DC-DC降压转换器在“信号与系统”小班研讨课 案例分析中的应用

郭勇 罗乐 肖菊兰 胡蓉 粟娟 廖无瑕 黎敏强

[摘 要] DC-DC電压转换芯片在电子系统和产品中得到了广泛应用。一般，开关电源初学者习惯照搬数据手册上的参数设计电路，而对该电路背后深层次的理论知识知之甚少。该文将“信号与系统”课程的零极点知识运用到电流模式开光电源的控制理论当中，提出了设计一个小纹波降压转换器的具体思路和方法。通过本案例的学习，一方面将认识到“信号与系统”课程的实际应用价值，同时也将认识到电路是设计出来的，而非照抄照搬。

[关键词] 信号与系统;小班研讨;DC-DC降压转换器;峰值电流模式控制

[基金项目] 成都工业学院“2017-2020年人才培养质量和教学改革项目”;2018年度大学生创新创业训练计划省级立项项目（201811116090）;

2018年度成都工业学院“青苗计划”项目（2018QM034）;成都工业学院实验室开放基金项目

[作者简介] 郭 勇（1981—），男，重庆铜梁人，博士，成都工业学院电子工程学院讲师，主要从事光电子学、微波光子学研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）23-0306-02    [收稿日期] 2020-01-08

一、引言

“信号与系统”是工科专业重要的专业基础必修课程，不仅是工程学课程的重要组成部分，而且是工科专业学生在本科教育中获得的具有较高实际应用价值的课程之一。正是本课程在工科高等教育人才培养中的重要地位，针对“信号与系统”课程的各类教育教学改革不断涌现，包括基于翻转课堂的案例教学[1]、基于工程教育专业认证的课程改革[2]和小班讨论课模式的教学改革探索与实践[3-4]等形式。本论文将TI的降压转换器参数设计运用到“信号与系统”小班研讨课程的案例分析当中，以复频域小信号环路补偿模型为基础，建立了该模型的简化控制-输出增益传递函数，通过对传递函数的理论分析与计算，并通过实际评估开发板上电测试，验证了理论分析的正确性。

二、DC-DC降压转换器复频域小信号模型理论分析

在直流电压转换器设计领域，相比于传统的电压模式控制技术，电流模式控制是电力电子学的研究热点之一，而峰值电流模式（PCM）控制是近年在电压转换器芯片中广泛使用的技术。简化的小信号PCM分析模型如图1所示，图中仅用iL电流源代替电感电路，这在电流模式分析建模中是合理的近似，CO是输出滤波电容的总容值，取值由负载瞬态响应、输出电压纹波和总线电容值共同决定，RESR是滤波电容等效串联电阻，RL是等效负载，R1和R2是输出电压反馈取样电阻，RC、CC和CRoll是环路补偿网络的电阻和电容，Cff是提升交叉频率的补偿电容。

由图1可知PCM降压转换器总的环路增益为：

现基于TPS54020芯片设计一DC-DC降压转换器以验证上述设计方法的正确性，具体的设计参数和原理图请参阅TI的官方文档SLVU777。

由上述参数仿真计算得到系统的环路增益和相位特性曲线，在交叉频率处的相位裕量足以使系统稳定工作。由TPS54020EVM开发板实际测量得到的输出电压波形如图2所示，可知降压转换器的输出电压没有发生振荡，且输出电压峰峰值变化为12mV，符合系统设计时要求的小于20mV峰峰值输出纹波电压要求。

四、结语

本文将直流降压转换器设计与“信号与系统”的零、极点知识相结合，既丰富了“信号与系统”小班研讨课的分析案例，又增强了同学们进行实际电子系统设计的能力。通过本案例的学习，既可以让学生的抽象思维能力得到充分训练，还培养了学生综合应用“信号与系统”课程知识解决实际工程问题的能力，为进一步学习新知识、研究新问题，打下坚实基础。

参考文献

[1]王静，张慧，崔雪.基于翻转课堂“信号与系统”案例教学探讨[J].电气电子教学学报，2019，41（01）：87-90.

[2]张彪，吕明.基于工程专业认证的“信号与系统”课程教学目标的制定及实现[J].中国电子教育，2018，（001）：36-40.

[3]张扬，邹麟，赵帅.“信号与系统”小班教学和考核改革的探讨[J].实验技术与管理，2015，32（12）：19-21.

[4]胡红平，康志伟，彭微.“信号与系统”小班讨论课教学改革的探索与实践[J].教育教学论坛，2018（31）：139-140.

Application of DC-DC Buck Converter in Case Analysis of Small Class Discussion of Signal and System Course

GUO Yong，LUO Le，XIAO Ju-lan，HU Rong，SU Juan，LIAO Wu-xia，LI Min-qiang

（College of Electronic Engineering，Chengdu Institute of Technology，Chengdu，Sichuan 611730，China）

Abstract：DC-DC voltage conversion chips are widely used in electronic systems and products.In general，beginners of switching power are used to copying the parameter design circuit in the data manual，but little is known about the deep theoretical knowledge behind the circuit.In this paper，the zero-pole knowledge of Signal and System course is applied to the control theory of current mode switching power supply.Through the study of this case，the students will realize the practical application value of the Signal and System course，and also the students will realize deeply that the circuit is designed rather than copied.

Key words：Signal and System;small class discussion;DC-DC buck converter;peak current mode control