基于峰值电流模控制的高效率低EMI降压型DC-DC转换器设计与研究

摘要

随着电子技术进入微电子时代，电子产品已经融入到我们生活中的各个方面。微型化、低功耗、高性能、高可靠性的电源管理类芯片被应用于移动通信、汽车电子以及工业控制等诸多领域。DC-DC转换器作为高集成度、寿命长和转换效率高的直流电源产品，拥有非常广泛的应用前景。近年来，在绿色电源设计主题日益突出的背景下， DC-DC转换器逐渐向低功耗、高效率、低电磁干扰（ Electromagnetic Interference,EMI）的方向不断发展。
　　基于以上背景，本文以DC-DC转换器为研究对象，设计了一种采用峰值电流模控制的高效率、低 EMI降压型 DC-DC转换器，主要内容包括：系统研究了降压型DC-DC转换器工作原理和工作模式；介绍了同步整流技术和扩频技术；最后对芯片的整体功能和稳定性进行了分析。具体研究内容和主要成果如下：
　　1、基于DC-DC转换器稳态工作原理的分析，采用峰值电流模式控制的脉冲宽度调制方式实现了系统的全状态反馈控制，提高了系统输出的稳定性和准确性。针对不同输出负载切换系统工作模式，重载时工作在连续导通模式，轻载时工作在强迫连续导通模式或突发模式，提高了系统宽负载范围内的转换效率。
　　2、针对降压型DC-DC转换器的转换效率，采用了同步整流技术，用同步整流管代替传统续流二极管，降低了系统功耗，提高了系统转换效率；针对低 EMI的应用环境，采用了随机扩频技术，通过数字电路产生伪随机信号来调制振荡器的充电电流，令固定的开关频率在可控制的范围内扩展，使其频谱范围展宽，降低系统的EMI。
　　3、建立了芯片系统整体架构，并对系统稳定性和芯片主要子模块的实现原理进行了阐述。分析了影响系统控制环路稳定性的因素，设计了环路补偿网络，保证系统有足够的相位裕度，提高了系统的稳定性。基于降压型DC-DC转换器系统主要子模块的实现原理，设计了基准电压电路、随机扩频电路和电流采样电路。
　　采用Cadence软件平台和0.35μm BCD工艺建立了Spectre仿真环境，在该仿真环境下对降压型DC-DC转换器的各主要电路子模块和系统整体进行了仿真研究，验证了系统各主要电路子模块的性能指标和系统整体在不同工作状态下的工作性能，并分析了各工况下系统的转换效率。本文设计的降压型DC-DC转换器转换效率最高可达93％，随机扩频电路降低了开关信号频谱尖峰值并且使其分布平坦，实现了低EMI。

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第一章 绪论

1.1开关电源的发展现状

1.2 DC-DC转换器的发展现状

1.3论文研究目标与论文框架

第二章 降压型DC-DC工作原理概述

2.1降压型DC-DC的拓扑结构及工作模式

2.2降压型DC-DC的调制方式

2.3降压型DC-DC的环路实现方式

2.4本章小结

第三章 高效率低EMI降压型DC-DC的关键技术研究

3.1效率分析

3.2 EMI分析

3.3本章小结

第四章 降压型DC-DC转换器系统设计

4.1芯片功能及电特性设计

4.2系统的工作原理及框图

4.3系统稳定性分析

4.4本章小结

第五章 降压型DC-DC系统子模块设计与仿真研究

5.1电压基准电路模块

5.2扩频电路模块

5.3电流采样电路模块

5.4本章小结

第六章 降压型DC-DC系统仿真研究

6.1电路启动仿真

6.2芯片正常工作仿真

6.3芯片负载跳变仿真

6.4芯片转换效率

6.5芯片的EMI

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

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