峰值电流型脉宽调制降压型DC-DC芯片的设计

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1、学校代码10530学号201110061316分类号TN713密级公开硕士学位论文峰值电流型脉宽调制降压型DC-DC芯片的设计学位申请人周阿铖指导教师金湘亮教授学院名称材料与光电物理学院学科专业微电子学与固体电子学研究方向集成电路CAD与专用集成电路设计二○一四年五月万方数据TheDesignofBUCKDC-DCchipBasedonPeakCurrentandPWMControlmodeCandidateAchengZhouSupervisorProfessorXiangliangJinCollegeFacul

2、tyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramMicroelectronicsandSolidStateElectronicsSpecializationICCADandASICdesignDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay,2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包

3、含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日

4、期：年月日万方数据摘要当今消费市场中，人们对于便携式电子设备的需求越来越高，其更新换代的速度也是越来越快。电源充当着所有电力电子产品的“心脏”，而开关电源以其外围电路简单，体积小，效率高成为广泛应用的电源设备。跟随着便携式系统设计师们不断减小产品尺寸的步伐，电源IC设计者们也将设计重点转向了利用更小的片外电感和陶瓷电容来实现更高的开关频率，从而提高效率。本文基于湘潭大学微光电与系统集成实验室与上海昱品公司合作的产学研项目“高性能降压型开关电源的研究”，研究设计了一款单片集成的同步降压型变换器，只需外接少量的电容电感

5、元件，就可以实现降压功能，在分布式电源系统和便携式产品中具有广泛的市场应用前景。本论文首先介绍了如何利用开关电源的动态分析来判断系统稳定性的方法步骤，然后重点分析了峰值电流型PWM控制开关电源的小信号设计，分析其传递函数中的零极点分布情况，以保证整个电源系统环路的稳定性，确保所选方案的正确性。然后就芯片内部六个关键模块的电路进行设计和仿真分析验证，最后对整体电路进行包括输出纹波电压、线性调整率、负载调整率和效率等各项指标仿真。所设计的DC-DC变换器芯片中，集成了内阻为200mΩ的MOS型开关管和整流管，在5V-1

6、8V的宽输入范围内能够提供最大2A的连续负载，峰值电流型脉宽调制控制环路提供快速的负载响应和逐周电流保护功能，具有340kHz和100kHz变频、欠压过压保护和过温保护等功能。此外，芯片引入软启动(Soft-Start)机制来平滑芯片的启动运行；斜波补偿用来避免占空比大于50%时次谐波振荡现象的发生；采用交错延时的反相器链来控制死区时间长短，实现同步整流技术等，这些技术的引入等，大大增强了BUCKDC-DC系统的可靠性。本文的主要创新点存在于各电路模块的细节设计：1)对决定系统带宽的误差放大器，进行抵抗温度变化对主

7、极点影响的设计；2)利用齐纳二极管反偏为耗尽型MOS管提供栅极电压，代替JFET管限流降压的功能，为内部调整模块提供了相对稳定的工作电压，弥补B50D工艺中不含JFET管的缺陷；3)基于传统Brokaw基准电压模块，增加VX节点到地之间的电容有益于基准环路相位裕度的提高；4)变频振荡器在其数字输出部分所设计的电容帮助实现占空比可控。由于时间和学校测试设备等原因，电路测试和芯片查错等工作还需要继续进行。PWM调制方式在轻载情况下效率较低、内部调整电路温度系数较高以及振荡器电容精度受工艺影响偏差较大等问题，这些都是本芯

8、片设计的不足之处。I万方数据芯片基于苏州旺宏标准0.5μmBCD工艺设计，通过Cadence仿真工具对各个子模块和整体环路进行仿真验证和版图设计，并进行全芯片的ESD防护设计。仿真得到系统验证和整体电路均已达到设计指标要求，最高电源转换效率可以达到93%，验证了系统方案和设计思路的可行性和正确性，芯片已经流片。关键词：开关电源小信号设计；降压型DC-DC；峰