单片大功率DC-DC变换器高性能控制方法研究

摘要

电源是现代电子系统的核心，其性能优劣直接关系到电子设备的品质。DC-DC变换器以其高效率、小体积、高可靠性等优点被广泛作为各种电子设备的供电电源。针对不同的应用，本文对单片大功率DC-DC变换器的高性能控制方法进行了研究与设计。从而在不同的应用环境中，实现DC-DC变换器性能的优化。大功率LED驱动和大功率电源转换是目前大功率电源管理集成电路发展的两个重要研究方向。本课题主要针对这两大方向进行相应的分析和研究。
　　大功率LED驱动是一种大电流输出的DC-DC变换器，其主要损耗为导通损耗。综合考虑系统效率和芯片面积，本文提出一种基于NMOS功率开关管的变形BUCK拓扑，该拓扑无需使用自举电路。考虑到大功率LED电流变化比较剧烈，选取电流滞环控制模式作为系统的控制方式，该控制模式具有自稳定性，不需要额外的补偿电路，可以实现快的响应速度和好的稳定性。此外，在大功率LED驱动中存在较大的dv/dt和di/dt，EMI辐射较为严重。考虑到电流滞环控制模式频率的不固定性，本文提出了一种适用于电流滞环控制模式的频率抖动方法，实现电磁辐射衰减目的。
　　针对大功率电源变换应用，本文采用基于自举驱动技术的全 N型功率管的同步整流BUCK架构实现效率的提升。基于该架构的直流模型和交流模型，本文尝试以运算放大器为基础，模拟出电容，电感的频率特性，构建有源电容、有源电感，提出一种频率内补偿法，该方法实现内部可集成的 PID补偿，避免传统方式对nF级电容的需求。频率内补偿法不仅简化了芯片外围电路的设计，而且提高了电路瞬态响应速度和输出调整精度。此外，本文提出了一种先进的二级电流保护策略，不仅提高了逐周期电流限的精度，而且可以有效的保护变换器在所有负载情况下都不受损坏。为了实现高频EMI抑制目的，提出一种分段式功率管栅驱动电路。
　　电压基准源是各种DC-DC变换器中不可或缺的核心模块，其性能直接影响整个系统特性。本文针对不同的工艺环境，分别设计相应的高精度、高稳定BiCMOS和 CMOS电压基准源电路。提出了一种基于分段非线性温度补偿技术的高性能BiCMOS电压基准源，该基准源芯片面积为180μm×220μm，最大消耗25μA静态电流，温度系数仅有5ppm/℃，电源噪声衰减在没有输出滤波电容的情况下达到了70dB，线性调整率为0.47mV/V；针对 CMOS电压基准源，提出了一种兼容数字CMOS工艺的高性能无电阻基准源，该基准占用面积为160μm×140μm，温度系数为10.2ppm/℃，电源噪声衰减高达58dB，最大电流消耗为27μA。
　　本文的研究基本覆盖了大功率DC-DC变换器常见应用环境，针对不同的应用，分别提出了相应的改善和解决方法。此外，对DC-DC变换器的核心模块电压基准源进行了研究和设计。结合电路设计、仿真和测试方法，对以上提出的电路和理论进行了验证。

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第一章 引言

1.1 论文研究背景

1.2 论文相关研究趋势

1.3 论文研究内容

1.4 论文结构安排

第二章 大功率LED驱动研究与设计

2.1 驱动架构选取

2.2 控制模式选取

2.3 电磁干扰（EMI）分析

2.4 大功率LED驱动实际芯片设计

2.5 实验结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 大功率BUCK变换器研究与设计

3.1 驱动架构选取

3.2 调制模式选取

3.3 控制模式选取

3.4 峰值电流控制模式内部频率补偿

3.5 峰值电流控制模式电流限设计

3.6 功率开关管栅驱动电路设计

3.7 实验结果与讨论

3.8 本章小结

第四章 电压基准源研究与设计

4.1 电压基准源原理与相关指标

4.2 分段非线性温度补偿电压基准源电路

4.3 无电阻CMOS电压基准源电路

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果