无线充电芯片中高效电流模同步降压型DC-DC模块设计

摘要

随着自然资源的使用殆尽，能源问题越来越受到各国关注。近年来，清洁能源产业持续繁荣，促进了诸如电动汽车等产业的发展。快速增长的电动汽车以及手持电子设备对方便快捷以及可靠的充电方式提出了越来越高的要求。无线充电方式由于安全性高、占用空间小、便于维护以及兼容性好等特点而备受关注。 在无线充电芯片中，由于前级输出电压并不适合内部各个电路模块的控制，因而需要一个降压变换器对输入电压进行调制，产生合适的电源电平，从而使得无线充电芯片内部模块正常工作。基于上述背景，针对无线充电芯片的特殊需求，本文的主要研究目标是设计一个集成于无线充电芯片内部的高转换效率的降压变换器模块。 本文首先分析了DC-DC转换器中的电感伏秒平衡以及电容充电平衡两个基本原理，并在此基础上得出了DC-DC转换器中的基本关系。随后，简要分析了DC-DC的拓扑结构、调制方式、控制方式、损耗源以及次斜坡振荡发生的原因及解决办法。紧接着，采用状态空间平均方法对转换器进行了系统建模，在建模时考虑了电容以及电感的寄生效应。最终得到了DC-DC转换器的大信号模型和小信号模型，并采用Simulink进行了系统的建模仿真。紧接着，介绍了DC-DC系统常用的补偿网络，并对电流模DC-DC进行了补偿网络的设计。此外，设计了DC-DC转换器中的带隙基准、误差放大器、PWM比较器、电流检测、振荡器、过温保护电路以及死区控制电路。设计的带隙基准电路中加入了启动电路，误差放大器采用了折叠Cascode结构，电流检测电路采用了检测晶体管检测方式。同时，采用Cadence软件对各个功能模块进行了仿真。最后，在0.35μm BCD工艺的基础上，对DC-DC转换器模块进行了版图的设计。 Simulink仿真结果显示，建立的模型能够对DC-DC系统的行为做出很好的预测。加入补偿网络后系统的伯特图显示，补偿后的DC-DC具有良好的相位裕度。电路仿真结果显示，带隙基准的温度系数为17.24ppm/℃，电源抑制比为62.84dB，性能良好；误差放大器的直流增益为74.7dB，相位裕度为58度，具有较高的直流增益以及较好的稳定性。系统仿真得到DC-DC转换器模块输入电压范围为8~20V，输出电压为5V，工作频率为1MHz，纹波电压小于20mV，转换效率最高为92%。同时，从系统仿真中还可以看出设计的DC-DC具有良好的线性调整率和负载调整率。

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