基于PWM控制同相Buck-Boost DC-DC转换器研究与设计

摘要

随着便携式电子设备的广泛使用并且具有多项功能，要求具有高效的电源管理解决方案来延长电池的使用寿命。电源管理系统为了产生一个固定的电源电压，而此时电源电压介于电池充分充电的电压与电池未充分放电的电压范围之间，比如锂离子电池，当输入为2．7V到4．2V时，输出为3．3V，达到这种要求最佳的解决方法就是采用高效率，同相Buck-Boost DC-DC转换器。 本文在对传统与三模式升降压转换器对比分析的基础上，基于VLS偏移电压的三角波与基于Vs选通信号的锯齿波的两种控制方式，分析了三种模式升降压转换器的工作原理与详细控制方式，选择Vs选通信号的锯齿波控制方式完成对功率管开关的控制，并以更少的电路资源与更精确的模式转换实现转换器三种模式的无缝隙切换；其次对转换器功率级参数以及驱动电路进行优化设计，并利用开关电路平均法对转换器工作在连续导通模式下的降压、降压/升压、升压进行线性化等效建模，推导出功率级与环路的传输特性，并针对此特性进行了环路稳定性设计；最后将稳定性分析与系统分析结果落实到电路设计中，完成系统复杂特性与效率分析。 采用CSMC0．5μm CMOS工艺，运用Cadence Spectre软件，对系统进行了仿真验证。系统开关频率为IMHz，设计效率为87％，仿真获得的典型负载下的最大效率为86％；输入电压2．7～4．2V、输出电压可达到在1．5～5V之间变化。稳态时的开关纹波对于5V为20mV，3．3V为16mV。同时在完成系统设计和电路设计的基础上，进行了系统版图的规划和布局，以及完成了版图设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景与研究的意义

1.2 Buck—Boost转换器研究现状

1.3 研究目标与内容

1.4 论文组织结构

第二章 同相Buck—Boost转换器

2.1 工作原理分析

2.1.1 经典四开关功率级结构与原理

2.1.2 三模式四开关Buck—Boost转换器

2.2 模式切换控制

2.2.1 VLS控制原理

2.2.2 Vs控制原理

2.2.3 Buck/Boost模式工作状态研究

2.3 最大占空比限制

2.4 本章小结

第三章 同相Buck—Boost功率级设计

3.1 功率级器件设计

3.1.1 CCM模式能量传输与输出纹波电压

3.1.2 功率管选择

3.1.3 功率管与驱动电路设计

3.2 CCM工作的功率级模型

3.2.1 Buck/Boost模式CCM建模

3.2.2 转换器三种模式性能验证

3.3 本章小结

第四章 系统稳定性设计

4.1 系统环路与稳定性设计

4.1.1 系统控制方式

4.1.2 频率整形设计

4.1.3 环路设计

4.2 仿真验证

4.3 本章小结

第五章 Buck—Boost转换器电路设计

5.1 振荡器电路设计

5.2 误差放大器电路设计

5.3 比较器电路设计

5.4 基准电路设计

5.5 PWM逻辑控制设计

5.6 本章小结

第六章 Buck—Boost转换器系统验证与版图设计

6.1 转换器整体电路功能仿真

6.1.1 典型情况下系统静态功能仿真

6.1.2 系统动态功能仿真

6.2 转换器电特性分析

6.3 版图设计

6.3.1 版图规划

6.3.2 基本元件的版图布局

6.3.3 系统版图全图

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

附录