Buck型PWM DC-DC变换器核心模块的研究与设计

论文摘要

DC-DC开关电源以其转换效率高的特点在便携式电子产品、计算机、通讯和汽车电子等领域得到了广泛的应用。随着技术的发展和应用领域的不断扩大,要求开关电源具有小型化、低功耗、高可靠性、电磁兼容和模块化等特点。本文采用CSMC 0.6μm BiCMOS工艺,分析和设计了一种采用电流控制方式的Buck型PWM DC-DC单片开关电源。文章首先介绍了开关电源的基本原理和分类,对比了线性调整器,电容式开关电源和电感式开关电源各自的特点,着重介绍了电感式开关电源的拓扑结构、调制方式、控制方式和工作模式。其次,对Buck型PWM开关电源的稳定性和转换效率进行了分析。在此基础上,完成了偏置电路、带隙基准源、过温保护、输出良好检测、欠压锁定、电流采样、振荡器、斜坡补偿、PWM比较器、误差放大器和MOS管驱动等模块电路的分析和设计。最后,采用Synopsys公司的HSPICE仿真软件,对设计的模块电路进行了仿真模拟。仿真结果表明在2.65-5.5V的工作电压范围内,基准电压在-40～1250C的温度范围内变化量为3mV左右；振荡器的典型输出频率为1MHz。PWM比较器的最大延时小于50ns。误差放大器的增益达到了72dB。其它模块电路也都完成了相应的功能,整个设计符合PWM型DC-DC变换器的理论。为今后设计更优越的开关电源变换器提供了参考。

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第一章绪论

1.1 电源管理芯片的现状

1.2 开关电源的发展趋势

1.3 本论文的主要工作及内容组织

第二章开关电源原理概述

2.1 电源变换技术

2.1.1 线性调整器

2.1.2 DC-DC开关电源

2.1.2.1 电容式DC-DC开关电源变换器

2.1.2.2 电感式DC-DC开关电源变换器

2.2 电感式开关电源的拓扑结构及工作原理

2.2.1 Buck型开关电源的基本原理

2.2.2 Boost型开关电源的基本原理

2.2.3 Buck-Boost型开关电源的基本原理

2.3 电感式开关电源的调制方式

2.3.1 PFM调制方式

2.3.2 PWM调制方式

2.3.2.1 电压型PWM控制方式

2.3.2.2 电流型PWM控制方式

2.4 电感式开关电源的工作模式

第三章 Buck型PWM开关电源系统分析

3.1 系统稳定性分析

3.1.1 扰动对系统稳定性的影响

3.1.2 固定斜坡补偿原理分析

3.1.3 自适应斜坡补偿原理分析

3.2 转换效率分析

3.2.1 功率开关管的功耗

3.2.2 Buck型开关电源的效率

3.3 Buck型开关电源的基本结构

第四章子模块电路分析与设计

4.1 偏置模块

4.1.1 正温度系数的偏置电流

4.1.2 偏置模块的具体电路分析

4.1.3 偏置模块的仿真

4.2 带隙基准源模块

4.2.1 带隙基准的基本原理

4.2.1.1 负温度系数电压

4.2.1.2 正温度系数电压

4.2.1.3 带隙基准原理分析

4.2.2 带隙基准的具体电路

4.2.3 器件参数的计算与选取

4.2.3 带隙基准源的仿真

4.3 过温保护模块

4.3.1 过温保护的基本原理

4.3.2 过温保护模块的具体电路分析

4.3.3 过温保护模块的仿真

4.4 输出良好检测模块

4.4.1 输出良好检测的基本原理

4.4.2 迟滞比较器

4.4.3 输出良好检测模块的仿真

4.5 欠压锁定模块

4.5.1 欠压锁定的基本原理

4.5.2 欠压锁定模块的具体电路分析

4.5.3 欠压锁定模块的仿真

4.6 电流采样模块

4.6.1 电流采样的基本原理

4.6.2 电流采样模块的具体电路分析

4.6.3 电流采样模块的仿真

4.7 振荡器模块

4.7.1 振荡器的基本原理

4.7.2 振荡器模块的具体电路分析

4.7.3 振荡器的频率

4.7.4 振荡器模块仿真

4.8 自适应斜坡补偿模块

4.8.1 斜坡补偿的引入方式

4.8.2 自适应斜坡补偿模块的具体电路分析

4.8.3 自适应斜坡补偿模块的仿真

4.9 PWM比较器模块

4.9.1 PWM比较器的具体电路分析

4.9.2 增益和失调电压

4.9.3 PWM比较器的仿真

4.10 误差放大器模块

4.10.1 误差放大器的具体电路分析

4.10.2 误差放大器的仿真

4.11 MOS管驱动模块

4.12 本章小结

结论

工作总结

存在的问题及工作展望

参考文献

附录电路网表

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢

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