高效率峰值电流模BOOST型DC-DC转换器的研究与设计

发布时间：2017-10-05 09:26

  本文关键词：高效率峰值电流模BOOST型DC-DC转换器的研究与设计

  更多相关文章： DC-DC转换器 峰值电流模式 欠压锁定 误差放大器 软启动

【摘要】：随着便携式电子设备的迅速发展,具有体积小、转换效率高、功率密度高等诸多优势的开关电源管理芯片得到了广泛的应用,成为了近几年研究的热点。本论文通过论述DC-DC转换器的拓扑结构、原理、调制模式和反馈机制。在此基础上,设计一款高效率Boost型DC-DC转换器芯片,该转换器采用了峰值电流控制模式,具有瞬态响应快、补偿网络简单和内嵌电流限制的优点;同时采用了轻载时转换器从PWM模式切换到PSM模式的调制方式来提高轻载的转换效率;另外该芯片还集成了欠压锁定、过温保护等多种保护功能。根据系统的功能指标,设计整体电路架构;根据系统功率的损耗源分析转换效率的影响因素;基于实际电路的系统稳定性进行分析,并提出相关的解决方案。对整个DC-DC转换器芯片的各个模块电路进行了设计和仿真验证,主要的创新点为:(1)设计了一种适合于峰值电流模DC-DC转换器的多功能误差放大器电路,该误差放大器可实现软启动、模式(PWM/PSM模式)切换、最大峰值电流限制功能,并且电路简单,容易实现;(2)设计了一种可片内集成的斜坡电压产生电路,该电路采用脉冲吞咽和窄脉冲充电技术,以小电容实现了缓慢上升的斜坡电压。斜坡电压产生电路与多功能误差放大器电路巧妙结合,无需开关进行切换,实现了从启动状态平滑地过渡到稳定状态,无扰动现象出现,并能有效地消除了启动过程中的浪涌电流,输出电压平稳上升、无过冲。电路基于CSMC 0.5μm 25V BCD工艺,采用Cadence Spectre仿真工具进行系统仿真。该DC-DC输入电压范围为:3~7V,输出电压范围为:INV~12V,开关频率固定为1MHz。仿真结果表明:在V_(IN)=5V、V_(OUT)=12V、L=10μH、C_(OUT)=10μF的典型应用条件下,负载电流0~500mA范围内时,最大输出电压纹波小于30mV;负载电流为5~500mA时,转换效率可达到90%以上。该DC-DC具有输出电压纹波小、功耗低、线性调整率好、负载瞬态响应快和转换效率高等优点。
【关键词】：DC-DC转换器 峰值电流模式 欠压锁定 误差放大器 软启动
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状和发展动态11-12
• 1.3 论文的主要内容和创新点12-13
• 1.4 论文的章节安排13-14
• 第2章 DC-DC转换器的基本原理14-28
• 2.1 DC-DC转换器的基本类型14-15
• 2.2 Boost型DC-DC转换器的工作原理分析15-21
• 2.2.1 工作原理15-16
• 2.2.2 CCM模式16-18
• 2.2.3 DCM模式18-20
• 2.2.4 CCM和DCM临界条件分析20-21
• 2.3 Boost型DC-DC转换器的调制模式分析21-24
• 2.3.1 PWM模式21-22
• 2.3.2 PFM模式22-23
• 2.3.3 PSM模式23-24
• 2.4 Boost型DC-DC转换器的反馈控制模式分析24-28
• 2.4.1 电压控制模式24-25
• 2.4.2 电流控制模式25-28
• 第3章 芯片系统的结构设计与性能分析28-44
• 3.1 芯片的功能要求和规格参数28-29
• 3.1.1 整体功能概述28
• 3.1.2 引脚功能描述28-29
• 3.2 系统结构设计29-31
• 3.3 DC-DC转换器外围器件的选择31-33
• 3.3.1 电感的选择31-32
• 3.3.2 输入电容的选择32
• 3.3.3 输出电容的选择32-33
• 3.3.4 二极管的选择33
• 3.4 系统转换效率的分析研究33-36
• 3.4.1 导通损耗34-35
• 3.4.2 续流二极管的损耗35
• 3.4.3 驱动损耗35
• 3.4.4 开关损耗35-36
• 3.4.5 静态损耗36
• 3.5 系统稳定性分析36-44
• 3.5.1 电流环路稳定性分析36-40
• 3.5.2 电压环路稳定性分析40-44
• 第4章 系统子模块电路的设计与仿真44-73
• 4.1 电压调整电路的设计44-50
• 4.1.1 与温度无关的基准44-46
• 4.1.2 电压调整电路的实现及原理分析46-48
• 4.1.3 仿真结果48-50
• 4.2 基准电压电路的设计50-53
• 4.2.1 功能要求50
• 4.2.2 电路实现及原理分析50-51
• 4.2.3 仿真结果51-53
• 4.3 振荡器（OSC）电路的设计53-55
• 4.3.1 振荡原理及电路实现53-55
• 4.3.2 仿真结果55
• 4.4 多功能误差放大器的设计55-61
• 4.4.1 多功能误差放大器的工作原理56-59
• 4.4.2 误差放大器的电路原理59-60
• 4.4.3 仿真结果60-61
• 4.5 软启动电路的设计61-64
• 4.5.1 软启动的电路实现及工作原理62-63
• 4.5.2 仿真结果63-64
• 4.6 PWM比较器模块64-66
• 4.6.1 电路实现及原理分析64-65
• 4.6.2 仿真结果65-66
• 4.7 驱动电路模块66-69
• 4.7.1 电路实现及工作原理分析67-68
• 4.7.2 仿真结果68-69
• 4.8 其他功能保护电路的设计69-73
• 4.8.1 UVLO电路69-71
• 4.8.2 过温保护电路71-73
• 第5章 芯片的整体仿真与版图设计73-86
• 5.1 整体电路功能仿真73-79
• 5.1.1 重负载PWM仿真73-74
• 5.1.2 轻负载PSM仿真74-75
• 5.1.3 软启动功能仿真75
• 5.1.4 电感限流功能仿真75-76
• 5.1.5 PWM/PSM模式切换功能仿真76-77
• 5.1.6 欠压锁定功能仿真77-78
• 5.1.7 工作温度范围78-79
• 5.2 整体电路性能仿真79-83
• 5.2.1 线性调整率响应79
• 5.2.2 负载调整率响应79-80
• 5.2.3 开关管的导通电阻特性80-81
• 5.2.4 时钟振荡频率特性81-82
• 5.2.5 系统的转换效率82-83
• 5.3 版图的设计83-86
• 5.3.1 版图布局83-84
• 5.3.2 版图的设计细则84-86
• 第6章 总结与展望86-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-94
• 附录A 芯片的电学特性94-95
• 附录B 芯片中关键模块的版图芯片95-98
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果98

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本文编号：976025