关于电感电流伪连续模式的单电感三路输出DC/DC转换器的研究

摘要

随着大容量电池在便携式电子产品中被越来越广泛的应用。DC-DC转换器的使用得到了电子工程师的普遍认同和广泛的关注，这是因为传统的锂电池直接为电子系统供电的方式存在功率损耗大和输出电压漂移较大等严重的缺点，而使用了DC-DC转换器就可以很好的解决这两个问题。 现代集成电路技术已经发展到了SoC的时代，先进的半导体制造工艺可以容许在一颗芯片上同时集成MCU、Memory，Interface以及Sensor等多个不同的电路模块。与此同时，随着便携式电子产品的功能变得不断的丰富，其PCB板上所使用的IC也有逐渐增多的趋势。这些同一颗芯片内不同的电路模块以及PCB板上不同的IC都需要不同的电压源驱动，此时如果仍然采用原始的单电感单路输出DC-DC转换器来驱动这些模块就需要在系统的PCB板上同时嵌入很多的电感。这不仅造成了PCB面积的浪费同时还给系统引入了极其复杂的电磁干扰引起了产品性能的下降。为了解决这一问题，在传统的DC-DC转换器工作原理的基础上提出了单电感多路输出（SIMO）DC-DC技术。 本文首先从传统的DC-DC转换器的工作原理开始，接着引入了SIMO原理的介绍，并结合一种先进的控制技术即顺序功率分配控制技术（OPDC）重点阐述了本文设计的单电感三路输出DC-DC转换器的工作过程。通过对PCCM模式DC-DC转换器的功率级进行建模分析认为：从频率特性上来说，PCCM模式与DCM模式具有很多的相似，即两种工作模式的DC-DC转换器功率级在中低频下都表现出近似一阶系统的频率特性。在完成了频率补偿网络的设计后，接着开始系统电路的设计，并提出了一些关键电路的新的实现方式。 在完成了系统设计和电路设计的基础上，使用Cadence所提供的电路仿真工具Spectre完成了系统功能的验证。接着进行了系统版图的规划和设计，最终利用Virtuoso版图设计工具完成了系统版图的设计，并通过了相关的规则检查。 基于上华CSMC0．5μm mixed-signal process工艺设计了该单电感三路输出DC-DC系统，并使用Spectre进行了系统功能的仿真验证．系统的开关频率为1．8MHz，最大转换效率可达94．3％，最大可以驱动800mA的负载，静态条件下，主通路的输出电压纹波不大于12mV，另外两路的输出纹波较大，但都不大于25mV。当负载发生250mA的跃变时，输出电压的调节时间约为60μs。该单电感三路输出DC-DC转换器特别适用于需要多个电压源同时又要尽量节约PCB的应用场合，可以为便携式电子产品提供廉价的电源解决方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 课题主要研究目标与内容

1.4 论文组织结构

第二章 单电感SIMO结构原理

2.1 DC-DC转换器的控制方式及工作原理

2.2 多路输出技术的实现方案

2.3 SIMO工作原理

2.4 基于OPDC控制的DC—DC转换器工作原理

2.5 本章小结

第三章 系统设计及频率补偿

3.1 电感以及滤波电容的选取

3.2 功率管参数以及驱动电路的设计

3.3 功率级的频率特性以及补偿网络的设计

3.3.1 DC—DC转换器功率级频率特性

3.3.2 各种频率补偿技术的实现

3.3.3 频率补偿网络的设计及闭环系统的频率特性

3.4 本章小结

第四章 关键电路的设计及仿真结果

4.1 电流感应电路

4.2 振荡器

4.3 电压基准

4.4 误差放大器

4.5 过温保护电路

4.6 本章小结

第五章 系统仿真

5.1 DC-DC转换器系统测试结构

5.2 PCCM模式DC-DC转换器的静态特性

5.2.1 静态条件下系统的工作情况

5.2.2 系统的输出电压范围

5.2.3 不同负载下系统的转换效率

5.3 PCCM模式DC-DC转换器的动态特性

5.3.1 系统启动特性

5.3.2 负载跃变时系统的动态响应

5.3.3 输入电压跃变时系统的动态响应

5.4 欠压预锁保护电路仿真验证

5.5 本章小结

第六章 版图设计

6.1 版图布局规划

6.1.1 版图布局规划的基本原则

6.1.2 系统版图的全局布局规划

6.2 关键电路的版图设计

6.2.1 基本单元器件的版图设计

6.2.2 误差放大器的版图设计

6.2.3 过温保护电路的版图设计

6.3 系统版图全图

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文