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同步降压型DC-DC开关电源关键模块设计

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导师姓名
赵宏亮
学科专业
微电子学与固体电子学
文献出处
辽宁大学   2018年
关键词
同步降压型开关电源论文  带隙基准源论文  低线性调整率论文  谷值电流控制论文  单次计时器论文
论文摘要

在现代社会,人们对电子产品的依赖已经远超过去的任何时候,随着集成电路技术的日新月异,电子产品的体积越来越小,功耗越来越低,而功能却越来越强大。DC-DC开关电源芯片作为各种电子产品的核心部件之一,其性能对电子设备的续航时间和寿命有着决定性的影响。为了让电子设备具有更高的应用价值,DC-DC开关电源芯片的低功耗、高转换率设计逐渐成为了集成电路设计领域的研发热点。本论文基于标准0.5μm BCD工艺,主要研究同步降压型DC-DC开关电源中带隙基准源和单次计时器两个关键电路模块的设计、仿真与版图实现。本文主要内容包括:1、简要阐述开关电源的发展概况,并讨论了开关电源在未来的发展趋势。2、叙述同步降压型DC-DC开关电源系统的基本原理。3、介绍谷值电流控制的系统架构,其中包括谷值控制模式工作原理、同步整流技术、外围器件的选择等,总结了恒定导通时间谷值电流控制的优点。4、详细阐述了本文所提出的带隙基准源电路的设计与仿真过程,其中包括预调制部分和带隙基准源核心部分两个电路模块。本文所介绍的带隙基准源输出电压不仅具有较低的温漂系数,而且可实现在较大范围电源电压下工作并具有较低的线性调整率,这主要得益于使用了预调制电路结构代替传统启动电路,并在核心电路中使用高增益两级放大器结构。在TT工艺角下,仿真结果表明,在-40℃—80℃的温度范围内,温漂系数为14.36ppm/℃。在3到10V电源电压工作范围内,其输出端的电压变化仅为30μV,线性调整率达到4.3μV/V。电路的电源抑制比为102dB,在3.3V典型工作电压下功耗为300μW。5、详细阐述了本文所提出的单次计时器的设计与仿真过程。本文所设计同步降压型DC-DC开关电源工作在恒定导通时间谷值电流控制模式下,之所以采用这种电路控制模式,是因为该模式具有转化效率较高,能够稳定工作在高频环境下等特点。而单次计时器正是用于产生固定导通时间的关键电路模块。同时为了保持开关电源输出电压的稳定,谷值电流控制模式中的开关管工作频率要有一个上限,这个上限是由单次计时器的最小导通时间TON决定。本文所设计的电路中最小导通时间约为40ns。6、阐述版图设计中需要考虑的因素,如匹配性、抗干扰及寄生效应、可靠性等,并展示了所设计的带隙基准源和单次计时器版图。7、对论文的不足之处和模块设计结果进行总结。

论文目录
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摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 开关电源的发展概况

1.2 开关电源的发展趋势

1.3 论文主要工作及章节安排

第2章 同步降压型DC-DC开关电源系统基本原理

2.1 同步降压型DC-DC开关电源的工作及稳压原理

2.1.1 同步降压型DC-DC开关电源的工作原理

2.1.2 稳压原理

2.2 开关电源的控制方式

2.2.1 PWM控制方式

2.2.2 PFM控制方式

2.2.3 混合控制方式

第3章 恒定导通时间谷电流控制的系统架构

3.1 谷值电流控制模式工作原理

3.2 同步整流技术

3.3 外围器件的选择

3.3.1 电感的选择

3.3.2 输入电容和输出电容的选择

3.4 恒定导通时间谷值电流控制的优点

第4章 带隙基准源的设计与仿真

4.1 带隙基准源的基本原理

4.1.1 负温度系数电压的产生

4.1.2 正温度系数电压的产生

4.1.3 带隙基准

4.2 带隙基准源模块的总体结构

4.3 预调制电路设计与仿真

4.3.1 预调制的工作原理

4.3.2 预调制电路的设计

4.4 带隙基准核心电路部分设计

4.4.1 带隙基准核心电路结构

4.4.2 环路负反馈和密勒补偿

4.5 带隙基准整体仿真与分析

第5章 单次计时器的设计与仿真

5.1 单次计时器结构图

5.2 输入子模块的设计与仿真

5.3 控制子模块的设计与仿真

5.4 比较器模块的设计与仿真

第6章 版图设计

6.1 版图设计中需考虑的因素

6.1.1 匹配性考虑

6.1.2 抗干扰及寄生效应的考虑

6.1.3 可靠性考虑

6.2 电路版图

第7章 结束语

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况

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