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一种自适应多模式混合控制直流—直流降压转换器芯片的研究

作　者: 金然
导　师: 傅刚
学　校: 广州大学
专　业: 物理电子学
关键词: DC-DC转换器混合控制降压拓扑迟滞控制高效
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

直流-直流电压转换器控制芯片在移动电子产品中得到了广泛应用。由于供能和设备可用空间受到极大的限制，设计者需要达成的首要目标便是如何在尽可能简单的控制技术和小的芯片面积下提高转换效率，延长电池寿命。本论文应对同时解决效率和面积的问题，设计了一种降压型多模式DC-DC转换器电源管理控制芯片。在输出电流大于250mA的重载情况下采用PWM硬开关模式、在输出电流介于250mA和100mA的轻载情况下采用迟滞控制软开关PFM模式，在输出电流小于100mA的极轻载情况下采用恒定导通时间降栅极驱动电压模式。本文首先针对各阶段主要损耗成因，分析并研究了数种合适的控制技术，通过公式推导出不同技术间效率高低的节点，提出了在这些节点自动转换的自适应混合控制技术。紧接着具体实现了运算放大器、比较器、带隙参考电压源等的MOS管级电路，依照设计指标进行测试与调试。然后进行逻辑选通、栅极自适应驱动和迟滞电压产生模块等的设计，利用Cadence IC对模块电路进行了仿真，最后按照设计规则完成了部分模块版图的设计。芯片采用无锡上华公司的0.5umCMOS混合信号模型工艺，仿真和测试结果表明该电路可实现三种模式之间的平稳过渡，达成了系统设计方案，具有较好的负载和线性调节能力，实现了全负载范围下较高的效率。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-27
  1.1 电源管理控制芯片综述  9-10
  1.2 直流-直流开关电源转换器  10-12
    1.2.1 Buck 拓扑  10
    1.2.2 Buck 转换器的稳态分析： CCM，BCM 与 DCM  10-12
  1.3 功率 MOSFET 模型及其驱动技术  12-15
    1.3.1 MOSFET 模型与关键参数  12-13
    1.3.2 功率 MOS 管驱动技术的优化  13-15
  1.4 系统损耗分析  15-17
  1.5 高效率控制技术分析  17-25
    1.5.1 CONT/COFFT  17-19
    1.5.2 电压/电流迟滞控制  19-21
    1.5.3 PWM/PFM  21-23
      1.5.3.1 电压控制型 PWM  21-22
      1.5.3.2 电流控制型 PWM  22-23
      1.5.3.3 PFM  23
      1.5.3.4 PWM/PFM 双模式  23
    1.5.4 零电压/电流开关技术  23-24
    1.5.5 同步整流技术  24-25
  1.6 论文研究内容与主要创新点  25-27
第二章转换器系统结构  27-32
  2.1 系统原理  27-32
    2.1.1 系统框图  27-28
    2.1.2 芯片管脚定义  28
    2.1.3 控制技术原理分析  28-30
    2.1.4 稳态分析  30-32
      2.1.4.1 重载模式  30
      2.1.4.2 轻载模式  30-31
      2.1.4.3 极轻载模式  31-32
第三章模块与子电路设计  32-48
  3.1 带隙基准电流源与电压源  32-35
    3.1.1 带隙电压参考源的原理与设计  32-33
    3.1.2 带隙电压参考源的仿真与测试  33-34
    3.1.3 基准电流源的原理与设计  34-35
  3.2 电压比较器  35-38
    3.2.1 电压比较器的原理与设计  35-36
    3.2.2 电压比较器的仿真与测试  36-38
  3.3 运算放大器  38-43
    3.3.1 运算放大器的原理与设计  38-41
    3.3.2 运算放大器的仿真与测试  41-43
  3.4 逻辑选通模块  43-45
  3.5 栅极自适应驱动模块  45-46
  3.6 自适应迟滞电压产生器模块  46-48
第四章芯片系统整体仿真  48-52
  4.1 工艺环境与仿真工具  48
  4.2 系统仿真结果  48-50
  4.3 版图设计  50-52
第五章结论  52-53
参考文献  53-56
攻读硕士期间发表论文  56-57
致谢  57

一种自适应多模式混合控制直流—直流降压转换器芯片的研究

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