基于手持设备中开关电源的电源完整性设计

摘要

随着集成电路设计技术与加工工艺的进步以及低功耗的迫切需求，电路的工作电压越来越低，目前一些用于手持设备的嵌入式系统的处理器核电压甚至已经达到了1V以下。同时，系统的时钟频率也在不断提高，以满足手持设备日益增加的多功能与高性能的要求。 电路工作电压的降低必然导致对电源电压噪声的要求更加严格，与此同时，数字集成电路随着功能的增加和速度的加快，其工作时状态翻转的电流变化(△I)增大，系统的带宽增加。△I是电路板上产生电源电压噪声最主要的原因之一，所以，现代高速电路的电源系统设计正面临着越来越严峻的在更大带宽内保证低电源电压噪声的挑战。 电源完整性 (Power Integrity,PI)设计的目标就是指保证系统稳压电源在经过电源传输系统后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度，即控制电源电压的噪声在一可接受的范围内。 开关电源由于其高效率的优点，使得目前它在手持设备的主电源电路中获得广泛应用。 本文以手持设备和开关电源为前提，以实现电源完整性为目标，进行电路板级的电源分配系统设计。首先详细介绍了应用于手持设备的各种电源管理技术及理论，并以此为基础进行电压变换电路的设计，设计内容包括开关控制器的分析，选型，无源器件的选型与电路设计，电路的PCB设计以及电源地层设计，然后采用目标阻抗法，利用Cadence公司的PI分析软件，对电源分配系统的各组件，即开关电源模块，电源/地层和旁路电容进行建模，通过仿真，分析最后完成设计。 采用目标阻抗法的电源完整性仿真结果显示在整个系统的 500MHz 的工作带宽内，1.35V 的VCC C电源系统阻抗小于所要求的目标阻抗225毫欧，3.3V的 VCC3 电源系统的阻抗小于330毫欧。最后通过设备工作在大负载切换情况下的实测得VCC C和VCC3中最大电源噪声分别为60毫伏和100毫伏左右，小于设备稳定工作所要求的5％*VCC的电源电压噪声容限。 本课题分析并实现的利用目标阻抗法对电源系统进行优化设计，能够与主流的电路板设计工具很好的结合，避免传统的电源系统设计中过份依靠芯片厂商提供的参考设计或仅凭工程师经验进行的不足，实现较佳的成本与性能的综合效益，同时对其他中小功率电子设备的电源系统的设计也具有借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3论文的工作内容和意义

1.4论文的组织结构

第二章手持设备的电源管理技术

2.1电源管理综述

2.2电压管理

2.3电池/外电管理与负载管理

2.4本章小结

第三章电源完整性理论与分析

3.1电源完整性概念

3.2影响电源完整性的因素

3.3电源完整性与信号完整性

3.4本章小节

第四章电源分配系统设计与仿真

4.1硬件平台介绍

4.2稳压电路设计

4.3电源PCB设计

4.4电源完整性仿真

4.5本章小结

第五章测试与分析

5.1电压变换电路性能测试

5.2 PDS阻抗测试

5.3电压轨动态实测

5.4测试结论

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

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