计及仿真
3.1开关电源电路原理图设计
根据上述理论分析及设计要求，将12V输入电压
转换为1.1V的稳定电压输出，PWM斩波的占空比D=
V o V i=0.0917，开关频率f=300kHz。电源设计的电路
原理如图8
所示。
图8同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源电路原理
1）电路输入端
输入电源加上直流电压12V，电感PL1、混合的旁
路电容C1和C2并联起到滤除输入电压中多种高频噪声
和储能来缓冲输入电压过压破坏电路的作用。输入电
洪怡雯，等：同步整流BUCK型DC⁃DC稳压开关电源设计97
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容CE 1容值取决于平均输入电流及输入电压，由
I in (RMS )=
I out [V out (V in -V out )]1
2
V in
（16）
得到输入平均电流I in （RMS ）=2.75A 。选择CE 1=270mF ，耐压为16V ，电容平均负载电流I （R
MS ）=5.43A 。
2）开关Q 、同步整流管D 及IC
选择HMOS Q1、LMOS Q2和Q3对应于原理图中的开关Q 和同步整流管D ，控制输入与输出的导通与关闭。HMOS 的选择考虑降低其开关损耗选择Q1，其内阻为10.8mΩ，耐压为30V 。LMOS 的选择能够有效降低其导通损耗，两个并联的LMOS 能够有效降低MOS 内阻降低带来的导通损耗，提高电路的工作效率，其并联内阻为5.4mΩ，耐压为30V 。IC 的选择考虑其输入及转换输出电压的工作范围、工作频率和可调占空比选择UP1540[12]。
3）输出电感及输出电容
输出电感值的上限取决于负载电流的斜率大小，下限取决于其输出纹波电压的大小，同时考虑等效电阻带来的损耗，可表示如下：
L ≥
V in V out -V 2
out
fI pp V in
（17）
输出电容考虑耐压值及等效电阻ESR ，选择CE2、CE3和CE4并联方式来降低ESR ，以达到降低输出纹波电压、减小损耗的目的，其参数为C =560mF ，ESR=7mΩ，可平均负载电流I r =5600mA 。负载电流peak⁃peak 值I pp 取I pp ，max =4A ，计算得L ≥0.8mH 。一般而言，电感值增大，输出纹波会变小，但电源在动态负载时动态响应也
会变慢，所以选择最小值稍大的常用电感即可，选择PL 2=1.2mH 。
4）输出分压电阻
输出分压电阻的设定由下式给出：
V out =V ref
R 7+R 9
R 7
（18）
由UP1540DateSheet 给出的V ref ，可选择R 9=1.33kΩ，R 7=499Ω。
平面涡卷弹簧
5）Type Ⅲ型环路补偿
为了保证闭环反馈系统的稳定性，增益裕度为0°时，45°<；相位裕度<135°，同时两者的截止频率在开关频率的120~16处。选取截止频率49kHz ，计算得到f esr ≈27kHz ，f LC ≈3.5kHz 。同时通过式（12）～式（15）和R 7，R 9阻值[13⁃14]，计算得C 8=3300pF ，C 9=0.068mF ，C 11=21pF ，
垃圾处理厂工艺流程
R 8=32.4kΩ。3.2
同步整流开关电源电路仿真结果分析
根据上述电路原理图设计，对该同步整流开关电源电路通过ORCAD 进行建模仿真。仿真结果如图9
所示。
图9稳态下输出电压V out 和输出电流I out 的关系
由图9可得：电路在稳态下，输出负载电流I out =
18A ，开关频率f =300kHz ；输入电压为12V 的条件下，输出稳定在1.1V 附近，输出纹波电压ΔV ripple <11mV 。能够满足由输入12V 转输出1.1V ，输出纹波低于40mV 的要求。如图10所示，电路在动态负载1.8～18A 范围变换，开关频率f =300kHz ，输入电压为12V 的条件
下，输出稳定在1.1V 附近，输出纹波电压V transient <70mV ，
动态响应时间T <40ms ，基本实现了Type Ⅲ环路补偿
在动态响应时快速响应的速度。
图10动态负载下输出电压V out 、输出电流I out 幅值
图10仿真结果表明，在动态负载和稳态负载情况下，输出电压V out 均能快速响应并输出1.1V 低纹波的电压，满足同步整流BUCK 型的DC⁃DC 开关电源的仿真设计目标。
4
BUCK 型DC⁃DC 稳压开关电源PCB 设计、测试结果及分析
4.1
BUCK 型稳压开关电源PCB 设计
通过分析开关电源原理图，将电源电路进行PCB 布
板设计和打板，图11所示为其元器件布局设计。
98
