高效率、多模式、可编程输出直流电压转换器芯片设计与实现

论文摘要

近年来,消费电子市场对手机、MP3等基于电池运行的各种便携式电子设备表现出强劲的需求。为了提高电能转换效率、增加系统的工作时间、延长电池的使用寿命,在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设备的尺寸、重量和成本,需要使电源模块具有小型化、低成本、高集成度等性能。本文研究和设计了基于混合信号硅基互补金属氧化物（Complementary Metal-oxide Silicon,CMOS）工艺的,便携式电子设备用高效率、多模式、可编程输出直流电压转换器芯片。本学位论文提出了一种具有800mA输出电流,脉宽调制（PWM）和变频调制（PFM）双模式控制,输出电压可编程的高效率降压DC-DC转换器。该种转换器在负载电流较大时采用功率频率为1MHz的PWM工作模式;在负载电流较小时采用频率减少和静态电流降低的PFM工作模式,实现了在整个负载电流变化范围内转换器均保持高转换效率。该转换器芯片已经采用CSMC0.5μmCMOS混合信号工艺物理实现。实验结果表明该转换器可根据负载的变化在PWM和PFM模式下自动切换并具有良好的负载和线性调节能力。最大转换效率达96.5%;当负载电流为0.02mA时,转换效率大于55%。本文所提出的芯片适合电池供电的便携式系统使用。本文第一章讨论了论文的研究背景,电源管理芯片的发展、现状和趋势,最后对论文中的创新点给出了介绍。第二章分析DC-DC转换器的拓扑结构、控制模式,然后对系统的稳定性和频率补偿做了分析,接着分析了开关电源芯片的效率和功耗,介绍了低功耗设计的方法,最后介绍了系统主电路的设计和片外元件的选择。第三章介绍了PWM/PFM双模式控制原理图,并给出了主要功能模块电路的设计和实现。第四章给出了系统电路的仿真和测试。第五章是本文的总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 电源管理芯片的发展、现状与趋势
• 1.2.1 电源管理芯片的发展
• 1.2.2 电源管理芯片的现状
• 1.2.3 电源管理芯片的发展趋势
• 1.3 论文的工作与结构
• 1.4 论文的主要创新
• 第2章 DC-DC转换器的系统分析
• 2.1 拓扑分析
• 2.2 控制模式
• 2.2.1 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）
• 2.2.2 脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）
• 2.2.3 谐振调制（Resonant Converter）
• 2.3 PWM控制环路的稳定性分析
• 2.3.1 小信号模型和理论分析
• 2.3.2 环路补偿
• 2.4 效率与功耗分析
• 2.4.1 损耗功率的来源
• 2.4.2 转换效率分析
• 2.4.3 低功耗设计方法
• 2.5 系统主电路的分析与设计
• 2.5.1 功率管的设计
• 2.5.2 片外滤波器的设计
• 2.5.3 可编程输出电压的实现
• 第3章 DC-DC转换器系统的实现
• 3.1 DC-DC转换器系统电路的设计
• 3.1.1 模式转换的设计
• 3.1.2 PWM控制环路设计
• 3.1.3 PFM控制环路设计
• 3.2 软启动电路的设计
• 3.2.1 数字软启动电路的设计
• 3.2.2 电流限制电路的设计
• 3.3 高速比较器电路的设计
• 3.4 电流检测电路的设计
• 3.4.1 零电流检测电路的设计
• 3.4.2 峰值电流检测电路的设计
• 3.5 其他电路的设计
• 3.5.1 误差放大器电路的设计
• 3.5.2 时钟电路的设计
• 3.5.3 UVLO和输入电压前馈电路的设计
• 3.5.4 基准电路的设计
• 3.5.5 温度保护电路的设计
• 3.6 系统版图的设计
• 第4章 系统仿真与测试
• 4.1 仿真与测试环境
• 4.2 仿真结果
• 4.2.1 系统的软启动过程
• 4.2.2 系统稳态仿真
• 4.2.3 负载调整和模式切换特性
• 4.2.4 线性调节特性
• 4.2.5 系统的电流特性
• 4.2.6 转换效率
• 4.3 测试结果
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文研究工作的总结
• 5.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 在研期间科研成果
• 致谢