一款具备恒流输出功能的BOOST型DC-DC转换器XD1415的研究与设计

摘要

本论文基于西安电子科技大学电路CAD所科研项目“深亚微米数模混合专用集成电路关键理论研究及设计实现”，设计了一款具备恒流输出功能的Boost型DC-DC转换器XD1415。与一般的DC-DC转换器相比，恒流输出是一种全新的功能，不需要复杂的外围电路，转换器XD1415可以在片内实现恒流输出功能，可以有效地提高转换器的带载范围，并且节约成本。
　　传统转换器由于受到过流保护功能的限制，在电流达到过流保护电流值时会关断转换器，而本文所述转换器利用恒流输出功能限制最大电流以提高转换器的输出负载范围。转换器 XD1415主要应用于便携式电子设备如手机、PAD以及移动电源等，具有高效率，高集成度的特点，可以为便携式电子设备提供稳定持续的输出，延长电池使用寿命。转换器采用同步整流方式，简化了外围电路。
　　论文首先介绍集成电路技术的发展现状，对常用的直流稳压技术（线性稳压器、电荷泵以及DC-DC转换器）进行了简单的介绍；然后对DC-DC转换器的几种拓扑结构（升压型，降压型以及升压降压型）进行了分析说明，根据拓补结构电路图，推导出连续导通模式与非连续导通模式之间的临界条件，同时也对DC-DC转换器的不同内部控制方式：电压模控制、峰值电流模控制、平均电流模控制以及迟滞电流模控制进行了详细介绍，对脉冲宽度调制和脉冲频率调制进行了详细的介绍；接下来对转换器XD1415的各项性能指标做了具体的介绍，给出了转换器的XD1415的控制部分的环路架构图，并对实现恒流输出功能的电流环路的具体工作方式进行了详细的分析，转换器XD1415采用峰值电流模控制，PWM调制，同时在峰值电流模环路的基础上，添加了一个电流环路来实现恒流输出功能，当负载电流达到一定值时，转换器XD1415通过逐渐降低输出电压的方式而使输出电流保持不变，恒流输出状态下的输出电流值可以通过外置电阻调节，转换器工作频率为800kHz，内部集成软启动、过温保护以及过流保护功能；然后对转换器XD1415的部分模块电路进行了详细的分析介绍，有使能模块、欠压锁存模块、频率发生器模块、平均电流采样模块、斜坡补偿模块、GMI放大器模块和VREFX模块，并分别给出了仿真验证结果和分析，这些模块作为转换器XD1415控制部分的核心模块，其性能直接影响转换器的最终性能；最后给出了转换器XD1415的整体仿真结果，结果表明转换器XD1415可以很好的实现所预设的恒流输出功能，在输出电流小于所设定的恒流输出电流值时，转换器工作在恒压输出模式；当输出电流大于所设定的恒流输出电流值，转换器工作在恒流输出模式。
　　本论文所描述的转换器XD1415的系统部分以及模块电路，采用0.5um BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺，运用Cadence、Hspice等仿真工具对各个模块以及整个系统进行仿真验证，仿真结果表明，转换器XD1415的各项性能指标均达到要求，可以实现预设的恒流输出功能。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 直流稳压技术概述

1.3 主要工作和章节安排

第二章 DC-DC开关电源基本结构与工作原理分析

2.1 DC-DC转换器的拓扑结构及原理

2.2 DC-DC转换器控制方式

第三章 XD1415系统设计以及分析

3.1 转换器的功能特点以及性能指标

3.2 转换器恒流输出电流环路分析

第四章 转换器XD1415模块电路原理与仿真

4.1 使能以及欠压锁存模块

4.2 频率发生器模块

4.3 电流采样模块

4.4 斜坡补偿模块

4.5 GMI放大器模块

4.6 VREFX模块

第五章 XD1415的典型应用与整体仿真验证

5.1 转换器XD1415整体功能仿真

5.2 转换器XD1415典型电特性指标

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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