PWM/PFM双模调制的高效率降压型DC-DC开关电源芯片设计

摘要

借助于通讯与网络平台发展起来的移动互联技术，带动了以平板电脑、智能手机、蓝牙音箱、OTT盒子等为代表的便携式移动电子产品的飞速发展。在电池技术难以在短时间内有较大改进的前提下，要想延长电池的工作时间，通过优化环路控制的方式提升电源的效率是不二选择。本文主要是从提高便携式SOC芯片的供电电源的电源转换效率的角度，对降压型开关变换器进行研究和设计。
　　首先，分析了降压型变换器的功率损耗特点，得到影响转换效率的重要因素是功率管上的损耗。通过对比分析PWM（脉宽调制）和PFM（脉频调制）这两种模式的特点，采用PWM和PFM双模式控制，以利用PWM模式在大负载电流下的高转换效率以及PFM在小的负载电流下的高转换效率的特点，从而提高了芯片的转换效率。为了提高开关变换系统的抗扰动性能，分别对电压单环控制和电流双环控制的特点进行分析比较，并确定采用峰值电流型的PWM控制以及基于电流采样的迟滞PFM控制的系统控制方式。
　　其次，根据本文所采用的系统架构，重点介绍了峰值电流型PWM调制的非理想参数的小信号建模，以及完成了控制环路的频率补偿设计，并对PFM调制系统进行了设计。
　　最后，采用CSMC0.25um BCD工艺，分析和设计了控制系统中的主要功能模块电路。系统仿真结果显示，在PWM模式下具有较好的抗扰动性和响应速度，并且转换器可以实现在PWM/PFM模式之间自动切换。功耗分析，在重负载下转换效率都在85％以上，在轻负载1mA时转换效率达到50%，因而实现了全负载范围的高转换效率；对输入电压和负载电流扰动的调整时间都在20us以内，并且线性调整率和负载调整率都小于1%；输出电压纹波率都小于1%。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2开关电源的发展历程

1.3国内外研究现状

1.4 论文的主要内容与安排

2 Buck型DC-DC开关变换器基本原理

2.1 Buck型转换器的拓扑结构和工作原理

2.2Buck型转换器的调制方式

2.3 Buck型转换器的控制环路

2.4 Buck型转换器的关键问题

2.5本章小结

3 DC-DC转换器的系统设计与仿真

3.1PWM/PFM混合模式降压型DC-DC转换器的系统架构

3.2DC-DC转换器相关参数的选取

3.3 PWM调制设计与仿真

3.4PFM调制设计

3.5本章小结

4 主要模块电路的设计与仿真

4.1带隙基准（REF）模块电路设计与仿真

4.2误差放大器（EA）模块电路设计与仿真

4.3高速比较器（CA）模块电路设计与仿真

4.4振荡器电路（OSC）和补偿斜坡电路（Vslope）设计与仿真

4.5电流采样电路设计与仿真

4.6本章小结

5 系统仿真和分析

5.1系统功能验证仿真

5.2线性调整特性仿真

5.3负载调整特性仿真

5.4本章小结

6 论文工作总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2未来的工作与展望

致谢

参考文献