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高速负载响应DC-DC开关电源IC设计

作　者: 胥锐
导　师: 李平
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: DC-DC 负载响应 求和比较器 负载调整积分
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


近年来,电池供电便携式设备(如PDA、手机、MP3播放器等)的需求越来越大,对DC-DC开关电源IC的需求也日益增大,同时对其性能要求也越来越高。要求DC-DC转换器具有高转换效率,以延长电池供电时间;并具有良好的瞬态响应特性,以满足CPU、DSP和闪存等模块的要求。根据电池供电便携式设备的要求,本论文设计了一款高速负载响应DC-DC开关电源IC芯片。该芯片采用0.6μm CMOS工艺实现,集成有高精度基准电压源,振荡器,斜坡补偿功能电路,电流限制,电流采样电路,求和比较器,负载调整积分等电路模块。该芯片的输入电压范围为2.7V-5.5V,输出电压范围从输入到13V连续可调,工作频率为250KHZ,同时具有输出电压纹波小,转换效率高,负载调整能力强等特点。本文设计的开关电源芯片采用电流控制PWM调制方式,运用一种新颖的求和比较器电路来代替传统开关电源中误差放大器和PWM比较器的级联结构,减少了传统开关电源中误差放大器带来的误差和延时,加强了PWM调制的精度和速度,提高了系统的负载响应速度。根据系统需要,本文还利用了负载调整积分器来消除系统稳态误差,增强系统的负载调整能力。同时,本文还对系统的稳定性和芯片的效率进行了详细的分析。最后,本文利用仿真软件Hspice对整体电路进行了仿真验证。仿真结果表明,本文设计的DC-DC变换器在典型应用条件下,其输出电压纹波小于1%,最高转换效率超过85%,当负载电流从10mA跃变到100mA,其动态跌落量小于1%,恢复时间最快达25μs,利用负载调整积分器可以显著增强系统的负载调整能力,消除系统因负载调整引起的稳态误差。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 开关电源的发展历程  10-11
  1.2 开关电源的发展趋势  11-12
  1.3 论文的研究意义及主要工作  12-15
第二章 开关电源基础  15-27
  2.1 开关电源常用拓扑结构  15-20
    2.1.1 Boost开关电源原理  15-18
    2.1.2 Buck开关电源简述  18-19
    2.1.3 Buck-Boost开关电源简述  19-20
  2.2 开关电源的调制方式  20-22
    2.2.1 PWM调制方式  20-21
    2.2.2 PFM调制方式  21-22
    2.2.3 混合调制方式  22
  2.3 开关电源的控制方式  22-25
    2.3.1 电压控制模式  22-23
    2.3.2 电流控制模式  23-25
  2.4 开关电源的效率  25-27
第三章 高速负载响应开关电源控制芯片设计  27-46
  3.1 系统的基本原理  27-28
  3.2 系统稳定性分析  28-32
    3.2.1 开环不稳定性  28-30
    3.2.2 次谐波振荡  30-32
  3.3 系统负载响应速度分析  32-34
  3.4 控制芯片整体设计  34-36
  3.5 基于求和比较器的系统优化  36-40
    3.5.1 设计思想  36-37
    3.5.2 电路设计  37-38
    3.5.3 仿真结果  38-40
  3.6 引入负载调整积分电路对系统的优化  40-46
    3.6.1 设计思想  41
    3.6.2 电路设计  41-44
    3.6.3 仿真结果  44-46
第四章 其它控制电路设计  46-62
  4.1 振荡器  46-50
    4.1.1 电路设计  46-48
    4.1.2 仿真结果  48-50
  4.2 斜坡补偿电路  50-52
    4.2.1 电路设计  50-52
    4.2.2 仿真结果  52
  4.3 电流限制电路  52-55
    4.3.1 电路设计  52-54
    4.3.2 仿真结果  54-55
  4.4 电流采样电路  55-58
    4.4.1 电路设计  56-58
    4.4.2 仿真结果  58
  4.5 欠压保护电路  58-62
    4.5.1 电路设计  58-61
    4.5.2 仿真结果  61-62
第五章 整体电路仿真  62-76
  5.1 芯片应用环境  62-64
    5.1.1 芯片引脚介绍  63
    5.1.2 外围元器件的选取  63-64
  5.2 启动过程仿真  64-66
  5.3 连续导电模式和不连续导电模式仿真  66-68
  5.4 斜坡补偿作用仿真  68-70
  5.5 负载调整响应仿真  70-74
  5.6 转换效率仿真  74-76
第六章 结论  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
攻硕期间取得的研究成果  81

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 一般性问题 > 设计
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