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电流模式开关电源控制芯片设计

作　者: 张雷明
导　师: 赵建明
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 脉冲宽度调制 脉冲跳变调制 开关电源 斜率补偿
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着政府节能减排工作的不断深入和人类节能环保意识的不断提高,市场对绿色节能的开关电源芯片的需求也随之不断提升。绿色化、节能化的开关电源转换器能够有效地提高便携式电子产品的工作效率,延长其使用寿命,从而减少能源消耗。现在市面上使用的开关电源从调制方式大致可分为三类:脉冲宽度调制模式(PWM)、脉冲频率调制模式(PFM)、脉冲跳变调制模式(PSM)。也可以按照反馈电路的方式将其分为电压反馈控制和电流反馈控制。本文通过对各种开关电源电路拓扑、调制模式和控制模式的工作原理的研究、比较、分析,提出了设计一种高可靠性的绿色离线式电流型Buck降压开关电源控制器,它能根据不同的负载情况在PWM和PSM之间进行自动切换,从而在宽负载范围内维持较高效率,可以在很大限度上避免无效功耗的产生。本文在阐述了反激式光耦合反馈的拓扑结构和芯片的整体工作原理后,根据整体电路的要求,完成了4个子模块电路的设计,包括带隙基准电路、欠压锁定和过压保护电路、振荡器和斜率补偿电路、工作模式选择电路。通过对各个模块电路的工作原理和功能分析,同时基于CSMC0.5μmCMOS工艺模型,运用SPECTRE和HSPICE仿真软件对子电路进行了功能验证和性能参数的仿真。通过综合系统整体仿真和设计参数指标的对比,表明设计的芯片能很好地满足预设指标要求。最后,本设计在整体仿真后进行了版图设计和流片生产,流片采用CSMC0.5μm18VCMOS工艺,流片后测试各主要指标均能达到预设指标要求,并在实验中取得良好的效果,证明了本设计的正确性,达到了预期的效果。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 开关电源概述  10-12
  1.2 开关电源发展方向  12-13
  1.3 研究目的与芯片的设计指标  13
  1.4 本文的主要工作及内容安排  13-15
第二章 开关电源原理  15-22
  2.1 Buck 变换器和反激变换器  15-16
    2.1.1 Buck 变换器  15-16
    2.1.2 反激变换器  16
  2.2 开关电源控制方式  16-18
    2.2.1 脉冲宽度调制  17
    2.2.2 脉冲频率调制  17-18
    2.2.3 脉冲频率跳变调制  18
  2.3 反馈模式控制  18-20
    2.3.1 电压反馈控制模式  19
    2.3.2 电流反馈控制模式  19-20
  2.4 开关电源芯片的低功耗设计  20-22
    2.4.1 软开关技术  21
    2.4.2 脉冲频率跳变技术  21-22
第三章 芯片的内部结构和工作原理  22-26
  3.1 芯片的结构  22-24
  3.2 芯片的工作原理  24-26
第四章 电路设计  26-56
  4.1 带隙基准电压源  26-33
    4.1.1 带隙基准电压源的原理  26-30
    4.1.2 带隙基准电压源的实现  30-33
  4.2 欠压锁定和内部过压保护模块  33-39
    4.2.1 电压比较器  34-37
    4.2.2 欠压锁定和过压保护电路  37-39
  4.3 振荡器  39-42
    4.3.1 振荡器的原理  39-40
    4.3.2 RC 振荡器的设计  40-42
  4.4 斜率补偿和电流误差比较器  42-46
    4.4.1 斜率补偿  42-45
    4.4.2 电流误差比较器  45-46
  4.5 工作模式选择  46-51
    4.5.1 脉冲频率跳变  47-48
    4.5.2 打嗝模式检测  48-50
    4.5.3 模式选择电路  50-51
  4.6 驱动模块  51-53
  4.7 整体仿真  53-56
第五章 版图设计和芯片测试  56-65
  5.1 版图设计的技巧  56-58
  5.2 工艺介绍  58-60
  5.3 版图设计  60-62
    5.3.1 带隙基准版图  60-61
    5.3.2 18V 高压管版图  61
    5.3.3 整体芯片版图  61-62
  5.4 芯片测试  62-65
第六章 结论  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-69
攻读硕士学位期间取得的研究成果  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 电源
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