电流控制模式单片开关电源的建模与设计

论文摘要

本文对一种高频、高效的电流控制模式DC-DC单片开关电源进行建模与设计。采用0.35um CMOS工艺制程,有效输入范围为2.6V～9V,输出电压在6V～13V范围内可调。芯片内置1.2MHz振荡器,具有软启动、欠压、过压、过温和过流等保护功能,输出电流也可根据应用需求自由调节,配以简单的外部元件即能构成完整的开关电源。在电路设计中,作者首先阐述了电流控制模式开关电源的基本工作原理,对比了电流控制与电压控制两种模式的优缺点,并根据设计要求进行了电路的总体结构设计,然后提了一种统一的电流控制模式开关电源SPICE模型,适用于连续电感电流和不连续电感电流两种工作模式,以指导后面各个子电路与整个芯片的参数设计,最后给出版图设计与流片测试结果。限于文章篇幅,作者有选择地分析了带隙基准源、LDO（Low Drop Out Voltage Regulator,低压差线性稳压器）、电流检测与斜率补偿、振荡器和PWM比较器五个子电路模块。在完成原理分析与电路设计的基础上,本文应用EDA软件HSPICE对SPICE模型、各个子电路模块和整体电路进行了功能仿真及量化模拟,并将仿真结果与流片实测结果对比,各项参数达到或优于预定指标,验证了作者所阐述的电流控制模式DC-DC变换器的建模和设计理论,是集成电路设计理论与流片实践相结合的有价值的尝试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 引言
• 1.1 开关电源的发展
• 1.2 开关电源技术的分类
• 1.3 本文所做工作
• 第二章 开关电源电路原理
• 2.1 开关电源的电路拓扑结构
• 2.1.1 Buck变换器
• 2.1.2 Boost变换器
• 2.1.3 Buck-Boost变换器
• 2.1.4 Cuk变换器
• 2.2 PWM开关电源控制模式
• 2.2.1 电压控制模式
• 2.2.2 电流控制模式
• 2.3 开关电源的工作模式
• 2.4 开关电源的设计要求
• 2.5 开关电源结构
• 2.6 开关电源工作原理
• 2.7 开关电源理想模型（Ideal Model）
• 第三章 PWM型DC-DC变换器的SPICE建模与仿真
• 3.1 PWM型DC-DC变换器数学建模方法综述
• 3.1.1 PWM变换器的小信号建模方法
• 3.1.1.1 数字仿真法
• 3.1.1.2 解析建模法
• 3.1.2 PWM型DC-DC变换器大信号建模方法
• 3.2 DC-DC变换器SPICE模型
• 3.2.1 Buck-Boost变换器模型
• 3.2.2 统一的开关电源变换器模型
• 3.3 电流控制模式Boost变换器SPICE模型
• 3.3.1 占空比发生器（D Generator）建模
• 3.3.2 Boost变换器仿真结果
• 第四章 子电路模块设计与仿真
• 4.1 带隙基准电压源
• 4.1.1 原理简介
• 4.1.2 电路结构
• 4.1.3 仿真结果
• 4.2 LDO（低压差线性稳压器）
• 4.2.1 LDO的基本原理
• 4.2.2 电路结构
• 4.2.3 线性调整率（Line Regulation）
• 4.2.4 负载调整率（Load Regulation）
• 4.2.5 系统稳定性
• 4.3 电流检测（Current Sense）和斜率补偿（Slope Compensation）电路
• 4.3.1 电流检测电路
• 4.3.2 斜坡电流产生电路
• 4.3.3 斜率补偿
• 4.3.4 仿真结果
• 4.4 振荡器
• 4.4.1 电路原理
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 PWM比较器
• 4.5.1 比较器原理
• 4.5.2 仿真结果
• 第五章 电路联合仿真
• 5.1 软启动工作过程
• 5.2 稳态工作过程
• 5.3 瞬态响应仿真
• 第六章 版图设计与芯片测试
• 6.1 版图设计规则
• 6.2 版图绘制中的注意事项
• 6.2.1 电路模块布局
• 6.2.2 增加屏蔽线
• 6.2.3 寄生参数考虑
• 6.2.4 增加冗余（Dummy）器件
• 6.2.5 匹配方法
• 6.2.6 静电释放（ESD）
• 6.2.7 走线技巧
• 6.2.8 天线效应
• 6.2.9 芯片版图
• 6.3 测试结果与分析
• 6.3.1 输出电压
• 6.3.2 转换效率
• 6.3.3 亮度调节
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文