电流模式开关电源中振荡器的研究与设计

论文摘要

随着电子产品的普及和对节能要求的不断提高,电源管理芯片的应用日益广泛。高性能、高效率、小体积、低功耗、低成本的开关电源成为其发展趋势,而振荡器作为PWM控制系统中一个不可或缺的模块,其输出时钟信号的频率决定着开关电源的开关频率。本文在分析和比较现有开关电源调制模式和控制方式的基础上,设计了一种应用于混合调制电流控制模式开关电源的振荡器。该振荡器结构简单,频率稳定,在典型条件下能够提供中心频率为750kHz的低脉冲信号,同时通过对振荡电路中斜坡源的引用,能够产生消除电流控制模式开关电源中占空比大于50%时出现开环不稳定等缺点所需要的斜坡补偿信号,通过整形电路和使能信号的控制能够得到振荡器可同步的频率范围。论文研究了振荡器的基本组成单元和工作原理,在总结两种片内常用振荡器的优缺点和分析传统弛张振荡器工作过程的基础上,结合论文的设计要求,提出了本文所设计的振荡器结构。由恒流源充放电环路和RC充放电环路组成结构简单的双环路振荡产生电路。为了得到稳定的时钟输出信号,通过自偏置结构产生受电源电压影响较小的充电电流,同时在恒流源产生电路中采用电阻补偿技术以减小充电电流的相对温度系数。通过对电流模式中的系统不稳定问题的分析,得出补偿信号的斜率大小,斜坡补偿信号产生电路通过对振荡产生电路中斜坡源的引用以及斜率的调整得到系统所需要的斜坡补偿信号。结合本文所设计的振荡产生电路,通过使能信号和整形电路参数的设定,控制振荡器的可同步范围在500kHz到1000kHz之间。设计基于UMC 0.6μm BiCMOS工艺,利用HSPICE仿真软件对振荡器电路在电源电压、温度变化以及工艺漂移的条件下进行了仿真验证,结果表明:该振荡器能够实现设计所要求的功能,同时输出时钟信号频率在以上三种条件变化组合下,其变化范围为-12.2%～9.88%,能够满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 项目研制的背景和选题的意义
• 1.3 开关电源中振荡器的研究现状
• 1.4 论文主要研究内容及结构安排
• 第2章 振荡器概述
• 2.1 振荡器的分类
• 2.2 振荡器的组成及原理
• 2.3 常用的片内振荡器
• 2.3.1 环形振荡器
• 2.3.2 多谐振荡器
• 第3章 振荡器的设计
• 3.1 电路设计指标
• 3.2 电路设计思路
• 3.3 子电路的设计
• 3.3.1 振荡产生电路设计
• 3.3.2 恒流源产生电路设计
• 3.3.3 斜坡补偿信号产生电路设计
• 3.4 振荡器同步方式的控制与设计
• 3.4.1 控制方式的设计
• 3.4.2 整形电路的设计
• 第4章 振荡器的仿真与分析
• 4.1 振荡器输出功能仿真
• 4.2 振荡器输出稳定性仿真
• 4.2.1 频率稳定性仿真
• 4.2.2 占空比稳定性仿真
• 4.3 基准电流源性能仿真
• 4.4 斜坡补偿信号的仿真
• 4.4.1 斜坡补偿信号功能的仿真验证
• 4.4.2 斜坡补偿信号稳定性的仿真
• 4.5 振荡器外同步仿真
• 4.5.1 外同步功能的仿真验证
• 4.5.2 振荡器外同步频率稳定性仿真
• 4.5.3 振荡器外同步占空比稳定性仿真
• 4.6 振荡器功耗的分析与仿真
• 4.7 与同类文章的比较
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文