数字技术在开关型电源控制芯片中的应用

摘要

随着电子产品对电源性能要求的不断提高，开关型电源控制芯片的设计日益复杂。以往纯模拟的设计方案已经不能满足需求，所以数字技术在模拟开关电源控制芯片中得到越来越广泛的应用，并出现了数字开关电源，在智能化程度、效率，稳定性，控制参数的灵活设置，费用等方面表现出很大的优势。
　　 本文进行了数字技术在模拟和数字两种开关电源控制芯片中的应用的研究。在模拟电源设计方面，提出将新型数字软启动模块引入电源控制芯片。针对传统模拟软启动需要片外大电容的缺点，该设计采用了数字计数器和数模转换模块来实现软启动功能，提高了芯片的集成度和易用性，该方案已经在TSMC0.35um工艺下流片验证。在数字开关电源领域，论文在对数字电源技术开展研究基础上，提出了一种高分辨率数字脉宽调节器(Digital Pulse Width Modulation, DPWM)。它结合了计数器型DPWM快速准确、面积小的特点和延迟线型DPWM低功耗、结构简单的优势，采用了高5位为计数器，低6位为延迟线的11位混合型DPWM结构，并针对延迟线结构存在延迟非线性，设计了模拟锁相环来锁定其准确延时时间。整个结构在TSMC0.35um工艺下仿真验证。最后，论文还完成了对数字开关电源补偿自整定的建模。论文通过基于继电反馈原理的自整定算法，实现了控制芯片根据开关电源外部滤波网络参数来设置比例-积分-差分(PID)补偿网络的算法建模，并在Matlab/Simulink下仿真验证。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图表目录

1 绪论

1.1 电源管理芯片产业背景

1.2 电源管理芯片发展趋势

1.3 DC-DC开关型电源

1.4 数字技术在开关型电源中的应用

1.5 研究内容与主要创新点

1.6 论文结构和章节安排

2 用于模拟开关电源的数字软启动设计

2.1 系统设计目标

2.2 系统结构

2.3 Buck电路工作原理

2.4 数字软启动设计

2.4.1 软启动作用

2.4.2 传统软启动结构

2.4.3 片上软启动研究现状

2.4.4 数字软启动原理

2.4.5 数字软启动电路设计

2.5 仿真结果

2.6 后端设计

2.6.1 版图设计

2.6.2 PCB设计

2.6.3 芯片测试结果

2.7 本章小结

3 用于数字开关电源的高分辨率DPWM设计

3.1 数字开关电源的基本拓扑结构及工作原理

3.2 数字开关电源中极限环振荡的存在原因和消除方法

3.3 高分辨率DPWM设计目标

3.4 DPWM实现方法分类

3.4.1 Delta-Sigma型DPWM

3.4.2 数字抖动法DPWM

3.4.3 迟滞型DPWM

3.4.4 计数器型DPWM

3.4.5 延迟线型DPWM

3.5 高分辨率DPWM设计

3.5.1 结构设计

3.5.2 工作原理举例

3.5.3 延迟单元电路设计

3.5.4 模拟锁相环设计

3.5.5 仿真结果

3.6 本章小结

4 补偿自整定数字开关电源设计展望

4.1 设计目标

4.2 补偿网络设计原理

4.3 数字开关电源补偿设计原理

4.4 基于继电反馈的自检测原理

4.4.1 继电反馈原理

4.4.2 数字开关电源滤波网络参数自检测原理

4.3 补偿自整定算法

4.4 自整定MATLAB/Simulink建模仿真

4.5 数字化实现

4.6 本章小节

5 总结与展望

参考文献

作者简历