自适应开关电容型DC-DC转换器的研究与设计

摘要

DC-DC转换器是电源管理芯片的重要分支。本文设计的一款开关电容型DC-DC转换器，主要用于给无线传感器网络节点提供可变供电电压，并且具有自适应功能。此外，本文所设计的开关电容型DC-DC转换器还可作为各类便携式电子设备的供电电源。
　　论文研究的主要内容包括：利用状态空间方程法和瞬态分析法研究多级开关电容阵列的稳态性能和动态特性，选定以脉冲频率调制（PFM）为基础的系统控制方案，并根据设计指标确定系统结构，完成系统各功能模块的电路设计、版图设计与仿真验证。其中，各主要功能模块电路包括有：可重构开关电容阵列、占空比可调的两相非重叠时钟发生器、控制信号组合电路、PFM调制电路、比较器、放大器、带隙基准源和偏置缓冲等电路。此外，论文还归纳总结了开关功率管等重要器件和电路版图设计的经验。
　　论文创新点是所设计的一款占空比可调的两相非重叠时钟发生器，突破传统标准电路的设计思路。占空比可通过控制电压进行调节，调节范围达20~80％，利于减小系统输出电压纹波。此外，该时钟发生器易于扩展实现多路输出，如果在TG-VCO（图3.2所示）的输出端并联更多的占空比调节电路（图3.5所示），即可获得多路输出的非重叠时钟脉冲对。
　　本文采用0.18μm1P6M N阱P衬底CMOS工艺实现了各功能模块电路的设计，并用 Cadence公司的 Spetre对所设计电路进行了仿真测试与验证。系统电源电压为1.8V，输入电压为1.2V。在频率200MHz条件下，输出电压稳定在1.1V；在频率500KHz条件下，输出电压稳定在395mV。系统输出电压纹波小于10mV；在100μA~9mA的输出电流范围内，转换效率大于75%，最高达92%，达到预定的设计指标。与近五年国外文献的相关成果相比，本设计具有一定的优势，详见表4.2。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 论文研究工作与创新点

§1.3 论文的组织结构

第二章 开关电容型DC-DC转换器的基本概念和体系结构

§2.1 开关电容DC-DC转换器的基本参数

§2.2 开关电容DC-DC转换器的工作原理

§2.3 开关电容DC-DC转换器的分析方法

§2.4 开关电容DC-DC转换器的控制方案

§2.5 系统的体系结构

§2.6 本章小结

第三章 系统各单元模块电路的设计

§3.1 可重构开关电容阵列

§3.2 占空比可调的两相非重叠时钟发生器

§3.3 控制信号组合电路

§3.4 PFM调制电路

§3.5 比较器

§3.6 放大器

§3.7 带隙基准源

§3.8 偏置缓冲电路

§3.9 本章小结与设计心得

第四章 系统仿真

§4.1 系统输出电压的瞬态响应

§4.2 输出电压纹波仿真

§4.3 传输效率仿真结果

§4.4 静态电流仿真结果

§4.5 本章小结

第五章 版图设计

§5.1 版图设计中的难点

§5.2 版图设计中的其它考虑

§5.3 本章小结

第六章 结论和展望

§6.1 论文工作总结

§6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果