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一种高效率同步升压型DC-DC转换芯片的研究与设计

作　者: 杨喆
导　师: 姚素英
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 电源管理芯片升压型变换器转换效率脉冲频率调制同步整流
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来便携电子设备的使用越来越广泛,电子设备的小型化和低成本化使电源系统向轻、薄、小和高效率方向发展。单片开关电源以其低损耗、高效率及电路简洁等显著优点而受到人们青睐。本论文在全面分析DC-DC开关电源变换器工作原理和拓扑结构的基础上,设计了一种高效率同步升压式DC-DC开关电源管理芯片,它采用电流模PFM控制,具有转换效率高、输入电压低、输出电流大、输出电压电流稳定等优点。整个设计以转换效率高、系统输出稳定为重点,分析了Boost芯片的系统结构,研究了能够保证低功耗、高效率的同步整流和避免闩锁效应两大关键技术,并且从理论上分析了PFM控制式Boost系统开关管的导通和关断时间的长短如何设定,以及设定后对芯片转换效率的影响。本论文设计了芯片内的四个关键的组成模块。其中,带隙基准电压源最低工作电压1.3V,温度系数12.5 ppm/℃;误差放大器和比较器模块,能够提供稳定的直流增益和高速的小信号响应;开关管导通和关断的计时模块,是根据实际应用条件设定时间常数后,设计出具体的电路结构来实现这个PFM控制的核心模块;过流保护模块,设计了用导通时的开关管作采样电阻这一思路,用简单的方式精确地限制了电感电流的峰值0.6A,且误差在4%以内。在上海华虹NEC的CZ6H 0.35μm工艺线上本论文设计的Boost芯片第一次流片验证就取得了成功,不仅功能测试正常,而且参数指标基本达到了设计要求,最低启动电压1V,转换效率80%。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-6
第一章绪论  6-9
  1.1 电源管理芯片简介  6-7
  1.2 开关电源的发展历史  7
  1.3 国内外电源管理芯片市场动态  7
  1.4 电源管理芯片在我国的发展趋势和应用前景  7-8
  1.5 本论文的主要工作和体系结构  8-9
第二章 DC-DC 开关电源的原理和拓扑结构  9-28
  2.1 线性稳压电源的基本原理和拓扑结构  9-10
  2.2 开关电源变换器的基本原理和拓扑结构  10-22
    2.2.1 Buck 变换器（降压变换器）  11-16
    2.2.2 Boost 变换器（升压变换器）  16-20
    2.2.3 Buck-Boost 变换器  20-21
    2.2.4 Cuk 变换器（Boost-Buck 变换器）  21-22
  2.3 开关电源的控制方法简介  22-25
  2.4 DC-DC 开关电源的系统稳定性  25-26
  2.5 DC-DC 芯片中重要的性能指标  26-28
第三章 PFM 控制式高效同步升压型DC-DC 芯片的系统设计  28-42
  3.1 本论文设计的Boost 芯片的系统结构和工作过程  28-31
  3.2 同步整流技术  31-37
    3.2.1 同步整流的电路结构  32-33
    3.2.2 同步整流管的导通电阻  33-34
    3.2.3 同步整流与二极管整流的比较  34-35
    3.2.4 同步整流的控制和驱动电路  35-37
  3.3 Boost 系统开关管的导通和关断时间长短的设定方法  37-38
  3.4 闩锁效应以及在Boost 芯片中如何避免  38-42
第四章 Boost 芯片中关键模块的电路设计和仿真  42-62
  4.1 低压低功耗带隙基准电压源  42-52
    4.1.1 带隙基准的基本原理  42-43
    4.1.2 Boost 芯片中的带隙基准及其特点  43-44
    4.1.3 偏置产生电路  44-45
    4.1.4 带隙基准核心电路  45-46
    4.1.5 启动电路  46-47
    4.1.6 共源共栅运算放大器  47-48
    4.1.7 本论文带隙基准的仿真结果  48-51
    4.1.8 本论文带隙基准的最终版图  51
    4.1.9 最终芯片中带隙基准的测试结果  51-52
  4.2 误差放大器和比较器模块  52-54
  4.3 控制开关管导通、关断时间的Ton_Toff 模块  54-57
  4.4 过流保护（Over-Current）模块  57-62
    4.4.1 以往常用的过流保护电路的结构  57-58
    4.4.2 本论文过流保护电路的结构设计  58-60
    4.4.3 本论文过流保护模块的仿真结果  60-62
第五章 Boost 芯片的系统仿真、最终版图及芯片成测结果  62-69
  5.1 Boost 系统的仿真结果  62-63
  5.2 整颗Boost 芯片的最终版图  63-64
  5.3 芯片成品的测试结果  64-68
  5.4 本颗Boost 芯片的不足之处  68-69
第六章总结  69-70
参考文献  70-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

一种高效率同步升压型DC-DC转换芯片的研究与设计

内容摘要

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