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电流控制模式PWM降压DC-DC转换器的设计

作　者: 张磊
导　师: 喻明艳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: DC-DC转换器电流模式控制脉冲宽度调制降压型
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 329次
引　用: 2次
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内容摘要

随着便携式电子产品市场的急剧扩张,电源管理芯片的需求也日益增加,因此,新型的开关电源控制芯片也就成为研究的重点。由于电流控制模式是双环控制系统,因而采用电流控制模式的开关电源芯片的电压调整率、瞬态响应速度和稳定性都有很大的提高,所以得到了越来越广泛的应用。本文介绍了DC-DC转换器的各种拓扑结构和调制方式。描述了DC-DC转换器的控制方式,详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理,分析比较了其优缺点。介绍了同步整流技术,系统性能稳定性和补偿的相关知识,引入了误差放大器的频率补偿的方法,着重分析了Ⅱ型误差放大器补偿电路。通过对DC-DC开关电源基本理论的研究,本文设计了一款3.3V-1.8V转换的电流控制模式PWM降压DC-DC转换器芯片,并根据PWM开关电源的原理和特点,合理地设计了各子电路,主要包括:带隙基准模块、误差放大器模块、电感电流采样电路、PWM比较器、振荡器、斜坡补偿、PWM控制电路及死区时间控制电路等模块,并设计了过温、欠压等保护电路模块,保证芯片的正常工作。本文设计的电路基于中芯国际(SMIC)0.18μm混合信号CMOS工艺,采用spectre软件对各个子模块及整体电路进行了模拟仿真。仿真结果表明每个模块的性能均满足电路要求,当DC-DC转换器的输入电压在2.8V-4.5V之间变化时,输出电压能够很好的稳定在1.8V,输出电压纹波小于20mV,输出额定负载电流为360mA,当负载在180mA与360mA之间变化时,系统有良好的负载跃变特性。在额定负载下,系统的效率达到90%以上。芯片的各项指标都满足设计要求,完成了预期的目标。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 开关电源IC概述  9
  1.2 开关电源的发展历程及国内外研究现状  9-12
  1.3 开关电源技术的发展趋势  12-13
  1.4 本文的主要工作  13-15
第2章开关电源的基本理论分析  15-27
  2.1 DC-DC 开关电源系统简介  15-16
  2.2 开关电源的调制方式  16-19
    2.2.1 PWM调制方式  16-17
    2.2.2 PFM调制方式  17-18
    2.2.3 PWM/PFM混合调制方式  18-19
  2.3 开关电源的拓扑结构  19-23
    2.3.1 Buck 型转换器  19-20
    2.3.2 Boost 型转换器  20-22
    2.3.3 Buck-Boost 型转换器  22
    2.3.4 Cuk 转换器  22-23
  2.4 开关电源的控制方式  23-26
    2.4.1 电压控制方式  23-24
    2.4.2 电流控制方式  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章电流模式降压型PWM开关电源分析  27-38
  3.1 Buck型转换器的稳态分析  27-29
    3.1.1 Buck型转换器在CCM模式下工作原理  27-29
  3.2 开环不稳定性分析及斜坡补偿分析  29-31
  3.3 系统的稳定性分析及频率补偿  31-34
  3.4 同步整流技术  34-36
  3.5 外围无源器件参数的选取  36-37
    3.5.1 输出滤波电感L的选取  36
    3.5.2 输出滤波电容C的选取  36-37
  3.6 本章小结  37-38
第4章 DC-DC转换器模块设计与仿真  38-72
  4.1 带隙基准电路  39-45
    4.1.1 传统的带隙基准电路的原理  39-40
    4.1.2 曲率补偿带隙基准电路的原理  40-42
    4.1.3 带隙基准电路的设计  42-43
    4.1.4 带隙基准电路的仿真  43-45
  4.2 误差放大器  45-50
    4.2.1 误差放大器的设计  45-48
    4.2.2 误差放大器的仿真  48-49
    4.2.3 Ⅱ型误差放大器的仿真结果  49-50
  4.3 电感电流采样电路  50-52
    4.3.1 电感电流采样电路的设计  50-52
    4.3.2 电感电路采样电路的仿真  52
  4.4 PWM比较器  52-55
    4.4.1 PWM比较器的设计  53
    4.4.2 PWM比较器的仿真  53-55
  4.5 振荡器与斜坡补偿  55-62
    4.5.1 迟滞比较器  55-58
    4.5.2 振荡器的设计  58-59
    4.5.3 振荡器的仿真  59
    4.5.4 斜坡补偿电路的设计  59-62
    4.5.5 斜坡补偿电路的仿真  62
  4.6 PWM控制电路  62-65
    4.6.1 PWM控制电路的设计  62-64
    4.6.2 PWM控制电路的仿真  64-65
  4.7 死区时间控制电路  65-66
    4.7.1 死区时间控制电路的设计  65
    4.7.2 死区时间控制电路的仿真  65-66
  4.8 过温保护电路(OTP)  66-69
    4.8.1 过温保护电路的设计  67-68
    4.8.2 过温保护电路的仿真  68-69
  4.9 欠压保护电路(UVLO)  69-71
    4.9.1 欠压保护电路的设计  69-71
    4.9.2 欠压保护电路的仿真  71
  4.10 本章小结  71-72
第5章 DC-DC转换器整体电路仿真  72-80
  5.1 DC-DC转换器的环路稳定性  72
  5.2 DC-DC转换器的输出结果仿真  72-76
  5.3 DC-DC转换器的线性调整率  76-77
  5.4 DC-DC转换器的负载调整率  77-78
  5.5 DC-DC转换器的效率仿真  78-79
  5.6 DC-DC转换器的电气特性  79
  5.7 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-86
攻读学位期间发表的学术论文  86-88
致谢  88

电流控制模式PWM降压DC-DC转换器的设计

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