具有数字校准功能的双相并联Buck型DC-DC芯片的设计

摘要

随着集成电路技术的快速发展以及便携式电子设备的广泛应用，对电子市场中的电源管理设备的要求也越来越高。其中开关电源以外围器件少、效率高和体积小的优点在电源管理类芯片中得到青睐，而传统的开关电源依然存在着带载能力不足、输出电压不精确、纹波大等缺陷，因此研究能满足大负载、低功耗、小纹波和高准确度应用要求的电源管理芯片意义重大。
　　本文基于降压型DC-DC转换器基本工作原理，提出了具有数字校准功能的双相并联Buck型DC-DC芯片的设计与实现。该芯片采用连续工作模式和峰值电流模式控制的脉冲宽度调制方式，具有对大负载的快速瞬态响应能力、片外易补偿、输出电压可校准等特点。论文介绍了Buck型 DC-DC的基本工作原理及各种工作模式下的稳态分析，在此基础上引出了外部数字校准功能，并对其进行了详细的理论分析。芯片已通过仿真验证可以满足对输出电压进行±15％幅度内的校正，减小了由内部基准电压不准确或者输出线损导致的输出误差，得到精确的输出电压。同时论文就双相并联大负载的应用详细分析了可用于外同步的锁相环技术和双相并联技术，锁相环技术使得内部时钟可与外部时钟同步，实现100kHz~1MHz的频率锁定范围，满足双相并联应用中两个芯片的时钟同步，相位相差180度。通过多主控器模式和单主控器模式的均流技术，可以实现两个芯片并联应用时，电感电流纹波的抵消和小纹波电压的输出，解决了小输入输出电容大负载12A输出和稳定性的折中。
　　论文首先对各种类型的开关电源作了简要的概述，并针对降压型DC-DC转换器的拓扑结构和工作原理进行了详细的分析，同时对降压型DC-DC转换器的断续导通和连续导通两种工作模式下的稳态特性以及系统的调制方式进行了比对和详细描述；然后重点介绍了数字校准功能、锁相环技术以及双相并联技术；最后对芯片的整体功能、外围器件的选择和稳定性进行了分析，并以带隙基准电压模块、电流采样模块和脉冲宽度调制比较器模块为例简要分析了芯片子模块的设计过程及原理，同时简单介绍了芯片在版图设计过程中需要注意的几个方面。
　　本文所提出的具有数字校准功能的双相并联 Buck型 DC-DC芯片，目前已基于0.35μm BCD工艺，在Cadence软件平台上，利用Spectre仿真环境在不同的工艺角和不同的环境温度下对单芯片的子模块和整体、数字校准功能以及双相并联大负载应用完成了仿真验证，仿真结果证明该芯片可以实现对输出电压的数字校准和双相并联大负载的应用。

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第一章 绪论

1.1开关电源研究意义及现状

1.2开关电源芯片的概述

1.3论文的创新点和章节安排

第二章 Buck型DC-DC工作原理概述

2.1 Buck型DC-DC的拓扑结构及工作模式

2.2 Buck型DC-DC变换器的调制方式

第三章 芯片XD1580系统设计及双相并联应用

3.1芯片的引脚定义及电特性设计

3.2系统的工作原理及框图

3.3系统的外围器件的选择及稳定性分析

3.4双相并联的应用

第四章 数字校准和锁相环的设计

4.1数字校准技术

4.2锁相环技术

第五章 XD1580系统子模块的设计与仿真

5.1带隙基准电压模块设计与实现

5.2电流采样模块的设计与实现

5.3高速PWM比较器的设计与实现

第六章 系统的整体仿真与版图设计

6.1单个芯片系统功能仿真

6.2双相并联应用整体仿真

6.3版图设计

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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