低压PWM直流开关变换器芯片设计

论文摘要

随着电子器件的微型化，移动电话、数码相机等电池供电的便携式设备层出不穷，但单一的电压不能满足设备中器件不同电压的要求。作为一种电压转换芯片，开关电源芯片设计具有重要意义。本文在分析了开关电源的结构、调制方式、拓扑结构以及控制模式的基础上，确立了脉宽调制(PWM)方式，Boost升压结构，电流控制模式。设计了一款脉宽调制电流控制型的直流升压变换器芯片，完成了偏置电流、基准电压源、振荡器、误差放大器、PWM比较器、斜坡补偿电路以及软启动等功能模块设计。基准电压源采用带隙基准技术实现很小温度系数基准电压，采用共源共栅结构实现基准电压对电源的电压的抑制，保证基准电压稳定性。在系统中所有相关的运算放大器的设计中，采用了频率补偿技术解决系统稳定性的问题。为了防止电感谐波对电路的稳定性影响，设计了斜坡补偿电路来消除这一影响。在系统级和电路级的分析和设计中，使用Hspice工具对主要模块和整个系统进行了仿真，使设计最终满足要求。在芯片的后端设计中，采用插指技术和共质心对称技术对工艺比较敏感的电路模块进行精心布局布线，减少失配。版图设计完成后，使用Dracula软件对版图进行设计规则与电气规则的检查，在完成了版图与电路图对照之后芯片投片生产。本文设计的低压直流开关变换器芯片采用无锡上华的0.5μm，N阱DPTM的标准CMOS工艺制造。最后测试了流片后的芯片，结果表明，PWM芯片的基本升压功能和其它辅助功能都已经实现，输入电压范围大(2.2V～5V)，输出5V电压稳定。但芯片的性能与预期水平相比还有差距，论文对其原因进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 开关电源和开关变换器
• 1.2 开关电源技术的发展方向和趋势
• 1.3 本文的主要工作和论文结构
• 1.4 本文设计的工作环境
• 2 开关电源的分类与分析
• 2.1 开关电源的调制方式
• 2.1.1 PWM调制方式
• 2.1.2 PFM调制方式
• 2.1.3 PSM调制方式
• 2.2 开关电源电路的拓扑结构
• 2.2.1 Buck变换器
• 2.2.2 Boost变换器
• 2.2.3 Buck-Boost变换器
• 2.2.4 Cuk变换器
• 2.3 开关电源控制模式
• 2.3.1 电压控制模式
• 2.3.2 电流控制模式
• 2.4 开关电源的稳定性
• 3 PWM开关变换器电路的设计
• 3.1 开关变换器的原理
• 3.1.1 系统原理及工作过程
• 3.1.2 功能模块描述
• 3.2 开关变换器工作过程
• 3.3 偏置电路
• 3.3.1 偏置电路设计
• 3.3.2 偏置电压仿真
• 3.4 基准电压源
• 3.4.1 基准电压源原理
• 3.4.2 基准电压源电路
• 3.4.3 基准电压源仿真
• 3.5 电压调节器
• 3.5.1 电压调节器原理
• 3.5.2 电压调节器电路
• 3.5.3 电压调节器仿真
• 3.6 振荡器
• 3.6.1 电路及工作原理
• 3.6.2 振荡器仿真
• 3.7 软启动电路
• 3.8 数字逻辑及驱动
• 3.9 电压误差放大器
• 3.9.1 电压误差放大器原理
• 3.9.2 电压误差放大器仿真
• 3.10 斜坡补偿电路
• 3.10.1 斜坡补偿原理及设计问题
• 3.10.2 斜坡发生器电路的设计与实现
• 3.11 完整电路模拟
• 4 版图设计与芯片测试分析
• 4.1 CMOS工艺技术
• 4.1.1 芯片工艺
• 4.1.2 光刻
• 4.1.3 氧化
• 4.2 版图设计
• 4.2.1 版图设计工具及流程
• 4.2.2 芯片版图设计
• 4.2.3 芯片版图验证
• 4.3 芯片测试
• 4.3.1 测试与结果分析
• 4.3.2 存在的不足与完善
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢