BiCMOS电流型脉宽调制器的研究与设计

摘要

本课题来源于西安微电子技术研究所“基于BiCMOS工艺低功耗电源管理类专用集成电路的研究与设计”。主要完成了基于BiCMOS工艺电流型脉冲宽度调制电路的系统设计以及各个单元模块电路的设计和实现。该电流型脉宽调制电路具有以下主要特性:500μA超低工作电流和100μA超低启动电流;芯片内部具有软启动和故障重启动功能;最小占空比和最大占空比分别为0和100％;振荡器频率最高可达1MHz;参考电压精度为1.5%;内部具有100ns的脉冲前沿消隐电路;欠电压封锁功能;图腾柱输出电路,峰值电流可达±1A。论文首先介绍了开关电源的几种分类及其各种类型的工作原理,详细论述了电压型和电流型脉宽调制器电路的原理及其优缺点,并对电流型PWM中的斜波补偿技术进行了理论推导。然后详细论述了主要模块电路的工作原理、具体电路实现形式及仿真验证,尤其对采用折叠共源共栅结构的误差放大器电路进行了详细的分析和研究。本电路采用0.6μm BiCMOS工艺模型在Cadence工作站上,使用SpectureS和Hspice等EDA仿真工具对其各个模块进行功能仿真验证,并对个别关键模块进行了具体参数的仿真验证,最后搭建了总体电路,仿真结果表明该电路实现了脉宽调制的功能,各项性能指标达到了预期的设计要求,完成了低电流、低功耗、高集成度电流型脉宽调制电路。本文最后还讨论了该电路在开关电源中的多种典型应用电路。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 开关集成控制器的作用、现状及发展方向

1.1.1 开关集成稳压器、控制器在开关电源中所处的地位和作用

1.1.2 开关集成稳压器、控制器的现状

1.1.3 开关电源发展方向

1.2 BiCMOS 工艺的讨论

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 论文的主要工作

2 开关电源的分类及工作原理

2.1 DC-DC的分类及工作原理

2.1.1 BUCK 降压型DC-DC 变换器

2.1.2 BOOST 降压型DC-DC 变换器

2.1.3 BUCK-BOOST 升降压型DC-DC 变换器

2.2 DC-DC 变换器采用的控制方法

2.2.1 电压控制型PWM

2.2.2 电流控制型PWM

2.2.3 电流控制型PWM 较电压控制型PWM 的优点

2.3 斜波补偿技术

3 电路的整体结构设计

3.1 脉冲宽度调制（PWM）控制方式的工作原理

3.2 电路主要模块简介

3.3 电路主要技术指标

4 单元模块电路仿真验证

4.1 带隙基准电压源

4.1.1 设计思想

4.1.2 传统的CMOS 带隙电压基准源

4.1.3 高精度BiCMOS 带隙基准电压源

4.1.4 电路中温度系数的仿真和讨论

4.1.5 电路仿真结果及讨论

4.2 基准电压源

4.2.1 线性稳压器框架

4.2.2 基准电压源电路分析

4.3 欠电压封锁电路

4.4 过电流保护电路

4.4.1 电路工作原理分析

4.4.2 过流保护电路的仿真结果

4.5 启动电路

4.6 误差放大器

4.6.1 运放的几种结构

4.6.2 运放的性能指标

4.6.3 误差放大器的结构分析

4.6.4 误差放大器的仿真结果

4.7 PWM 比较器

4.7.1 PWM 比较器中零占空比控制电路

4.7.2 PWM 比较器原理分析

4.7.3 PWM 比较器仿真验证

4.8 5V 基准比较器

4.9 振荡器

4.10 脉冲前沿消隐电路（LEB）

4.11 锁存电路

4.12 输出电路

4.13 本章小节

5 整体电路仿真验证

5.1 PWM 整体电路

5.2 PWM 整体电路仿真

5.3 该芯片的典型应用电路

6.总结与展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文