一种优化单电感双输出升降压型直流—直流转换器轻载性能的设计策略

论文摘要

今天的便携式消费类电子产品集成了越来越多的功能,在向着小型化发展的同时其系统却日益精密复杂。这就要求电源管理单元占用尽量小的体积和成本的同时,灵活高效地向系统内各个模块提供能量。在进行直流-直流转换的解决方案中,电感型转换器常常扮演核心角色,但是过多电感又明显导致体积增加和成本上涨。在目前工艺条件下,片上仍然很难实现让人满意的储能电感,于是利用单个电感实现双路甚至多路输出的转换器无疑更具吸引力。同时,针对电池输出电压在放电过程中的变化,自适应进行升压或降压转换将有利于延长电池使用时间。另外考虑到便携式设备多数情况下都在待机,这时电源管理单元只驱动很轻的负载,所以电源管理单元在驱动轻载时的转换效率以及其他性能就显得尤为重要。本文所设计和研究的是利用单个片外电感实现两路任意升压或者降压输出的直流-直流转换器,重点关注轻载下的稳定性、转换效率以及由此引出的输出电压纹波问题。从系统全局分析了该转换器的稳态关系和小信号传递函数,对照比较了各种控制方法和调制模式。通过对三条环路四种开环情况的分析,选取最新的扩展式脉冲宽度调制方法,辅以VLX滤波补偿,基本确保了系统在不同条件下尤其是驱动较轻负载时的稳定性；同时通过考察非连续导通模式下零电感电流区间长度使系统在驱动轻载时切换为脉冲频率调制,在优化转换效率的同时辅以相应调度算法和自适应导通时间调制,取得了较低的输出电压纹波。电路采用TSMC 2.5V/5V 0.25μm混合信号CMOS工艺设计,输入电压2.5V到5V,输出电压一路1.2V-5V,另一路2.5V-5V。在驱动低至mA级负载时仍能稳定工作,单路输出在轻载和重载之间跳变观察到下冲和过冲电压在80mV左右,而两路同时跳到轻载时系统自动切换为脉冲频率调制,在极低负载下转换效率的提升幅度达三倍以上,同时输出电压纹波始终维持在70mV以内。各项测试结果基本验证了文中相关分析方法和创新设计的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章.引言
• 1.1.课题的研究背景和意义
• 1.2.论文的组织结构
• 第二章.直流-直流转换器基础
• 2.1.直流-直流转换器的分类
• 2.2.常见电感型直流-直流转换器的拓扑结构
• 2.3.稳态关系
• 2.4.小信号分析
• 2.4.1.状态空间平均法举例
• 2.4.2.其他调制模式下的传递函数
• 2.4.3.DCM下的传递函数
• 2.5.反馈控制
• 2.5.1.调制模式
• 2.5.2.控制方法
• 2.6.其他性能指标
• 2.6.1.转换效率
• 2.6.2.电压纹波
• 第三章.系统设计
• 3.1 系统指标定义
• 3.2.功率级设计
• 3.2.1.稳态关系
• 3.2.2.小信号分析
• 3.3.调制模式
• 3.3.1.扩展式脉冲宽度调制（EPWM）
• 3.3.2.固定电压纹波的PFM（CVR-PFM）
• 3.4.控制级设计
• 3.4.1.PWM下的环路稳定性
• 3.4.2.PFM下的调度
• 第四章.电路设计
• 4.1.误差放大器
• 4.2.比较器
• 4.3.四端输入放大器
• 4.4.时钟发生器
• 4.5.DCM模块
• 4.6.固定电压纹波PFM调制器
• 4.7.PWM/PFM选择器
• 4.8.软启动
• 4.9.驱动电路
• 第五章.流片与测试
• 5.1.版图设计
• 5.2.测试电路板设计
• 5.3.测试结果
• 5.3.1.软启动和输出电压直流值
• 5.3.2.PWM
• 5.3.3.PFM
• 5.3.4.负载跳变响应
• 5.3.5.转换效率
• 第六章.总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢