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电流模式开关电源控制IC相关模块的研究

作　者: 胡劼
导　师: 余宁梅
学　校: 西安理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 反激式电流模式脉宽调制系统仿真控制芯片
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 284次
引　用: 1次
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内容摘要

开关电源SPS(Switching Power Supply)被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品,被广泛应用于各种电子、电器产品中。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简洁外围电路、最佳性能指标等特点,已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源以及开关电源模块的优选集成电路。单片开关电源的核心即为控制IC,其性能决定了产品成本、性能、可靠性、稳定性,对其研究,也越来越深入,各种功能也逐渐被集成在控制芯片中。本课题的研究对象为电流模式反激式开关电源控制IC。本论文中的控制IC吸收了多种控制方法的优点,采用了PWM、PFM、PSM相结合的控制方法,具有性价比突出、较少的外围元件、能耗低、保护电路完善、抗EMI特性好、无音频噪声等优点。本课题分别采用BIPOLAR与CMOS工艺对反激式开关电源系统的控制IC进行系统仿真与系统功能的电路实现方面的研究。BIPOLAR部分,本论文完成了系统各模块的联合仿真,对芯片启动时、过压与欠压时、绿色模式开启时、过流保护开启时等情况进行了仿真,验证了各模块以及系统功能的正确性。进行了系统外围电路的建模与频率补偿网络的设计,最终使用SPECTRE仿真器完成了反激式开关电源整体系统的仿真,在输出电压为5V时,得到了具有±10mv以下纹波的系统输出。同时,采用1.5μ多晶硅发射极工艺完成控制芯片的版图设计并编写了验证文档,完成了版图的验证工作。CMOS部分提出了一个具有诸多功能、保护措施较为完善的电流模式反激式开关电源控制IC系统。并采用了Charter0.35μCMOS工艺,完成了带隙基准、振荡器、频率抖动、前沿消隐、功率限制、FB反馈与模式选择、斜坡补偿等主要功能模块的电路设计,提出了新的带隙基准模块、频率抖动等功能的实现方法,并进行了带隙基准电路的流片。SPECTRE的仿真结果验证了电路设计的正确性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 引言  7-9
  1.1 开关电源的应用及发展趋势  7-8
  1.2 单片开关电源的应用及发展趋势  8
  1.3 本文的工作与意义  8-9
2 PWM开关电源的基本原理  9-13
  2.1 反激式开关电源的基本原理  9-11
  2.2 占空比的控制方法  11-12
  2.3 开关电源控制方法的选择  12-13
3 基于双极工艺的开关电源控制IC的设计  13-41
  3.1 系统工作原理  13-14
  3.2 各模块功能分析  14-17
  3.3 系统的整体仿真  17-21
    3.3.1 系统启动时的仿真  17-18
    3.3.2 欠压和过压时的仿真  18-19
    3.3.3 PWM与绿色模式  19-20
    3.3.4 过流保护触发时的仿真  20-21
  3.4 带外围电路的系统仿真  21-33
    3.4.1 系统的外围电路  21-23
    3.4.2 外围元件的模型  23-28
    3.4.3 频率补偿电路的设计  28-31
    3.4.4 系统仿真结果  31-33
  3.5 版图的设计与验证  33-41
    3.5.1 版图设计的基本原则  33-36
    3.5.2 版图的整体布局  36-37
    3.5.3 电流镜的设计  37-38
    3.5.4 功率元件的设计  38-39
    3.5.5 验证文件的编写与版图验证  39-41
4 基于CMOS工艺的反激式开关电源控制IC的设计  41-65
  4.1 系统构成与原理框图  41-42
  4.2 部分子模块的设计  42-65
    4.2.1 带隙基准电压源(REF)的设计  42-49
    4.2.2 电压转电流(V-to-C)模块的设计  49-50
    4.2.3 振荡器(OSC)的设计  50-54
    4.2.4 频率抖动(Frequency jitter)模块的设计  54-56
    4.2.5 斜坡补偿模块(SLOP)的设计  56-59
    4.2.6 前沿消隐(LEB)的设计  59-60
    4.2.7 功率限制(V limit ramp)模块  60-62
    4.2.8 FB反馈控制(Mode select)模块  62-65
5 总结与展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-69
附录  69-80
在校期间发表的论文  80

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