用于便携式产品的多通道电源管理单元的研究与设计

摘要

随着电子信息技术的快速发展，系统的集成化规模越来越高，很多原本用分立元件构建的系统越来越需要使用集成的芯片来实现。PMU(power managementunit)电源管理单元，一种高度集成的、主要针对便携式应用的电源管理方案，便应运而生，即将传统分立的若干类电源管理器件整合在单个的封装之内。这样有助于实现更高的电源转换效率和更低功耗，及更少的组件数以适应缩小的板级空间。由于对行业与消费者的意义日益重要，PMU智能电源管理已经是大势所趋，“主控+PMU”的模式越来越受到产业上下游的青睐，包括TI、NXP、Maxim、ADI等国际巨头都推出了相应的产品。
　　本论文首先研究了多通道电源管理单元的系统以及一些基本模块的设计，讨论了其和一般单通道电源管理芯片的不同。接着着重分析PMU中两个重要和特殊的通道的设计，一是高效低静态电流降压转换器，包括其在重载时的效率考虑，以及在轻载时的三种控制模式，脉冲展宽PFM控制，低静态电流PFM控制和平均电流PRM控制。二是高精度LED恒流升压驱动器，分析了升压转换器的设计，以及低端和高端控制的两种不同的高精度电流控制方法，最后讨论了功率级的设计。
　　本论文是基于参与设计并测试实现的三个电源管理单元芯片，包括:(1)基于TSMC0.35um BCD5V/20V工艺的用于单节锂电池的9通道电源管理单元;(2)基于TSMC0.35um BCD5V/20V工艺的用于多节锂电池的12通道电源管理单元;(3)基于TSMC0.18um BCD5V/40V工艺的用于单节和双节锂电池的15通道电源管理单元。

目录

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景，现状与意义

1．2 论文的主要工作

1．3 论文的主要创新

1．4 论文的组织结构

第2章 多通道电源管理单元的系统分析和设计

2．1 多通道电源管理单元系统

2．2 参考信号分布

2．2．1 电压分布

2．2．2 电流分布

2．2．3 时钟分布

2．3 多电源系统的考虑

2．4 测试模式的考虑

2．5 版图的考虑

第3章 外围功能电路的分析和设计

3．1 带隙基准源

3．1．1 输出电压失配比较

3．1．2 温度曲率补偿

3．2 零温度系数的电流源

3．3 频率发生器

3．4 看门狗电路

第4章 高效低静态电流降压转换器的设计和测试

4．1 降压转换器的系统

4．2 降压转换器的效率

4．2．1 降压转换器的效率分析

4．2．2 晶体管导通电阻

4．2．3 功率管连线和封装电阻

4．2．4 功率管尺寸调整(Gate Scaling)

4．2．5 外部功率开关驱动器

4．2．6 芯片测试

4．3 脉冲展宽PFM控制

4．4 低静态电流PFM控制

4．5 平均电流PFM控制

4．5．1 从PWM到PFM转换

4．5．2 从PFM到PWM转换

4．5．3 仿真结果

4．6 其他设计要点

4．6．1 快速电流检测

4．6．2 保护环

4．6．3 二次斜波补偿

4．6．4 AVS/DVS

4．6．5 100%占空比控制电路

第5章 高精度LED恒流驱动器的设计和测试

5．1 几种不同LED驱动器的结构

5．2 升压转换器的设计

5．2．1 频率补偿

5．2．2 电流检测

5．2．3 PWM比较器

5．2．4 误差放大器

5．2．5 斜波补偿

5．2．6 软启动

5．2．7 过压保护

5．3 低端阴极电流控制

5．3．1 一般低靖检测电路方法

5．3．2 单端自校零电流检测方法

5．3．3 差分自校零电流检测方法

5．4 高端阳极电流控制

5．5 功率管驱动

5．6 芯片测试

第6章 多通道电源管理单元系统测试结果

第7章 总结与展望

参考文献

已发表论文及专利

致谢

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