基于设备通信应用的降压式直流-直流转换器的研究与设计

摘要

近年来随着国内半导体市场领域的扩张，设备通信领域中的电源管理芯片蕴含了巨大的发展空间。本文基于设备通信领域中HART协议的应用需求，提出了一款高性能降压型直流-直流转换器。芯片可以实现电压-电流转换，以及输出电压随负载电流动态调整的功能。
　　本文详细论述了Buck转换器的系统级设计思路，提出了合理的系统架构。将离散的开关电源工作方式线性化为连续的小信号模型，并进行了建模仿真，设计合理的补偿网络，保证环路的稳定性。
　　芯片具有高功率密度的特点，集成调整管与续流管两个功率器件，实现同步整流。芯片工作时输入电压为6～30V，负载范围4～25mA，采用峰值电流模式的PWM控制环路;系统工作在固定频率下，振荡器时钟周期可通过片外电阻进行调节;设计了自适应斜坡补偿电路，避免了峰值电流模式下的次谐波振荡问题;集成了欠压锁定、过压保护、过温保护等模块，使系统在安全可靠的环境下工作。
　　为了提高系统的转换效率，本文采取了多种方法和技术创新。采用SenseFET峰值电流采样技术，降低采样电路的导通损耗;具有PWM/PSM双模式控制方式，选择合适的负载工作点切换工作模式，使系统在全负载范围内保持80％以上的效率，最高效率高达94.3％。
　　芯片采用SLIC0.8μm/40V350A/600A双栅BiCMOS工艺，功率管采用的是40V高压600A厚栅MOS管，功率管栅极耐压高达30V。因此，功率管栅极驱动电压可以设定为高压，降低了单位面积的导通阻抗，从而节省芯片面积。芯片最终的版图面积为1.65mm×1.50mm，采用SOP-16封装形式。芯片完成了仿真与测试，现处于改版设计过程中。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 DC-DC转换器的发展趋势

1．3 研究内容与设计目标

1．3．1 HART协议简介

1．3．2 设计目标

1．4 论文内容安排

1．5 本章小结

第二章 高压直流转换器基础

2．1 高压双栅工艺

2．2 降压型DC-DC拓扑结构

2．3 降压型DC-DC的控制模式

2．3．1 电压模式

2．3．2 峰值电流模式

2．4 降压型DC-DC的调制方式

2．5 关键技术

2．5．1 功耗分析

2．5．2 峰值电流采样技术

2．5．3 斜坡补偿技术

2．6 本章小结

第三章 降压型DC-DC转换器的系统设计

3．1 降压型DC-DC转换器的系统架构

3．2 外围器件参数选取

3．3 芯片规格参数

3．4 系统建模与环路补偿

3．4．1 峰值电流模式的小信号模型

3．4．2 补偿网络设计

3．5 本章小结

第四章 芯片模块电路设计

4．1 欠压锁定

4．2 带隙基准

4．3 过温保护

4．4 线性稳压器

4．5 振荡器

4．6 误差放大器

4．7 自适应斜坡补偿

4．8 PWM比较器

4．9 过零检测

4．10 本章小结

第五章 系统级仿真与测试

5．1 系统仿真平台与外围器件

5．2 芯片上电

5．3 PWM调制仿真

5．3．1 CCM工作模式

5．3．2 DCM工作模式

5．4 PSM调制仿真

5．5 芯片版图设计

5．6 芯片测试结果与讨论

5．6．1 测试结果

5．6．2 问题与讨论

5．6．3 芯片测试总结

5．7 系统转换效率

5．8 芯片性能总结

5．9 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 前景展望

参考文献

作者简介