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高压高效率同步降压变换器功率级电路的分析与设计

作　者: 耿铭慈
导　师: 冯全源
学　校: 西南交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 同步降压变换器功率高压高效率
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在高端电信和网络设备中,分布式DC-DC开关电源供电已成为主流应用方式。该方式通常需要将24V或-48V的母线电压转换为板内系统所需的高功率低电压电源,要求DC-DC开关电源具有宽范围输入电压、低纹波输出电压、大功率密度、高效率等特点。因此本文专注于高压同步降压型DC-DC变换器(Buck)的功率级电路,重点讨论功率损耗、参数优化以及效率问题。本文首先针对通信系统中的分布式电源,分析了DC-DC开关变换器,尤其是同步Buck变换器的应用需求,在此基础之上提出了本文所要设计的一款同步Buck变换器的指标:5V～24V输入电压、0.925V～20V可调输出电压、5A最大负载电流和340kHz开关频率。接着,从功率器件PowerMOSFETs的特性入手,结合同步Buck变换器的工作原理,对所要设计的功率级电路进行了模块化的分析与设计,包括芯片外部的无源器件、集成的Power MOSFETs、驱动电路、自举电路、电平位移电路和反向限流电路。分析与设计的具体内容有:Power MOSFETs的工作过程、电感和电容的参数选取、功率损耗的来源与计算、驱动电路参数的优化设计、自举充电过程、高低压接口电路的电平转换设计、反向电感电流的限制策略。最后,基于所设计的功率级电路,结合控制系统的宏模型,完成了对整个同步Buck变换器效率和瞬态响应的性能测试,实现了提出的宽范围输入电压、低纹波输出电压、大负载电流以及高效率的设计目标。此外,文中还对同步Buck变换器特有的寄生体效应二极管、并联肖特基二极管、死区时间、贯通电流、平坦电势等现象进行了必要的分析与讨论。本文所构建的功率级电路的晶体管模型为UMC 0.6umm BCD工艺,仿真工具采用了HSPICE。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-14
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 国内外研究现状与成果  11-12
  1.3 本文的主要工作  12-14
第2章 Power MOSFETs和同步Buck变换器  14-30
  2.1 Power MOSFETs的物理特性  14-17
    2.1.1 LDMOS  14-16
    2.1.2 VMOS  16
    2.1.3 UMOS  16-17
  2.2 LDMOS的导通特性  17-18
    2.2.1 导通电阻  17
    2.2.2 体效应二极管  17-18
  2.3 LDMOS的开关特性  18-20
    2.3.1 电容  18-19
    2.3.2 其他动态元件  19-20
  2.4 Buck变换器的工作原理  20-25
    2.4.1 基本拓扑结构  20-21
    2.4.2 同步Buck变换器的连续工作模式  21-24
    2.4.3 非同步Buck变换器的非连续工作模式  24-25
  2.5 Power MOSFETs的导通和关断过程  25-27
    2.5.1 高端MOSFET的导通和关断过程  25-26
    2.5.2 低端MOSFET的导通和关断过程  26-27
  2.6 外部无源器件的参数选取  27-30
    2.6.1 电感的参数选取  27-28
    2.6.2 电容的参数选取  28-30
第3章高压同步Buck变换器功率级电路的设计  30-49
  3.1 电感和电容参数的确定  30-31
  3.2 Power MOSFETs的设计  31-33
    3.2.1 Power MOSFETs的电气参数  31-32
    3.2.2 Power MOSFETs的开关过程  32-33
  3.3 自举电路的设计  33-36
    3.3.1 自举电路的需求分析  33-34
    3.3.2 自举充电电路的设计  34-36
  3.4 驱动电路的参数设计与验证  36-41
    3.4.1 驱动电路的传输迟延  37-38
    3.4.2 驱动电路的功耗  38-39
    3.4.3 驱动参数优化理论的验证  39-41
  3.5 电平位移电路的设计  41-44
    3.5.1 电平位移电路的需求分析  41-42
    3.5.2 Level-up电路  42-43
    3.5.3 Level-down电路  43-44
  3.6 死区时间的控制  44-45
  3.7 反向限流电路的设计  45-49
    3.7.1 反向限流的需求分析  45
    3.7.2 反向限流机制的设计  45-46
    3.7.3 反向限流比较器的设计  46-49
第4章同步Buck变换器的损耗分析与效率验证  49-58
  4.1 损耗来源分析  49-51
    4.1.1 外部电感和电容的功率损耗  49
    4.1.2 高端MOSFET的功率损耗  49-50
    4.1.3 低端MOSFET的功率损耗  50-51
    4.1.4 同步Buck变换器的效率  51
  4.2 效率的仿真验证  51-54
  4.3 肖特基二极管对效率的改善  54-55
  4.4 反向限流对瞬态响应的影响  55-56
  4.5 整体工作特点的仿真验证  56-58
结论与未来的工作  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-66
攻读硕士学位期间发表的论文  66

高压高效率同步降压变换器功率级电路的分析与设计

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