高效率峰值电流控制升压DC-DC转换器设计

摘要

随着半导体工艺技术的提高以及便携式电子产品的迅猛发展，电子产品对电源的要求越来越高，体积小、重量轻、效率高是电源IC发展的必然趋势。
　　 本文所研究的课题来源于中芯国际(SMIC)应用于手机电源管理芯片(PMU)IP的研发项目，主要研究内容是利用SMIC0.18um CMOS1.8V/3.3V Logic制造工艺，设计USB2.0接口的供电升压型DC-DC变换器。
　　 基于DC-DC变换器的工作原理，论文深入研究分析并比较了PWM和PFM反馈调制方式的优缺点；在此基础上，论文选择了采用电流模式的PWM反馈调制方式的Boost升压电路架构，并为电路的外围元件选择了最佳的参数值；结合PWM控制模式以及峰值电流控制环调节等理论，论文给出设计依据；根据功能需求，论文进行了电路的总体结构设计和子电路设计；论文重点研究分析了典型电路模块：电压基准源电路、比较器和误差放大器电路、电流采样电路、振荡器电路、斜坡补偿和逻辑控制电路。
　　 应用EDA软件Spectre和hspice，论文对各模块子电路和整体电路进行了功能仿真；仿真结果表明，各模块性能均达到预期设定指标；在典型情况下，该电路的线性调整特性和负载调整特性较好，电源转换效率较高。
　　 论文所设计的升压开关电源芯片具有实现电路简单、输出电压精度高、工作温度范围大、转换效率高等优点，其开关频率在600KHz左右，输入电压范围为2.97V～3.63V，能够输出稳定的5V电压，驱动范围为1mA～100mA，工作温度范围为-40℃～125℃，电源转换效率在负载为10mA～100mA时高达90％以上。
　　 论文还对所设计的电路进行了版图设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1电源管理技术背景介绍

1.2电源管理技术未来研究和发展方向

1.3几种直流电压转换器的概述

1.3.1低压线性稳压器(LDO)

1.3.2开关电源转换器(Switch Regulator)

1.4论文主要内容及架构

1.5本章小结

第二章 设计思想与总体结构

2.1设计目标

2.2设计思想

2.2.1脉宽调制(PWM)开关变换技术

2.2.2电流控制模式的特点

2.2.3峰值电流控制模式

2.2.4消除次谐波振荡的技术——人工斜坡补偿

2.3单片开关电源总体结构

2.3.1外围电感、电容参数选取

2.3.2开关电源的系统稳定性和补偿

2.3.3模块电路功能描述

2.4本章小结

第三章 子电路设计与验证

3.1基准源电路设计与验证

3.1.1基准电压源设计与验证

3.1.2基准电流源设计与验证

3.2比较器和误差放大器设计与验证

3.2.1比较器设计与验证

3.2.2误差放大器设计与验证

3.3电流采样电流设计及验证

3.3.1电流采样电路设计

3.3.2仿真验证

3.4振荡器设计和验证

3.4.1振荡器设计

3.4.2仿真验证

3.5斜坡补偿设计及验证

3.5.1斜坡补偿设计

3.5.2仿真验证

3.6逻辑控制电路设计及仿真

3.6.1逻辑控制电路设计

3.6.2仿真验证

3.7功率MOS管优化

3.7.1功率MOS管导通功耗PC

3.7.2功率MOS管动态功耗PD

3.8本章小结

第四章 系统电路仿真与验证

4.1功能仿真验证

4.1.1瞬态仿真

4.1.2改变负载(Loading)仿真

4.1.3输出电压纹波仿真

4.2性能仿真验证

4.2.1线性调整能力(Line Regulation)

4.2.2负载调整能力(Load Regulation)

4.2.3电源转换效率(Efficiency)

4.3本章小结

第五章 版图与封装

5.1版图设计和测试准备

5.1.1版图设计规则

5.1.2测试硬件

5.2封装的选择

5.3本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

研究成果