宇航级BUCK型DC-DC开关电源关键技术研究

发布时间：2020-04-11 22:47

【摘要】：当今时代,各种便携式电子产品与人们的衣、食、住、行密不可分。DC-DC开关电源具有体积小、重量轻、效率高、功耗低等优点。它广泛应用于便携式电子产品、航空航天、电力电子器件、工业控制领域中。目前,我国的空间站、深空探测、长寿命卫星等宇航工程正式实施。新的航天工程对元器件质量、可靠性、寿命、小型化和低功耗等技术指标提出了更新、更高的要求。因此,对于宇航级Buck型DC-DC开关电源的研究与设计是非常有必要和有意义的。本文以DC-DC开关电源的发展趋势、建模方法的研究现状和辐射效应为出发点。首先,对DC-DC开关变换器系统进行研究,主要包括:调制方式、反馈控制方式和同步整流技术。其次,对Buck型变换器系统进行建模设计,主要包括:主电路的建模、电压控制环路的功率级建模,并运用matlab-simulink软件对其进行仿真验证。最后,对Buck型变换器系统中的电路模块进行设计与分析并用Cadence Spectre仿真软件进行仿真;对其中的关键电路模块-误差放大器进行辐射分析研究。由于数学模型的好坏以及精确度直接关系到系统的各种性能参数,因此对DC-DC开关变换器系统进行建模设计是对其进行系统分析的基础,同时也是关键技术。通过对其进行建模设计,从而对实际电路的设计具有指导意义。本文采用CSMC 0.5μm BCD工艺设计了一款Buck型DC-DC开关电源芯片。该芯片采用电压控制PWM调制的方法,运用Cadence Spectre仿真软件对整体电路进行模拟仿真,仿真结果表明在10V-15V的输入电压范围内,系统能稳定输出5V的电压。当输入电压为15V,负载电流为500mA时,输出电压纹波峰峰值为6mV,电感电流纹波峰峰值为106mA,达到设计要求。在此基础上,由于误差放大器在环路中占有举足轻重的地位,因此对其进行辐射分析研究并通过找到辐射对它性能参数的影响,对于提高它和整体电路的抗辐射能力具有指导意义。对开关管进行了加固设计,通过与原电路对比,提高了电路的抗辐射能力。
【图文】：

示意图,总剂量效应,物理过程,示意图

电子元器件在辐射作用下，将会产生总剂量效应（ＴＩＤ）、单粒子效应、剂量逡逑率效应、位移效应等效应，其中ＭＯＳ器件受到总剂量效应的影响更大。逡逑总剂量效应的物理过程如图１－３所示［１２］，它主要引起ＭＯＳＦＥＴ阈值电压漂逡逑移、漏电流增加、跨导下降、迁移率降低等［￣５］。逡逑态邋一———逡逑（ｎｉｔ）逡逑逦逡逑ｐ．逦被俘获空穴本＋邋＋邋＝邋＾逡逑电离辐照逦（Ｐｔ）邋＾逦＊逡逑Ｘ逡逑、电子找对逡逑■逡逑j9逦传输逡逑图１－３辐射总剂量效应的物理过程示意图逡逑集成电路在一定剂量的辐射源的电离辐射作用下，会在材料内部沉积能量，逡逑其Ｓｉ０２层会产生过剩的电子＿空穴对，其产生率与材料所吸收的能量成正比。在逡逑外电场的作用下，，电子的迁移率较高大部分电子容易移出Ｓｉ0２层，而一部分的逡逑５逡逑

仿真波形,状态空间平均法,型变换,仿真模型

＿ｃ邋／？ｃ」逡逑式子（３－３）中，Ｕｉ、Ｕ。、Ｄ和ＩＩ分别表示电源电压、输出电压、占空比和逡逑电感电流。运用ｒｎａｔｌａｂ－ｓｉｍｕｌｉｎｋ对其进行数学建模如图３－２所不。逡逑ｉ0邋逦？＾７＾＞逦￥逦＊逦—１１逦逡逑Ｃｏｎｓｔａｎｔ逦Ｇａｉｎ逦Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ邋＾逡逑逦ｒｊｒ＾逡逑Ｇａｉｎ３逦逦邋Ｓｃｏｐｅ逡逑＋邋多＞逦＾７）逦？邋ｌ邋邋ｕｏ４１逡逑＾＾逦Ｇａｉｎｌ逦Ｊ逦ｉｎｌｅｇｒａｌｏｒｌ逡逑Ｇａｉｎ２逦逦逡逑图３－２邋Ｂｕｃｋ型变换器状态空间平均法仿真模型逡逑在图３－２的仿真模型中，上半部分为针对电感电流ＩＩ的模型实现；下半部分逡逑为针对输出电压Ｕ。的模型实现，其仿真波形如图３－３所示。逡逑６ｉ逦逦逦逦逦逦逦１逡逑Ｉ５逦１逦１逡逑４邋逦＇逦逡逑３邋邋逦邋逦逦逦邋＇逡逑２邋邋逦逦逦ｊ逦ｊ逡逑＜邋１邋逦逦逦逦逦逦逦—逦逦二逦逦逦逦逦逡逑０邋ｒ逦Ｔ＂＂逦．■邋Ｉ邋…逦Ｉ逦．．邋—逡逑0逦０．０５逦０１逦０－１５逦０．２逡逑ｔ／Ｓ逡逑图３－３状态空间平均法仿真波形逡逑１７逡逑
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN86;V442

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