低功耗降压型DC/DC变换器的设计研究

论文摘要

近些年内,随着以手机为代表的消费类电子产品市场急剧增加,相对应的电源管理芯片需求也日益增加。与此同时,消费类电子产品功能的增多和电池能量的相对固定,成为了电源管理的新挑战。因此,设计高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素。这也是本次设计高效同步整流降压DC/DC变换器的主要目的。本次设计内容是一块采用同步整流型Buck型的DC/DC变换器的芯片。考虑到当前在SoC设计中数字CMOS工艺占有主导地位,因此本课题的研究内容是:基于标准数字CMOS工艺(SMIC0.35um CMOS工艺)的Buck型、低功耗DC/DC变换器的设计与研究。本论文比较分析了多种DC/DC变换器的实现方法,以及各种反馈控制方式的优缺点,并最后选择采用电压模式的PWM反馈控制方式的Buck降压电路来实现,提高输出的精度和动态特性。并且按照课题提出的设计规格和低功耗的要求,对Buck电路中的元件参数进行了优化设计。在实现过程中,设计了带隙基准电压源,以确保输出电压随输入电源电压变化的波动较小;另外,设计了低功耗的折叠式误差放大器、低功耗功率管驱动电路等。论文分析了BuckDC/DC变换器系统存在的常见问题,系统不稳定问题,启动时电流浪涌现象等,并相应地加入反馈补偿网络、软启动电路等。并对这些电路进行了仿真测试。最后进行了整体系统的仿真优化,并采用同步整流技术,通过低功耗的驱动电路,降低了变换器的整流损耗,提高了系统的效率。性能良好,输出电压纹波小(＜2%),系统转换效率高(在90%以上)。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 DC/DC变换器概述
• 1.2 电源管理的发展
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 本课题研究的内容
• 1.5 本论文的结构体系
• 第2章 DC/DC变换器的基本原理
• 2.1 DC/DC变换器的实现方式介绍和比较
• 2.1.1 线性稳压电源介绍
• 2.1.2 电荷泵变换器介绍（Charge Pump）
• 2.1.3 开关电源介绍
• 2.2 DC/DC变换器的基本类型
• 2.2.1 Buck DC/DC变换器
• 2.2.2 Boost DC/DC变换器
• 2.2.3 Buck-Boost DC/DC变换器
• 2.3 DC/DC变换器的调制方法
• 2.3.1 脉冲宽度调制（PWM）
• 2.3.2 脉冲频率调制（PFM）
• 2.3.3 PWM/PFM混合控制模式
• 2.4 DC/DC变换器的控制环路
• 2.4.1 电压型PWM的控制
• 2.4.2 峰值电流型PWM的控制
• 2.4.3 电流模式存在的缺点
• 2.5 BUCK DC/DC变换器反馈网络的稳定性的分析
• 2.5.1 闭环控制与稳定性的分析
• 2.5.2 Buck变换器闭环控制与稳定性
• 2.5.3 Buck DC/DC变换器补偿网络的设计
• 2.5.4 同步整流技术的应用
• 第3章 DC/DC变换器的设计
• 3.1 BUCK型DC/DC变换器设计要求
• 3.2 具体设计步骤分析
• 3.3 DC/DC变换器结构图
• 3.4 BUCK电路参数的设计
• 3.4.1 电感值的设计
• 3.4.2 电容值的设计
• 3.4.3 功率管的设计
• 3.5 DC/DC变换器反馈电路的设计
• 3.5.1 基准电压源的设计
• 3.5.2 锯齿波产生电路的设计
• 3.5.3 误差放大器的设计
• 3.5.4 PWM控制信号产生电路的设计
• 3.5.5 低功耗的驱动电路的设计
• 3.6 变换器常见问题分析与解决方法
• 3.6.1 开机最大占空比抑制
• 3.6.2 启动浪涌电流现象与软启动电路设计
• 3.6.3 过流保护电路的设计
• 3.6.4 变换器的稳定性和补偿网络的设计
• 第4章 模块仿真测试和结果
• 4.1 电路主要模块的测试与仿真
• 4.2 基准电压源的仿真
• 4.2.1 带隙基准电路的软启动的仿真
• 4.2.2 误差放大器的仿真
• 4.3 OTA电路的仿真
• 4.4 锯齿波产生电路的仿真
• 4.4.1 比较器的性能测试
• 4.4.2 锯齿波仿真结果
• 4.5 PWM控制信号产生电路的仿真
• 第5章 系统仿真优化与测试
• 5.1 系统效率优化
• 5.2 系统的仿真与测试
• 5.2.1 系统闭环稳定性的测试
• 5.2.2 系统的软启动功能测试
• 5.2.3 输出电压随输入电压的波动的测试
• 5.2.4 不同负载下的输出电压纹波测试
• 5.2.5 不同输入电压和不同负载条件下效率的测试
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士在读期间发表或录用的论文