采用N耗尽高压工艺的开关电源控制芯片设计与版图实现

论文摘要

随着科技的进步,电子产品普及度的提高,电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出,开关电源在各种应用中得以快速发展。开关电源的优势在于输出精度高、转换效率高、性能可靠,并且大幅缩小变压器的体积和重量。一般情况下常用的电源(如市电)要经过AC/DC转换才能合乎电子系统使用的需要,开关电源的一大应用就是在这一领域,将较高的AC电压转化成较低的DC电压。由于开关电源AC/DC芯片所具有的高转换效率,低成本,小体积的优点,其迅速取代了线性电源,成为各种电子产品中AC/DC变换的主流产品。本论文的工作目的是在分析国内外开关电源的开发研究现状,并针对Buck结构的AC/DC开关电源做了相关分析的基础上,采用SinoMOS(宁波中纬)的1um耗尽型NMOS工艺,设计一款AC/DC转换控制芯片,该芯片电路具备驱动高压功率开关管的能力,控制其完成AC/DC转换功能。芯片的主要特点为具有宽VDD电压容许范围:8.5~40V,具有过流保护、带迟滞的欠压闭锁,过压保护,过流信号前沿消隐,软启动等功能。并使用Hspice软件完成电路仿真验证,使用Cadence下的Virtuoso软件进行版图设计。本文主要内容如下:(1)阐述AC/DC开关电源的应用领域、构成、与线性电源相比的优缺点、国内外的研究状况以及研究AC/DC开关电源的意义。(2)阐述说明了BUCK结构的开关电源的工作原理、基本结构、反馈控制类型等相关知识。(3)根据提出的电路特点,分模块描述,设计和分析了每个子电路模块,使每个模块的功能满足设计要求,并且搭建了整个电路。并且使用SinoMOS提供的工艺库,使用Hspice(Synopsys)仿真软件对每个模块进行了仿真,给出了每个模块的仿真波形图并进行了说明,最后搭建了仿真平台进行了总体功能仿真,验证了电路功能:设计电路系统在完成软启动功能之后,在内部电路的协同工作下完成对60kHz时钟波形的PWM调制,输出经过PWM调制的驱动信号驱动一个高压开关管,完成AC/DC转换,将一个高压的AC信号,转换成20V的DC电压。(4)介绍了版图设计方法,利用Virtuoso(Cadence)进行了版图设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电源技术的发展及其对集成电路的要求
• 1.1.1 线性电源
• 1.1.2 开关电源
• 1.2 国内外研究现状及发展情况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 本论文意义及工作简介
• 第二章 AC/DC 开关电源的工作原理
• 2.1 开关电源简介
• 2.2 开关电源的调制方式
• 2.2.1 PWM 调制方式
• 2.2.2 PFM 调制方式
• 2.3 控制模式
• 2.3.1 电压反馈控制模式
• 2.3.2 电流反馈控制模式
• 第三章 工艺选择，系统与关键子电路设计仿真
• 3.1 工艺选择
• 3.2 系统构架
• 3.3 主要模块电路分析与仿真
• TRIM 模块'>3.3.1 微调和基准电压VREF_TRIM 模块
• 3.3.2 过压欠压保护模块
• BIAS 模块'>3.3.3 OSC 以及OSC_BIAS 模块
• amp 结构分析'>3.3.2.1 比较器osc_amp 结构分析
• 3.3.2.2 整体电路结构分析
• 3.3.2.3 电路的工作原理
• 3.3.4 LOGIC 模块
• 3.3.5 BLANKING 模块
• DRIVE 模块'>3.5.6 GATE_DRIVE 模块
• CURRENT 模块'>3.3.7 OVER_CURRENT 模块
• 3.3.8 Drain－VDD 模块
• 3.3.9 Regulator 模块
• 3.4 整体电路的工作行为描述与功能仿真
• 3.4.1 整体电路的工作行为描述
• 3.4.2 整体电路仿真
• 3.5 关于Trim OSC 频率之后对峰值电流参数的正面影响
• 第四章 子模块的版图实现与设计要点
• 4.1 工艺简介
• 4.2 版图设计与验证
• 4.2.1 版图设计方法
• 4.2.2 版图设计技术
• 4.3 40V 耐压管结构
• 4.4 版图设计
• 4.4.1 Vref 模块
• 4.4.2 过压欠压保护模块
• Bias 模块'>4.4.3 Blanking， OSC， OSC_Bias 模块
• 4.4.4 过流比较器模块
• DRIVE）模块'>4.4.5 栅驱动（GATE_DRIVE）模块
• 4.4.6 DRAIN-VDD 模块
• 4.4.7 总体电路版图
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果