具有快速瞬态响应特性的开关电源转换器的设计与验证

摘要

随着集成电路技术的迅猛发展，面向便携式设备应用的电源管理芯片凭借其高集成，高效率，高控制精度在半导体领域异军突起。同时，轻便、超长运行时间以及稳定供电使得电源管理芯片市场成为电子领域持续关注的热点。而且随着便携式设备的广泛应用，对电源管理芯片也提出了更高的要求，例如低成本、低功耗、高可靠性等。因此，为了能够适应市场需求，开发具有更加优异性能的电源管理芯片一直是电源研发工程师秉承的一个理念。
　　本文深入研究了DC-DC开关电源的工作原理，重点围绕BUCK型DC-DC展开了系统而全面的分析，通过比较拓扑结构、调制方式和工作模式的优缺点，设计了一款重载伪 PWM、轻载 PFM调制方式和重载电感电流连续和轻载非连续工作模式的BUCK型 DC-DC。研究成果包括：为了改善瞬态响应特性，本文采用恒定导通时间控制方式，通过采样输出控制主开关管的开启使得调整时间非常短。同时电路环路不包含误差放大器，因此不需要考虑环路补偿的问题。为了改善电感电流的检测速度本文提出一种近似无损耗的电感电流采样电路。通过简单地改变采样比例，可以用于大负载的情形。同时可以很方便地通过改变输入端电阻的比例实现在非连续导通模式的快速响应，使得采样电路的输出能够真实地反映电感电流的变化趋势。此外通过在调整管的栅源极间串接电容，可以对电源电压的毛刺实现有效地抑制作用。为了在多种输入电压范围提供恒定的开关频率，本文通过引入片外电阻的设计来抵消因输入电压变化导致的频率改变。电路采用同步整流技术，具有电流连续导通和电流非连续导通两种不同的工作模式，芯片集成一系列保护电路，使其避免过压、短路、过温及过流等问题。
　　本款芯片采用0.5μm BCD18V工艺模型，使用Cadence EDA设计工具和Spectre仿真平台对芯片的关键子模块及整体电路进行设计与仿真验证。经验证，在同样基于恒定导通时间控制方式下，本系统瞬态响应时间基本同步于负载电流的跳变时间，同时引起的下冲电压更低，在20mV以下；在电感电流检测电路设计上，共栅放大一直工作在正常状态，在下一个周期，当开关管被打开时系统不需要耗时去恢复各管子的工作状态。由此，输出端电流采样模块能对电感电流的变化迅速作出响应，从而提高了整个系统的工作效率；在输入电压的有效范围内，开关频率几乎不随输入发生改变。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状与趋势

1.3本文工作

1.4章节安排

第二章 DC-DC转换器的工作原理

2.1 DC-DC转换器的拓扑结构

2.2 DC-DC转换器的控制方式

2.3 DC-DC转换器的调制方式

2.4本章小结

第三章 芯片的系统级设计

3.1系统设计

3.2功能模块分析

3.3关键技术分析

3.4外围器件选择

3.5本章小结

第四章 芯片的主要模块设计与仿真

4.1 BOOST自举电路

4.2电流采样电路

4.3计时电路

4.4电平转换电路

4.5本章小结

第五章 芯片的整体仿真与版图设计

5.1启动特性

5.2瞬态响应特性

5.3效率特性

5.4线性调整率特性

5.5输出纹波特性

5.6版图设计

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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