正负双端输出连续可调电荷泵控制芯片设计

论文摘要

近年来,高性能DC-DC电源管理芯片得到了广泛的应用。为了满足小功耗便携式电子设备的供电需求,本文在研究了当前国内外主流的DC-DC电源管理芯片所采用的各种电路拓扑结构和调制方式的基础上,设计了一种基于PSM调制方式的正负双端输出连续可调的电荷泵控制芯片。芯片采用0.5μm CMOS工艺制程,集成有欠压保护、过温保护、软启动、错误检测等功能模块,可广泛应用于小负载电流的便携式电子产品。该芯片配以少量的外部元件,即能构成完整的开关电源转换系统。利用论文设计的芯片搭建的开关电源转换系统具有双电源供电、供电电压范围宽、输出电压范围大精度高、响应速度快、静态功耗低、转换效率高等优点。在本论文中,首先研究了开关电源的各种电路拓扑结构和调制方式,比较了它们的优缺点。根据其应用特点,为该芯片选定电荷泵工作模式和PSM调制方式。在芯片的系统结构设计中,根据功能将芯片划分成PSM调制电路、电平位移电路,软启动电路、驱动电路、保护电路、基准源和振荡器等基本模块。按照芯片的设计指标要求,对划分好的各个模块进行晶体管级设计,并通过电路仿真来优化设计参数。论文最后给出芯片的两种典型应用电路,并对电路做了HSPICE验证。验证结果表明,利用论文设计的电荷泵控制芯片搭建的电源转换系统能够满足当前便携式电子设备实际电源需求,主要特性表现为:双电源供电,控制电路输入电压范围2.7V～5.5V,功率电源端输入可高达13V;转换效率最高可达到92%;开关频率250kHz;两个输出端的启动间隔延迟约为20ms,软启动时间约16ms;输出电压可自由设定在-30V至30V之间;输出电压纹波小于±1%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开关电源的发展历程
• 1.2 开关电源的技术研究方向
• 1.3 本文的主要工作及研究意义
• 第二章 开关电源电路结构
• 2.1 DC-DC开关电源的拓扑结构
• 2.1.1 电感式DC-DC变换器
• 2.1.2 电容式DC-DC变换器
• 2.2 DC-DC开关电源的调制方式
• 2.2.1 脉冲宽度调制（PWM）
• 2.2.2 脉冲频率调制（PFM）
• 2.2.3 跨周期调制（PSM）
• 2.3 开关电源的反馈控制模式
• 2.3.1 电压反馈控制模式
• 2.3.2 电流反馈控制模式
• 第三章 电荷泵控制芯片系统结构设计
• 3.1 系统拓扑结构和调制方式的选择
• 3.2 电荷泵的电路模型
• 3.3 芯片系统架构设计思路
• 3.4 芯片功能结构框图设计
• 3.5 芯片工作状态描述
• 3.6 电荷泵结构设计
• 3.6.1 时钟电平位移电路设计
• 3.6.2 PSM调制电路设计
• 3.6.3 软启动电路
• 第四章 其他模块电路设计
• 4.1 偏置电路及电流源设计
• 4.2 基准电压源设计
• 4.2.1 带隙基准电压源
• 4.2.2 电压调节电路
• 4.3 运算放大器设计
• 4.3.1 普通电压比较器
• 4.3.2 迟滞比较器
• 4.4 时间控制电路设计
• 4.4.1 时钟信号产生电路
• 4.4.2 时间延迟电路
• 4.5 保护电路设计
• 4.5.1 欠压保护电路
• 4.5.2 过温保护电路
• 4.5.3 错误检测电路
• 第五章 芯片系统应用及HSPICE验证
• 5.1 芯片系统的典型应用
• 5.2 系统功能的HSPICE验证
• 5.2.1 电路启动过程
• 5.2.2 电路稳定运行模式
• 5.2.3 系统的转换效率
• 5.2.4 系统的负载特性
• 5.3 作为辅助电源的配置和仿真
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的研究成果