一种高效率电流模开关电源的研究与设计

论文摘要

随着消费电子产业的蓬勃发展,作为电源和电子系统的接口,DC-DC转换器在各种电子产品里都得到了广泛的应用,特别是应用在便携式电子产品中,在如何实现系统性能和功耗的折衷方面上,DC-DC转换器更是起了关键的作用。随着集成电路技术的发展,性能良好的峰值电流模PWM DC-DC转换器已经成为市场的主流。同时由于电子产品对于持续工作的要求进一步提升,如何做到电源的高效率已经成为开发电源芯片的一个重点,这也是本论文所要深入研究的方向。本论文设计了一种升压型DC-DC电源管理芯片。芯片采用电流模PWM控制,正常的工作频率为200kHz,输入电压1.1V3.2V,能够在0.8V时启动,正常工作下转换效率到达90%以上,文章首先介绍了DC-DC转换器的工作原理和基本设计要求,深入系统地分析了峰值电流模PWM DC-DC,与电压模PWM DC-DC相比较存在的优缺点,然后从建立系统模型入手,介绍系统工作原理,着重分析了系统的稳定性以及斜波补偿的作用,并且设计完成了整个系统的控制环路等系统模块,接着从转换芯片中主要的损耗方面进行分析,提出了一些提高效率的改进手段。特别是其中改进的电流检测方案,能够在很低的功耗下准确的检测出电感电流,具有一定的创新性。电路设计中利用Cadence下的spectre对设计方案进行了模拟仿真。在完成系统模块设计之后,利用这些模块搭建成整个系统,系统模拟仿真表明,系统能够稳定工作,并且满足系统设计指标。低压下启动工作,在效率上比起传统的芯片有了很大的提高,满足了对于高效率升压型电源管理芯片的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电源管理芯片简介
• 1.2 电源管理芯片的发展
• 1.3 电源管理芯片的国内外动态
• 1.4 本论文主要研究内容及结构安排
• 第二章 开关电源的原理介绍
• 2.1 开关电源变换器的基本原理和拓扑结构
• 2.1.1 Buck变换器（降压变换器）
• 2.1.2 Boost变换器（升压变换器）
• 2.1.3 Buck-Boost变换器
• 2.1.4 ?uk变换器（Boost-Buck变换器）
• 2.2 控制方法
• 2.2.1 PWM控制
• 2.2.2 PFM控制
• 2.2.3 PFM和PWM混合控制
• 2.3 环路反馈模式
• 2.3.1 电压模控制
• 2.3.2 峰值电流模控制PWM
• 2.3.3 其他控制模式
• 第三章 峰值电流模PWM DC-DC的系统设计
• 3.1 系统建模分析
• 3.1.1 功率级建模
• 3.1.2 控制级建模
• 3.2 电流环路稳定性分析
• 3.2.1 无补偿斜波下的稳定性
• 3.2.2 斜波补偿的作用
• 第四章 电路模块的分析与设计
• 4.1 电流检测
• 4.1.1 传统的电流检测方法以及缺点
• 4.1.2 几种改进电流检测的方法
• 4.1.3 仿真结果
• 4.2 同步整流
• 4.2.1 同步整流的电路结构
• 4.2.2 同步整流管的导通电阻
• 4.2.3 同步整流与二极管整流的比较
• 4.3 零电流检测
• 4.4 抗振铃电路
• 4.5 电压基准
• 4.5.1 带隙基准的基本原理
• 4.5.2 Boost芯片中的带隙基准及其特点
• 4.5.3 带隙基准的核心电路
• 4.5.4 仿真结果
• 4.6 振荡器
• 4.7 比较器
• 4.7.1 PWM调制器
• 4.7.2 零电流检测比较器
• 4.8 斜波补偿
• 第五章 整体电路仿真
• 5.1 整体电路仿真
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢