一种单电感双输出降压型直流—直流变换器的设计

论文摘要

随着消费类电子产品特别是便携式设备的小型化发展,高密度的系统布局已经成为一种需要。尽可能减少片外元器件的数目也成为芯片设计所追求的目标之一。在提高便携式设备电池使用时间的技术上,高效率的DC-DC转换一直扮演着十分重要的角色。大体积的功率电感一直占据着DC-DC变换器大部分的PCB空间,至少在现阶段还很难进行片内集成,利单个电感实现双路或者多路输出变得十分有吸引力。本文所设计和研究的就是利用单个片外电感实现双路输出的降压型DC-DC变换器。本文首先从传统的单输出变换器入手,介绍了DC-DC变换器的基本研究方法——状态空间平均法以及一些基本概念,并且分析了电压控制型变换器和电流控制型变换器系统和电路设计所需要注意的问题。接下来在比较了双输出和单输出结构的异同的基础上首先对双输出结构进行了建模和系统分析,找到一种合适的控制方法,通过对控制时序的优化,在前人的研究成果基础上进一步减少了开关功率管的数目,节省了芯片面积,并且降低了输出纹波。接着利用TSMC2.5V/5V 0.25μm CMOS工艺进行了电路设计。在电路实现方面,对某些功能模块进行了优化和创新,例如电流检测单元。最后通过流片测试,实现了预期的功能,验证了设计的可行性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.1.1 开关电源概述
• 1.1.2 电源管理芯片的市场前景
• 1.1.3 电感型DC-DC变换器，线性变换器和电荷泵
• 1.1.4 单电感多输出型DC-DC变换器
• 1.2 论文的组织结构和主要工作
• 第二章 DC-DC变换器基础
• 2.1 功率级电路拓扑
• 2.2 状态空间平均法
• 2.3 反馈控制
• 2.3.1 电压控制模式
• 2.3.2 电流控制模式
• 第三章 双输出结构系统分析
• 3.1 静态特性
• 3.1.1 控制时序
• 3.1.2 静态纹波
• 3.2 动态特性
• 3.2.1 小信号模型
• 3.2.2 反馈控制
• 3.2.3 模型仿真
• 第四章 电路设计
• 4.1 系统指标
• 4.2 模块框图
• 4.3 时钟发生器
• 4.4 误差放大器
• 4.5 比较器
• 4.6 电流检测电路
• 4.7 软启动
• 4.8 功率管和驱动电路
• 4.9 非连续导通模式（DCM）
• 4.10 负载响应仿真结果
• 第五章 芯片测试
• 5.1 版图与封装
• 5.2 测试电路
• 5.3 片外元件
• 5.3.1 电感
• 5.3.2 电容
• 5.4 测试结果
• 5.4.1 软启动和直流输出电压
• 5.4.2 时序
• 5.4.3 输出纹波
• 5.4.4 DCM
• 5.4.5 负载响应
• 5.4.6 转换效率
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢