一种片上集成高性能电源管理电路设计

摘要

随着集成度与CMOS工艺的不断发展,集成了模拟、射频、数字以及电源电路在内的片上系统(SOC)成为了市场的核心。在竞争越来越激烈的IC市场下,为了提高SOC的效率,就必须使用现有的IP核。然后将所需要的IP核模块“拼接”成符合一定功能需求的系统芯片。因此需要设计一种片上电源管理IP核以满足片上系统的需求。
　　根据上述需要,本文设计了一种能给数字、射频等片上电路供电的电源管理电路IP核。该电路选用的是效率高的BUCK结构,开关频率1.5M,静态电流小于250μA,最大输出平均电流600mA,效率最高可以达到95％,输出电压可以根据片上系统电路的需要可以改变如1.2V、1.5V、2.5V等。该电路采用峰值电流控制方式的同步整流电路,同时该电源电路本身还具有一系列保护功能模块,能够保证电路的正常工作。
　　首先,本文分析了BUCK拓扑结构的工作原理及其主要的性能指标。其次,根据需求提出了电源管理电路的系统框图,设定了电路的整体性能指标,阐述了电路结构的小信号模型和推导了其传输函数,在传输函数的基础上分析了零极点位置,提出了系统稳定性的解决方案。然后详细分析设计并仿真验证了误差放大器、振荡器、输出电压检测电路、零电压检测电路、小电流检测电路。其中误差放大器的作用是将反馈网络反馈的电压与参考电压进行误差放大,这个放大信号可以改变占空比,从而使输出电压稳定;振荡器的作用是提供了功率管的开关时钟和提供了斜坡补偿电路中需要的锯齿波信号;输出电压检测电路的作用是保证输出电压正常;零电压检测电路的作用是检测功率开关管与同步开关管是否同时导通,同时导通时关闭同步管;小电流检测电路检测同步整流管电流大小值,在小电流时候,关闭同步整流管,续流由寄生二极管起作用,防止电感电流出现震荡。
　　最后,结合片外器件对电源系统进行整体仿真验证,其仿真结果表明,电路满足了设计要求,并对电路的版图做了简要的说明。

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第一章 绪 论

1.1 电源管理技术的发展趋势

1.2 课题的背景及研究意义

1.3 本文的工作

第二章 电源管理电路原理分析

2.1 电源分类

2.2 降压式BUCK转换器电路工作原理

2.3 降压式BUCK转换器的性能指标

2.4 本章小结

第三章 电路系统结构设计与稳定性分析

3.1 本论文电路系统设计

3.2 小信号分析

3.3 系统的稳定性分析与设计

3.4 本章小结

第四章 电路模块的分析与设计

4.1 误差放大器设计

4.2 振荡器设计

4.3 输出电压检测电路设计

4.4 零电压检测电路与小电流检测电路设计

4.5 本章小结

第五章 整体电路仿真结果分析与版图设计

5.1 整体仿真中关键模块的结果分析

5.2 整体仿真中整体输出结果分析

5.3 整体电路的版图

5.4 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

硕期间取得的研究成果