高效率、同步多相开关控制器的研究与设计

摘要

随着工业和医疗仪器、计算机系统以及电信系统等用电设备的高速发展，其对供电电源的要求越来越高。供电电源在提供大负载电流、低输出电压的同时，必须具有较高的效率。
　　本文设计一款具有高效率、多相位、双通道、工作开关频率（250 kHz-770 kHz）可以选择、能够适用于大电流输出的同步整流开关控制器。
　　本文首先介绍了BUCK型DC/DC变换器的功率损耗组成，包括功率通路的导通损耗、功率管开关过程中的交越损耗和栅端驱动损耗。文中对交越损耗进行了建模，得到了大负载电流下较为精确的数学模型。分析了影响栅极驱动损耗的各个因素，为后续高效率变换器的设计打下基础。接着，文中依次提出了降低变换器功率损耗的几种方法。通过采用DCR检测法，直接采样电感器直流电阻两端的电压降，免除了检测电阻器的增设，有效减少了传导过程的功率损失。多相位的应用使得变换器的输出电容纹波和输入电容均方根电流相比单相位模式下小得多。随着输入输出电容值的减小，电容的ESR电阻相应降低，电阻的损耗大大减小。同步整流技术的应用减少了续流通路的导通损耗，提高了效率。变换器采用峰值电流模式架构，能够给负载提供快速稳定的逐周期均流。而且，由于时钟延迟较少，单输出多相应用具有一个较快的负载阶跃响应。片内低阻抗栅极驱动器能够提供较大的平均驱动电流，最大限度地缩短了功率管的开关时间，降低了功率管开关过程的交越损耗，提高了变换器的效率。通过片内次级电源的优化设计，充分满足驱动器的电流需求，有效降低了功率管开关过程中的驱动损耗。
　　采用CSMC/40 V BCD工艺以及Cadence和HSPICE仿真工具对芯片内部模块以及整体性能进行仿真验证。结果表明，优化的设计方法改善了变换器的效率，效率最高可达93.6％。芯片实现了预期的高效率、多相位、同步降压、负载快速响应等特性，芯片整体电特性仿真满足设计要求。

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第一章 绪 论

1.1 课题的发展现状及发展趋势

1.2 课题的目的和意义

1.3 论文主要工作和章节安排

第二章 DC-DC变换器的功率损耗分析

2.1 导通损耗

2.2 开关过程交越损耗

2.3 功率管的栅极驱动损耗

2.4 本章小结

第三章 提高DC-DC变换器效率的技术研究

3.1 DCR检测技术

3.2 低ESR损耗多相位技术

3.3 同步整流技术

3.4 低阻抗栅极驱动技术

3.5 本章小结

第四章 芯片子模块电路的设计与仿真

4.1 基准电路

4.2 片内次级电源

4.3 振荡器电路

4.4 栅极驱动电路

4.5 本章小结

第五章 芯片总体仿真

5.1 芯片整体架构设计

5.2 芯片总体仿真拓扑

5.3 系统仿真结果与分析

5.4 转换器的效率

5.5 本章小结

第六章 总 结

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果