多模式，高效率的DC-DC转换芯片的研究与设计

论文摘要

随着消费类电子产品的功能增多,性能进一步优化,对电源芯片的要求也进一步提高,要求效率更高,体积更小,输出电压更低,性能更稳定。相对其他电压转换技术,开关式的DC-DC电压转换芯片技术更能满足以上的要求。本论文比较分析了多种DC-DC变换器,以及各种控制方式的优缺点,最后选择采用Buck降压电路实现,并采用电压模式的PWM控制方式,以提高输出的精度和动态特性。并且辅以一种基于峰值电流和迟滞电压控制的PFM控制模式,以满足在小电流负载的情况下对高效率的要求。电路在负载电流较大（约＞80 mA）,电感电流连续时,采用开关频率1MHz的电压型PWM控制工作模式,在负载电流较小（约＜80 mA）,电感电流不连续时采用PFM工作模式。本次设计芯片输入电压范围是2.5V-5.5V,输出电压范围是1.5V-Vin,实现了在0～750 mA的负载电流变化范围内的高转换效率。本次课题设计采用同步整流技术,降低了变换器的整流损耗,提高了系统的效率;提出一种独特的前馈电路,使得系统的线性调节性能得到优化,同时使系统的响应更快速;根据设计目标,对电路的元件参数进行优化设计,以满足系统的低功耗要求;设计一种数字软启动电路,避免启动过程中出现的浪涌现象;高PSRR,低温度系数的电压和电流基准电路的设计,保证了系统中的其他电路的性能;设计了一种合理的补偿电路,解决了电压控制模式中稳定性难的设计问题。芯片采用CSMC公司的0.5pm CMOS混合信号模型设计和流片。仿真和测试结果表明该电路可实现PWM和PFM模式供电以及两种模式之间的平稳过渡,保证了系统在较宽的电流负载范围内都具有很高的效率,同时具有较好的负载和线性调节能力。输出电压的误差小于±2%,最大静态工作电流约17μA,最大转换效率达95.6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 DC-DC转换器的研究背景
• 1.2 本课题研究意义和目的
• 1.3 本课题研究的内容
• 第二章 DC-DC转换器的基本原理
• 2.1 DC-DC变换器的实现方式介绍与比较
• 2.2 DC-DC转换器的基本类型
• 2.2.1 Buck转换器
• 2.2.2 Boost转换器
• 2.2.3 Buck-Boost转换器
• 2.3 DC-DC转换器的调制方式
• 2.3.1 脉冲宽度调制（PWM）
• 2.3.2 脉冲频率调制（PFM）
• 2.3.3 谐振调制
• 2.4 DC-DC转换器的控制环路
• 2.4.1 电压型PWM控制
• 2.4.2 峰值电流型PWM控制
• 2.4.3 平均电流型PWM控制
• 2.4.4 迟滞电压型PFM控制
• 第三章 DC-DC转换器的系统研究和设计
• 3.1 DC-DC转换器的系统功能描述
• 3.1.1 系统功能描述
• 3.1.2 典型应用和引脚描述
• 3.2 DC-DC转换器的系统结构和基本原理
• 3.2.1 系统结构
• 3.2.2 系统基本原理
• 3.3 PWM环路的稳定性分析
• 3.3.1 小信号模型和理论分析
• 3.3.2 电压型PWM环路的频率补偿
• 3.4 PWM环路的前馈分析
• 3.4.1 PWM环路的大信号分析
• 3.4.2 PWM环路的小信号分析
• 3.5 PFM环路分析
• 3.6 DC-DC转换器的效率考虑
• 3.7 DC-DC变换器的参数设计
• 3.7.1 电感和电容值设计
• 3.7.2 功率管尺寸设计
• 第四章 模块电路的设计和仿真
• 4.1 电压基准产生电路
• 4.2 电流基准产生电路
• 4.3 PWM环路误差跨导放大器
• 4.4 PWM环路补偿模块
• 4.5 电压到电流转换电路
• 4.6 VCOMP产生电路
• 4.7 PWM比较器
• 4.8 电感电流检测电路
• 4.8.1 电感电流过零点检测
• 4.8.2 电感电流峰值检测
• 4.9 时钟发生电路设计
• 4.10 温度保护模块
• 第五章 ZUP002的仿真和测试分析
• 5.1 系统仿真
• 5.1.1 软启动过程
• 5.1.2 线性调节特性
• 5.1.3 负载调节特性
• 5.2 芯片实现与测试
• 5.2.1 版图设计和物理实现
• 5.2.2 芯片测试
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 在研期间科研成果
• 致谢