同步降压型DC-DC开关电源关键模块设计

发布时间：2020-11-04 20:38

　　 在现代社会,人们对电子产品的依赖已经远超过去的任何时候,随着集成电路技术的日新月异,电子产品的体积越来越小,功耗越来越低,而功能却越来越强大。DC-DC开关电源芯片作为各种电子产品的核心部件之一,其性能对电子设备的续航时间和寿命有着决定性的影响。为了让电子设备具有更高的应用价值,DC-DC开关电源芯片的低功耗、高转换率设计逐渐成为了集成电路设计领域的研发热点。本论文基于标准0.5μm BCD工艺,主要研究同步降压型DC-DC开关电源中带隙基准源和单次计时器两个关键电路模块的设计、仿真与版图实现。本文主要内容包括:1、简要阐述开关电源的发展概况,并讨论了开关电源在未来的发展趋势。2、叙述同步降压型DC-DC开关电源系统的基本原理。3、介绍谷值电流控制的系统架构,其中包括谷值控制模式工作原理、同步整流技术、外围器件的选择等,总结了恒定导通时间谷值电流控制的优点。4、详细阐述了本文所提出的带隙基准源电路的设计与仿真过程,其中包括预调制部分和带隙基准源核心部分两个电路模块。本文所介绍的带隙基准源输出电压不仅具有较低的温漂系数,而且可实现在较大范围电源电压下工作并具有较低的线性调整率,这主要得益于使用了预调制电路结构代替传统启动电路,并在核心电路中使用高增益两级放大器结构。在TT工艺角下,仿真结果表明,在-40℃—80℃的温度范围内,温漂系数为14.36ppm/℃。在3到10V电源电压工作范围内,其输出端的电压变化仅为30μV,线性调整率达到4.3μV/V。电路的电源抑制比为102dB,在3.3V典型工作电压下功耗为300μW。5、详细阐述了本文所提出的单次计时器的设计与仿真过程。本文所设计同步降压型DC-DC开关电源工作在恒定导通时间谷值电流控制模式下,之所以采用这种电路控制模式,是因为该模式具有转化效率较高,能够稳定工作在高频环境下等特点。而单次计时器正是用于产生固定导通时间的关键电路模块。同时为了保持开关电源输出电压的稳定,谷值电流控制模式中的开关管工作频率要有一个上限,这个上限是由单次计时器的最小导通时间T_(ON)决定。本文所设计的电路中最小导通时间约为40ns。6、阐述版图设计中需要考虑的因素,如匹配性、抗干扰及寄生效应、可靠性等,并展示了所设计的带隙基准源和单次计时器版图。7、对论文的不足之处和模块设计结果进行总结。
【学位单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN86
【部分图文】：

第 2 章 同步降压型 DC-DC 开关电源系统基本原理 章 同步降压型 DC-DC 开关电源系统基本压型 DC-DC 开关电源的工作及稳压原理降压型 DC-DC 开关电源的工作原理同步降压型 DC-DC 开关电源的拓扑结构。当 M1打，二极管截止，当 M1断开时，电感和电容放电，二 UL，所以能够起到降压作用。在后文所提到的控制一样的功能，RS 锁存器控制开关管的开启和关断，R和比较器共同控制。

(a) (b)图 2-2 (a)CCM 工作模式；(b)DCM 工作模式图 2-2（a）为 CCM 工作模式，（b）为 DCM 工作模式，当开关电源处于连续工作模式（CCM）时，将开关的导通时间设为 DT，在这段时间流经电感的电流变化量为（VIN VOUT）DT L[14]；假设把开关的关断时间定为(1 D)T，那么在电感上流过的电流变化量为 VOUT(1 D)T L[15]，当电路达到稳定时，在这段时间内在电感上流过的电流差值为零，所以:LVDTLVVDTINOUTOUT) (1 ) （ （2.2）OUTINV DV（2.3）其中 VIN为电源输入的电压，VOUT为电路输出电压，T 为完成一个周期所用的时间，TON为开启时间。公式(2.3)表明，当电路达到稳定状态时，电路的输出电压值与占空比以及

第 2 章 同步降压型 DC-DC 开关电源系统基本原理在采用了 PWM 控制方式的开关电源电路后，如图 2-3 所示，内部振荡电路OSC 产生一个固定的时钟频率。在这个时钟周期内，输出电压会经过外环负反馈电路流经误差放大器，并在误差放大器的输出端产生误差电压 VERROR。内环负反馈会产生一个周期性的三角波，这个三角波是对电感峰值进行采样后得到的信号 VSENSE。相比于 VERROR，当后者高于前者的时候，比较器能够通过对单稳态触发器进行复位从而使开关晶体管导通或关断，这样就能通过控制导通时间 TON来调节占空比 D，最终实现使输出电压稳定的目的[19]。
【参考文献】

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本文编号：2870582