应用于便携式电池供电系统的DC-DC降压变换器的研究与设计

摘要

随着消费类电子、通信和计算机技术的不断发展,电源管理的重要性日益明显。 单片开关电源SMPS(Switch Mode Power Supply)以其低损耗、高效率及电路简洁等显著优点而受到人们青睐,并广泛应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备及家用电器产品中。电子设备的小型和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。 本论文基于SMIC CMOS 0.13um工艺,使用Cadence EDA中的Composer包及Spectre仿真工具,设计了一款Buck型DC-DC单片开关电源管理芯片,电路采用电流模式PWM控制,输入电压范围为2.4V～4.2V,典型开关频率为1MHz,典型输出电压为1.2V,功率转换效率可达85％以上。该款芯片特别适用于电池供电的便携式设备,只需要外接很少、很小的外部器件,就可以构建完整的电源解决方案。 文中首先分析了Buck型变换器的拓扑结构及电流模式PWM控制的工作原理,然后根据设计指标完成了开关电源变换器整体结构的设计,同时结合实际应用电路阐述了其工作原理。论文第四章对芯片内各个子模块进行了设计与仿真,其中包括带隙基准电压源、运算跨导误差放大器、振荡器、迟滞比较器、死区控制及温度保护等,各功能模块均达到相应指标,由此构成的系统亦已通过仿真验证。最后完成了芯片的总体版图规划与设计。 在设计电路过程中,系统的静态功耗和稳定性是重点也是难点,测试结果表明对这些问题的解决是成功的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景和研究的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1半导体功率器件研究推动开关电源发展

1.2.2开关变换器理论分析方法的突破

1.2.3集成电路技术的飞速发展

1.3论文的主要内容和组织结构

1.4本章小结

第2章开关电源系统

2.1概述

2.2开关电源系统的结构

2.3开关电源变换器原理

2.4 Buck型开关电源稳态分析

2.4.1连续工作模式(CCM)

2.4.2非连续工作模式(DCM)

2.5临界电感LC

2.6本章小结

第3章开关电源变换器的控制原理

3.1开关电源控制方式

3.2 PWM开关电源的基本原理

3.2.1 PWM基本原理

3.2.2电压型PWM控制

3.2.3电流型PWM控制

3.3斜坡补偿

3.4同步整流技术

3.5本章小结

第4章开关电源芯片的设计

4.1芯片简介

4.1.1芯片的总体构思

4.1.2工作原理

4.1.3设计指标

4.2电压基准源(Bandgap Voltage Reference)

4.2.1高性能基准电压源的原理

4.2.2 正温度系数电压

4.2.3负温度系数电压

4.2.4带隙基准电压源

4.2.5电路分析

4.2.6基准电压源的仿真

4.3电压调节器(Regulator)

4.3.1电压调节器的原理

4.3.2电压调节器中运算放大器的设计

4.3.3电压调节器的实现与仿真

4.4电压误差放大器(OTA)和补偿网络

4.4.1电路分析

4.4.2电路仿真

4.4.3补偿网络

4.5迟滞比较器

4.5.1电路分析

4.5.2电路仿真

4.6振荡器和斜坡信号

4.6.1电路分析

4.6.2电路仿真

4.7驱动电路

4.8过温保护

4.8.1电路分析

4.8.2电路仿真

4.9本章小结

第5章联合仿真

5.1芯片版图

5.2芯片整体测试电路

5.3芯片的整体仿真

5.3.1启动过程

5.3.2纹波电压

5.3.3电路的稳定性

5.3.4效率仿真

5.4本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

在学期间作者参加科研与发表论文情况

在学期间参加科研项目

在学期间发表的学术论文

致谢