一种带线损补偿的同步整流降压型DC-DC设计

摘要

随着半导体技术的飞速发展，集成电路行业空前繁荣，各类高性能集成电路(IC)不断涌现。在电源IC领域，DC-DC开关电源变换器凭借其优异性能逐渐成为电源领域的主流产品和研究热点。相对传统线性转换电源，DC-DC开关电源能够灵活实现直流电压的降低、升高和极性转换，并且具有高转换效率、低功耗、快速动态响应、宽输入范围、大电流输出能力等突出优点。
　　本文设计了一款带线损补偿的同步整流降压型DC-DC变换器。系统采用峰值电流模控制，电压环和电流环构成的双环反馈系统能够实现快速瞬态响应和高精度输出。为保持全负载范围内的高转换效率，采用了轻载跨周期调制(PSM)与重载脉冲宽度调制(PWM)相结合的混合调制模式。为进一步提高转换效率，采用了同步整流技术，上下功率管均集成在芯片内部，且采用N型MOSFET以减小面积。本文设计的芯片主要应用于车载充电器，为补偿充电线缆造成的电压损耗，设计了反馈端单次电压调节线损补偿电路，在负载电流超过一定阈值后，输出端加入固定的线损补偿量。为保证系统工作在安全条件下，设置了软起功能、过温保护、过流保护以及输出短路保护等一系列异常情况保护功能。
　　本文设计的DC-DC芯片采用韩国hynix0.18μm BCD高压工艺，完成了包括电路设计、版图设计以及流片测试在内的集成电路设计的全套流程。芯片开关频率280kHz，静态电流600μA以下，最大转换效率达到95％。典型输入电压12V，最大输出电流3A，同时具有良好的负载调整率。对比分析设计指标和最终的测试结果，芯片功能良好，各项指标基本达到预期设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 降压DC-DC变换器理论基础

2．1 DC-DC降压型变换器基础

2．1．1 DC-DC变换器简介

2．1．2 Buck型DC-DC变换器结构

2．1．3 DC-DC变换器调制方式

2．1．4 电压模控制和电流模控制

2．2 Buck型DC-DC变换器稳态分析

2．3 同步整流技术

2．4 线缆损耗补偿

2．5 本章小结

第三章 同步整流降压型DC-DC系统级设计

3．1 系统整体设计

3．1．1 系统架构设计和分析

3．1．2 系统功能模块

3．2 系统工作逻辑设计

3．2．1 启动逻辑

3．2．2 正常工作逻辑

3．2．3 异常保护逻辑

3．3 系统环路稳定性分析

3．4 本章小结

第四章 电路设计与仿真

4．1 误差放大模块

4．1．1 误差放大器电路设计

4．1．2 误差放大器电路仿真

4．2 负载感应模块

4．2．1 负载感应模块电路设计

4．2．2 负载感应电路仿真

4．3 线损补偿模块

4．3．1 线损补偿设计

4．3．2 线损补偿比较器仿真

4．4 振荡器及斜坡补偿模块

4．4．1 振荡器及斜坡补偿电路设计

4．4．2 振荡器及斜坡补偿电路仿真

4．5 电压基准源模块

4．5．1 电压基准源电路设计

4．5．2 电压基准源电路仿真

4．6 内部电源模块

4．6．1 预稳压电源设计

4．6．2 预稳压电源仿真

4．6．3 线性稳压电源设计

4．6．4 线性稳压电源仿真

4．6．5 浮动升压电源设计

4．2．6 浮动升压电源仿真

4．7 过温保护模块

4．7．1 过温保护电路设计

4．7．2 过温保护电路仿真

4．8 整体电路仿真

4．8．1 IN上电、下电仿真

4．8．2 输出电压纹波仿真

4．8．3 负载调整率仿真

4．8．4 线损补偿仿真

4．8．5 转换效率仿真

4．9 仿真总结

4．10 本章小结

第五章 版图设计、系统后仿及芯片测试

5．1 版图设计

5．2 DC-DC系统后仿

5．2．1 IN上电、下电后仿真

5．2．2 输出电压纹波后仿真

5．2．3 线损补偿后仿真

5．3 芯片测试

5．3．1 基准电压温度系数测试

5．3．2 IN上电、下电测试

5．3．3 输出电压纹波测试

5．3．4 负载调整率测试

5．3．5 线损补偿测试

5．3．6 转换效率测试

5．3 测试结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文