低压大电流多相数字DC-DC转换器的研究

论文摘要

数字电源是近年功率电子领域的研究热点,由于其通用,灵活和可编程监控的特点引起了学术界和工业界的关注;另一方面,随着CPU集成度的迅速提高,低压大电流领域的VRM设计面临着日益严峻的挑战。本文将数字控制方法应用于低压大电流VRM设计,在系统建模,电路实现以及验证测试上做了一些有益的工作。首先,在系统级对多相Buck DC-DC转换器的结构进行分析,在建立了功率级控制对象的模型之后,设计了数字PID控制算法,并在电压模式下实现了AVP特性,使用Simulink工具对控制器进行了建模和仿真,结果表明采用AVP后改善了系统的动态特性。接着,详细讨论了各模块电路的设计与实现,采用标准AISC设计流程设计了控制器的电路和版图;设计了应用于同步整流结构的功率级驱动电路;提出了一种基于MOS管阈值电压的基准电压源和基于电流驱动延时单元的时钟发生电路,其中电压基准源电路已经过Chartered 0.35um CMOS工艺流片和测试。然后,将这个控制器应用于低压大电流DC-DC转换器,设计了一个完整的电压调节模块（VRM）,其中数字控制器用FPGA实现,在板级集成驱动器和数模转换器以及功率级分立元件,使用ATX电源提供12V直流输入,在1MHz开关频率下对VRM的各项性能指标进行了测试,实验表明系统在1ms内达到稳定,输出电压0-1.6V,由8位VID码设定,设置点误差和纹波电压均小于10mV,当负载电流变化40A时,输出电压变化为约80mV,并具有AVP特性,实验结果基本上达到了预期指标。文章的最后总结了全文的工作与不足,并设想了今后继续努力的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景和研究对象
• 1.1.1 开关电源—从模拟到数字
• 1.1.2 低压大电流VRM的设计挑战
• 1.2 论文的内容和组织结构
• 第二章 系统建模与控制算法设计
• 2.1 Buck功率级
• 2.1.1 Buck同步整流电路的工作原理
• 2.1.2 Buck变换器小信号模型的建立
• 2.1.3 多相并联结构的等效与均流分析
• 2.1.4 功率级器件参数选择
• 2.2 PID补偿器
• 2.2.1 经典 PID三项控制器
• 2.2.2 数字 PID控制算法与结构
• 2.2.3 Buck DC-DC转换器的闭环分析
• 2.3 AVP补偿器
• 2.3.1 AVP的基本思想
• 2.3.2 电压模式 AVP算法
• 第三章 模块与电路设计
• 3.1 核心控制器
• 3.1.1 PID补偿器
• 3.1.2 AVP补偿器
• 3.1.3 DPWM调制器
• 3.1.4 开关机时序与软启动
• 3.2 功率级驱动器
• 3.2.1 核心驱动电路
• 3.2.2 栅压自举电路
• 3.2.3 死区保护电路
• 3.3 过压、过流及过温保护电路
• 3.3.1 数字实现的过压保护
• 3.3.2 电流采样及保护电路
• 3.3.3 温度检测及保护电路
• 3.4 偏置与时钟电路
• 3.4.1 纯 CMOS结构的基准电压源
• 3.4.2 可控延时单元与时钟发生电路
• 第四章 FPGA验证与 ASIC实现
• 4.1 硬件验证平台设计
• 4.2 数字控制器的 FPGA验证
• 4.3 控制器的芯片实现
• 第五章 小结与展望
• 参考文献
• 致谢