一种高效率低功耗dc-dc降压转换芯片设计-design of a high efficiency and low power consumption dc - dc buck converter chip.docxVIP

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2018-06-03 发布于上海
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一种高效率低功耗dc-dc降压转换芯片设计-design of a high efficiency and low power consumption dc - dc buck converter chip.docx

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一种高效率低功耗dc-dc降压转换芯片设计-design of a high efficiency and low power consumption dc - dc buck converter chip

摘要摘要电子产品的飞速发展及其对高性能电源芯片的需求，为电源管理芯片的设计不断提出新的挑战。在电源管理芯片中，开关电源以其可靠性、高效率、低功耗而逐渐成为供电系统中的主流。本文对开关电源的几种控制方式，调制模式的优缺点等做出详细的归纳和总结，讨论了影响芯片效率的因素。同时，着重分析了峰值电流控制模式下，由于电流扰动和占空比扰动导致系统在占空比大于 50%情况下而出现次谐波振荡原因。在此基础上主要研究了一种高效率低功耗降压开关型电源转换芯片。芯片采用峰值电流控制，PWM 调制模式，工作在 300kHz 和 500kHz 两种频率下。当输出电压较低或者系统启动时，采用 300kHz；当电路启动后，工作频率为 500kHz。本文采用的峰值电流控制模式大大提高芯片瞬态响应速率和线性调整率。其工作电压为 4.75V～23V，输出电压为 0.92V～18V，输出电流高达 2A。芯片具有逐周期电流限制功能和过温保护功能，工作温度从-40°C～165°C。芯片设有可编程设定的软启动电路，防止芯片启动过程中电源的浪涌电流和输出出现过冲电压。在芯片内部采用斜坡补偿技术以防止芯片发生次谐波振荡。同时对芯片内部采样得到的信号无须滤波器，而是通过前沿消隐电路，防止由于干扰等不确定因素导致系统的误关断。另外，芯片还包括电压调整器，欠压锁定，误差放大器，比较器，振荡器，基准源和功率管及其驱动电路等模块。对芯片内部各个模块和系统进行分析仿真，并给出各部分仿真波形，仿真实现既定性能指标。最后简要介绍芯片版图相关注意问题，芯片内部各个模块布局并给出芯片关键部分详细版图和整个芯片版图设计。芯片采用是 UMC0.35CDMOS 工艺设计的。所有电路都是利用 Spectre 工具，Cadence 环境下仿真验证的。系统仿真效率高达 93%。关键词：开关电源，PWM，峰值电流控制，BULKABSTRACTABSTRACTThe fast development of the electronic products and the demand of high-grade power supply always challenge the design of power management chips. The switching power supply is becoming the main power system because of the high reliability, high efficiency, and low dissipation in all power supply types.The characteristics of power management loop controlling methods and modulation modes, the factors inflecting system’s efficiency are analyzed and summarized. And then, we mainly discuss the peak current controlling mode and the sub-harmonic oscillation when the duty cycle exceeds 50%. On the base of the theory, we study a kind of high efficiency, low dissipation switching power supply converter. The chip adopts the peak current controlling method; PWM mode and the working frequency are 300 kHz and 500 kHz. When the system begins to start or the output voltage is very low, the system works on 300 kHz. When the system works normal, it works on 500 kHz. The system input voltage range is from 4.75V to 23V and the output voltage rang is from 0.92V to 18V. The maximum output current is up to 2A. Fault condition protection includes cycle-by-cycle current limiting and th