带动态电压调整的单电感双输出直流-直流转换器的设计

摘要

当今电子移动设备普及率较高，而电子产品的更新换代速度也越来越快，各类智能手机、平板电脑、电子书、音乐播放器等等都已融入人们的生活中，成为人们工作和生活中必不可少的一部分。而越来越丰富的功能正与电子设备的续航能力之间的矛盾也正日益突出。高效的电源管理芯片已成为维持电子产品高性能工作的关键部分，电源管理系统的转换效率一直是衡量电源芯片的最重要的性能指标之一，高效率低损耗也与环保节能的理念相符。在直流-直流转换系统中其功率级的拓扑结构与控制回路的结构通常是研究的核心，对于电感型直流转换器，单电感多输出的系统可以利用一个电感而产生多路直流输出供电，由于其较少的片外器件而具有很大的吸引力，这也成为近年来的研究热点。通常电子产品中的部分模块在工作电压较低时亦可正常工作，而电源电压的降低可以有效提升效率，所以在许多产品中不同模块工作电压会有不同，而同一模块在不同模式下的工作电压也会不同，这就要求电源管理芯片提供可变的、多种输出电压值，动态电压调整可以满足以上要求。
　　本文设计了一款单电感双输出(SIDO)的降压型直流-直流转换器，其中一个输出电压可以进行动态电压调整，利用串行外围接口从外部读入控制字来调节输出电压在0.725V至1.2V之间变化，另一输出电压可以根据实际要求而实现1.2V或1.8V，两路输出最大都可实现500mA负载电流。转换器可以根据负载大小的不同在脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)之间自动切换，这样可以有效提高系统在轻负载下的转换效率。系统中使用了死区时间自适应调整的技术来提高转换效率，分段开关导通则用来降低输出端毛刺，提高输出性能。基于TSMC0.25-μm CMOS工艺流片，流片结果证明该系统输出的电压纹波和毛刺可控制在30mV以内，系统峰值效率可达90％，死区时间调整功能的加入可以使得系统转换效率整体提高3％～5％，另外动态电压调整也可正常实现，且由其引起的输出电压之间的交叉调制效应在40mV以内。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 论文组织结构

第二章 直流-直流转换器的基本原理

2．1 常见直流-直流转换器的拓扑结构

2．2 稳态关系

2．3 小信号分析

2．4 反馈控制

2．4．1 调制模式

2．4．2 控制方法

2．5 直流-直流转换器的主要性能指标

2．5．1 输出电压纹波

2．5．2 转换效率

第三章 单电感双输出直流-直流转换器系统设计

3．1 功率级拓扑结构

3．2 时序控制

3．3 稳态分析

3．4 小信号分析

3．5 反馈控制设计

3．5．1 PWM下的环路稳定性

3．5．2 轻负载下固定电压纹波的PFM控制

3．6 性能优化

3．6．1 动态电压调整

3．6．2 死区时间调整

3．6．3 输出电压上毛刺的抑制

第四章 电路设计

4．1 系统结构

4．2 电流检测电路

4．2．1 电流检测电路结构

4．2．2 全差分Gm运放

4．2．3 四端输入放大器

4．3 PWM控制

4．3．1 恒定反馈系数PWM

4．3．2 误差放大器

4．3．3 比较器

4．4 PFM控制

4．5 驱动电路

4．5．1 功率级的驱动电路

4．5．2 死区时间调整电路

4．6 动态电压调整电路

4．7 软启动

第五章 流片与测试

5．1 版图设计

5．2 测试电路板设计

5．3 测试结果

5．3．5 系统转换效率

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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