具有抗加特性的低压大电流DC-DC转换器设计与实现

摘要

DC-DC转换器在大多数电子设备中是必不可少的组成部件。随着我国航天事业的进步，对宇航级 DC-DC转换器提出了更为迫切需求。整机系统要求 DC-DC转换器具有效率高、负载电流大、线性调整率高、负载调整率高、瞬态响应速度快、噪声低、纹波低和抗辐射免疫力等特点，传统的DC-DC转换器已无法满足整机要求。目前宇航级DC-DC转换器产品少，需要设计、工艺和封装等平台的大力支持，是电源管理产品未来的发展方向。 本文提出了一种具有抗辐射加固特性的低压大电流DC-DC转换器，特点是电源电压范围宽，负载电流能力大，线性调整率、负载调整率和效率高。集成了误差放大器、基准电路、斜坡补偿电路、电流比较器、电荷泵、振荡器、电平转换电路和功率MOSFET管等单元电路，外围电路简单。本文提出的DC-DC转换器为降压型，采用峰值电流模式脉宽调制控制方式，具有更快的瞬态响应速度。在传统的电路结构基础上，采用了一种新颖的误差放大器电路结构，提高了DC-DC转换器的瞬态响应速度；采用了一种高电源电压抑制比的基准电路，提高了DC-DC转换器的线性调整率和负载调整率。提出了一种新颖的LDO电路结构，还提出了总剂量辐射和单粒子闭锁的版图加固方法。 本文提出的 DC-DC转换器基于某公司的0.18μm BCD工艺设计。首先，在Cadence软件中基于该工艺模型对DC-DC转换器电路进行了仿真设计，确认仿真结果达到设计要求；其次，完成了版图设计，用Calibre进行了设计规则检查和网表一致性检查，芯片面积为2.4mm×5.3mm；第三，完成了流片和封装；最后完成了测试和辐照摸底试验。 测试结果表明DC-DC转换器的输入电压范围达到3.0V~5.5V，负载电流能力达到3A，峰值效率达到95%，线性调整率小于0.1%，负载调整率小于0.5%，开关频率范围达到100kHz~1000kHz，总剂量辐射免疫力达到100kRad（Si），单粒子闭锁免疫力达到LET≥85 MeV-cm2/mg，满足设计要求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 开关电源概述

1.2 国内外发展状况

1.3 课题研究的意义

1.4 本文主要工作

1.5 本论文的结构安排

第二章 芯片架构设计

2.1 DC-DC转换器基本原理

2.2 DC-DC转换器分类

2.3 芯片架构设计

2.4 工艺选择

2.5 本章小结

第三章 关键单元电路设计

3.1 误差放大器

3.2 基准电路和低压差线性稳压器（LDO）

3.3 电流电压转换器和斜坡补偿电路

3.4 功率级控制电路

3.5 本章小结

第四章 DC-DC转换器芯片仿真

4.1 芯片功能仿真结果

4.2 芯片性能仿真结果

4.3 本章小结

第五章 辐射效应机理及加固设计

5.1 辐射效应对MOSFET器件的影响

5.2 辐射效应产生机理

5.3 CMOS器件的抗辐射加固技术

5.4 版图设计

5.5 本章小结

第六章 电参数测试和辐照摸底试验

6.1 电参数测试

6.2 总剂量摸底试验

6.3 单粒子摸底试验

6.4本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果