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基于数字扩展脉宽调制的单感双输出升降压型直流—直流转换器

发布时间:2018-04-25 16:12

  本文选题:数字直流-直流转换器 + 单电感双输出转换器 ; 参考:《复旦大学》2014年硕士论文


【摘要】:功能越来越多、价格日趋低廉的各式智能手持设备、消费电子产品层出不穷,在能源紧张趋势明显、成本竞争激烈的大环境下,这对高效电源管理芯片提出严峻挑战,同时也带来了机遇。单电感双(多)输出转换器因其片外电感数量少,大大节约了电子产品的制造成本,同时也为便携式设计带来方便。另一方面,随着系统复杂度增加对电源管理芯片提出更多的要求,以及工艺进步对模拟电路设计造成的压力,具有高度灵活性和智能化的数字电源管理芯片近年来得到集成电路学术界和工业界的广泛关注。本论文所研究和设计的基于数字扩展脉宽调制(DEPWM)的单电感双输出(SIDO)升降压型直流-直流转换器,在对转换器功率级直流分析和交流小信号分析的基础上,对比各种调制模式和控制方式,结合模拟方式扩展脉宽调制(EPWM)的基本原理和数字控制的优势,提出一种数字扩展脉宽调制的算法。通过系统建模和仿真,实现了控制环路的数字化设计;同时针对发生大的负载跳变时的瞬态响应特性进行优化,对传统数字PID补偿器作出改进,设计一种双模控制的数字PID,减小了负载剧烈跳变引起的输出电压上冲(下冲)和恢复时间。论文针对数字电源对数模转换器低功耗、中等速度(开关频率)和精度的要求,采用窗口式延迟线结构ADC完成误差电压的模数转换。ADC转换动态范围为[Vref-0.125,Vref+0.125],最小分辨率为7.8125mV,而DEPWM有效精度为10bit,最小分辨率为1/1023,符合系统要求。由于本文中ADC应用对数和平均混合模数转换法则,在保证分辨率的同时有效降低位数,达到低功耗和高速响应的目的。芯片采用CHRT 3.3V/5.0V 035μm双栅CMOS工艺设计,输入范围:2.5V-5V,输出范围:1.2V-2.5V/2.5-5V,两路输出负载最大400mA。仿真结果表明,所提出的数字扩展脉宽调制器能够实现两路的稳定电压输出,输出纹波控制在30mV以内;应用改进型的双模数字PID补偿器,在一路输出发生大的负载跳变时,上冲(下冲)减小约60%,恢复时间缩短约50%,同时另一路交调电压在60mV以内。各项结果验证了本论文相关分析和创新设计的合理性。
[Abstract]:With more and more functions and lower prices of various kinds of intelligent handheld devices, consumer electronic products emerge in endlessly. In the environment of obvious energy tension and fierce cost competition, this poses a severe challenge to efficient power supply management chips. It also brings opportunities. Single inductor double (more) output converter has a small number of off-chip inductors, which greatly saves the manufacturing cost of electronic products and also brings convenience to portable design. On the other hand, as the complexity of the system increases, more demands are put on the power management chip, and the pressure on the analog circuit design is caused by technological progress. Digital power management chips with high flexibility and intelligence have attracted wide attention in the field of integrated circuit (IC) academia and industry in recent years. In this paper, a single inductor and double output sido DC / DC converter based on digital extended pulse width modulation (DEPWM) is studied and designed. Based on the DC analysis of power level and AC small signal analysis of the converter, Comparing with various modulation modes and control modes, combining the basic principle of analog extended pulse width modulation (EPWM) and the advantages of digital control, a digital extended pulse width modulation algorithm is proposed. Through system modeling and simulation, the digital design of control loop is realized, and the traditional digital PID compensator is improved by optimizing the transient response characteristics of large load jump. A dual mode control digital PIDs is designed to reduce the upburst (downrush) and recovery time of the output voltage caused by the violent jump of the load. This paper aims at the requirements of low power consumption, medium speed (switching frequency) and precision of digital power supply log-to-analog converter. The dynamic range of A / D conversion with window delay line structure ADC is [Vref-0.125 / Vref 0.125], the minimum resolution is 7.8125 MV, while the effective precision of DEPWM is 10 bit and the minimum resolution is 1 / 1023, which meets the system requirements. Because the logarithmic and average mixed analog-to-digital conversion rules are applied in this paper, the ADC can reduce the number of bits effectively while ensuring the resolution, and achieve the goal of low power consumption and high speed response. The chip is designed by CHRT 3.3V/5.0V 035 渭 m double-gate CMOS process. The input range is: 2.5V-5V, the output range is: 1.2V-2.5V / 2.5-5V, and the maximum output load is 400mA. The simulation results show that the proposed digital extended pulse width modulator can achieve two stable voltage outputs, and the output ripple is controlled within 30mV. The upburst (downthrust) is reduced by about 60, the recovery time is shortened by about 50, and the voltage of the other intersecting is within 60mV. The results verify the rationality of the related analysis and innovative design.
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM46

【共引文献】

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本文编号:1802055

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