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一种升降压型DC-DC转换器的研究与设计

作　者: 林列
导　师: 李玲霞
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 便携式电子产品 四开关控制 升降压型DC/DC转换器 PWM/BURST调制
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着个人消费类电子产品市场的迅速发展,便携式电子产品不断向小型化、轻型化转变,产品体积的变小使得其电池体积和容量也随之减小。这就要求尽可能地提高此类设备供电模块的转换效率,减小功耗,并使其能在较宽的电池电压变化范围内提供稳定输出电压,以便延长电池的使用时间。为了能够提高电池利用率,提高系统转换效率,延长设备使用时间,本文阐述一种能在宽输入范围下工作的升降压型DC/DC转换器。该转换器被用来将变化的锂电池电压转换为稳定电压,从而为便携式设备供电。本设计中采用的是四开关控制的升/降压拓扑结构,与普通升降压拓扑结构相比,它能够实现电压的同向转换。而且此结构采用片内集成功率管的同步整流方式来减少功率损耗以提高系统的转换效率,同时也减小了外围电路的体积。又因为在系统开始工作时会产生浪涌电流,所以加入了软启动模块来控制系统上电时的电流从而保护此转换系统。论文中重点设计了控制环路中主要的电路模块。其中,采用电流型带隙基准为系统模块提供了稳定的参考电压;采用RAMP模块为系统斩波提供稳定的锯齿波;采用防倒流技术在电感中电能为零时关断整流管,防止电流反向倒流。此外,为了使芯片免受过压、过温、过流等情况的影响,系统还设计了过压、过温、过流保护电路以提高系统的稳定性。另外,因为传统的控制方式在轻载时的转换效率大幅降低,如何调高轻载转换效率是便携式电子设备电源管理的一个重点。本系统采用了PWM/BURST调制方式,在重载或中载时采用PWM调制的方式,在轻载时采用BURST调制的模式,在进行PWM调制时关断BURST模式的相关电路模块,在进行BURST调制时关断PWM模式的相关电路模块,从而减小系统的静态功耗,进而提高系统的转换效率。本文所有的设计均在chater.35工艺下完成,利用Cadence Spectre工具软件的仿真结果表明,各模块的电路工作正常,系统工作正常,并且系统转换效率达到93%,达到设计目标。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-11
  1.1 概述  7-8
  1.2 国内外研究背景、现状以及发展趋势  8-9
  1.3 立题意义和研究内容、目标  9-11
第二章 DC/DC 转换器拓扑结构和原理  11-28
  2.1 开关电源的三种调制方式  11
    2.1.1 脉冲宽度调制（PWM）  11
    2.1.2 脉冲频率调制（PFM）  11
    2.1.3 混合调制  11
  2.2 PWM 控制模式及其特点  11-15
    2.2.1 电压型PWM 控制  12-13
    2.2.2 峰值电流型PWM 控制  13-14
    2.2.3 平均电流型PWM 控制  14-15
  2.3 升降压型DC/DC 变换器拓扑结构的比较分析  15-19
    2.3.1 Buck/Boost 变换器  15-16
    2.3.2 Cuk 变换器  16-17
    2.3.3 Zeta 变换器  17
    2.3.4 Sepic 变换器  17-18
    2.3.5 传统四开关Buck/Boost 变换器  18-19
    2.3.6 改进的四开关BUCK/BOOST 变换器  19
  2.4 改进型四开关多模式调节工作原理  19-25
    2.4.1 升压模式  20-22
    2.4.2 降压模式  22-23
    2.4.3 过渡模式  23-25
  2.5 开关变换器效率分析  25-26
  2.6 同步整流技术应用  26-28
第三章 升降压变换器系统设计  28-39
  3.1 轻载效率的提高  28-31
    3.1.1 升压、降压模式的BURST 调制  28-29
    3.1.2 过渡模式下的BURST 调制  29-31
    3.1.3 轻重载模式自动切换  31
  3.2 系统环路补偿  31-38
    3.2.1 负反馈原理  31-33
    3.2.2 BUCK/BOOST 转换器的小信号模型建立  33-35
    3.2.3 系统环路稳定补偿  35-38
  3.3 同步整流技术控制和驱动电路  38-39
第四章 系统电路模块的分析与设计  39-68
  4.1 BUCK/BOOST 芯片控制系统设计  39-40
  4.2 电路模块设计与仿真  40-68
    4.2.1 RAMP 模块  41-44
    4.2.2 PWM 比较器  44-46
    4.2.3 误差放大器  46-49
    4.2.4 BURST 比较器  49-51
    4.2.5 基准源  51-61
    4.2.6 过流保护电路  61
    4.2.7 过温保护  61-63
    4.2.8 过零电流检测电路  63-65
    4.2.9 控制逻辑电路  65-66
    4.2.10 系统芯片  66-68
第五章 系统电路仿真  68-76
  5.1 重载PWM 模式仿真验证  68-70
  5.2 轻载BRUST 模式仿真验证  70-71
  5.3 负载变化系统仿真验证  71-73
  5.4 输入电压变化时仿真验证  73-74
  5.5 转换效率分析  74-76
第六章 总结和展望  76-77
参考文献  77-79
致谢  79

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 变流器
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