基于Hspice软件的典型PSM与PWM集成电路设计及性能比较

论文摘要

脉冲宽度调制模式——Pulse Width Modulation(PWM)是一种传统而被业界广泛采用的功率集成电路调制模式,它通过调节功率管导通时控制脉冲的占空比来调节输出电压。而跨周期调制模式——Pulse Skip Modulation(PSM)是一种全新的功率集成电路调制模式,它通过控制开关管跨过的周期数来调节输出电压。其中PWM模式纹波比较小,但是轻负载下效率不够高,电压反馈模式时响应速度比较慢;而PSM模式轻负载下效率比较高,响应很快,电路结构简单,但是轻载下输出电压纹波比较大,两种调制方式各有优缺点。本文通过Viewdraw,Hspice等软件设计了一颗典型PWM电源控制芯片和一颗典型PSM控制芯片。将两颗芯片接入Boost变换器主拓扑,并通过Hspice软件模拟仿真来验证典型PWM调制方式与典型PSM调制方式在效率、纹波、响应速度、电路设计难易等方面各自的优缺点,为通过能量模型的分析提供数据验证与支撑。通过分析、对比,借鉴两者的控制思想,在典型PSM控制方式的基础上发展出一种优化PSM控制模式,在保持基本的PSM的优点的同时改善其不足,最后通过Cadence公司的Virtuoso Layout Editor与Dracula软件做出版图并流片、测试。该论文重点阐述了:(1)典型PSM控制芯片的总体结构;(2)误差放大器与振荡器子电路设计及仿真;(3)通过Hspice软件对典型PWM与PSM芯片效率、纹波以及响应速度的比较;(4)基于Virtuoso Layout Editor软件的优化PSM控制芯片的版图设计等。本文的创新点主要在于:(1)误差放大器的频域特性设计,及补偿网络对零极点的调整——从而在保证系统稳定性的同时使误差放大器增益尽可能大,保证系统输出精度;(2)振荡器电路的温度特性补偿——通过带正温度系数的上下限电压产生电路的设计,对振荡器的PTAT电流偏置进行温度补偿,从而使振荡频率随温度的变化减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 PSoC发展现状
• 1.2 PSoC调制技术概述
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 PWM与PSM的基本原理和性能比较
• 2.1 PWM调制方式的基本原理
• 2.2 PSM调制方式的基本原理
• 2.3 典型PWM与典型PSM调制方式的理论比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 通过HSPICE软件设计并仿真比较典型PWM与典型PSM控制芯片
• 3.1 典型PWM控制芯片（PSM301W）设计及仿真
• 3.1.1 PWM控制芯片总体结构
• 3.1.2 Boost主拓扑电感值的确定
• 3.1.3 Boost主拓扑电容值的确定
• 3.1.4 Boost主拓扑环路增益的确定
• 3.1.5 误差放大器（EA）的设计与仿真
• 3.1.6 振荡器模块（OSC）的设计与仿真
• 3.1.7 环形振荡器结构
• 3.1.8 整体电路仿真
• 3.1.9 本节小结
• 3.2 典型PSM控制芯片（PSM301S）设计及仿真
• 3.2.1 PSM控制芯片总体结构
• 3.2.2 Boost主拓扑电感值电容值的确定
• 3.2.3 振荡器占空比的确定
• 3.2.4 数字逻辑（DIGITAL）的设计
• 3.2.5 整体电路仿真
• 3.2.6 本节小结
• 3.3 基于仿真结果对典型PWM与典型PSM调制方式进行性能比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 一种优化的PSM控制芯片设计
• 4.1 优化PSM控制芯片总体设计
• 4.1.1 优化PSM控制芯片总体结构
• 4.1.2 优化PSM控制芯片基本工作原理
• 4.2 版图设计及测试结果
• 4.2.1 优化的PSM控制芯片PSM501版图设计
• 4.2.2 测试结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果