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一种采用数字辅助技术的Dc-DC变换器的设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容与设计指标

1.4 论文结构

第二章 Buck DC-DC变换器的设计原理

2.1 DC-DC变换器的主拓扑结构

2.1.1 Buck DC-DC变换器的工作原理

2.1.2 Boost DC-DC变换器的工作原理

2.2 DC-DC变换器的控制模式

2.2.1 电压控制模式

2.2.2 电流撂|制模式

2.3 DC-DC变换器的调制方式

2.3.1 PWM调制模式

2.3.2 PFM调制模式

2.3.3 PWM/PFM双模调制

2.4 双模式DC-DC变换器重要参数

2.4.1 DC-DC变换器的效率

2.4.2 双模式DC-DC切换点的选择

2.4.3 DC-DC纹波

2.4.4 系统参数的选择

2.5 本章小结

第三章 基于数字辅助技术的Buck DC-DC变换器设计

3.1 数字软启动

3.1.1 软启动原理

3.2.2 传统软启动

3.2.3 数字软启动原理及设计

3.1.4 DC-DC系统中数字软启动的仿真分析

3.2 数字斜率补偿

3.2.1 次谐波振荡和系统稳定性

3.2.2 分段式斜率补偿原理

3.2.3 DC-DC系统中数字分段式斜率补偿设计与仿真

3.3 输出电压数字可调节

3.3.1 运算放大器的设计与仿真

3.3.2 带隙基准电路的设计

3.3.3 DC-DC输出电压数字可调节的仿真分析

3.4 本章小结

第四章 基于数字辅助技术的Buck DC-DC系统电路仿真与版图设计

4.1 系统的性能仿真

4.1.1 纹波

4.1.2 输出电压

4.1.3 系统效率仿真

4.1.4 前仿结果与指标汇总

4.2 版图设计

4.3.1 功率管的版图设计

4.3.2 系统版图的布局及实现

4.3.3 系统版图验证

4.3 系统的后仿真

4.4.1 系统的工作模式仿真

4.4.2 系统的效率仿真

4.4.3 系统指标汇总

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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摘要

随着便携式电子产品的不断发展和日益成熟,要求与之配套的电池供电电源系统体积更小、重量更轻、性能更优、效率更高,数字辅助技术正是利用其控制精度高、可靠性好等优势,成为提高DC-DC开关稳压电源的性能十分有效的手段,因而越来越受到人们的重视。
  本论文研究并设计一款基于数字辅助技术的双模式切换DC-DC变换器,首先对DC-DC变换器进行系统分析,该变换器主要采用峰值电流控制模式以及PWM/PFM自动切换模式。在此基础上,应用三种数字辅助技术:数字软启动技术、数字斜率补偿技术、输出电压数字调节技术。数字软启动:通过计数器生成数字斜坡电流,使得软启动电流增长稳定,同时设定2个电流检测点,改变计数器的频率,以适应重轻负载的变化,避免过冲现象产生,改善DC-DC变换器的可靠性。并可以节省片外电容,使得电路集成度更高,节省面积,降低成本。数字斜率补偿:将占空比变化区域数字分段,并计算出其区域内最大斜率补偿电流,通过占空比的变化,采用该区域最大斜率补偿电流,使得电路补偿适中,在保证电路的稳定性的同时提高系统带载能力。为了实现输出电压数字可调节:设计了数字可调节的电压基准,从而改变电路电压输出值,满足供电电路的不同需要。
  基于CSMC0.5μm工艺,用Cadence软件进行电路设计、仿真以及版图设计和后仿真,仿真结果表明,所设计的电路输入电压范围4V~6V、最大负载电流1A,基准电压范围为0.9V到1.4V,当输入电压为5V时,输出电压为2.5-3.9V的数字可编程电压,在重载下效率大于90%,在轻载下效率大于70%。电路软启动初始时间约为16μs,输出电压稳定时间为30μs。当负载过重时,存在30μs,47μs两个时间节点来提升软启动时间。数字斜率补偿也很好地保证了电路的稳定性。整体性能达到了设计要求,论文工作表明利用数字辅助技术,可增加控制精度,为全面提高DC-DC变换器的性能开辟一条新的途径。

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