一种基于双斜坡补偿技术的DC-DC开关电源IC设计

摘要

相比传统的线性电源，DC-DC开关电源由于具有高效率、高可靠性、体积小等优点，使其成为国内外研究的热点。电流模式DC-DC开关电源具有响应速度快、稳定性高、内在限流保护等特点在电源管理芯片中得到了广泛的运用。在这一背景下，本文设计了一种基于双斜坡补偿技术的DC-DC开关电源IC，输入电压VI范围为2.7~5.5V，输出电压VO范围为VI~13V连续可调，PWM信号工作频率为250kHz，典型应用条件下输出电流在200mA之内。该开关电源可以用作三端TFT液晶显示驱动主升压控制电路。
　　本文主要研究电流模式DC-DC开关电源中斜坡补偿理论，分析了输入电压变化和电感电流扰动导致控制环路产生不稳定的原因，给出抑制这两种不稳定因素的折中处理办法。针对目前常见的单斜坡补偿技术局限性，提出双斜坡补偿设计思想，在此理论基础上完成了相应的双斜坡补偿控制环路设计。双斜坡补偿信号作为一对差模信号通过求和比较器对电感电流采样信号及输出电压采样信号进行斜坡补偿，有效滤除双斜坡补偿信号中的共模干扰，增强了斜坡补偿的精度，提高了DC-DC开关电源的控制精度。采用求和比较器的结构代替误差放大器和PWM比较器，将本来串行处理的斜坡补偿信号和反馈信号进行并行处理，减小了斜坡补偿和PWM调制的延时，提高了系统的瞬态响应速度。内设典型值500mA电流限制、过热保护、欠压保护电路保证了电路的可靠性操作。
　　本文完成DC-DC开关电源系统的各个单元电路设计与分析，重点分析双斜坡补偿控制环路中的锯齿波及时钟信号发生电路、双斜坡补偿信号产生电路、电感电流采样及斜率转换电路、求和比较器电路。并设计分析了基准源电路和电流限制电路，以及其他一些辅助电路。
　　最后，基于0.6μmCMOSn阱工艺，采用Hspice软件仿真，调整每个电路模块参数使性能都满足设计指标要求。通过整体电路仿真，典型应用条件VI=3.3V时，实现稳定的输出电压，输出纹波在1％以内。加入双斜坡补偿后，验证了负载电流突变时，系统具有良好的负载调整特性和快速的稳态恢复时间，输入电压突变时，系统具有优良的电源调整率，PWM模式下最高效率可达91%。

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第一章 绪论

1.1 开关电源的发展阶段

1.2 开关电源的发展趋势

1.3 论文的研究意义及主要工作

第二章 开关电源基础

2.1 升压型(BOOST)开关电源工作原理分析

2.2 降压型（BUCK）开关电源简述

2.3 极性反转型（BUCK-BOOST）开关电源简述

2.4 开关电源的主流调制方式

2.5 开关电源的控制模式

2.6 影响开关电源效率的因素

第三章 双斜坡补偿控制环路设计

3.1 斜坡补偿理论分析

3.2 双斜坡补偿设计思想

3.3 双斜坡补偿电路设计

3.4 双斜坡补偿实现过程分析

第四章 其他控制电路设计

4.1基准源电路设计

4.2 放大器和比较器电路设计

4.3 电流限制电路设计

4.4 延时控制电路设计

4.5 过热保护电路设计

4.6 欠压保护电路设计

第五章 整体电路设计与仿真

5.1电路电感的选取

5.2输出电容的选取

5.3不加斜坡补偿，占空比为34%时对系统仿真验证

5.4加入双斜坡补偿后，占空比为59%时对系统仿真验证

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果