电流模式降压型DC-DC转换器的设计

发布时间：2020-05-13 10:46

【摘要】：本文分析、设计了一款电流反馈模式控制PWM单片DC-DC转换器。该DC-DC转换器的特点是内置了功率MOSFET，同步整流MOSFET；工作电压范围5～25V，输出电流可以达到稳定的2A，输出电压根据输出电阻可以调整。转换速率400KHz。该换换器的特点是动态相应快，启动时输出电压和电流过冲小，具有软启动特点，输出纹波小(4～18mV)。由于该转换器将开关功率管内置，而且该芯片具有过流，过稳等保护功能，所以客户使用的时候只需要很少的外围器件就可以实现完整的开关电源。 文章首先对单片开关DC-DC转换器的各种类型进行了介绍，对电压反馈和电流反馈两种控制模式进行了原理阐述和特点对比，然后根据设计要求进行了本文整体电路的设计。然后在现有的工艺模型参数下分析、设计芯片内各个子电路模块。重点分析了电流反馈环路，斜波补偿电路，误差放大器、基准产生电路等几个模块。而且由于工艺的限制，对原设计进行了改变和优化，使之能在现有工艺下实现设计要求并且完成了芯片的layout设计。 最后，对整体电路和整体layout在0.8μm BiCMOS工艺模型基础上，使用Cadence的Spectre进行仿真验证，仿真了不同输入电压、不同工作环境温度、不同工艺参数等情况，仿真结果均达到设计要求。通过仿真结果也验证了本文的设计实现了设计思想。
【图文】：

图3.6ose111ato:输出三角波和方波振荡器仿真结果如图3.6所示，输出固定40K和400K的同步方波和锯齿波。在无外部输入时钟信号时，Lgoci模块中的同步电路输入端sny。悬空，通过一个内部下拉电阻使同步输出固定电位;当snyc端输入大于410HKz时钟频率时，每个周期中，同步时钟输出高电平对振荡器电容C。强制放电，使振荡频率跟随外部时钟频率。芯片刚刚上电时，输出电压很小，这个时候输出电压的反馈电压一直不能达到使PWM比较器翻转的闽值，而这个时候振荡器内部电容的充放电时间由一个电阻窜对基准电压的分压和很小的充放电电流决定，，所以如图3.7所示波型的前部分，频率始终是一个比较小的固定值，大概是40K;当输出电压增加到它的反馈电压达到PWM比较器翻转的闭值，PWM比较器开始翻转，这时充放电电流增加，荡器频率也增加，如图3.7波型后部分所示。

避免功率管对其它模块的影响，发热对芯片的影响，大电流发热量大的电路放在版图上半部，量小的电路放在版图下半部分，整个版图布局上热量从上往版图面积，功率管采用梳状结构尽量减小其面积;图上优化BPIolar器件性能:采用多晶硅发射极双极工艺，提高晶体管的电流增益，减小和下降时延，改善其频率特性;在NPN基区重新注入一层深硼，形成外基区，同时这一层也管的集电极和发射极。此举减小了基区电阻，提高了PNP管益;NPP管多设计成多发射极对称型结构，保证了各路电流相匹电路从整个模块和内部电路上尽可能实现对称分布，减小工分布对基准电压的影响。通过DRC和VLS验证的版图如图.45所示。
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP335

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本文编号：2661838