PWM/PSM双模式高压直流电压转换器

摘要

便携式电子产品和消费类电子产品的大量开发和使用对电源管理芯片提出了越来越高的要求，总体来说，电源管理芯片的发展方向是更高的工作电压，更大的负载电流和更高的转换效率。DC-DC开关电源芯片因其具有很高的转换效率而成为电源管理的首选，在近年来得到了快速的发展。
　　 本毕业设计提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)和脉冲跨周期调制(PSM)的低功耗高压直流电流转换芯片，它的输入电压范围是5.5～24V，输出电压范围是3.3～(VI-0.5)V，最大负载电流为1A。当负载电流较大的时候，芯片采用开关频率为1MHz的PWM工作模式，当负载电流减小时，芯片采用开关频率较低的PSM模式工作，从而保证了在相当宽的负载电流变化范围内的高转换效率。PWM模式到PSM模式的跳转不根据固定的负载电流值，但在输入输出电压一定的情况下，这个跳转值是固定的。PSM模式是通过一个独特的最小占空比模块来实现的。
　　 本次设计采用异步整流技术，避免了负电感电流，最小化与回路电流有关的传导损耗，采用NMOS管作上拉功率管，因此设计了Boot-strap电路来提供比输入电压更高的功率管的栅极电压。因为是高压芯片，所以片内还带有输出电压为5V的LDO，来给低压模块供电。本设计中还带有数字软启动模块，避免启动过程中的浪涌现象，电流检测模块，来对电路的峰值电流进行控制。
　　 本设计采用CSMC公司的0.5um40V高压混合信号模型设计和流片，测试结果表明：芯片在0.1～1A的负载范围内保持了75％以上的高效率，其中最高效率可达到91％，电路在两种模式之间可实现平稳过渡，并且具有良好的负载电流调整特性。输出电压误差小于20mV。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

1.1 DC-DC转换器的应用背景

1.2本课题研究的意义和目的

1.3本课题研究的内容

第二章DC-DC转换器的基本原理

2.1 DC-DC转换器的拓扑结构

2.1.1降压式变换器(BUCK电路)

2.1.2升压式变换器(Boost电路)

2.1.3升降压式变换嚣(Buck-Boost电路)

2.2 DC-DC转换器的调制方式

2.2.1 PWM(Pulse Width Modulation)调制

2.2.2 PFM(Pulse Frequency Modulation)调制

2.2.3 PWM/PFM双模式控制

2.3 DC-DC转换器的控制环路

2.3.1电压型PWM控制

2.3.2峰值电流型PWM控制

2.3.3平均电流型PWM控制

2.3.4迟滞电压型PFM控制

2.3.5 PSM控制模式

2.4 PWM环路的建模与仿真

2.4.1 Buck转换器的平均化交流小信号模型

2.4.2电压型PWM控制器的平均化交流小信号模型

2.4.3峰值电流型PWM控制器的平均化交流小信号模型

2.5 DC-DC转换器的功耗分析

2.6 DC-DC转换器的参数选择

2.6.1同步异步方式的选择

2.6.2电感的选择

2.6.3电容的选择

2.6.4频率的选择

第三章DC-DC转换器的系统研究和设计

3.1 DC-DC转换器的系统结构和性能分析

3.2 DC-DC转换器的稳定性分析

3.3 DC-DC转换器的控制环路和控制方式

3.4 DC-DC转换器的模块说明

3.4.1预调整器(Pre-regulator)

3.4.2电流和电压基准(BG)

3.4.3内部LDO模块

3.4.4误差放大器(EA)

3.4.5电流传感器(Current-sense)

3.4.6 PWM比较器

3.4.7逻辑控制模块(Top-logic)

3.4.8最小占空比模块(Minimum_on_time)

3.4.9驱动模块(Driver)

3.4.10 SW下拉模块(Pull_down)

3.4.11振荡器(OSC)

3.4.12软启动、电流限制及短路保护模块

第四章DC-DC转换器的系统仿真及测试结果

4.1系统仿真

4.2实验结果

第五章总结

参考文献

作者简介