内嵌LDO的电流型PWM DC-DC变换器研究

论文摘要

便携式电子产品要求其电源具有更小体积（高功率密度）、高可靠、高效率和更低的成本。显然,传统的线性电源系统无论从体积、效率、性能以及可靠性等各方面均已无法适应要求,而开关电源以其体积小、重量轻、损耗小、效率高、应用范围广等优点,逐渐取代传统线性电源,成为便携式电子产品电源的主流产品。DC-DC变换器作为开关电源的核心是当前研究的热点之一。DC-DC变换器技术结合了DC-DC变换器理论、集成电路设计和功率半导体器件技术等相关学科知识。本文尝试首先从系统的角度对变换器相关理论进行分析和研究,然后用所得到的研究结果来指导设计了一款便携式应用的内嵌低压差（Low Dropout,LDO）线性稳压器的恒流高频同步整流升压式DC-DC变换器芯片。首先,从系统的角度对DC-DC变换器的工作原理和关键技术进行了分析和研究,详细介绍了PWM （Pulse-Width Modulation）、PFM（Pulse-Frequency Modulation）、PWM-PFM及PSM（Pulse-Skip Modulation）几种不同的工作模式,并对电流控制、电压控制、电荷控制和V2等不同控制方案的优缺点进行了认真比较和论证,选定了本芯片采用电流型PWM控制方案。其次,在对几种建模方法进行比较的基础上,采用状态空间平均法对工作于连续导通模式下的DC-DC降压变换器和升压变换器进行了建模分析,得出了两种DC-DC变换器在连续工作模式下的线性等效电路模型,推导了传递函数,分析了系统的稳定性。并由此得出不依赖于电路拓扑结构的DC-DC变换器一般等效电路模型和广义的传递函数,为DC-DC变换器环路的设计及保证系统稳定性提供了理论依据,并在后续章节中据此设计了频率补偿电路和斜坡补偿电路,解决了电流型PWM DC-DC升压变换器的不稳定和次谐波振荡问题。第三,在分析了DC-DC变换器中开关噪声产生原因的基础上,建立了PWM DC-DC变换器的开关噪声模型;提出了在芯片设计中如何降低开关噪声以及在DC-DC变换器系统应用时抑制开关噪声的一些措施。第四,设计了一款内嵌LDO的电流型PWM DC-DC同步整流升压变换器芯片。它可作为恒流LED驱动器,驱动三个白光二极管,并可进行PWM调光,内部还集成了数字接口电路和5位DAC,可提供精确的数字调光。芯片中嵌入的LDO,可作为第二个输出端,提供具有高精度、低纹波的输出电压,这在国内处于领先水平。芯片中还针对不同的子模块电路,采取了一些新颖的电路结构,确保电路具有较高的性能。如在带隙电压基准电路中,采用温度补偿技术及电流补偿技术,使其具有较低温度系数和较高电源抑制比;设计了一种新颖的电流采样电路,降低了功耗,实现了电流逐周期比较;设计了完善的保护电路,如过压保护、欠压锁定、过温保护等。最后,从该款芯片的实际应用电路出发,对外围器件的选择依据和方案进行了分析,并用HSpice进行了全局仿真,给出了仿真和实验结果,验证了芯片的各项性能,符合设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.2 课题研究现状及论文选题依据
• 1.3 论文的主要贡献
• 1.4 论文的结构
• 2 DC-DC 变换器控制技术分析
• 2.1 DC-DC 变换器的工作原理
• 2.2 DC-DC 升压变换器稳态分析
• 2.3 DC-DC 变换器的控制模式研究
• 2.4 电流型PWM DC-DC 变换器的稳定性分析及斜坡补偿研究
• 2.5 本章小结
• 3 DC-DC 变换器的建模研究
• 3.1 PWM DC-DC 变换器的小信号建模方法概述
• 3.2 基于状态空间平均法的DC-DC 变换器建模研究
• 3.3 电流型PWM DC-DC 变换器的小信号分析
• 3.4 本章小结
• 4 DC-DC 变换器的开关噪声分析及其抑制措施
• 4.1 PWM DC-DC 变换器开关噪声的产生及建模分析
• 4.2 DC-DC 变换器芯片设计中的开关噪声抑制技术
• 4.3 DC-DC 变换器芯片应用中的开关噪声抑制技术
• 4.4 本章小结
• 5 内嵌LDO 的DC-DC 变换器控制芯片设计
• 5.1 芯片的总体设计
• 5.2 带隙基准电路设计
• 5.3 误差放大器电路设计
• 5.4 PWM 比较器电路设计
• 5.5 保护电路设计
• 5.6 斜坡补偿电路设计
• 5.7 LDO 线性稳压电路设计
• 5.8 本章小结
• 6 内嵌LDO 的DC-DC 变换器控制芯片全局仿真
• 6.1 芯片的典型应用电路
• 6.2 芯片的全局仿真验证
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的主要论文