基于BCD工艺的AC/DC电源管理芯片设计

论文摘要

反激式（Flyback）开关电源（SMPS,Switch Mode Power Supply）具有效率高、功耗低、电路简单、输入输出隔离、成本低等优点。在庞大的开关电源家族中,反激式开关电源是电源适配器、离线式电池充电器,传真等中小功率设备的首选。因此,对反激式AC/DC电源管理芯片（PMIC,Power Management Integrated Circuit）进行研究,具有重要的理论研究意义和实际应用价值。设计了一款应用于反激开关电源的新颖原边反馈式电源管理芯片（PMIC）。该芯片采用有别于传统模式（PWM、PFM）的调节方法,通过控制功率开关管的关断时间来调节输出功率,即关断调节模式;芯片工作于DCM模式,具有恒流（CC）、恒压（CV）功能;该电源管理芯片应用辅助绕组感应负载的变化,完成输出电压的调节功能,不需要光耦,简化了应用电路拓扑的复杂度,同时有效的降低了系统成本。首先对芯片的设计方案和所选用BCD工艺进行分析,然后对芯片的各主要模块电路进行了分析和设计,进而完成整体电路分析和设计;最后基于MXIC 0.5um BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺,完成了芯片的版图设计。根据Foundry工艺模型参数,采用Spectre对芯片的各模块电路及整体电路进行分析和仿真,应用Virtuso完成芯片版图设计,基于Dracula完成版图物理验证,最后在MXIC成功流片,仿真和测试结果表明,所设计芯片能够可靠有效的工作,其应用电路输出功率可达5W,效率高达80%,满足设计要求。从而证明了理论分析的正确性和设计方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景
• 1.1.1 电源控制芯片的发展动力
• 1.1.2 电源控制芯片的发展现状
• 1.1.3 电源控制芯片的发展趋势
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 本文主要内容
• 2 BCD 工艺技术简介
• 2.1 引言
• 2.2 BCD 工艺的分类
• 2.3 BIPOLAR 工艺简介
• 2.4 CMOS 工艺简介
• 2.5 DMOS 工艺
• 2.5.1 LDMOS
• 2.5.2 VDMOS
• 2.6 BCD 工艺的发展方向
• 2.7 小结
• 3 反激式开关变换器
• 3.1 基本原理
• 3.1.1 反激式变换器
• 3.1.2 反馈方式
• 3.2 工作模式
• 3.2.1 连续导电模式（CCM）
• 3.2.2 边界导电模式（BCM）
• 3.2.3 不连续导电模式（DCM）
• 3.2.4 典型应用
• 3.3 芯片的工作模式
• 3.3.1 原边峰值电流恒定
• 3.3.2 恒压（CV）模式
• 3.3.3 恒流（CC）模式
• 3.4 小结
• 4 电源管理芯片（PMIC）电路设计
• 4.1 基准产生电路设计
• 4.1.1 REGULATOR 电路
• 4.1.2 带隙基准电路
• 4.2 振荡电路模块设计
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 压控电流源电路
• 4.2.3 模块仿真波形
• 4.3 欠压锁定（UVLO）保护电路和启动电路
• 4.3.1 传统UVLO 电路原理
• 4.3.2 欠压锁定（UVLO）电路
• 4.3.3 模块仿真波形
• 4.4 前沿消隐（LEB）与过流保护（OCP）电路设计
• 4.4.1 设计方案
• 4.4.2 前沿消隐电路和过流保护电路
• 4.5 过压保护（OVP）电路设计
• 4.6 驱动电路设计
• 4.7 整体电路设计
• 4.8 小结
• 5 芯片版图设计
• 5.1 版图设计的方式
• 5.1.1 半定制版图设计
• 5.1.2 全定制版图设计
• 5.2 版图设计的考虑因素
• 5.2.1 版图设计的准备工作
• 5.2.2 遵循工艺的设计规则
• 5.2.3 大功率器件的结构设计
• 5.2.4 对称性设计
• 5.2.5 导线与衬底或阱相连
• 5.2.6 版图布局
• 5.3 版图验证和后模拟
• 5.3.1 版图验证
• 5.3.2 后模拟
• 5.4 芯片版图
• 5.5 小结
• 6 芯片测试
• 6.1 静态性能测试
• 6.2 动态性能测试
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录