宽输入高效率BUCK型DC-DC转换器关键模块的研究

发布时间：2020-11-14 14:17

　　 随着半导体技术和芯片设计能力的发展,高效率、低成本、更稳定且能够应用于更多场合的电源管理芯片得到国家的重视,但我国电源管理芯片的设计能力相对薄弱。作为DC-DC转换器芯片中必不可少的一类芯片——降压型DC-DC转换器,宽输入高效降压型的DC-DC转换器的研究具有非常重要的现实意义,因此本文设计了一种宽输入高效率的BUCK型DC-DC转换器。传统的BUCK型DC-DC转换器因其固定输入电压或者输入电压范围较窄等问题,限制了其应用范围。针对该类问题,融合耐高压的线性稳压器的宽输入框架和耐高压、高精度的电流采样框架,提出了一种集成耐高压宽输入线性稳压器模块和耐高压的电流采样电路模块,通过该模块使转换器能够工作在较大的输入电压范围,实测可以实现5-35 V的电压输入。针对传统结构的电压精度低和响应速度慢的问题,提出了一种融合脉冲宽度调制方式(PWM)和电流模式控制的系统反馈环路;同时,采用同步整流技术提高转换器的效率,设计了集成线性稳压器的供电选择逻辑来进一步降低内部线性稳压器部分的功率损耗,通过该方案有效地提高了转换器的转换效率;在转换器内部集成了可进行系统工作频率调节以及可与外部输入时钟频率同步的振荡器模块,使得转换器工作频率可以根据实际应用灵活选择,以实现工作频率最优化。针对转换器可能出现过流、过压等问题损毁系统内部电路结构,完成了一种简单高效的输出过流保护、过零保护等相应保护模块的设计。本转换器基于SMIC公司0.18μm的BCD工艺,利用Cadence工具完成关键模块的电路设计、电路仿真和电路优化,以满足系统设计指标的要求。仿真结果表明转换效率最高可达90%以上,其中当负载电流为2 A附近可达到93%,输入电压范围为5-35 V,同时输出电压纹波峰峰值小于19 mV、线性调整率为0.012%、负载调整率为0.0068%,转换器的工作频率为100 KHz-1000 KHz,实现了宽输入、高效率的设计要求。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN43
【部分图文】：

(a) (b)图 3-2 (a) 线性稳压器电路的输入输出仿真结果；(b) 线性稳压器电路的环路稳定性仿真结果3.1.2 电流采样模块设计与分析电流采样模块主要采样电感电流的变化，作为调节系统功率管导通占空比的一个反馈信号。采样电感电流变化的方式主要有：（1）在电感支路上串联一个小电阻，将电感电流变化转换成这个小电阻上电压的变化，这个电压变化作为采样模块的输入；（2）直接采样功率管源漏两端的电压变化，根据功率管导通时的等效电阻，可以得到功率管电流的变化；（3）直接采样电感两端的电压变化，根据电感电压和电感电流的微分关系，这个电压变化经积分操作后即可以得到电感电流的变化；（4）用一个跟功率管成一定比例的 MOS 管来采样功率管的电流变化，这个MOS管的源栅漏各端口同功率管接相同的电位，根据电流镜的比例关系可以同步采样电感电流[30-32]。本文将采用串联电阻方式来采样电感电流的变化，本文设计的电流采样电路如图 3-3 所示。其工作过程为：电流采样电路正常工作时，MHA、MHB、MHC 以及三极管

图 3-4 电流采样电路的仿真结果关键模块的设计分析可知：高效率指标将主要从系统静态功耗以方案有增加了内部线性稳压器的选择逻辑电路以控制的驱动电路。本节主要对这些电路进行设计辑模块设计与分析模块主要是根据转换器输出电压值的高低来-B 工作的信号 VLDO_ctr，即选择是由输入电压还是为线性稳压器的供电电压。本文设计的供电选择A

图 3-7 供电选择逻辑输出电压的仿真结果电压在 0 到 12 V 范围内变化时供电选择逻辑知，在 A 和 C 点为低电位时，供电选择逻辑电位时，且输出电压 VOUT在达到阈值 4.75 V电选择逻辑输出发生翻转，满足设计的要求，电压作为内部线性稳压器的供电电源，获得相模块分析与设计块主要产生合适的功率管驱动脉冲以及续流管间[33,34]，避免如功率管栅极驱动信号已经变低行放电，在未放电结束功率管栅极尚有一定电高，此时的功率管和续流管出现一起导通的现下，为得到低的等效导通阻抗以获的较低的导
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本文编号：2883568