电压可调式电源变换专用集成电路的分析与设计

摘要

随着电力电子技术的高速发展，开关电源产业得到了迅速发展，高效率、低成本和低噪声已成为便携式设备中电源管理芯片的发展方向。开关电源运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能可以满足各种用电要求，开关电源具有体积小、效率高等特点，广泛应用于工业、商业、民用、军事和航空航天等领域，由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。 本课题来源于江苏省重点项目DC-DC转换芯片的设计。文章根据市场需求，分析、设计了一款高效升压式变换器。作者基于开关控制升压原理，采用0.6μm的CMOS工艺，设计研制出一种高稳定性，低功耗，轻载时具有较高转换效率的新型低压DC-DC转换电路。该电路结构简单，响应速度快，有很高的稳定性，能够实现低电压下启动，3.3V和5V的输出电压，用来为便携式电子设备提供稳定的、持续的能量。 论文简单介绍了开关电源的研究现状、发展趋势和研究意义，以及DC-DC变换器的分类和本课题中所研究的升压式PWM DC-DC变换器的工作原理，开关电源变换器是由一个主回路和控制回路构成的闭环系统；本文首先分析了PWM控制器的稳态和动态特性及整个变换系统的稳定性。在理论分析的基础上，完成了电源变换器中比较器，带隙电压标准源、过电流电压比较器，欠电流电压比较器、软启动，低功耗模式电路、锯齿波发生器和电源变换脉冲控制器的设计与仿真；在此基础上，对完整电路进行性能指标测试、仿真，测试结果满足预期设计的要求。 该芯片的性能指标为：输入电压：2.5V；输出电压：3.3V或5V；输出电压纹波：小于1％；转换效率：>80％：输出电流：12.5mA～625mA；开关频率：50kHz；工作温度范围：-20℃～100℃。

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第一章绪论

1.1课题的背景和研究的意义

1.1.1全世界电源产业的发展过程

1.1.2中国电源产业的发展现状

1.1.3电源的发展趋势

1.2 DC-DC开关电源的介绍

1.2.1开关电源技术的研究现状

1.2.2 DC-DC开关电源的发展方向

1.3主要工作和论文体系结构

第二章DC-DC开关电源的原理和分析

2.1 DC-DC开关电源的特点及分类

2.2 DC-DC变换器的工作原理

2.3 DC-DC变换器开关控制的实现

第三章升压式PWM DC-DC转换器的设计及基本工作原理

3.1升压式PWM DC-DC变换器的概况

3.2 PWM控制电路的设计及工作原理

第四章升压式PWM DC-DC转换器的主要模块的设计及工作原理

4.1主比较器的分析与设计

4.1.1主比较器的功能分析

4.1.2模块设计关键部分介绍

4.1.3主比较器模块内部原理图及原理分析

4.2运算放大器的分析与设计

4.2.1运算放大器设计

4.2.2两级运算放大器的主体电路设计

4.2.3两级运算放大器的偏置电路设计

4.3带隙基准源的分析与设计

4.3.1启动电路的设计依据

4.3.2带隙基准电路中PTAT电流的产生

4.4锯齿波发生器的设计及工作原理

4.4.1锯齿波发生器的介绍

4.4.2 CMOS实现锯齿波发生器

第五章关键电路的仿真与分析

5.1主要模块的仿真结果与分析

5.1.1 PWM控制器仿真结果与分析

5.1.2锯齿波发生器仿真结果与分析

5.1.3主比较器仿真结果与分析

5.1.4运算放大器仿真结果与分析

5.1.5带隙基准源仿真结果与分析

5.2系统整体的仿真结果与分析

5.3电路输出电压稳定度分析

5.4电路转换效率分析

第六章总结与展望

致谢

参考文献

研究生期间发表文章