基于PWM控制模式的电流型DC-DC降压转换器的研究

论文摘要

近些年内,随着以手机为代表的便携式电子产品市场急剧扩张,与其对应的电源管理芯片的需求也日益增加。因此,高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素。直流-直流脉宽调制（PWM）开关电源芯片具有效率高的特点,非常适合应用于各种电池供电的便携式数字设备。本文首先研究了电源管理中主要的拓扑结构,并对不同的拓扑结构以及不同控制模式的转换器做出了分析和比较,确定采用基于PWM控制模式的电流型转换器。然后进一步研究了降压型、PWM控制模式的电流型转换器的主要工作原理。DC-DC转换芯片的三大特点:电流模式、PWM调制及同步整流都给芯片带来性能上的提升。本文分别对三个特点对应的工作原理进行了分析。根据PWM开关电源的原理和特点,合理地设计了各个子电路,其中包括:带隙基准源、误差放大器、振荡器、PWM比较器、峰值电流采样电路以及PWM锁存器、故障逻辑和软启动电路、死区时间控制等。根据每个子电路的特殊需求设计了其晶体管级电路,详细地分析了它们的功能如何实现,然后采用Cadence的Spectre仿真器进行了模拟和仿真,并给出了相应的模拟曲线。最后给出了整个系统的仿真结果,这些仿真结果验证了芯片设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 开关电源的概念
• 1.2 开关电源的特点
• 1.3 开关电源的应用
• 1.4 开关电源的发展动向
• 1.5 开关电源的现状
• 1.5.1 国际开关电源现状
• 1.5.2 国内开关电源现状
• 1.6 论文的主要工作和结构
• 第二章 开关电源基础
• 2.1 变压器类型
• 2.1.1 降压型（buck）转换器
• 2.1.2 升压（boost）转换器
• 2.1.3 反向变（invert）转换器
• 2.2 开关电源调制方式
• 2.2.1 脉频调制（PFM）
• 2.2.2 脉宽调制（PWM）
• 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 本章小结
• 第三章 降压型PWM 开关电源分析
• 3.1 降压型开关电源的基本工作原理
• 3.1.1 连续电流模式（CCM）
• 3.1.2 非连续电流模式（DCM）
• 3.2 同步整流
• 3.3 同步降压型PWM 开关电源分析
• 3.4 开环不稳定性分析及斜坡补偿
• 3.4.1 开环不稳定性分析
• 3.4.2 斜坡补偿
• 3.5 外围无源器件参数确定
• 3.6 效率分析
• 3.6.1 导通损耗
• 3.6.2 频率相关损耗
• 3.7 大信号特性分析
• 3.7.1 启动
• 3.7.2 电源电压变化
• 3.7.3 负载跃变
• 3.8 本章小结
• 第四章 主要模块电路设计
• 4.1 运算放大器
• 4.2 带隙基准
• 4.3 比较器
• 4.3.1 一般比较器的设计
• 4.3.2 PWM 高速比较器
• 4.4 采样电路
• 4.4.1 传统电流采样电路
• 4.4.2 新型采样电路
• 4.4.3 上升沿隐匿电路
• 4.4.4 仿真结果和讨论
• 4.5 振荡器电路
• 4.6 PWM 锁存器
• 4.7 故障逻辑和软启动电路
• 4.8 死区时间控制电路
• 4.9 驱动级电路的设计
• 4.10 本章小结
• 第五章 系统仿真和版图设计
• 5.1 系统仿真
• 5.2 版图设计
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果