峰值电流控制PWM升压开关电源IC设计

论文摘要

本文分析、设计了一种升压式DC-DC开关电源芯片,它具有转换效率较高、电源工作电压范围比较宽、集成度较高等优点。高集成度、最简片外电路、高效率和低电压是开关电源的发展方向。为了满足各项指标要求,本论文对芯片主电路、控制电路分别进行分析设计,进而确定各个子模块参数并分别对子模块进行设计,最后对整个芯片进行仿真验证。本文对升压式电源变换器进行全面分析,对电感电流连续与断续两种状态详细分析。又通过对控制系统的分析设计,确定本芯片为峰值电流控制的升压式DC-DC芯片。然后根据所有确定的条件对整个芯片系统进行小信号模型建模,得到系统传递函数,更详细地分析了影响控制系统的各种因素,从而对系统稳定性、相应速度等方面进行更好的设计。本文对峰值电流控制PWM升压开关电源电路和系统特性进行了详细地分析,采用了电流反馈模式、固定频率、脉宽调制PWM架构,以获得快瞬态响应和低噪声。1.2MHZ的高开关频率允许使用扁平电感和陶瓷电容,以满足超薄LCD面板的要求。内置的高效MOSFET和IC的数字软启动功能减少了所需要外部元件的数量。利用外部电阻分压网络,输出可以设定在Vin到13V。利用内部自带的脉冲屏蔽模式操作提高了轻负载条件下的效率,从而进一步降低了功耗。典型工作电路工作在低至1.8V的输入电压,能够输出可达300mA的电流。本文设计了一款峰值电流控制PWM升压开关电源控制芯片,该芯片采用0.8μm CMOS工艺实现,集成有高精度基准电压源、振荡器、斜坡补偿功能电路、电流采样电路、误差放大器、数字软启动、PWM逻辑等电路模块。基于该控制芯片搭建的开关电源可以工作在不同的导电模式下,以满足开关电源应用的要求。同时该开关电源具有输出电压纹波小,转换效率高,良好的瞬态响应性能和负载调整能力等特点。HSPICE仿真结果表明:在芯片典型应用条件下,其输出电压纹波小于±1%,转换效率超过85%;当负载电流从100mA跃变到250mA,其动态跌落量为0.8%,恢复时间仅为125μs。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开关电源的发展历程
• 1.2 开关电源的技术发展方向
• 1.3 本文工作的意义及工作简介
• 第二章 开关电源的拓扑和模型
• 2.1 Boost 变换器原理
• 2.2 Boost 变换器电路特性分析
• 2.2.1 Boost 变换器工作在连续导电模式的电路特性
• 2.2.2 Boost 变换器工作在不连续导电模式的电路特性
• 2.2.3 连续导电模式与不连续导电模式的临界条件
• 2.3 开关电源的调制方式
• 2.4 开关电源的控制技术
• 2.4.1 电压型控制
• 2.4.2 电流型控制
• 第三章 峰值电流控制PWM 升压开关电源系统分析
• 3.1 峰值电流控制PWM 升压开关电源系统的基本原理
• 3.2 峰值电流控制PWM 升压开关电源系统的开环不稳定性
• 3.3 峰值电流控制器系统建模
• 3.3.1 理想状态下等效电路和控制函数的推理[26]
• 3.3.2 电压环路（open-loop）控制函数的推理
• 3.3.3 电流环的精确模型
• 3.3.4 系统设计及其仿真
• 第四章 BOOST DC-DC 芯片设计
• 4.1 控制芯片整体电路设计
• 4.2 基准电压源
• 4.2.1 电路设计
• 4.2.2 仿真结果
• 4.3 低压线性稳压器
• 4.3.1 电路设计
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 振荡器
• 4.4.1 电路设计
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 斜坡补偿模块
• 4.5.1 电路设计
• 4.5.2 仿真结果
• 4.6 电流采样电路
• 4.6.1 电路设计
• 4.6.2 仿真结果
• 4.7 软启动
• 4.7.1 电路设计
• 4.7.2 仿真结果
• 4.8 系统的低功耗分析与设计
• 4.8.1 电路设计上的考虑
• 4.8.2 仿真结果
• 第五章 整体电路仿真
• 5.1 连续导电模式和不连续导电模式仿真
• 5.2 启动过程仿真
• 5.3 重负载PWM 仿真
• 5.4 轻负载的跳频模式
• 5.5 瞬态响应性能仿真
• 5.6 转换效率仿真
• 5.7 封装和测试
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果