一款峰值电流模同步降压型DC-DC转换器XD2121的设计

摘要

由于电源是电子设备产品正常工作的基础部件，随着电子设备产品市场的需求越来越大，使得对电源的性能要求也越来越高。由于开关电源具有小型轻量、高性能和高效率的优点，已被广泛的应用到各个领域，在这样的市场需求背景下，本论文设计了一款峰值电流模同步降压型DC-DC转换器。
　　本论文首先介绍了开关稳压源的发展史及未来趋势，其次详细叙述了开关电源的优缺点，然后，基于开关电源的基本原理深入分析了DC-DC转换器三种拓扑结构（降压型、升压型和降压升压型）及工作原理，同时对降压型转换器两种控制方式（电压模、峰值电流模）进行了深入的阐述，并对DC-DC转换器的两种调制方式（PWM和PFM）进行了简单介绍，然后，针对目前社会的需求和实验室项目的结合，设计出本芯片的电气特性和性能指标，并对本芯片所设计的子模块功能作了简单介绍，且深入分析了降压型转换器采用峰值电流模时存在的系统稳定性问题及解决方法，其次，重点对芯片的部分子模块进行了详细的分析，为提高芯片的可读性，芯片增加了POWERGOOD模块，使用户直接了解芯片是否正常工作，且为避免反馈电压的波动对输出结果的影响，设计了30μs的延迟。同时芯片添加了HICCUP模块，当芯片发生短路时，触发HICCUP模块，使芯片进入HICCUP模式，避免由于短路对芯片器件的损坏，且当短路移除时，芯片能快速的恢复正常工作。通过增加这些模块使芯片具有高可读性、高可靠性等特点。并用Cadence软件对这些子模块进行了功能仿真验证。最后，介绍了本芯片的整体仿真验证和版图的技术，给出了芯片工作在满载、空载、短路与负载阶跃响应的整体仿真测试电路和结果，使其性能符合芯片所设计的性能指标，同时详细介绍了版图的两种技术（对称性和参考源分部的技术），并给出本芯片的整体格局图。
　　本论文所研究的芯片XD2121采用PWM调制模式实现宽负载的高效性，采用峰值电流环路控制方式实现快速的环路瞬态响应，采用连续导通模式实现较小的输出电压纹波，内部集成功率管实现同步整流，并采用斜坡补偿电路实现电流环路的稳定，且内部集成多种保护电路，如热迟滞保护、欠压闭环锁存、POWERGOOD等，提高了芯片器件的安全性，从而也提高了芯片的可靠性与可读性。
　　本论文所描述的芯片XD2121是采用40V BCD工艺，并利用仿真软件对芯片的各个子模块和整体电路进行了功能仿真验证，结果表明，本芯片的各项性能指标都能达到设计要求，并能很好的实现预期功能。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 开关电源的发展史及未来趋势

1.3 开关电源的优缺点

1.4 论文主要内容与章节安排

第二章 DC-DC转换器的基本原理

2.1 DC-DC转换器的分类及工作原理

2.2 DC-DC转换器的调制方式

2.3 DC-DC转换器的控制方式

2.4 DC-DC转换器性能指标

第三章 芯片系统级设计

3.1 XD2121芯片的整体设计指标

3.2 XD2121系统框图与设计

3.3 XD2121的补偿原理与稳定性分析

3.4 外围电路器件的选择

3.5 工艺的介绍与选择

第四章 XD2121关键模块的设计与仿真验证

4.1 带隙基准模块

4.2 过温保护模块

4.3 欠压闭环锁存模块

4.4 POWER GOOD 模块

4.5 软启和HICCUP模块

第五章 XD2121整体仿真及版图的技术

5.1 XD2121的整体仿真

5.2 版图的技术

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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