一款高精度非同步Buck型DC-DC转换器XD1582的设计

发布时间：2017-11-01 22:03

  本文关键词：一款高精度非同步Buck型DC-DC转换器XD1582的设计

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【摘要】：随着科技的飞速发展,电源管理类芯片的性能越来越受到重视。尤其是具备高效率的开关电源芯片逐渐被应用于各种由电池供电的便携式数字设备,比如手机、平板、个人数字辅助装备(PDA)等掌上设备。电源管理系统设计中越来越看重高效、节能、绿色等方面的性能,于是高性能、低功耗、低干扰的电源芯片在同类竞争中脱颖而出,倍受青睐。本文基于此背景,结合在实验室所积累的科研项目,完成了一款高性能、高精度的非同步降压型DC-DC转换器芯片的设计与实现。本文在详细研究了Buck型DC-DC转换器的基本工作原理和PWM调制模式以及连续导通工作模式(CCM)的基础上,设计一款高精度非同步降压型DC-DC转换器。该电路采用峰值电流模控制模式,有效提高了系统的瞬态响应速度,消除了输出电感造成的双极点,且很容易设计其控制环路。系统采用PWM调制模式,在工作频率固定的情况下,通过调节占空比的大小来实现对输出电压的调制,其外部电路结构简单固定,输出电压纹波较小且具有良好的线性度。为防止占空比超过50%时引起的亚谐波震荡,芯片内部加入了斜坡补偿电路,能很好地提高峰值电流模控制电路的稳定性。芯片内部自带基准参考电压产生电路,且通过加入高温补偿进一步优化了基准参考电压的精度,有效消除外部输入电压波动对内部模块的影响,这不仅提高了电路性能,也降低了芯片功耗。系统的保护电路有过温保护电路,且加入了一定的迟滞防止误翻转的发生,有效地对芯片工作温度进行限制,保护电路不被烧坏。加入了逐周期的电流限制功能,逐周期地检测流过电感的电流,实时保护电感不会因过流而烧坏。在过流乃至短路状态下芯片会进入打嗝模式,有效防止了故障期间对芯片造成的损坏。设计了一个以鉴频鉴相器、电荷泵、压控振荡器(VCO)为基础的同步时钟模块,使芯片内部时钟能有效同步外部所给的时钟。在芯片启动阶段,设计相对较为简单的软启动模块用以防止转换器的输出电压出现较大过冲,实现了输出电压的平稳启动。此外,芯片还集成了欠压锁存、过压保护、自举等多种功能电路。其固定工作频率为420kHz,高工作频率使得其外部元件的尺寸相对较小。本文提出的高性能、高精度非同步降压型DC-DC转换器基于0.6um的BCD工艺设计,在Cadence软件平台的基础上,实现了整体电路的设计与仿真。芯片输入电压范围为4.5~30V,最大5A负载电流,最高效率可达95%。
【关键词】：非同步 DC-DC转换器 PWM调制 斜坡补偿
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-16
• 第一章 绪论16-22
• 1.1 开关电源通论16-19
• 1.1.1 开关电源的分类16-17
• 1.1.2 开关电源的性能指标17-18
• 1.1.3 开关电源的发展方向18-19
• 1.2 本论文的内容安排19-22
• 第二章 DC-DC转换器的原理介绍22-40
• 2.1 DC-DC转换器工作的基本原理22-29
• 2.1.1 伏秒平衡原理23-24
• 2.1.2 Buck型DC-DC转换器24-25
• 2.1.3 Boost型DC-DC转换器25-27
• 2.1.4 Buck-Boost型DC-DC转换器27-29
• 2.2 Buck型DC-DC转换器的工作模式29-33
• 2.2.1 连续导通工作模式（CCM）29-30
• 2.2.2 非连续导通工作模式（DCM）30-33
• 2.3 DC-DC转换器的调制方式33-36
• 2.3.1 脉冲宽度调制（PWM）33-34
• 2.3.2 脉冲频率调制（PFM）34
• 2.3.3 跳周期调制（PSM）34-35
• 2.3.4 PWM、PFM及PSM混合调制方式35-36
• 2.4 Buck型DC-DC的PWM控制模式的选取36-40
• 2.4.1 电压控制模式（Voltage Mode Control）36-37
• 2.4.2 电流控制模式（Current Mode Control）37-40
• 第三章 芯片XD1582的系统设计40-60
• 3.1 芯片XD1582的整体设计需求40-43
• 3.1.1 芯片XD1582概述40
• 3.1.2 芯片XD1582的应用范围40
• 3.1.3 芯片XD1582的主要特点40-41
• 3.1.4 芯片XD1582封装及引脚定义41-42
• 3.1.5 芯片XD1582关键电特性指标42-43
• 3.2 XD1582的系统功能设计及主要功能描述43-45
• 3.2.1 芯片XD1582的内部系统结构框图43-44
• 3.2.2 芯片XD1582子模块功能描述44-45
• 3.3 系统的工作原理45-48
• 3.3.1 芯片XD1582的典型应用电路45-46
• 3.3.2 外围器件的选择及参数的确定46-48
• 3.3.3 芯片XD1582关键技术48
• 3.4 系统的环路稳定性分析48-57
• 3.4.1 电压环路稳定性分析48-53
• 3.4.2 电流环路稳定性分析53-57
• 3.5 开关电源主要功耗分析57-60
• 第四章 芯片XD1582子模块设计与仿真60-82
• 4.1 带二阶温度补偿的电压基准模块60-64
• 4.1.1 功能描述60
• 4.1.2 等效架构图60
• 4.1.3 原理分析60-63
• 4.1.4 电路仿真结果分析63-64
• 4.2 鉴频鉴相器及电荷泵模块64-67
• 4.2.1 功能描述64
• 4.2.2 原理分析64-66
• 4.2.3 电路仿真结果分析66-67
• 4.3 欠压锁存模块67-69
• 4.3.1 功能描述67
• 4.3.2 原理分析67
• 4.3.3 电路设计67-68
• 4.3.4 电路仿真分析68-69
• 4.4 误差放大器模块69-78
• 4.4.1 功能描述69
• 4.4.2 原理分析69
• 4.4.3 电路设计69-75
• 4.4.4 电路仿真分析75-78
• 4.5 使能/同步控制模块78-82
• 4.5.1 功能描述78
• 4.5.2 原理分析78
• 4.5.3 电路设计78-80
• 4.5.4 电路仿真分析80-82
• 第五章 电路的整体性能仿真82-88
• 5.1 芯片整体参数指标82-86
• 5.1.1 输出电压与电感电流82-83
• 5.1.2 负载调整率83
• 5.1.3 芯片效率83-84
• 5.1.4 hiccup模式84-85
• 5.1.5 输出电压纹波85-86
• 5.2 芯片版图布局86-87
• 5.3 本章总结87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-94
• 作者简介94-95

【参考文献】

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本文编号：1128689