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基于BUCK型DC-DC转换器的高性能误差放大器设计

作　者: 郭秀宏
导　师: 冯全源
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 降压型直流开关转换器 误差放大器 软启动 电感充电限流
分类号: TN722
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 418次
引　用: 3次
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内容摘要


开关电源因其具有稳压输入范围宽、效率高、功耗低、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用,从家用电器设备到通信设施、数据处理设备、交通设施、仪器仪表以及工业设备等都有较多应用,尤其是作为便携式产品的电池提供高性能电源输出,比其他结构具有不可超越的优势。开关电源的稳定性直接影响着电子产品的工作性能。误差放大器是直流开关电源系统中电压控制环路的核心部分,其性能优劣直接影响着整个直流开关电源系统的稳定性,因而分析系统对误差放大器的性能需求并在此基础上设计出满足系统需求的高性能误差放大器是本论文的主要研究目标。本文误差放大器的设计基于一款Buck型DC-DC转换器芯片的设计需求,从系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发,首先对该款Buck型DC-DC转换器的系统电压控制环路进行小信号建模并分析系统控制环路零极点分布,确定环路补偿策略,进而在系统级对误差放大器的主要性能参数进行设计并通过HSPICE仿真软件验证了其正确性。其次基于系统级对误差放大器的性能参数设计,提出了一种满足该系统需求的误差放大器晶体管级结构,其核心电路采用BJT组成的两级跨导运算放大器(OTA)结构,在放大器差分级的有源负载中加入了等值匹配电阻,使得差分级小信号直流增益和跨导可调,从而简化了电路设计使得误差放大器的小信号直流增益和跨导较易被调节到满足系统需求的值。另外在误差放大器的OTA结构中加入了动态跨导调整电路,加快了系统的大信号动态响应速度。最后根据系统对误差放大器性能需求的分析,对误差放大器进行优化,在核心电路中加入了实现系统软启动和输出滤波电感充电限流机制的电路。本文晶体管级电路的实现均基于UMC 0.6μm BCD工艺,利用HSPCIE仿真软件进行验证,在仿真中还考虑了工艺模型的影响,使得仿真结果更加接近实际。仿真结果表明所设计的误差放大器满足系统稳定性、负载调整率和响应速度的设计需求,很好的实现了系统软启动和输出滤波电感充电限流功能,且具有良好的电源噪声和共模噪声抑制能力,容差性能良好。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章 诸论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  11-13
  1.3 本文研究的目的与意义  13-14
  1.4 本论文的主要工作  14-16
第2章 DC-DC转换器  16-31
  2.1 DC-DC转换器分类  16-18
  2.2 开关型DC-DC转换器基本原理  18-21
  2.3 Buck型DC-DC转换器  21-29
    2.3.1 Buck型DC-DC转换器工作原理  21-23
    2.3.2 Buck型DC-DC的控制方式  23-28
    2.3.3 Buck型DC-DC转换器的不连续工作模式和连续工作模式  28-29
  2.4 Buck型DC-DC转换器系统中误差放大器的重要作用  29-31
第3章 Buck型DC-DC转换器系统设计对误差放大器的性能需求分析  31-49
  3.1 Buck型DC-DC转换器系统设计要求  31-33
  3.2 Buck型DC-DC转换器系统电压环路控制策略  33-46
    3.2.1 Buck型DC-DC转换器闭环稳定性条件  33-35
    3.2.2 Buck Converter系统电压环路控制模型  35-42
    3.2.3 误差放大器主要性能参数的确定  42-46
  3.3 系统电压环路控制策略的仿真验证  46-49
第4章 Buck型DC-DC转换器中误差放大器的晶体管级设计  49-79
  4.1 误差放大器核心电路设计  49-57
    4.1.1 误差放大器核心电路结构  49-52
    4.1.2 误差放大器小信号直流增益和跨导  52-54
    4.1.3 误差放大器CMRR和PSRR  54-57
  4.2 DC-DC转换器软启动的实现  57-59
  4.3 DC-DC转换器输出滤波电感充电限流的实现  59-61
  4.4 误差放大器整体电路  61-63
  4.5 误差放大器主要性能仿真与容差分析  63-72
    4.5.1 误差放大器直流传输特性和软启动钳制电压  63-64
    4.5.2 误差放大器直流小信号增益与跨导仿真结果及容差分析  64-67
    4.5.3 误差放大器电源电压抑制比仿真结果与容差分析  67-69
    4.5.4 误差放大器共模抑制比仿真结果与容差分析  69-70
    4.5.5 误差放大器摆率仿真结果与容差分析  70-72
  4.6 误差放大器应用于系统中的仿真结果与分析  72-79
    4.6.1 Buck DC-DC转换器系统的Load Transient Response  73-75
    4.6.2 Buck DC-DC转换器系统的软启动  75-77
    4.6.3 Buck DC-DC转换器系统的电感充电限流  77-79
第5章 误差放大器的比较  79-87
  5.1 DC-DC转换器中误差放大器的简单比较  79-82
  5.2 本文误差放大器与其它用于峰值电流模式Buck DC-DC转换器的误差放大器比较  82-87
结论  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-94
攻读硕士学位期间发表的论文及获奖情况  94

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 放大技术、放大器 > 放大器
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