浮动栅宽与栅压Buck变换器研究与设计

摘要

随着全球能源短缺与人类对能源需求不断增加的矛盾日益激化，寻找新能源作为替代和提高能量使用效率成为当今的两大难题。由于电能是人类最广泛使用，也是最直接使用的能源形式，故提高电能使用效率是一种最为有效的方式。随着近些年来手持电子设备一路走俏，如何延长手持设备的待机时间成为了人们的关注热点。而且手持设备待机时长时间处于轻载下，使得研究如何提高手持电子产品的电能使用率，尤其在轻载使用效率显得意义重大。
　　本文着眼于双N型功率管Buck DC-DC效率提高技术，提出的功率管驱动具有浮动栅宽和栅压功能。通过理论建模分析Buck变换器的损耗来源，并针对其中的主要损耗来源：栅驱动损耗和导通损耗进行优化。总损耗是关于功率管栅驱动电压Vgs和导通栅宽W的二元函数。在不同负载下，寻找损耗最小点所对应Vgs和W组合即是在该负载下最优的驱动方案。依据此规律提出三段式浮动栅宽驱动：随负载降低，导通段数降低，在导通最后一段时，开启浮动栅压模式。本文设计思想：根据预先离线设定的浮动栅宽与栅压和负载的查找表关系，利用峰值电流模（Peak Current Mode，PCM）环路中负载电流的信息，相应地开启分段数和调整栅压值到达优化总损耗的目的。
　　本文首先对Buck变换器的损耗进行建模分析，论证这最优化驱动方案的存在，并在此基础上得出负载电流与驱动方案的关系。然后结合PCM控制模式，完成了电流采样模块，PWM比较器模块，分段控制模块，以及浮动栅压驱动模块等的设计，并给出了设计要点以及模块的仿真结果。最后给出了整体系统的仿真以及版图设计过程。最终的仿真结果显示本文提出的浮动栅宽与栅压技术能有效地提高变换器在轻载下的效率。在负载电流为150mA下，实现了10％的效率提升，成功验证了设计思路的可行性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 高效开关电源的国内外动态

1.3 本文工作内容及结构安排

第二章 浮动栅宽与栅压驱动技术原理

2.1 Buck DC-DC变换器损耗分析

2.2 浮动栅宽与栅压驱动技术提出

2.3 本章小结

第三章 浮动栅宽与栅压Buck变换器电路实现

3.1 系统框架

3.2 电流采样电路设计

3.3 PWM模块

3.4 分段选择控制模块

3.5 浮动栅压模块

3.6 本章小结

第四章 其它关键子电路的设计

4.1 带隙基准模块

4.2 DC-DC控制逻辑

4.3 本章小结

第五章 整体芯片的仿真与版图

5.1 芯片的功能验证

5.2 芯片的版图设计

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果