峰值電流型脈寬調(diào)制降壓型DC-DC芯片的設計.pdf

1、當今消費市場中，人們對于便攜式電子設備的需求越來越高，其更新?lián)Q代的速度也是越來越快。電源充當著所有電力電子產(chǎn)品的“心臟”，而開關(guān)電源以其外圍電路簡單，體積小，效率高成為廣泛應用的電源設備。跟隨著便攜式系統(tǒng)設計師們不斷減小產(chǎn)品尺寸的步伐，電源IC設計者們也將設計重點轉(zhuǎn)向了利用更小的片外電感和陶瓷電容來實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而提高效率。本文基于湘潭大學微光電與系統(tǒng)集成實驗室與上海昱品公司合作的產(chǎn)學研項目“高性能降壓型開關(guān)電源的研究”，研究設

2、計了一款單片集成的同步降壓型變換器，只需外接少量的電容電感元件，就可以實現(xiàn)降壓功能，在分布式電源系統(tǒng)和便攜式產(chǎn)品中具有廣泛的市場應用前景。
　　本論文首先介紹了如何利用開關(guān)電源的動態(tài)分析來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法步驟，然后重點分析了峰值電流型PWM控制開關(guān)電源的小信號設計，分析其傳遞函數(shù)中的零極點分布情況，以保證整個電源系統(tǒng)環(huán)路的穩(wěn)定性，確保所選方案的正確性。然后就芯片內(nèi)部六個關(guān)鍵模塊的電路進行設計和仿真分析驗證，最后對整體電路進行包

3、括輸出紋波電壓、線性調(diào)整率、負載調(diào)整率和效率等各項指標仿真。所設計的DC-DC變換器芯片中，集成了內(nèi)阻為200mΩ的MOS型開關(guān)管和整流管，在5V-18V的寬輸入范圍內(nèi)能夠提供最大2A的連續(xù)負載，峰值電流型脈寬調(diào)制控制環(huán)路提供快速的負載響應和逐周電流保護功能，具有340kHz和100kHz變頻、欠壓過壓保護和過溫保護等功能。此外，芯片引入軟啟動(Soft-Start)機制來平滑芯片的啟動運行；斜波補償用來避免占空比大于50％時次諧波振蕩

4、現(xiàn)象的發(fā)生；采用交錯延時的反相器鏈來控制死區(qū)時間長短，實現(xiàn)同步整流技術(shù)等，這些技術(shù)的引入等，大大增強了BUCK DC-DC系統(tǒng)的可靠性。
　　本文的主要創(chuàng)新點存在于各電路模塊的細節(jié)設計：1)對決定系統(tǒng)帶寬的誤差放大器，進行抵抗溫度變化對主極點影響的設計；2)利用齊納二極管反偏為耗盡型MOS管提供柵極電壓，代替JFET管限流降壓的功能，為內(nèi)部調(diào)整模塊提供了相對穩(wěn)定的工作電壓，彌補B50D工藝中不含JFET管的缺陷；3)基于傳統(tǒng)Bro

5、kaw基準電壓模塊，增加VX節(jié)點到地之間的電容有益于基準環(huán)路相位裕度的提高；4)變頻振蕩器在其數(shù)字輸出部分所設計的電容幫助實現(xiàn)占空比可控。由于時間和學校測試設備等原因，電路測試和芯片查錯等工作還需要繼續(xù)進行。PWM調(diào)制方式在輕載情況下效率較低、內(nèi)部調(diào)整電路溫度系數(shù)較高以及振蕩器電容精度受工藝影響偏差較大等問題，這些都是本芯片設計的不足之處。
　　芯片基于蘇州旺宏標準0.5μmBCD工藝設計，通過Cadence仿真工具對各個子模塊和