一种基于电压模式PFM控制的DC-DC升压变换器的研究与设计

论文摘要

随着便携式电子设备的广泛应用，电源管理行业正面临着前所未有的机遇与挑战。市场需求吸引了越来越多的集成电路设计企业纷纷加入到电源管理行列，低成本、高性能成为争夺市场的有力竞争点。本论文基于电源管理芯片的广阔前景设计了一种基于电压模式PFM控制的DC-DC升压变换器控制芯片，利用输出作为控制芯片的供电电源，能够在较低输入电压环境下实现升压，适用于移动电话、掌上电脑、数码相机等便携移动设备。设计采用0.5μm、5V的标准CMOS工艺制程，采用电压模式（Voltage Control Mode，缩写为VCM）与脉冲频率调制方式（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）控制策略；输入电压范围为0.9V～2V，输出电压为3V；具备关闭控制功能，关闭状态下消耗的电流低于0.5μA；工作温度范围为-30℃～80℃。本文主要介绍了DC-DC升压变换器的拓扑结构和基本工作原理；分析比较了PWM与PFM控制方式、电压与电流控制模式各自的工作原理及优缺点；根据电路功能的需要，设计控制器芯片的总体结构和子电路模块；分析了基准电压源、电压比较器、振荡器、过流保护四个子电路模块以及整体电路的基本工作原理与参数设计。作者在完成电路原理分析与电路设计的基础上，应用HSPICE软件对子电路及整体电路进行了功能仿真与量化模拟，仿真结果均达到或优于预定指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 开关电源的理论意义和实用价值
• 1.2 国内外动态
• 1.3 本文要达到的目标
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 升压型DC-DC变换器原理
• 2.1 稳态分析
• 2.1.1 连续导通模式的稳态分析
• 2.1.2 不连续导通模式的稳态分析
• 2.2 主电路器件的选取
• 2.2.1 电感
• 2.2.2 输出二极管
• 2.2.3 输出电容
• 2.2.4 功率管
• 2.3 控制方式
• 2.3.1 PWM控制方式
• 2.3.2 PFM控制方式
• 2.3.3 PWM/PFM混合控制方式
• 2.4 控制模式
• 2.4.1 电压控制模式
• 2.4.2 电流控制模式
• 2.4.3 控制模式的选取
• 第三章 子电路设计与仿真
• 3.1 系统原理
• 3.1.1 系统基本工作原理
• 3.1.2 各模块功能说明
• 3.1.3 系统工作过程
• 3.2 基准电压源
• 3.2.1 电路原理分析
• 3.2.2 电路仿真结果
• 3.3 电压比较器
• 3.3.1 电路原理分析
• 3.3.2 电路仿真结果
• 3.4 振荡器
• 3.4.1 电路原理分析
• 3.4.2 电路仿真结果
• 3.5 过流保护
• 3.5.1 电路原理分析
• 3.5.2 电路仿真结果
• 第四章 整体电路联合仿真
• 4.1 整体电路性能仿真
• 4.1.1 输出电压与负载的关系
• 4.1.2 输出电压纹波与负载的关系
• 4.1.3 输出电压与温度的关系
• 4.1.4 芯片关闭模式下消耗的电流
• 4.1.5 Lx端导通电阻与温度的关系
• 4.2 低压工作过程分析与仿真结果
• 4.3 联合仿真结论
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果
• 作者简历