一款高效率电流型PWM升压变换器的研制

论文摘要

随着汽车电子、通信电子、消费电子等电子产品的不断发展,电源管理芯片成为现代电子设备中不可缺少的一部分,尤其体现在电池供电的便携式设备中。论文基于标准CMOS工艺,使用Hspice仿真工具,设计了一款电流型PWM电源管理芯片。其内容包括芯片电路的设计、仿真和优化,芯片版图的设计和验证,最终流片,并验证了所设计电路的正确性。文中首先分析了开关电源的发展现状和趋势,并在阐述开关电源控制系统的基础上,提出了所要设计的这款高效率电流型PWM升压变换器,其设计指标为:输入电压范围为3V～5V,输出电压为稳定5V,工作频率为170KHz,基准电压为1.23V,典型系统效率大于90%,输出纹波电压小于1%。其次,介绍了该芯片的基本电路结构,包括放大器电路、带隙基准电路、比较器电路、控制和驱动电路、斜坡补偿电路、偏置电路以及振荡器电路等,并使用Hspice对各个电路模块进行了设计和仿真,仿真结果满足设计要求。并在不同输入电压和带载条件下对整体芯片功能和性能进行了仿真测试,设计的变换器能够正常工作,并且性能良好,输出电压纹波小于0.05%,典型应用条件下系统转换效率高达92.33%。接着,介绍了模拟版图设计的相关注意事项。文中使用插指技术和对称技术进行电路各模块精确布局、减少失配,对敏感电路进行隔离,采用无锡上华0.5μm N阱DPTM的标准CMOS工艺完成了整体版图的设计,并进行了版图后续的DRC和LVS验证。最后,文中所设计的芯片被送到无锡上华进行了代工制造。芯片的测试结果表明,所设计的电流型PWM升压电源管理芯片的性能达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 开关电源的种类
• 1.2 开关电源技术的发展趋势
• 1.3 设计指标设定
• 1.4 本文的主要工作和论文结构
• 1.5 本文设计的工作环境
• 2 开关电源的分类及芯片结构分析
• 2.1 开关电源的电路拓扑结构
• 2.1.1 Buck变换器
• 2.1.2 Boost变换器
• 2.1.3 Buck-Boost变换器
• 2.1.4 Cuk变换器
• 2.2 开关电源的控制方式
• 2.2.1 PWM控制方式
• 2.2.2 PFM控制方式
• 2.2.3 PSM控制方式
• 2.3 开关电源控制模式
• 2.3.1 电压型控制模式
• 2.3.2 电流控制模式
• 2.4 芯片的基本原理
• 2.5 电路的组成模块及其功能
• 2.6 芯片引脚及封装设计
• 3 模块电路设计及仿真
• 3.1 电压基准电路
• 3.1.1 带隙基准的基本原理
• 3.1.2 带隙基准电压源电路
• 3.1.3 模拟仿真结果
• 3.2 偏置电路
• 3.2.1 偏置电路基本原理
• 3.2.2 偏置电路
• 3.3 放大器电路
• 3.3.1 误差放大器
• 3.3.2 电流回路放大器
• 3.4 斜坡补偿电路
• 3.4.1 斜坡补偿的基本原理
• 3.4.2 斜坡补偿电路
• 3.5 振荡器电路
• 3.6 PWM比较器电路
• 3.7 控制与驱动电路
• 3.7.1 控制模块
• 3.7.2 驱动模块
• 4 芯片的整体仿真与版图设计
• 4.1 芯片的典型应用
• 4.2 外部元件选择
• 4.2.1 输出电感
• 4.2.2 输出滤波电容
• 4.2.3 二极管的选择
• 4.3 电路的整体仿真
• 4.4 版图设计的一般规则
• 4.5 整体版图布局设计
• 4.6 电路的版图设计
• 4.6.1 带隙基准电路的版图设计
• 4.6.2 整体电路的版图设计
• 5 芯片测试
• 5.1 流片后芯片的光学检查
• 5.2 芯片封装图及引脚说明
• 5.3 芯片测试与分析
• 5.3.1 测试结果
• 5.3.2 测试小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢