具有外同步功能的降压型DC-DC变换器XD1715的研究与设计

摘要

随着电子技术和集成电路制造工艺的快速发展，便携式电子产品得到了极大的普及，而其电源性能是关系到电子产品性能好坏的重要因素。开关电源作为电源管理类芯片的重要组成部分，可广泛地应用于各种电子产品中以保证供电电源的稳定可靠。然而，现在的电子产品体积小、功能多、更新速度快，这就要求开关电源功耗更小、系统更稳定、功能更完善。所以研究高效节能、功能完善、符合市场需求的开关电源具有很大的实际意义。
　　本文深入学习了DC-DC变换器相关知识后，设计了一款具有外同步功能的降压型DC-DC变换器XD1715。在电路功能方面，XD1715内部设计的电荷泵锁相环结构，使变换器实现了频率外同步的功能，扩展了XD1715的应用范围。XD1715内部的电压基准电路，在传统带隙基准的基础上增加了高温补偿电路，减小了电压基准模块的温度系数，有效地减小了温度变化对变换器的影响。在稳定性方面，XD1715内部的斜坡补偿模块，消除了峰值电流模控制系统中的次谐波振荡；带 TypeⅡ型补偿的误差放大器，很好地改善了电压环路穿越频率低、相位裕度小的情况。这两项措施大大改善了变换器的系统稳定性。为了进一步对系统的性能进行分析验证，本文采用开关元件平均法，建立系统级小信号模型并分析其环路增益，并通过 Matlab对结果进行仿真验证。在系统框架方面，XD1715采用的同步整流方式减小了变换器的功耗，使用的峰值电流模控制方式改善了变换器对外部变化的响应速度。此外，XD1715内部还设置了Hiccup模式以避免输出异常对变换器造成损坏。
　　XD1715采用0.5μm30V BCD工艺，并利用Cadence下的Spectre软件对XD1715进行整体仿真。从仿真结果可以看出，XD1715工作稳定；启动和关断功能正常；外同步功能的频率应用范围为300kHz~2MHz，符合设计要求；负载瞬态响应特性较好且转换效率较高，转换效率最高可达96.5％。同时，在输出异常的情况下，Hiccup保护模式对XD1715起到了很好的保护作用。这些功能都符合预期的设计目标。
　　在后续的工作中，会对XD1715的设计做出改进，进一步改善其负载瞬态响应，提高其转换效率，使XD1715表现出更加优异的性能。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状及发展方向

1.3本文主要工作

1.4本文章节安排

第二章 DC-DC变换器原理介绍

2.1 DC-DC变换器工作原理

2.2降压型DC-DC变换器的控制系统

2.3本章小结

第三章 XD1715系统级设计与稳定性分析

3.1 XD1715设计要求

3.2 XD1715功能框图与子模块介绍

3.3 XD1715典型应用与外围器件选择

3.4 XD1715系统稳定性分析

3.5本章小结

第四章 XD1715系统建模与性能仿真

4.1降压型DC-DC变换器功率级建模

4.2 XD1715系统建模

4.3系统稳定性仿真验证

4.4本章小结

第五章 XD1715电路设计与整体仿真

5.1子模块电路设计

5.2整体仿真验证

5.3版图设计注意事项

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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