基于PWM的DC-DC转换器的带隙基准电压源设计

摘要

如今便携式电子产品已经日益普及，作为保证电池续航能力重要模块的开关电源管理芯片，其性能也需要不断完善。开关电源模块体积在减小的同时，还要维持其带载能力的不变，随着开关电源的工作频率不断提高，对开关电源芯片中的重要模块带隙基准源设计也提出了更高的要求，如高电源抑制比、低温度系数等，并且由于单位面积晶体管数量的激增，功率型开关电源的热集聚问题凸显，过热保护已成为不容忽视的问题。
　　 本文在分析了开关电源的带隙基准的应用需求，在此基础上提出了DC-DC开关电源带隙基准的设计指标，从器件选型和电路结构优化等方面考虑，设计出了一种围绕Brokaw带隙核且带过温保护的电压基准源。在对结构进行深入分析的基础上，引入了带零、极点补偿的反馈结构，优化了带隙基准的频率响应，提高了整体的电源抑制比(PSRR)性能。采用新型的分段线性补偿方法，在高低温时能对基准输出电压的温度曲线进行直接调整，避免了传统分段补偿电路放大器的引用，有效提高了温度稳定性。过温保护功能模块在过热关断点和安全开启点处灵敏度高，输出控制信号建立迅速。仿真结果表明：带隙基准电压在-40℃～125℃的工作温度范围内温度系数达到3.74ppm/℃，电源电压2.5V～5.5V时基准输出电压为1.1943V。PSRR典型情况下约为80dB。内部集成带热滞回功能的过温保护电路，过温关断温度160℃，温度降低，安全开启阈值温度140℃，关断、开启迅速，设计的迟滞裕量符合系统要求，很好地防止了热振荡现象。
　　 本文的电路在晶体管模型为UMC的0.6μm BCD工艺，采用仿真工具Hspice完成网表仿真验证，波形输出和计算，在仿真中考虑了工艺模型的影响，使仿真结果更加接近实际。仿真结构表明电路的各项性能指标和容差性能也十分好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的应用背景

1.2带隙基准源的技术背景

1.3带隙基准源的研究现状

1.4本论文的主要工作和论文安排

第二章带隙基准的基础理论

2.1基准电压源概述

2.1.1基准电压源的拓扑结构

2.1.2基准电压源的历史

2.2带隙基准电压源的基本原理

2.3几种典型的带隙基准电压源结构

2.3.1 Widlar带隙基准

2.3.2使用衬底PNP的CMOS工艺的带隙基准

2.3.3 Brokaw结构的带隙基准

2.3.4无电阻带隙基准电路

第三章带隙基准电路总体设计

3.1电源管理芯片的简介

3.2设计思路

3.3带隙基准电压的主要设计指标

3.4带隙基准电压电路的设计

3.4.1启动电路和偏置电路分析

3.4.2核心电路及电源电压抑制比分析

3.4.3温度补偿电路分析

3.4.4过温保护电路分析

3.5带隙基准电压源误差分析

3.5.1电流镜失配引进的误差

3.5.2 PNP管的β的影响

3.5.3欧姆电阻的影响

3.6电路的关键器件参数选择

第四章仿真验证与容差分析

4.1仿真软件介绍及容差分析原理

4.2电路仿真结果及容差分析

4.2.1基准的DC特性分析

4.2.2基准的AC特性分析

4.2.3瞬态特性分析

4.2.4过温保护特性分析

4.3与同类电路结构性能比较

第五章不同工艺模型下的分析对比

5.1 BCD工艺技术

5.2 BiCMOS工艺技术

5.3 BiCMOS工艺下的仿真

5.3.1基准的DC特性分析

5.3.2瞬态特性分析

5.3.3基准的AC特性分析

5.3.4过温保护特性分析

5.4两种工艺模型的分析对比

5.5同种工艺下的模型参数优化

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文