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降压型DC-DC转换器的研究与设计

作　者: 李雷
导　师: 刘章发
学　校: 北京交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 脉冲宽度调制(PWM) 脉冲频率调制(PFM) PWM/PFM自动切换 DC-DC转换器
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


近年来,越来越多的电子类设备涌入市场,特别是便携式产品,如手机、PDA、数码相机等等。电源是电子设备的供电系统,电源质量的好坏直接决定着电子设备的性能。DC-DC转换器被广泛地应用于便携式设备的电源管理,改善便携式设备的供电系统,延长供电电池的工作时间。本文首先介绍了降压型DC-DC转换器的主电路结构及工作原理,并对DC-DC转换器的建模方法进行了简要介绍,然后介绍分析了DC-DC转换器的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)、脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)以及PWM/PFM混合调制模式。PWM模式在重载情况下效率较高,PFM在轻载情况下效率较高,PWM/PFM混合调制模式是两种模式的结合,可根据负载情况实现PWM和PFM两种调制方式的自动切换,使得整个系统无论是重载还是轻载,都保持较高的转换效率,满足了便携式电子产品对电源管理芯片高效率、低功耗、体积小、重量轻的要求,所以本文采用PWM/PFM混合调制模式。本文采用SMIC 0.18μmCMOS Mix-Signal工艺,设计了比较器、共源共栅跨导运算放大器、缓冲器、时钟与斜坡信号产生电路、电流感应电路、电压到电流转换电路、脉冲宽度调制器、PWM/PFM选择电路等关键模块,并在CadenceVirtuoso ADE环境下对这些模块进行了仿真,最后对降压型DC-DC转换器系统性能进行了仿真,仿真结果表明,系统能够正常工作,性能满足设计要求。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-15
  1.1 研究的背景与意义  11
  1.2 DC-DC转换器的发展概况  11-13
  1.3 论文结构  13-15
2 DC-DC转换器的分析以及建模方法简介  15-23
  2.1 DC-DC转换器的电路拓扑结构  15-16
  2.2 Buck转换器的稳态直流特性  16-21
    2.2.1 工作原理  16-17
    2.2.2 主要概念与关系式  17-21
  2.3 DC-DC转换器的建模方法简介  21-23
3 降压型DC-DC转换器的分析与设计  23-29
  3.1 系统设计指标  23-24
  3.2 系统分析与设计  24-29
    3.2.1 DC-DC转换器系统方案  24
    3.2.2 PWM调制模式  24-25
    3.2.3 PFM调制模式  25-27
    3.2.4 PWM/PFM混合调制模式  27-29
4 DC-DC转换器关键模块的分析与设计  29-49
  4.1 时钟产生与斜坡补偿  29-32
    4.1.1 分析与设计  29-31
    4.1.2 模拟结果  31-32
  4.2 电流感应电路  32-34
    4.2.1 分析与设计  32-34
    4.2.2 模拟结果  34
  4.3 缓冲器  34-38
    4.3.1 带死区控制的缓冲器  34-36
    4.3.2 模拟结果  36
    4.3.3 带零电流检测的缓冲器  36-38
    4.3.4 模拟结果  38
  4.4 电压到电流转换电路  38-40
    4.4.1 分析与设计  38-40
    4.4.2 模拟结果  40
  4.5 共源共栅跨导运算放大器  40-43
    4.5.1 分析与设计  40-42
    4.5.2 模拟结果  42-43
  4.6 比较器  43-44
    4.6.1 分析与设计  43-44
    4.6.2 模拟结果  44
  4.7 脉冲宽度调制器  44-45
    4.7.1 分析与设计  44-45
    4.7.2 模拟结果  45
  4.8 PWM/PFM选择  45-48
    4.8.1 模式选择电路  45-46
    4.8.2 软启动电路  46-47
    4.8.3 PFMA产生电路  47
    4.8.4 模拟结果  47-48
  4.9 其它电路设计  48-49
5 系统性能仿真与分析  49-67
  5.1 系统性能仿真  49-59
    5.1.1 重载情况下的仿真  49-51
    5.1.2 轻载情况下的仿真  51-53
    5.1.3 负载发生变换时PWM/PFM的切换  53-55
    5.1.4 电压范围仿真  55-56
    5.1.5 转换效率  56-59
  5.2 版图设计  59-67
    5.2.1 版图设计规则  61-62
    5.2.2 版图设计需要考虑的因素  62-63
    5.2.3 版图设计  63-64
    5.2.4 DC-DC转换器总体版图实现  64-67
6 结论  67-69
参考文献  69-71
作者简历  71-75
学位论文数据集  75

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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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