面向高转换效率的单电感双输出转换器的功率级电路优化设计

摘要

伴随着电子信息产业的迅猛发展，各种电子设备要求更加高效和便携。开关电源以其效率高、体积小等优点，得到广泛应用。为满足开关电源对小体积、低重量、片外电路简单的要求，单电感双输出（Single-InductorDual-Output,SIDO）开关电源电路应运而生。而转化效率较低成为限制单电感双输出开关电源广泛应用的一大瓶颈。自适应栅宽控制(AdaptiveWidthControlling，AWC)电路因其能使得开关电源在较宽负载范围内具有高转化效率而成为业界的研究热点。
　　 本文首先介绍了自适应栅宽控制电路的研究背景和重要性，接着分析了同步整流功率级电路损耗，包含传导损耗和开关损耗，深入探讨了各项损耗随负载电流变化的函数关系。随后基于推导的损耗模型，计算出在各个负载电流段的最佳栅宽，以使得在该负载电流和栅宽下，功率级电路损耗最低。之后设计了供峰值电流型SIDO使用的自适应栅宽控制电路，该电路包括分段的电流检测电路模块、检测周期信号产生电路模块、比较和偏置电路模块、锁存和选通信号产生电路模块。并基于Chartted0.18μm2P6MCMOS工艺，在Cadence平台下对整体电路进行了仿真验证，设计版图并进行了流片验证。
　　 论文通过仿真和测试结果验证了所设计的自适应栅宽电路可以正常工作，所设计的峰值电流型SIDO转换效率较宽负载范围内(10～250mA)转换效率均在80％以上，峰值转换效率可达89.39％，完成预期目标。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 降低同步整流功率级损耗的研究情况

1．2．1 改变控制方式

1．2．2 优化功率级电路

1．3 本文主要工作

第二章 自适应栅宽控制电路原理

2．1 峰值电流型同步整流功率级损耗

2．1．1 传导损耗

2．1．2 开关损耗

2．1．3 功率管栅宽的优化尺寸

2．2 自适应分段驱动电路电路的工作原理与过程

2．2．1 自适应栅宽控制电路的结构

2．2．2 自适应栅宽控制电路的工作模式

2．2．3 自适应栅宽控制电路的工作过程

2．3 本章小结

第三章 自适应栅宽控制电路模块设计

3．1 同步整流功率MOS管设计

3．2 栅宽控制电路时钟信号产生电路

3．3 分段电流检测电路

3．3．1 常规电流检测电路

3．3．2 改进的基本电流检测电路

3．3．3 分段电流检测电路

3．4 偏置和比较电路

3．4 锁存和选通信号产生电路

3．5 本章小结

第四章 具有自适应栅宽控制的SIDO转换器设计

4．1 SIDO转换器的电路框图与工作原理

4．2 SIDO效率仿真

4．2．1 自适应栅宽控制电路的仿真

4．2．2 SIDO能量转化效率仿真

4．3 本章小结

第五章 版图设计与芯片测试

5．1 版图设计

5．1．1 功率MOS管版图及后仿

5．1．2 电流检测版图及后仿

5．1．3 整体版图及后仿

5．2 芯片测试

5．2．1 自适应栅宽控制电路测试

5．2．2 效率测试

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