高效率、多模式、可编程输出直流电压转换器芯片设计与实现

摘要

近年来，消费电子市场对手机、MP3等基于电池运行的各种便携式电子设备表现出强劲的需求。为了提高电能转换效率、增加系统的工作时间、延长电池的使用寿命，在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设备的尺寸、重量和成本，需要使电源模块具有小型化、低成本、高集成度等性能。本文研究和设计了基于混合信号硅基互补金属氧化物（Complementary Metal—oxide Silicon，CMOS）工艺的，便携式电子设备用高效率、多模式、可编程输出直流电压转换器芯片。 本学位论文提出了一种具有800mA输出电流，脉宽调制（PWM）和变频调制（PFM）双模式控制，输出电压可编程的高效率降压DC—DC转换器。该种转换器在负载电流较大时采用功率频率为1MHz的PWM工作模式；在负载电流较小时采用频率减少和静态电流降低的PFM工作模式，实现了在整个负载电流变化范围内转换器均保持高转换效率。该转换器芯片已经采用CSMC0．5μmCMOS混合信号工艺物理实现。实验结果表明该转换器可根据负载的变化在PWM和PFM模式下自动切换并具有良好的负载和线性调节能力。最大转换效率达96．5％；当负载电流为0．02mA时，转换效率大于55％。本文所提出的芯片适合电池供电的便携式系统使用。 本文第一章讨论了论文的研究背景，电源管理芯片的发展、现状和趋势，最后对论文中的创新点给出了介绍。第二章分析DC—DC转换器的拓扑结构、控制模式，然后对系统的稳定性和频率补偿做了分析，接着分析了开关电源芯片的效率和功耗，介绍了低功耗设计的方法，最后介绍了系统主电路的设计和片外元件的选择。第三章介绍了PWM/PFM双模式控制原理图，并给出了主要功能模块电路的设计和实现。第四章给出了系统电路的仿真和测试。第五章是本文的总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1论文的研究背景

1.2电源管理芯片的发展、现状与趋势

1.2.1电源管理芯片的发展

1.2.2电源管理芯片的现状

1.2.3电源管理芯片的发展趋势

1.3论文的工作与结构

1.4论文的主要创新

第2章DC-DC转换器的系统分析

2.1拓扑分析

2.2控制模式

2.2.1脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)

2.2.2脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)

2.2.3谐振调制(Resonant Converter)

2.3 PWM控制环路的稳定性分析

2.3.1小信号模型和理论分析

2.3.2环路补偿

2.4效率与功耗分析

2.4.1损耗功率的来源

2.4.2转换效率分析

2.4.3低功耗设计方法

2.5系统主电路的分析与设计

2.5.1功率管的设计

2.5.2片外滤波器的设计

2.5.3可编程输出电压的实现

第3章DC-DC转换器系统的实现

3.1 DC-DC转换器系统电路的设计

3.1.1模式转换的设计

3.1.2 PWM控制环路设计

3.1.3 PFM控制环路设计

3.2软启动电路的设计

3.2.1数字软启动电路的设计

3.2.2电流限制电路的设计

3.3高速比较器电路的设计

3.4电流检测电路的设计

3.4.1零电流检测电路的设计

3.4.2峰值电流检测电路的设计

3.5其他电路的设计

3.5.1误差放大器电路的设计

3.5.2时钟电路的设计

3.5.3 UVLO和输入电压前馈电路的设计

3.5.4基准电路的设计

3.5.5温度保护电路的设计

3.6系统版图的设计

第4章系统仿真与测试

4.1仿真与测试环境

4.2仿真结果

4.2.1系统的软启动过程

4.2.2系统稳态仿真

4.2.3负载调整和模式切换特性

4.2.4线性调节特性

4.2.5系统的电流特性

4.2.6转换效率

4.3测试结果

第5章总结与展望

5.1论文研究工作的总结

5.2未来工作的展望

参考文献

在研期间科研成果

致谢