应用于便携式电池供电系统的DC-DC降压变换器的研究与设计

论文摘要

随着消费类电子、通信和计算机技术的不断发展,电源管理的重要性日益明显。单片开关电源SMPS（Switch Mode Power Supply）以其低损耗、高效率及电路简洁等显著优点而受到人们青睐,并广泛应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备及家用电器产品中。电子设备的小型和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。本论文基于SMIC CMOS 0.13um工艺,使用Cadence EDA中的Composer包及Spectre仿真工具,设计了一款Buck型DC-DC单片开关电源管理芯片,电路采用电流模式PWM控制,输入电压范围为2.4V～4.2V,典型开关频率为1MHz,,典型输出电压为1.2V,功率转换效率可达85%以上。该款芯片特别适用于电池供电的便携式设备,只需要外接很少、很小的外部器件,就可以构建完整的电源解决方案。文中首先分析了Buck型变换器的拓扑结构及电流模式PWM控制的工作原理,然后根据设计指标完成了开关电源变换器整体结构的设计,同时结合实际应用电路阐述了其工作原理。论文第四章对芯片内各个子模块进行了设计与仿真,其中包括带隙基准电压源、运算跨导误差放大器、振荡器、迟滞比较器、死区控制及温度保护等,各功能模块均达到相应指标,由此构成的系统亦已通过仿真验证。最后完成了芯片的总体版图规划与设计。在设计电路过程中,系统的静态功耗和稳定性是重点也是难点,测试结果表明对这些问题的解决是成功的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 半导体功率器件研究推动开关电源发展
• 1.2.2 开关变换器理论分析方法的突破
• 1.2.3 集成电路技术的飞速发展
• 1.3 论文的主要内容和组织结构
• 1.4 本章小结
• 第2章 开关电源系统
• 2.1 概述
• 2.2 开关电源系统的结构
• 2.3 开关电源变换器原理
• 2.4 Buck型开关电源稳态分析
• 2.4.1 连续工作模式（CCM）
• 2.4.2 非连续工作模式（DCM）
• C'>2.5 临界电感L_C
• 2.6 本章小结
• 第3章 开关电源变换器的控制原理
• 3.1 开关电源控制方式
• 3.2 PWM开关电源的基本原理
• 3.2.1 PWM基本原理
• 3.2.2 电压型PWM控制
• 3.2.3 电流型PWM控制
• 3.3 斜坡补偿
• 3.4 同步整流技术
• 3.5 本章小结
• 第4章 开关电源芯片的设计
• 4.1 芯片简介
• 4.1.1 芯片的总体构思
• 4.1.2 工作原理
• 4.1.3 设计指标
• 4.2 电压基准源（Bandgap Voltage Reference）
• 4.2.1 高性能基准电压源的原理
• 4.2.2 正温度系数电压
• 4.2.3 负温度系数电压
• 4.2.4 带隙基准电压源
• 4.2.5 电路分析
• 4.2.6 基准电压源的仿真
• 4.3 电压调节器（Regulator）
• 4.3.1 电压调节器的原理
• 4.3.2 电压调节器中运算放大器的设计
• 4.3.3 电压调节器的实现与仿真
• 4.4 电压误差放大器（OTA）和补偿网络
• 4.4.1 电路分析
• 4.4.2 电路仿真
• 4.4.3 补偿网络
• 4.5 迟滞比较器
• 4.5.1 电路分析
• 4.5.2 电路仿真
• 4.6 振荡器和斜坡信号
• 4.6.1 电路分析
• 4.6.2 电路仿真
• 4.7 驱动电路
• 4.8 过温保护
• 4.8.1 电路分析
• 4.8.2 电路仿真
• 4.9 本章小结
• 第5章 联合仿真
• 5.1 芯片版图
• 5.2 芯片整体测试电路
• 5.3 芯片的整体仿真
• 5.3.1 启动过程
• 5.3.2 纹波电压
• 5.3.3 电路的稳定性
• 5.3.4 效率仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间作者参加科研与发表论文情况
• 在学期间参加科研项目
• 在学期间发表的学术论文
• 致谢