MEMS微型燃料电池电源管理芯片设计

摘要

随着当今社会科学技术的快速发展，人口的急速增长，人类对电子产品以及新型能源的需求也日益增加。将新型能源直接应用于电子产品也成为了当今电子产品主要的发展方向之一。其中新型能源的电源管理系统对于新型能源能否直接应用于电子设备有很重要的影响，新型能源的电源管理系统成为了当今研究的热点之一。本文针对被动式甲醇燃料电池设计了一款电源管理芯片并进行了仿真研究。
　　设计上采用1×/1.33×/1.5×/2×自适应电荷泵模块作为核心模块。其特点是随着燃料电池的输入电压的变化，模块进行相应的倍乘模式升压，使输出电压保持在一个固定值，达到稳压输出的作用。设计中为了降低电荷泵内部的MOS开关管的磨损，加入了跳周期比较器模块。芯片工作频率为振荡器模块产生时钟信号，时钟频率为1MHz。芯片设计中加入很多辅助性模块，例如偏置电路模块、误差放大模块、控制模式模块、带隙基准模块、电源选择模块，确保达到更好的工作特性。电源管理芯片包括以下优点:静态功耗小、燃料电池可利用输入电压范围增大、电源转换效率提高、电磁干扰减小。
　　实验仿真上采用Cadence软件，工艺采用0.5μmCMOS工艺。仿真实验结果表明:负载电流由0mA～150mA变化，可利用的燃料电池输入电压范围增大到2.6V～5.5V;芯片输出电压保持在5V稳定输出时，静态功耗仅为0.3mW;通过所得数据的计算，可得随输入电压的增加，倍乘模式增加，电源转换效率也随之降低，但是1.33×模式的转换效率要比1.5×模式的高出10％，这说明倍乘模式可以提高电源的转换效率。仿真结果表明，本文设计的电源管理芯片在原理上适用于被动式甲醇燃料电池。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 燃料电池的发展趋势

1．1．2 电源管理芯片的发展趋势

1．1．3 电源管理芯片的分类及比较

1．2 国内外发展现状和研究意义

1．3 课题研究内容

第2章 被动式甲醇燃料电池及自适应电荷泵的工作原理

2．1 被动式甲醇燃料电池的基本原理

2．1．1 被动式甲醇燃料电池的工作原理

2．1．2 被动式甲醇燃料电池与电源管理系统存在问题

2．2 电荷泵的工作原理

2．3 1×／1．33×／1．5×／2×自适应电荷泵的设计

2．3．1 1×自适应电荷泵的工作原理

2．3．2 1．33×自适应电荷泵的工作原理

2．3．3 1．5×自适应电荷泵的工作原理

2．3．4 2×自适应电荷泵的工作原理

2．4 本章小结

第3章 电源管理芯片各模块的设计与仿真

3．1 电源管理芯片的整体结构设计

3．2 电源管理芯片的整体电路的工作原理

3．3 偏置电路模块的设计与仿真

3．3．1 偏置电路模块的设计

3．3．2 偏置电路模块的仿真结果及分析

3．4 带隙基准模块的设计及仿真

3．4．1 带隙基准模块的设计

3．4．2 带隙基准模块的仿真结果及分析

3．5 电源选择模块的设计及仿真

3．5．1 电源选择模块的设计

3．5．2 电源选择模块的仿真结果及分析

3．6 输出过压保护电路的设计及仿真

3．6．1 误差放大模块的设计及仿真分析

3．6．2 跳周期比较器模块的设计及仿真分析

3．7 振荡器模块的设计及仿真

3．7．1 振荡器模块的设计

3．7．2 振荡器模块的仿真结果及分析

3．8 电荷泵模式控制模块的设计及仿真

3．8．1 电荷泵模式控制模块的设计

3．8．2 电荷泵模式控制模块的仿真结果及分析

3．9 1×／1．33×／1．5×／2× 自适应电荷泵模块的设计及仿真

3．9．1 1×／1．33×／1．5×／2×自适应电荷泵模块的设计

3．9．2 1×／1．33×／1．5×／2×自适应电荷泵模块的仿真结果及分析

3．10 本章小结

第4章 电源管理芯片的仿真及功能分析

4．1 处于软启动模式下的仿真

4．2 电源管理芯片电源转化效率的分析

4．3 电源管理芯片输出电压的纹波

4．4 电源管理芯片的仿真结果分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢