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一种高效率低功耗DC-DC降压转换芯片设计

作　者: 杨波
导　师: 叶星宁
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 开关电源 PWM 峰值电流控制 BULK
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电子产品的飞速发展及其对高性能电源芯片的需求,为电源管理芯片的设计不断提出新的挑战。在电源管理芯片中,开关电源以其可靠性、高效率、低功耗而逐渐成为供电系统中的主流。本文对开关电源的几种控制方式,调制模式的优缺点等做出详细的归纳和总结,讨论了影响芯片效率的因素。同时,着重分析了峰值电流控制模式下,由于电流扰动和占空比扰动导致系统在占空比大于50%情况下而出现次谐波振荡原因。在此基础上主要研究了一种高效率低功耗降压开关型电源转换芯片。芯片采用峰值电流控制,PWM调制模式,工作在300kHz和500kHz两种频率下。当输出电压较低或者系统启动时,采用300kHz;当电路启动后,工作频率为500kHz。本文采用的峰值电流控制模式大大提高芯片瞬态响应速率和线性调整率。其工作电压为4.75V～23V,输出电压为0.92V～18V,输出电流高达2A。芯片具有逐周期电流限制功能和过温保护功能,工作温度从-40°C～165°C。芯片设有可编程设定的软启动电路,防止芯片启动过程中电源的浪涌电流和输出出现过冲电压。在芯片内部采用斜坡补偿技术以防止芯片发生次谐波振荡。同时对芯片内部采样得到的信号无须滤波器,而是通过前沿消隐电路,防止由于干扰等不确定因素导致系统的误关断。另外,芯片还包括电压调整器,欠压锁定,误差放大器,比较器,振荡器,基准源和功率管及其驱动电路等模块。对芯片内部各个模块和系统进行分析仿真,并给出各部分仿真波形,仿真实现既定性能指标。最后简要介绍芯片版图相关注意问题,芯片内部各个模块布局并给出芯片关键部分详细版图和整个芯片版图设计。芯片采用是UMC0.35CDMOS工艺设计的。所有电路都是利用Spectre工具,Cadence环境下仿真验证的。系统仿真效率高达93%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 电源芯片概述  9-11
    1.1.1 低压差线性稳压器（LDO）  9-10
    1.1.2 电荷泵  10-11
    1.1.3 开关电源转换器  11
  1.2 开关电源发展趋势  11-15
    1.2.1 开关电源的市场需求  11-13
    1.2.2 开关电源的发展和发展趋势  13-15
  1.3 本文研究的意义和从事的工作  15-16
第二章开关电源基本原理和结构介绍  16-27
  2.1 开关电源基本原理  16-19
    2.1.1 串联开关电路（Buck）  16-17
    2.1.2 并联开关电路（Boost）  17-18
    2.1.3 串-并开关电路（buck-Boost）  18-19
  2.2 控制模式  19-23
    2.2.1 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）  19-23
      2.2.1.1 电压模式控制 PWM  19-20
      2.2.1.2 峰值电流模式控制 PWM  20-21
      2.2.1.3 平均电流模式控制 PWM  21
      2.2.1.4 滞环电流模式控制 PWM  21-22
      2.2.1.5 相加模式控制 PWM  22-23
    2.2.2 脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation）  23
    2.2.3 混合调制（Mixed Modulation）  23
    2.2.4 谐振调制(Resonant Converter)  23
  2.3 效率分析  23-27
    2.3.1 静态损耗  24
    2.3.2 开关损耗  24
    2.3.3 导通损耗  24-25
    2.3.4 传输损耗  25
    2.3.5 低功耗设计技术  25-27
第三章子模块设计  27-53
  3.1 振荡器设计  28-30
  3.2 基准源设计  30-37
    3.2.1 带隙基准源基本原理  30-32
    3.2.2 典型带隙基准源电路结构  32-34
    3.2.3 本课题中带隙基准源设计  34-37
  3.3 斜坡补偿原理及电路  37-43
    3.3.1 峰值电流模式次谐波振荡原理分析  37-42
      3.3.1.1 电感电流跳变引起次谐波振荡  38-41
      3.3.1.2 斜坡补偿实现方式  41-42
    3.3.2 本论文中斜坡补偿电路结构  42-43
  3.4 误差放大器  43-44
  3.5 过热保护  44-46
  3.6 过流保护  46-50
  3.7 gate 驱动电路  50-53
第四章系统芯片级仿真  53-60
  4.1 器件参数设置和选取  54-57
    4.1.1 输出电压设置  54
    4.1.2 电感值设定  54-55
    4.1.3 电容值设定  55
    4.1.4 环路补偿参数设定  55-57
  4.2 系统性能参数仿真  57-60
    4.2.1 软启动仿真  57-58
    4.2.2 稳定工作状态仿真  58-59
    4.2.3 负载调整率仿真  59
    4.2.4 效率仿真  59-60
第五章芯片版图设计  60-65
  5.1 工艺概述  60-62
    5.1.1 高压 MOSFET 结构图  60-61
    5.1.2 BJT 结构图  61
    5.1.3 电容和电阻  61-62
  5.2 课题中版图设计  62-65
    5.2.1 带隙基准源版图  62
    5.2.3 振荡器版图  62-63
    5.2.4 本课题芯片整体版图  63-65
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

一种高效率低功耗DC-DC降压转换芯片设计

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