电流模降压型开关电源管理芯片的设计

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1、第一章绪论本章先简要介绍了课题背景和研究意义，然后介绍了模拟集成电路的发展及电源管理技术的现状和趋势，最后结合本论文主要完成的设计工作，介绍了论文的章节安排。1．1课题背景和研究意义1．1．1节约能源的要求随着经济的发展和科学技术的进步，节约能源、保护环境已被社会各界所重视。优化电源是节约能源的重要环节，经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应，节能效果明显。例如家用电器的待机损耗，人们往往不重视，这个耗电相当惊人。据统计，在美国这种损耗每年浪费35～54亿美元，德国环保机构调查发现，在德国这种损耗每

2、年浪费23亿美元，超过柏林全年用电总和。采用新的节能芯片之后，可把5～10W的待机损耗降到l~2w甚至0．1~o．5W。所以电力电子和电源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志之一，有的专家预言：人类未来的福祉将经由能源电子技术的突破而实现【l】。1．1．2强大的市场需求，始终是开关电源发展的重要动力开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换的电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广【2J。以DC．DC转换器为例，目

3、前各种各样的DC．DC转换器都被应用到锂离子电池的控制当中。这些调整器能提供最大300Il认的负载电流，并能为CPU提供低至0．8V的电压。由于需要极少外部元件，这些电压调整器可以做到很小；而几兆赫兹的开关频率也使得输出端的电感值、电容值以及尺寸都很小。于是完整的DC．DC转换器和无源器件就可以集成在一块厚度不到lI姗的芯片上。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，所以降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。现在我国邮电通信部门广泛采用开关电源，这极大

4、地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源取代传统的相控电源。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。2电流模降压型开关电源管理芯片的设计国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。1．2电源管理的现状和发展趋势无线多媒体通信和计算市场的迅猛发展既对电源

5、提出了越来越高的要求，同时也为电源以及电源管理IC(Inte留atedCirCuits)市场的发展注入了一股强劲的增长动力。近几年来电源管理IC的市场规模和潜力一直处在急速膨胀之中。据美国风险发展公司(VDC)估计，2004年电源管理IC的销售收入将超过75亿美元，平均年增长速率将超过16％。专门研究电源管理IC市场的知名市场调研公司DamenGroup也预测，单单通信设备电源管理IC的全球销售额就将由2003年的44亿美元上升到2008年的58亿美元，年复合增长率高达5．5％。电信和计算机是其中增长

6、最显著的两大应用领域。电池供电时间已经变成影响当今无线通信市场和便携式消费类电子产品进一步发展的最大阻碍因素。如何使电池的工作寿命满足用户日益增长的期望，已成为无线通信产业面临的最大挑战。目前，由于电池技术已相对成熟，锂离子电池的功率密度在短期内难望有跳跃性的增长，而新的电池技术(如燃料电池)由于安全问题和缺乏标准而离商业化应用还有很长时间，因此目前业界只能在电源管理和体系结构上下功夫。总的来说，目前便携式电子产品中电源管理技术主要呈现以下五大发展趋势：第一，集成度日益提高，但并没有排斥小规模、独立封

7、装的模拟电源电路。不论是便携式设备，还是个人电脑与网络通信设备，通常都需要多个电源为不同的功能器件或板卡模块供电，但这些应用的板级空间却十分有限。为解决这一矛盾，电源IC设计者开始把多路电压转换集成到单个芯片内，有些则在电源管理单元(PMU)中集成了多个开关转换器和线性稳压器。集成趋势的另一推动力是成本和设计简化。数码相机中的电源管理由于其具有多电压组的要求，是体现对高集成度电路需求的一个典型例子；而对于充电器、通过USB电源供电等特定应用，小规模电源电路仍然有它的用武之地。第二，开关电源将成为主流。

8、在手机等便携式设备上，传统上采用线性低压降(LDO)稳压器来将电池电压转换到预先确定的电压值，并提供负载所需的功率。但近年来由于普遍采用深亚微米工艺制造技术，数字器件的工作电压已降到了1．2V，再加上对更轻更小电池的需求，LDO稳压器的使用已日益减少，因为该类器件的功率转换效率相当低，据称平均只有36％。现在的趋势是采用开关型稳压器，它的功率转换效率可高达90％以上。现在业界普遍存在的一种趋势是采用第一章绪论3高频率开关电路，由传统的100砌乜至300K