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峰值电流控制PWM升压开关电源IC设计

作　者: 欧阳振华
导　师: 李少青；马卓
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 软件工程
关键词: 开关电源峰值电流控制 PWM 误差放大器软启动
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 373次
引　用: 2次
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内容摘要

本文分析、设计了一种升压式DC-DC开关电源芯片,它具有转换效率较高、电源工作电压范围比较宽、集成度较高等优点。高集成度、最简片外电路、高效率和低电压是开关电源的发展方向。为了满足各项指标要求,本论文对芯片主电路、控制电路分别进行分析设计,进而确定各个子模块参数并分别对子模块进行设计,最后对整个芯片进行仿真验证。本文对升压式电源变换器进行全面分析,对电感电流连续与断续两种状态详细分析。又通过对控制系统的分析设计,确定本芯片为峰值电流控制的升压式DC-DC芯片。然后根据所有确定的条件对整个芯片系统进行小信号模型建模,得到系统传递函数,更详细地分析了影响控制系统的各种因素,从而对系统稳定性、相应速度等方面进行更好的设计。本文对峰值电流控制PWM升压开关电源电路和系统特性进行了详细地分析,采用了电流反馈模式、固定频率、脉宽调制PWM架构,以获得快瞬态响应和低噪声。1.2MHZ的高开关频率允许使用扁平电感和陶瓷电容,以满足超薄LCD面板的要求。内置的高效MOSFET和IC的数字软启动功能减少了所需要外部元件的数量。利用外部电阻分压网络,输出可以设定在Vin到13V。利用内部自带的脉冲屏蔽模式操作提高了轻负载条件下的效率,从而进一步降低了功耗。典型工作电路工作在低至1.8V的输入电压,能够输出可达300mA的电流。本文设计了一款峰值电流控制PWM升压开关电源控制芯片,该芯片采用0.8μm CMOS工艺实现,集成有高精度基准电压源、振荡器、斜坡补偿功能电路、电流采样电路、误差放大器、数字软启动、PWM逻辑等电路模块。基于该控制芯片搭建的开关电源可以工作在不同的导电模式下,以满足开关电源应用的要求。同时该开关电源具有输出电压纹波小,转换效率高,良好的瞬态响应性能和负载调整能力等特点。HSPICE仿真结果表明:在芯片典型应用条件下,其输出电压纹波小于±1%,转换效率超过85%;当负载电流从100mA跃变到250mA,其动态跌落量为0.8%,恢复时间仅为125μs。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-17
  1.1 开关电源的发展历程  13-15
  1.2 开关电源的技术发展方向  15-16
  1.3 本文工作的意义及工作简介  16-17
第二章开关电源的拓扑和模型  17-29
  2.1 Boost 变换器原理  18-19
  2.2 Boost 变换器电路特性分析  19-24
    2.2.1 Boost 变换器工作在连续导电模式的电路特性  19-20
    2.2.2 Boost 变换器工作在不连续导电模式的电路特性  20-22
    2.2.3 连续导电模式与不连续导电模式的临界条件  22-24
  2.3 开关电源的调制方式  24-25
  2.4 开关电源的控制技术  25-29
    2.4.1 电压型控制  25-26
    2.4.2 电流型控制  26-29
第三章峰值电流控制 PWM 升压开关电源系统分析  29-50
  3.1 峰值电流控制PWM 升压开关电源系统的基本原理  29-30
  3.2 峰值电流控制PWM 升压开关电源系统的开环不稳定性  30-32
  3.3 峰值电流控制器系统建模  32-50
    3.3.1 理想状态下等效电路和控制函数的推理[26]  34-37
    3.3.2 电压环路(open-loop)控制函数的推理  37-39
    3.3.3 电流环的精确模型  39-44
    3.3.4 系统设计及其仿真  44-50
第四章 BOOST DC-DC 芯片设计  50-80
  4.1 控制芯片整体电路设计  50-53
  4.2 基准电压源  53-57
    4.2.1 电路设计  53-55
    4.2.2 仿真结果  55-57
  4.3 低压线性稳压器  57-63
    4.3.1 电路设计  57-60
    4.3.2 仿真结果  60-63
  4.4 振荡器  63-65
    4.4.1 电路设计  63-64
    4.4.2 仿真结果  64-65
  4.5 斜坡补偿模块  65-67
    4.5.1 电路设计  65-67
    4.5.2 仿真结果  67
  4.6 电流采样电路  67-70
    4.6.1 电路设计  67-70
    4.6.2 仿真结果  70
  4.7 软启动  70-77
    4.7.1 电路设计  71-76
    4.7.2 仿真结果  76-77
  4.8 系统的低功耗分析与设计  77-80
    4.8.1 电路设计上的考虑  78-79
    4.8.2 仿真结果  79-80
第五章整体电路仿真  80-90
  5.1 连续导电模式和不连续导电模式仿真  80-82
  5.2 启动过程仿真  82-83
  5.3 重负载PWM 仿真  83
  5.4 轻负载的跳频模式  83-84
  5.5 瞬态响应性能仿真  84-85
  5.6 转换效率仿真  85-87
  5.7 封装和测试  87-90
第六章结束语  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-95
作者在学期间取得的学术成果  95

峰值电流控制PWM升压开关电源IC设计

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