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低功耗Sigma-Delta直流转换器的研究与设计

作　者: 严伟
导　师: 刘冉；李文宏
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: DC-DC转换器 Sigma-Delta调制器转换效率电流采样栅宽调整脉冲屏蔽死区时间软启动电压基准源
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着便携式电子设备系统规模的迅猛发展,电池续航时间问题成为系统设计者的首要考虑因素之一。由于目前电池容量的提升速度远远落后于系统功耗的增长速度,因此使用高性能的开关型直流转换器(DC-DC)仍然是重要选择。在功耗、成本、体积、性能等多方面压力下,当今便携式电子设备对DC-DC提出了转换效率高、谐波干扰低以及响应速度快等一系列要求。基于这些要求,本论文分析了现有技术方案的不足,并对具有良好谐波抑制特性的低功耗、快速响应、降压型(Buck) DC-DC进行了研究与设计。论文首先对低压差稳压器(LDO)、电荷泵(Charge Pump或Switched-Capacitor Converter)以及DC-DC等电源转换器的工作原理和性能特点进行了介绍。并着重从工作模式、调制方式、控制技术和输出谐波干扰等几个层面对DC-DC进行了详细的总结和优缺点对比。随后论文从连续导通(CCM)和断续导通(DCM)两种模式出发,对DC-DC的各种损耗来源进行了详细分析。分析对象包括了功率管导通损耗、功率管寄生电容充放电损耗、功率管体二极管导通损耗、功率管开关损耗、滤波电感寄生电阻损耗、滤波电容寄生电阻损耗、输出电压纹波损耗以及外部引线寄生电感损耗等。论文对分析结果进行了数值比较,并获知了各种损耗在不同负载电流下对DC-DC效率的影响程度,从而可以对DC-DC的效率优化方案进行有力指导。接着论文提出了一个基于3阶Sigma-Delta调制器的DC-DC系统方案,利用3阶Sigma-Delta调制器良好的噪声整形特性对DC-DC的输出谐波进行有效抑制。论文详细研究了Sigma-Delta调制器在DC-DC系统中的传输特性,分析出其在DC-DC控制环路中的传递函数。在此基础上,论文总结出一个完整的Sigma-Delta DC-DC环路设计方法,并在CCM和DCM两种模式下对DC-DC进行了环路补偿设计。在上述损耗分析和环路设计的基础上,论文最后设计了一个在宽负载电流范围内具有良好谐波抑制特性的低功耗、快速响应Sigma-Delta DC-DC转换器。设计采用有源-无源的混合式结构来降低Sigma-Delta调制器的功耗；采用功率管动态栅宽调整、脉冲屏蔽控制、动态死区时间调整等技术来提高DC-DC的转换效率；在负载跳变时采用非线性控制来加快DC-DC的响应速度。除此之外,论文在电流采样电路、软启动电路和低功耗电压基准源等模块上也都进行了有益的创新设计。DC-DC的输入电压为2.7-4.2 V,输出电压为0.9 V,片外滤波电感为2.2μH,片外滤波电容为4.7μF,调制器时钟频率为8 MHz。电路利用Chartered 0.35-μm CMOS工艺进行设计并投入流片。测试结果表明：DC-DC在5-500 mA负载电流下的换效率为78-90%;输出电压纹波最大值为17 mV；当负载电流在50-450 mA跳变时,输出电压的最大过冲为82 mV；输出电压的频谱在CCM和DCM模式下均无谐波分量。

全文目录

目录  3-6
图汇总  6-9
表汇总  9-10
摘要  10-12
Abstract  12-14
第一章引言  14-24
  1.1 研究背景和动机  14-19
  1.2 研究内容与贡献  19-20
  1.3 论文组织结构  20-21
  参考文献  21-24
第二章电源转换器概述  24-40
  2.1 电源转换器的分类  24-29
    2.1.1 低压差稳压器  24-25
    2.1.2 电荷泵  25-26
    2.1.3 开关型直流转换器  26-29
  2.2 DC-DC的工作方式  29-32
    2.2.1 电流导通模式  29-31
    2.2.2 环路调制模式  31-32
  2.3 DC-DC的控制技术  32-37
    2.3.1 电压模式脉宽控制  32-33
    2.3.2 电流模式脉宽控制  33-36
    2.3.3 电压滞回控制  36-37
    2.3.4 其他控制  37
  2.4 小结  37
  参考文献  37-40
第三章 DC-DC的损耗分析  40-61
  3.1 DC-DC的损耗模型  40-41
  3.2 CCM模式损耗分析  41-51
    3.2.1 功率管导通损耗  41-42
    3.2.2 寄生电阻损耗  42-43
    3.2.3 开关损耗  43-47
    3.2.4 死区时间损耗  47-49
    3.2.5 电容充放电损耗  49-50
    3.2.6 引线电感充放电损耗  50
    3.2.7 损耗分析  50-51
  3.3 DCM模式损耗分析  51-59
    3.3.1 功率管导通损耗  52-53
    3.3.2 寄生电阻损耗  53
    3.3.3 开关损耗  53-55
    3.3.4 死区时间损耗  55
    3.3.5 电容充放电损耗  55-58
    3.3.6 引线电感充放电损耗  58
    3.3.7 损耗分析  58-59
  3.4 小结  59
  参考文献  59-61
第四章 Sigma-Delta DC-DC的环路设计  61-78
  4.1 PWM控制与Sigma-Delta控制  61-64
  4.2 Sigma-Delta调制器的设计考虑  64-69
    4.2.1 拓扑的选择  64-66
    4.2.2 参数的选择  66-69
  4.3 Sigma-Delta DC-DC的环路设计  69-75
    4.3.1 环路模型  69-72
    4.3.2 环路补偿  72-75
  4.4 小结  75-76
  参考文献  76-78
第五章 Sigma-Delta DC-DC的电路设计  78-117
  5.1 系统结构  78-80
  5.2 Sigma-Delta调制器  80-93
    5.2.1 实现结构  80-82
    5.2.2 系统设计  82-88
    5.2.3 电路设计  88-93
  5.3 双模环路补偿器  93
  5.4 瞬态响应控制器  93-95
  5.5 动态栅宽调整电路  95-100
    5.5.1 栅宽优化  95-96
    5.5.2 抗失调电流采样电路  96-99
    5.5.3 平均电流判断  99-100
  5.6 脉冲屏蔽控制器  100-102
  5.7 动态死区时间控制器  102-104
  5.8 DCM检测与跨越开关  104-105
  5.9 片上软启动电路  105-107
  5.10 低功耗电压基准源  107-112
    5.10.1 纳瓦级电压基准源  107-110
    5.10.2 纳瓦级开关电容电压基准源  110-112
  5.11 小结  112
  参考文献  112-117
第六章测试结果  117-133
  6.1 低功耗电压基准源测试结果  117-123
  6.2 动态死区时间调整器测试结果  123-125
  6.3 Sigma-Delta DC-DC测试结果  125-131
  6.4 小结  131-132
  参考文献  132-133
第七章工作总结与未来工作展望  133-135
  7.1 工作总结  133-134
  7.2 未来工作展望  134-135
发表作品列表  135-137
致谢  137-138

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