高效电感式降压型DC-DC电源管理芯片的设计

摘要

近些年内，随着以手机为代表的便携式电子产品市场急剧扩张，与其相对应的电源管理芯片需求也日益增加。同时，便携式电子产品功能的增多和电池能量的相对固定，成为了电源管理中的最大挑战。因此，高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素，其中电池的能量转换效率和节能方面是关键部分。这也是本次设计高效同步整流降压DC-DC转换器的主要目的。 本次设计内容是一块高效同步整流型电感式降压DC-DC转换芯片。设计中参照市场上类似成熟产品的设计经验，同时查阅文献资料进行正向设计，在Cadence中以无锡上华6S06DPDM-CT02的Spectre模型仿真，成功得到预期的性能指标，并在Cadence上的Virtuoso平台上进行了版图绘制和验证。最终，本设计在无锡上华的MPW计划中流片，并在本所完成了测试。 设计的DC-DC转换芯片有三大特点：电流模式、PWM调制及同步整流。三大特点都给芯片带来性能上的提升。本文分别对三个特点对应的工作原理进行了分析，同时在仿真中进行了比较分析。 电源管理芯片既属于数模混合电路，又属于功率集成电路。文章中也对数模混合电路设计中的一些技巧和功率集成电路中功率器件的设计进行了一些阐述。

目录

文摘

英文文摘

第一章电源管理集成电路

1.电源管理半导体

1.2电源转换技术简介

1.2.1线性稳压电源——LDO(低压降稳压器)

1.2.2电容式开关稳压电源(Charge Pump)

1.2.3电感式开关稳压电源

1.3电感式拓扑基本结构

1.3.1电感式降压(Buck)转换电路拓扑

1.3.2电感式升压(Boost)转换电路拓扑

1.3.3电感式升降压(Buck-Boost)转换电路拓扑

参考文献(第一章)

第二章Buck DC-DC转换器系统分析

2.1线性稳压电源——开关电源(电感式)原型

2.2开关电源(电感式)控制方式

2.2.1电压模式

2.2.2电流模式

2.3电流模式控制原理

2.4电流模式存在缺点

2.4.1电感峰值电流与平均电流的误差

2.4.2次谐波振荡一>开环不稳定性

2.5电流模式的斜坡补偿

2.5.1用斜坡补偿消除不同占空比对平均电感电流的影响

2.5.2消除开环不稳定性

2.5.3提高电流检测精度

2.6外围无源器件参数确定

2.7 Buck DC-DC转换器系统稳定性分析

2.7.1电压模式下的系统稳定性

2.7.2电流模式下的系统稳定性

参考文献(第二章)

第三章DC-DC转换器性能分析

3.1 DC-DC转换器效率计算

3.1.1线性稳压器的效率

3.1.2 Buck开关稳压器的效率

3.2 DC-DC转换器工作模式

3.3同步整流技术

3.4功率管设计经验

3.5 DC-DC转换器性能指标

3.6功率集成电路(PowerIC)

参考文献(第三章)

第四章芯片流片电路设计

4.1电流模式BUCK DC-DC转换器工作框图

4.2芯片主要模块的设计与仿真

4.2.1基准电压源设计仿真

4.2.2误差放大器(EA)设计仿真

4.2.3时钟(Clock)设计仿真

4.2.4电流采样模块(Current Sense)设计仿真

4.2.5斜坡补偿(Slope Compensation)模块设计仿真

4.2.6 PWM模块设计仿真

4.2.7逻辑控制模块设计仿真

4.2.8 PWM/PFM模块设计仿真

4.3辅助电路设计仿真

4.3.1软启动电路(Soft Start)

4.3.2电流限制电路(Current Limit)

4.3.3零电流检测电路(Zero Current Detect)

4.3.4输出过/欠压保护(Over/Under Voltage Protect)

4.3.5输入过/欠压保护(Input Over/Under Voltage Protect)

4.3.6过热保护(Thermal Protect)

4.3.7死区时间控制电路(Dead Time Control)

4.3.8抗振铃电路(Ringing Clamping)

4.3.9外部数字控制电压检测电路(Enable Detect)

4.4整体系统仿真

4.4.1 Buck拓扑仿真

4.4.2电压模式系统仿真

4.4.3电流模式系统仿真

4.4.4 B、C情况的电流系统仿真

4.4.5电流模式系统仿真(加以必需的数字控制信号)

4.5系统转换效率计算

参考文献(第四章)

第五章芯片最终流片及测试

5.1管脚定义

5.2版图反向提取经验及版图绘制

5.2.1版图反向提取

5.2.2版图绘制考虑因素

5.2.3本设计绘制版图

5.2.4版图验证和后模拟

5.3测式

5.3.1芯片简介

5.3.2测试电路

5.3.3测试结果

参考文献(第五章)

回顾与展望

研究生在读期间发表文章

致谢