输出可调节高效率负压DC/DC控制器IC设计

论文摘要

随着消费电子市场的发展,便携式消费类电子产品小型化的趋势继续主导着业界。在小体积产品内实现多功能且同时保持较长待机时间成为了工业界新的挑战。因此,高效的电源管理就成为当今电子设计中必不可少的部分。单片开关电源芯片具有效率高,外围电路简单,输出纹波小的特点,非常适合于便携式应用。本文就便携式应用背景,设计了一款输出电压可调的负压单片电源芯片。此芯片具有高频率,高效率,宽输入输出范围的特点,并且集成了片内功率管,只需少量外围元件即可构成完整的电源系统。片内集成的功率管电流限制电路,输出过压保护电路可以有效的保证系统安全操作。本文为重负载条件下的系统设计了PWM工作模式。在轻负载条件下,本文设计了两种工作模式供用户根据实际应用选择,一种是PSM模式,可以让系统高效率的运行,但输出纹波比较大。另一种是Forced PWM模式,输出纹波比较小,系统效率比较低。为了提高系统效率,本文还优化设计了驱动电路,通过控制驱动链最后一级反相器的NMOS管和PMOS管不同时导通,屏蔽了从电源到地的直流通路,有效的减少了功耗损失。在系统构架上,采用BUCK-BOOST拓扑结构以得到负电压输出,采用电压控制模式构建反馈环路。在控制器反馈环路的具体实现上,组合了电压前馈控制技术,改善电源调整率,并使系统得到更大的输入电压范围;组合了超前补偿技术,增强环路稳定性并扩展环路带宽;组合了滞后补偿技术,实现高精度的电压输出,使系统的输出误差只与基准电压源的误差以及误差放大器的失调电压相关。本课题通过了台联电公司带高压功率管的0.5um CMOS N阱工艺库仿真,仿真软件采用Synopsys公司的Hspice仿真器。仿真结果证实本设计基本达到设计指标,最高效率为87.5%。对工艺角的仿真表明此设计方案可以抑制一定程度的工艺变动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 DC/DC电源芯片的市场状况
• 1.2 研究现状和发展趋势
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 DC/DC变换器系统级设计
• 2.1 电荷泵式与电感式开关电源的选择
• 2.2 开关电源拓扑结构选择
• 2.2.1 BUCK-BOOST基本工作原理（CCM）
• 2.2.2 BUCK-BOOST轻负载工作原理（DCM）
• 2.3 DC/DC变换器调制方式选择
• 2.3.1 主流调制方式的比较
• 2.3.2 PSM基本原理
• 2.4 PWM控制模式选择
• 2.4.1 电压反馈控制模式
• 2.4.2 电流反馈控制模式
• 2.4.3 电压前馈（Feedforward）控制技术
• 2.4.4 控制模式选择依据
• 2.5 DC/DC变换器的系统构架
• 2.5.1 系统构架设计方案
• 2.5.2 系统应用说明
• 第三章 控制电路及反馈环路设计
• 3.1 稳态PWM波形的产生
• 3.1.1 PWM波形产生原理
• 3.1.2 PWM波形产生电路设计
• 3.2 系统反馈环路设计
• 3.2.1 系统小信号分析
• 3.2.2 控制器设计原理
• 3.2.3 控制器构架设计
• 3.2.4 控制器电路设计
• 3.3 工作模式设计
• 3.3.1 跨周期调制模式
• 3.3.2 强迫PWM模式
• 3.4 控制器设计总结
• 第四章 辅助电路设计
• 4.1 驱动电路设计
• 4.2 输出过压保护电路设计
• 4.3 功率管过流保护电路设计
• 4.4 振荡器设计
• 4.5 基准电压源设计
• 第五章 全电路仿真验证
• 5.1 系统应用方案
• 5.1.1 系统引脚配置以及应用方案
• 5.1.2 仿真参数设置
• 5.2 启动过程仿真分析
• 5.3 轻负载工作模式仿真分析
• 5.3.1 PSM模式仿真分析
• 5.3.2 Forced PWM模式仿真分析
• 5.4 系统动态特性仿真分析
• 5.4.1 输出电压对电源变化的响应
• 5.4.2 输出电压对负载电流变化的响应
• 5.5 系统的输出精度控制仿真
• 5.6 系统效率仿真
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的研究成果