一种自适应PWM/PSM模式切换Dc-DC转换器的实现

摘要

随着便携式电子设备的迅速发展，电子设备对电源的续航能力要求也越来越高，而电源管理单元在宽负载范围尤其是轻载范围内的转换效率对电源的续航能力有很大的影响;同时SoC技术要求电源管理单元的输出不能干扰其他处理单元，因此，提高电源管理单元轻载转换效率、减小输出电压纹波尤其重要。
　　本文基于电压模式的DC-DC降压型转换器设计了一种新型的自适应PWM/PSM模式切换控制方式，使转换器能够根据负载的范围自动调整控制方式，提高了转换器在轻载下的转换效率并控制了输出电压的纹波。本文研究了转换器在PWM/PSM模式切换控制下纹波、效率和负载的关系，将传统的轻载划分为超轻载、中轻载和伪轻载三个范围，研究并确定了在不同的负载范围内转换器合理的控制模式。为了实现所提出模式切换控制方式，本文设计了纹波控制电路和负载检测电路，同时设计了自动调整转换器工作模式的自适应模式切换控制电路。
　　基于Chart0.35μm CMOS工艺，本文将所提出的自适应PWM/PSM模式切换控制电路应用于高频电压模式的转换器设计中，通过仿真验证，该转换器既有较高的转换效率又有较小的纹波电压。最终根据电路设计完成了版图设计并进行了流片和测试。测试结果显示所设计的自适应PWM/PSM模式切换控制的转换器在轻载下能达到93％的峰值效率，重载下能达到95％的峰值效率。PWM模式下的纹波在10mV左右，PWM/PSM模式切换控制下的纹波能控制在50mV左右，基本达到了设计指标的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 DC-DC转换器控制模式的原理分析

2．1 DC-DC转换器PWM控制模式的原理分析

2．1．1 PWM模式工作方式

2．1．2 PWM模式的纹波分析

2．1．3 PWM模式的损耗分析

2．1．4 PWM控制模式下效率分析

2．2 DC-DC转换器的PWM／PSM模式切换控制的原理分析

2．2．1 PWM／PSM模式切换控制的工作原理

2．2．2 PWM／PSM模式切换纹波分析

2．2．3 PWM／PSM模式切换损耗分析

2．2．4 自适应PWM／PSM模式切换控制的工作原理

2．3 本章小结

第三章 自适应PWM／PSM模式切换控制电路的设计

3．1 负载检测电路

3．2 纹波控制电路

3．3 初始占空比控制电路

3．4 PWM／PSM模式切换控制策略

3．5 补偿电路的分析与设计

3．6 本章小结

第四章 自适应PWM／PSM模式切换转换器的设计及仿真

4．1 补偿电路设计

4．2 功率级设计

4．2．1 功率管和整流管尺寸设计

4．2．2 驱动电路设计

4．3 欠压比较器VCOMP设计

4．4 过零检测电路设计

4．5 模式切换数字控制电路

4．5．1 PWM_PSM标志位产生电路

4．5．2 负载检测电路

4．6 整体仿真

4．6．1 PWM模式波形

4．6．2 PWM／PSM模式切换控制

4．6．3 负载切换仿真

4．6．4 输出电压跟随仿真

4．6．5 转换器的效率

4．7 本章小结

第五章 版图设计及芯片测试

5．1 版图设计

5．1．1 版图可靠性设计

5．1．2 功率管和整流管版图

5．1．3 整体版图

5．2 芯片测试

5．2．1 PWM模式控制波形测试

5．2．2 自适应PWM／PSM模式切换控制测试

5．2．3 负载切换测试

5．2．4 输出电压跟随测试

5．2．5 转换器效率测试

5．2．6 设计指标、仿真结果与测试结果对比

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得成果