绿色PWM开关电源控制芯片的设计

论文摘要

随着电子技术的飞速发展,各式各样的电子产品逐渐普及生活的每个角落;同时伴随着人们环保意识的增强,全球逐渐掀起的以欧盟为首的能源革命,电子产品使用的电源朝着体积小、重量轻、能源转换率高、待机功耗小、及性价比高等方向发展。本文基于1μm CMOS工艺,利用Cadence EDA设计工具,在充分分析开关电源技术原理的基础上,设计了一款高性能、低功耗脉宽调制开关电源控制芯片。本芯片摒弃了目前市场上脉宽调制（PWM）控制芯片中通常所采用的误差放大器结构,采用一种简洁的电路结构检测输出电压,有效的去除了因误差放大器精度不高对PWM控制芯片性能的影响,并减小了芯片面积,降低了成本。为了降低待机功耗,本芯片设计了绿色模式控制电路,其在空载或轻载时,可以通过增大转换器的关断时间,以此降低开关频率。为了更好的保护外部MOSFET功率管,栅极驱动输入电压被钳位。同时,本芯片还具有过流、过温、过载、过压、欠压等保护功能,当电路发生异常时,关断整个电路。通过H-spice仿真工具对各个模块电路以及整体电路都进行了仿真验证,结果表明该集成电路工作稳定,各项指标都达到了设计要求。本文利用Cadence下版图设计工具Virtuoso和验证工具Dracula进行了版图设计和验证,并进行了电路与版图的LVS对比验证.最后对流片样品进行了测试,给出了测试与分析结果。芯片正常工作温度为-20℃～140℃,工作频率为65kHz,绿色模式的工作频率为22kHz。在电池充电器、适配器、机顶盒电源、开放式电源等电子设备中具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 开关电源简介
• 1.2 开关电源的发展方向
• 1.3 控制芯片在开关电源中的应用
• 1.4 本文所做工作
• 2 开关电源理论基础
• 2.1 开关电源系统基本构架
• 2.2 电流模式脉宽调制型开关电源的基本原理
• 2.2.1 反激式变换电路
• 2.2.2 脉冲宽度调制方式
• 2.2.3 电流控制模式
• 2.3 芯片整体电路结构设计
• 2.3.1 芯片引脚说明
• 2.3.2 本文设计的各功能模块
• 3 模块电路的设计与仿真
• 3.1 基准源模块
• 3.1.1 基准电压电路
• 3.1.2 基准电流电路
• 3.2 主回路控制模块
• 3.2.1 PWM比较器电路
• 3.2.2 锯齿波振荡电路
• 3.2.3 斜坡补偿电路
• 3.2.4 逻辑控制电路
• 3.2.5 驱动控制电路
• 3.3 电源管理模块
• 3.3.1 系统上电、电压调节和欠压保护
• 3.3.2 电压钳位电路
• 3.4 绿色模式控制模块
• 3.5 保护模块
• 3.5.1 过热保护
• 3.5.2 过载保护
• 3.5.3 过流保护
• 4 整体电路仿真与结果分析
• 4.1 工作电流的仿真
• 4.1.1 启动电流的仿真
• 4.1.2 瞬态电流的仿真
• 4.2 正常工作状态的仿真与分析
• 4.3 绿色工作模式的仿真与分析
• 4.4 芯片仿真性能参数总结
• 5 版图设计与验证
• 5.1 设计规则
• 5.2 版图布局
• 5.2.1 MOS管的匹配考虑
• 5.2.2 电阻的匹配考虑
• 5.3 DRC、LVS验证
• 6 芯片测试
• 6.1 目标芯片及开发板
• 6.2 测试结果
• 6.2.1 系统整体功能的测试
• 6.2.2 绿色模式功能的测试
• 6.3 芯片测试性能参数总结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 整体电路图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢