低功耗多负载点开关电源系统的研究与设计

摘要

随着能源重要性的日益提升,“节能”已经从一句简单的口号变成高质量产品的重要指标和影响产品成本的重要组成部分。根据世界能源组织评估,20年来世界能源净成本上升120％以上。现今,能源成本越来越高,电源管理是所有电子产品必需的部分,降低功耗成为时下电子产品取得竞争优势的重要途径之一。多负载点电源系统可以为应用系统中的不同设备、不同电路板、甚至对同一电路板上不同的电路进行单独供电,相比起使用多个单负载点电源系统控制,具有更好的统筹性与协调性。目前的多负载点电源系统在应用上仍存在一些关键问题,功耗问题是其中之一,直接影响着系统效率,这也使得其成为了一个重要的研究方向。
　　本文将主要精力放在多负载点电源系统的低功耗研究上,首先分析了当前多负载点电源系统所面临的一些关键问题,并介绍国内外相关的研究成果,论证了对低功耗研究的意义和重要性。然后研究了几种类型的DC-DC开关电源系统以及控制方式,通过分析其工作原理及优缺点的比较,为后续系统的设计提供了必要的依据。接着对电源系统功率损耗作详细分析后,结合传统的控制策略,提出了一种分层管理的低功耗控制策略,系统由中间级转换器与负载点转换器组成两级控制。最后详细介绍了带隙基准电路、误差放大器、振荡器、驱动电路、过热保护电路等子模块电路的设计过程,并进行仿真与结果分析。
　　所设计电路基于BCD0.6μm工艺,利用Hspice、Spectre以及Matlab仿真对电路进行仿真。仿真结果表明,输出电压纹波小于1％,且通过子模块电路的低功耗设计以及分层管理的控制策略,有效降低了系统在轻载下的功耗,在输出电流50mA≤IO≤300mA的范围内,系统转换效率保持在90％以上,达到低功耗的要求。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文结构与主要内容

2 开关电源系统的基本原理

2.1 开关电源系统的分类

2.2 开关电源系统的基本控制方式

2.3 本章总结

3 多负载点电源系统管理策略

3.1 电源系统的功耗分析

3.2 多负载点电源系统控制策略

3.3 系统核心子模块说明

3.4 本章小结

4 子电路模块的设计与实现

4.1 带隙基准电路的设计

4.2 软启动电路的设计

4.3 误差放大器的设计

4.4 振荡器的设计

4.5 PWM比较器的设计

4.6 PFM检测电路的设计

4.7 驱动电路的低功耗设计

4.8 过热保护电路的设计

4.9 本章小结

5 仿真与结果分析

5.1 子模块电路的仿真结果

5.2 全局仿真结果

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的主要论文