基于PWM的DC-DC转换器的带隙基准电压源设计

论文摘要

如今便携式电子产品已经日益普及,作为保证电池续航能力重要模块的开关电源管理芯片,其性能也需要不断完善。开关电源模块体积在减小的同时,还要维持其带载能力的不变,随着开关电源的工作频率不断提高,对开关电源芯片中的重要模块带隙基准源设计也提出了更高的要求,如高电源抑制比、低温度系数等,并且由于单位面积晶体管数量的激增,功率型开关电源的热集聚问题凸显,过热保护已成为不容忽视的问题。本文在分析了开关电源的带隙基准的应用需求,在此基础上提出了DC-DC开关电源带隙基准的设计指标,从器件选型和电路结构优化等方面考虑,设计出了一种围绕Brokaw带隙核且带过温保护的电压基准源。在对结构进行深入分析的基础上,引入了带零、极点补偿的反馈结构,优化了带隙基准的频率响应,提高了整体的电源抑制比（PSRR）’性能。采用新型的分段线性补偿方法,在高低温时能对基准输出电压的温度曲线进行直接调整,避免了传统分段补偿电路放大器的引用,有效提高了温度稳定性。过温保护功能模块在过热关断点和安全开启点处灵敏度高,输出控制信号建立迅速。仿真结果表明：带隙基准电压在-40℃-125℃的工作温度范围内温度系数达到3.74ppm/℃,电源电压2.5V-5.5V时基准输出电压为1.1943V. PSRR典型情况下约为80dB。内部集成带热滞回功能的过温保护电路,过温关断温度160℃,温度降低,安全开启阈值温度140℃,关断、开启迅速,设计的迟滞裕量符合系统要求,很好地防止了热振荡现象。本文的电路在晶体管模型为UMC的0.6μm BCD工艺,采用仿真工具Hspice完成网表仿真验证,波形输出和计算,在仿真中考虑了工艺模型的影响,使仿真结果更加接近实际。仿真结构表明电路的各项性能指标和容差性能也十分好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的应用背景
• 1.2 带隙基准源的技术背景
• 1.3 带隙基准源的研究现状
• 1.4 本论文的主要工作和论文安排
• 第二章 带隙基准的基础理论
• 2.1 基准电压源概述
• 2.1.1 基准电压源的拓扑结构
• 2.1.2 基准电压源的历史
• 2.2 带隙基准电压源的基本原理
• 2.3 几种典型的带隙基准电压源结构
• 2.3.1 Widlar带隙基准
• 2.3.2 使用衬底PNP的CMOS工艺的带隙基准
• 2.3.3 Brokaw结构的带隙基准
• 2.3.4 无电阻带隙基准电路
• 第三章 带隙基准电路总体设计
• 3.1 电源管理芯片的简介
• 3.2 设计思路
• 3.3 带隙基准电压的主要设计指标
• 3.4 带隙基准电压电路的设计
• 3.4.1 启动电路和偏置电路分析
• 3.4.2 核心电路及电源电压抑制比分析
• 3.4.3 温度补偿电路分析
• 3.4.4 过温保护电路分析
• 3.5 带隙基准电压源误差分析
• 3.5.1 电流镜失配引进的误差
• 3.5.2 PNP管的β的影响
• 3.5.3 欧姆电阻的影响
• 3.6 电路的关键器件参数选择
• 第四章 仿真验证与容差分析
• 4.1 仿真软件介绍及容差分析原理
• 4.2 电路仿真结果及容差分析
• 4.2.1 基准的DC特性分析
• 4.2.2 基准的AC特性分析
• 4.2.3 瞬态特性分析
• 4.2.4 过温保护特性分析
• 4.3 与同类电路结构性能比较
• 第五章 不同工艺模型下的分析对比
• 5.1 BCD工艺技术
• 5.2 BiCMOS工艺技术
• 5.3 BiCMOS工艺下的仿真
• 5.3.1 基准的DC特性分析
• 5.3.2 瞬态特性分析
• 5.3.3 基准的AC特性分析
• 5.3.4 过温保护特性分析
• 5.4 两种工艺模型的分析对比
• 5.5 同种工艺下的模型参数优化
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文