全负载高效升/降压DC-DC控制器设计

摘要

便携式技术集通信、消费、计算机技术之大成，并在处理器、存储、电源管理、显示、嵌入式软件领域多路并举、齐头并进，成为当今最热门的话题。随着便携式设备功能、性能要求的不断提升，对电源管理系统的性能要求也越来越高。例如更长久的电池运行时间、更高的功率密度、更小的外形尺寸、更高的可靠性等。 锂电池由于其能量密度高、自放电小和价格低等优点而被广泛地用于便携式设备的电源。在锂电池供电的便携式设备中采用升降压DC-DC变换器能够扩大电池的供电电压范围，从而延长电池的使用寿命。 本文采用的四开关控制的升/降压拓扑结构，与传统升/降压拓扑相比，能够实现电压的同向转换，且不需要很大的电感、电容。考虑到四开关同时工作会大大增加开关损耗，采用的拓扑可根据不同的输入条件选择不同的工作模式，减少了同时工作的开关管数目，降低了开关损耗。 便携式设备经常会工作在轻载状态，甚至是待机状态，而传统的PWM调制在轻载条件下效率会大幅度降低，因此提高轻载条件下转换器效率是便携式设备电源管理的一个重点。本文采用PWM/Burst多模式调制，在重/中载时使用PWM调制，轻载时使用Burst模式调制，提高轻载条件下的效率。 但是如何实现各个模式间的平滑切换，如何实现轻、重负载不同调制模式的自动切换和不同状态下电路模块的复用成为多模式工作的新问题。在此，论文通过判断占空比来实现模式的平滑切换；通过判断误差放大器输出实现轻、重载模式的自动切换；在电路设计中实现了大部分模块的复用问题。 为了进一步提高功率密度，减小外围电路体积和提高效率，论文还采用同步整流开关代替续流二极管，并实现了功率开关的集成。 论文采用BCD 1.5μm工艺完成了对各个功能模块和系统的设计，采用Candence SpectreS进行电路和系统的仿真。仿真结果表明各个电路模块和系统工作正常，已达到了预期的设计目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2开关电源的分类

1.3国内外研究背景、现状和趋势

1.4立题意义和研究内容、目标

1.5设计目标

第2章升/降压DC-DC变换器

2.1升/降压拓扑的比较和分析

2.2多模式工作原理

2.3系统功率级建模

2.4效率分析

2.5功率集成和同步整流技术的应用

第3章高效升/降压变换器的关键技术

3.1多模式间的平滑过渡

3.2轻载效率的提高

3.3电路复用

3.4系统环路补偿

第4章系统和单元模块电路设计

4.1控制芯片系统设计

4.2电路模块设计和仿真

第5章系统仿真验证

5.1重载PWM模式

5.2轻载Burst模式

5.3负载跳变

5.4输入跳变

第五章结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢