一款同步恒流恒压控制的降压型变换器的研究与设计

发布时间：2017-10-08 10:17

  本文关键词：一款同步恒流恒压控制的降压型变换器的研究与设计

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【摘要】：随着电子电力技术的迅猛发展,便携式手持式设备种类和数量的日益增多,集成化电源管理系统已经在通信,电子计算机,消费类电子产品等领域得到了广泛的应用,移动终端的电源管理系统集成化程度越来越高。高频化、小型化、集成化已经成为未来电源管理芯片的主要发展趋势,如何在大范围、大波动输入电压条件下保持稳定工作、输出纹波小、对负载变化及时反应并作出相应调整和保证开关电源在降低自身功耗的同时提高其转换率的要求已成为芯片研究与设计的关键。本论文在深入分析了Buck型DC-DC开关电源转换器的工作原理、调制模式、电流环的稳定性以及电压环路频率补偿等方面的基础上设计了一款同步恒流恒压控制的降压型DC-DC变换器芯片。该芯片的输入电压范围为8.5~36V,典型值为12V,输出电压范围为1.2~28V,典型值为5V,最大负载电流高达9.6A,采用225kHz的固定开关频率,采用同步整流技术,芯片外部连接N型功率开关管和N型续流管,简化了系统内部电路的设计,减小了驱动损耗和导通损耗同时减小了芯片面积。论文提出了一种新颖的恒流启动控制电路,通过外挂电阻控制输出电流,与传统启动电路相比启动时间短,电感电流在几个周期内快速上升至恒定峰值,维持恒流充电,输出电压快速上升,因此有效保证了启动过程中的带载能力。该芯片采用PWM/PFM混合调制模式,当输出电流较大时芯片处于PWM调制模式,当输出电流较小时芯片进入PFM模式,在此模式下,当芯片进入休眠模式时,关断芯片大部分模块,仅保留基本的模块以减小静态功耗,提高芯片轻载时的效率。芯片内部具有可以把输入电压转化为芯片内部需要的5V电压的预调制电路,还集成了过温保护、过压保护、欠压关断等保护模块,提高了工作效率。正常工作条件下转换效率可达94%,从而节约成本同时减小了额外的花费。本文提出的同步恒流恒压控制的降压型变换器采用0.35μm标准BCD工艺,在Cadence软件平台下,利用Spectre仿真环境在不同的工艺角和不同的环境温度下对所设计的芯片子模块以及系统整体功能完成了仿真验证。从仿真结果来看,很好地实现了恒流控制功能。此款芯片适用于车载充电器/适配器、便携式充电设备、通用CC/CV充电应用等方面。目前该芯片已完成流片,正在进行测试。
【关键词】：开关电源 恒流恒压 降压型 DC-DC
【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11-13
• 缩略语对照表13-16
• 第一章 绪论16-20
• 1.1 论文的研究背景及意义16-17
• 1.2 开关电源的介绍17-19
• 1.3 论文的主要工作与章节安排19-20
• 第二章 DC-DC变换器原理概述20-32
• 2.1 Buck型DC-DC变换器的工作模式20-24
• 2.1.1 电流连续导通模式20-22
• 2.1.2 电流不连续导通模式22-24
• 2.2 DC-DC变换器的调制模式24-25
• 2.3 Buck型DC-DC变换器的控制方式25-28
• 2.3.1 电压型PWM控制方式25-26
• 2.3.2 电流型PWM控制方式26-28
• 2.4 Buck型DC-DC变换器的功耗分析28-32
• 第三章 系统设计及整体框架32-46
• 3.1 同步整流技术32-34
• 3.2 环路稳定性分析34-39
• 3.2.1 电流环稳定性分析及斜坡补偿34-36
• 3.2.2 电压环稳定性分析36-39
• 3.3 系统设计39-42
• 3.3.1 芯片的整体描述39-40
• 3.3.2 芯片应用与引脚定义40-41
• 3.3.3 系统性能框图和工作原理41-42
• 3.4 恒流启动原理42-46
• 第四章 关键子模块设计与仿真46-64
• 4.1 带隙基准模块46-50
• 4.1.1 工作原理46-47
• 4.1.2 电路设计47-50
• 4.1.3 仿真分析50
• 4.2 误差放大器50-54
• 4.2.1 工作原理50-51
• 4.2.2 电路设计51-53
• 4.2.3 仿真分析53-54
• 4.3 电流采样和斜坡补偿电路54-58
• 4.3.1 电流采样工作原理54-55
• 4.3.2 电流采样电路设计55-57
• 4.3.3 斜坡补偿电路设计57-58
• 4.3.4 仿真分析58
• 4.4 保护电路58-64
• 4.4.1 过温保护电路设计58-61
• 4.4.2 过温保护仿真分析61
• 4.4.3 欠压保护电路设计61-64
• 第五章 整体电路仿真与版图设计64-74
• 5.1 整体电路仿真64-70
• 5.1.1 整体仿真电路图64
• 5.1.2 整体功能仿真波形64-68
• 5.1.3 外围器件的选择68-70
• 5.2 芯片版图设计70-74
• 5.2.1 版图设计过程与规则70-71
• 5.2.2 子模块的版图设计71-73
• 5.2.3 整体版图设计73-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 作者简介82-83

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本文编号：993454