一种高效率同步升压型dcdc转换芯片的研究与设计

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1、第一章绪论要不同的电压供应，而且要求电压稳定可靠、干净、高效，这也是电源管理面临的一个挑战。近年来，随着元器件的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向数字化方向发展，数字电源成为业界关注的焦剧41。一由于数字化，使开关电源的控制部分的智能化、元器件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。1．5本论文的主要工作和体系结构首先本论文通过与线性稳压电源的比较，引出开关电源的概念和四种典型的开关电源结构，其中的重点便是本课题所采用的Boost升压结构。然后从系统的角度了解Boost芯片的体系结构，从中确定关键模块的功能和参数指标，着重分析本课题所采用的同步整流技术和防止闩锁技术；再根据

2、模块的参数指标，利用本人的模拟电路知识，设计出具体的电路模块：最后利用Cadence的Spectre仿真工具对整体电路进行仿真，展示和介绍整颗Boost芯片的最终版图，并对芯片成品进行测试，分析测试结果。本论文由以下几个部分组成：第一章：绪论。主要介绍电源管理芯片的功能、发展历史、市场动态以及应用前景。第二章：DC—DC开关电源的原理和拓扑结构。首先分析开关电源相对于线性稳压电源的优势，其次重点介绍四种常用的开关电源结构。第三章：PFM控制式高效同步升压型DC．DC芯片的系统设计。分析Boost芯片的系统结构，重点研究同步整流技术的优势和具体实现电路，并分析闩锁效应及如何在Boost芯片

3、中避免闩锁。第四章：Boost芯片中关键模块的电路设计和仿真。重点研究和设计低压低功耗带隙基准电压源、误差放大器和比较器模块、开关管导通和关断计时模块、过流保护模块第五章：Boost芯片的系统仿真、最终版图及芯片成测结果。第六章：总结。总结本课题所完成的工作，对后续工作进行展望。第二章DC．DC开关电源的原理和拓扑结构第二章DC-DC开关电源的原理和拓扑结构不同电子产品对电源性能指标的要求有所不同，所以解决方案也不同。DC．DC的变换也有不同形式。我们首先认识一下常用的线性稳压电源【5】，然后重点介绍开关稳压电源。2．1线性稳压电源的基本原理和拓扑结构线性电源是电子设备中常用的基本模块，

4、它的出发点是——把直流变成直流的最简单方法是在回路中串联电阻，利用电阻进行分压，这样不涉及变频问题，其基本结构如图2．1。+VDs—Ioab图2．1线性稳压电源示意图(a图是线性电源模块，b图是等效电路)基本原理是利用运放对输出电压和基准电压进行比较，输出信号用于控制MOS管的栅极(或者是BJT调整管的基极)，达到控制调整管上压降的目的，使输出电压在输入电压、负载等发生变化时，依然维持稳定，如图2．2所示。可算出输出电压和电流值：砌加华．(肌尺2)尺2、．Voutlout=——RL(2—1)(2-2)需要注意的是误差放大器一定要联接成负反馈形式，以使输出平衡稳定。4m下沌上TI№上小下内

5、王下№上第二章DC．DC开关电源的原理和拓扑结构NMOS图2．2线性稳压电源的基本结构图Gnd该电源以控制结构简单(基本结构只需要一个基准电压，一个运放，一个调整管)，电源纹波小(因为功率管工作于连续状态)，噪声小等优点得到了广泛的应用，适合那．些对噪声非常敏感的无线电传输、测量仪器等。LDO(LowDropOut)t6㈣就是常用的典型线性稳压器。但是，计算效率可得，7：—Po—uF×100％≈—Vout—．IrN：—Vo—ut‘PlNVin·lINVin(2-3)由于输入输出电流近似相等，且电流流过时调整管上有较大的压降(电源电压减去输出电压)，所以这种结构的转换效率较低，特别是供电电

6、压和输出电压相差较大时更是如此。此外，由于功耗损耗全部转化为热能，散热问题也值得考虑。效率问题和仅能够用于降压的场合是限制这类电源应用范围的主要因素。2．2开关电源变换器的基本原理和拓扑结构如果使调整管工作在开关状态，则调整管带来的功耗损失会减小很多。用一个半导体功率器件作开关，使带有滤波器(电感或／和电容)的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上可得到另一个直流电压，这就是DC．DC开关电源的基本手段，类似于“斩波”(Chop)的作用。功率调整管可以工作在两种控制方式之下。在其两端电压为零时流过电流，或使流过电流为零时关断，称为软开关，此时开关上的损耗为零。由于损耗小，开关

7、频率可以提高到兆赫级，开关电源体积、重量进一步显著减小。软开关技术第二章DC．DC开关电源的原理和拓扑结构一般用谐振来实现，但是不容易控制。一般DC．DC变换中采用硬开关技术如PWM、PFM控制技术，虽然此时调整管上会同时存在电压和电流，会有损耗，但是比线性电源技术要小的多。而且，通过降低调整管的导通电阻，还可以进～步减小损耗。目前利用此技术的电源产品效率可以高达95％。再加上控制相对简单，所以这种技术广泛用于开关电源中。关电源与线