基于标准CMOS工艺的单电感多路输出DC-DC升压变换器的设计与研究

摘要

随着便携式电子产品市场发展日渐壮大，人们对于电源功率管理IC特别是开关电源IC的需求量越来越大，同时由于便携式设备如今朝着低压低功耗，小型化的方向发展，对于开关电源IC面积，转换效率等性能指标要求也越来越高。传统的单电感单路输出DC-DC变换器由于只有一路输出往往不能满足整个SOC的供电需求，而采用多个变换器电感数目的增多无疑会极大增加整个SOC的面积，同时由此引发的EMI问题也不能够被忽视。对此，近年来不少文献提出采用单电感实现DC-DC多路稳压输出以解决上述问题，本文设计了一款DC-DC BOOST型变换器，采用单个电感实现了双路稳压输出，并具有较低的交互电压和启动电压。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了BOOST型DC-DC变换器的基本理论，对DC-DC变换器的传统控制模式进行了介绍和总结，并在此基础上设计了双路输出变换器的控制模式。随后对变换器控制环路的建模以及补偿环路的设计进行了深入研究和分析，并详细讨论了变换器的关键模块电路设计，包括控制环路中四输入误差放大器，电流检测电路，死区时间产生电路以及带隙基准电路等。除此之外，介绍了双路输出变换器版图设计并对其中需要注意的一些细节进行了讨论。⑵针对BOOST型双路输出变换器设计中存在的诸多问题，如低压启动问题，欠压关断问题以及交调互扰严重问题，专门设计了相应的模块电路以改善或者解决上述提到的问题，这在本文对于模块电路的设计章节中都进行了详细的阐述。⑶基于SMIC0.18um Mixed-signals CMOS工艺平台，对所设计的单电感双路输出变换器进行了仿真验证。仿真结果表明，在输入电压为600mV时变换器能够顺利完成启动并且在两路不同负载条件下变换器启动以及关断功能均保持正常，此外，变换器通过交调抑制电路使得交调电压调整率 VCR1以及 VCR2分别降低到0.12mV/mA和0.06mV/mA，成功降低了交调互扰，同时在输入电压为1V以及0.7V时变换器的转换效率分别达到94％以及91%左右，仿真结果证明设计的DC-DC BOOST型双路输出变换器达到了预期的设计指标，适用于输入电压较低，对交互电压要求较高的应用场合。

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第一章 绪论

1.1电源管理系统概述

1.2国内外研究成果及发展趋势

1.3论文的主要内容和章节安排

第二章 DC-DC BOOST型变换器基本理论及系统设计

2.1变换器升压基本原理及功率级电路设计

2.2变换器控制模式介绍

2.3变换器系统小信号建模

2.4变换器相关稳定性分析及补偿模块设计

第三章 DC-DC BOOST型双路输出变换器电路设计

3.1变换器低电压启动原理及相关电路设计

3.2变换器反馈控制模块相关电路设计

3.3变换器交调电压抑制原理及相关电路设计

3.4变换器关断原理及相关电路设计

3.5其它模块电路设计

第四章 DC-DC BOOST型双路输出变换器仿真与结果分析

4.1变换器线性模型与行为级模型仿真验证

4.2变换器模块电路仿真与分析

4.3变换器整体功能仿真与分析

第五章 DC-DC BOOST型双路输出变换器版图设计与后仿验证

5.1变换器模块电路版图设计

5.2变换器整体版图设计与布局

5.3变换器后仿真验证与指标对比

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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