高效率多模式Buck-Boost开关电源控制芯片设计

论文摘要

随着电力电子技术、半导体技术和集成电路设计、制造技术的发展,便携式设备使用日益广泛,对开关电源芯片提出了更高的要求。主要包括,在更大的输入电压范围内能够提供稳定的输出电压,在全负载范围内高效率工作,以及体积更小,功率密度更高等。论文针对上述需求,设计了一种BUCK-BOOST开关电源控制芯片。论文在分析各种升压—降压式拓扑的基础上,设计了一种基于级联式4开关BUCK-BOOST拓扑的开关电源控制芯片,其根据不同的负载、不同的输出电压,采用不同的控制策略:（1）重载时,系统采用电压模式控制,工作在PWM模式,且根据输入电压的不同进行分段控制,实现在BOOST,BUCK以及过渡状态间自动转换;（2）轻载时,系统采用迟滞控制,工作在BURST模式,亦根据输入电压的不同,实现在BOOST,BUCK以及改进BOOST间自动转换。设计的过渡状态和改进BOOST状态最大程度上减少了开关管开关次数,比现行方法有更低的开关功耗。这样的系统结构和控制策略实现了在系统级的功率优化,减少了系统功耗,提高了效率。在系统设计的基础上,论文给出了该芯片的实现方案,并设计了其中的关键模块。如设计的带锁相环的多模式时钟发生电路,经过流片和样片测试,表明其能简单地实现多模功能,优化锁相环噪声性能,适用于开关电源管理芯片;误差放大器结合系统环路进行补偿,保证了系统的稳定性;电平转换电路、电流检测电路等都采用了新设计的结构,并在电路设计中注重电路级功耗的降低。整个系统及其电路利用美国国家半导体1.5μm BCD工艺进行设计,CadenceSpectreS的仿真结果表明,设计的芯片能工作正常,实现了所有工作模式,并能在各个模式、各个工作状态间切换。在较大的输入电压范围内,提供稳定的输出电压;在全负载范围内高效率工作的预期设计目标均以实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 综述
• 1.2 开关电源技术及电源管理芯片的发展趋势
• 1.3 用于便携式设备的开关电源控制芯片
• 1.4 论文设计目标
• 1.5 论文结构
• 第二章 系统控制策略与工作原理
• 2.1 系统的控制模式与控制策略
• 2.1.1 电压模式与电流模式的选择
• 2.1.2 两种控制方法的选择
• 2.2 系统两种工作模式的分析
• 2.2.1 重载时PWM工作模式
• 2.2.2 轻载时BURST工作模式
• 2.3 系统功耗分析
• 2.3.1 静态功耗分析与优化
• 2.3.2 开关功耗分析与优化
• 2.4 系统结构设计
• 2.5 系统的建模与环路补偿
• 2.5.1 变换器控制系统建模
• 2.5.2 系统环路补偿
• 2.6 系统设计小结
• 第三章 系统主要电路模块设计
• 3.1 误差放大器设计
• 3.1.1 电路设计与分析
• 3.1.2 内部极点设置与补偿网络设计
• 3.1.3 相关参数仿真结果
• 3.2 比较器设计
• 3.2.1 PWM比较器设计
• 3.2.2 反向电流比较器设计
• 3.2.3 BURST比较器
• 3.2.4 过压比较器设计
• 3.3 电平转换电路设计
• 3.3.1 电路设计与分析
• 3.3.2 相关参数仿真
• 3.4 电流检测电路设计
• 3.4.1 电路设计与分析
• 3.4.2 相关参数仿真
• 3.5 时钟发生电路设计
• 3.5.1 功能与作用
• 3.5.2 系统特点与结构设计
• 3.5.3 电路分析与设计
• 3.5.4 系统建模与环路补偿
• 3.5.5 版图与测试结果
• 3.6 电路模块设计小结
• 第四章 系统仿真结果与分析
• 4.1 系统软启动仿真
• 4.2 重载时PWM模式仿真
• 4.3 轻载时BURST模式仿真
• 4.4 输入电压变化时各模式仿真
• 4.4.1 输入电压跳变时各模式仿真
• 4.4.2 输入电压渐变时各模式仿真
• 4.5 负载跳变时各模式仿真
• 4.6 系统仿真结果小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢