脉冲频率调制（PFM）的开关电容型直流降压转换器的研究和设计.pdf

後旦大擎硕士学位论文脉冲频率调制目9氐缛菪椭绷鹘笛棺;黄的研究和设计系:信息科学与工程学院专业;微电子学与固体电子学姓名:杨雨佳指导教师:洪志良教授完成日期:年院学校代码:号:学
摘要便携式产品向低电压,低成本,高性能的发展给电源管理芯片市场带来了新的契机。直流转换器作为电源管理芯片重要的组成部分也成为商家占有市场的重要产品。本文着重研究了脉冲频率控制的开关电容型直流降压转换器的设论文首先介绍了常见的三种直流转换器:低压差线性稳压器,电感型直流转换器,开关电容型直流转换器,并且比较了各自的性能差异。然后针对开关电容型直流转换器,介绍了直流转换器的重要性能参数:输出电压纹波,传输效率等以及电路中的寄生电感寄生电阻对电路性能的影响。在指标和参数定义清楚后,又详细讲述了分析开关电容阵列最常用的数学方法,稳态状态矢量分析法和瞬态分析法。论文还从系统的角度分析了输入限流线性反馈控制,脉冲宽度控制和脉冲频率控制在各项性能指标上的差异。接下来用工艺设计了一个输入为涑龅压为涸氐缌髯畲笪的直流转换器。设计中更加准确地模拟了传输电容和滤波电容的寄生参数,采用输入限流技术减小了输出电压的纹波,采用修改时钟沿的方法减小了输出电压上的毛刺,采用多种模式的开关电容阵列以及增益跳变提高传输效率。最后给出了系统仿真结果以及功率管等重要电路版图设计的实例。关键词:直流转换器,开关电容,脉冲频率控制,输入限流,输出电压纹波传输效率,增益跳变摘要计。/●
瓸,琣—琲,...,瑃甃瑃琹珼疍—/:瑂猚簅,琻琣琾,./甀瑃篋疍琲產·
霉篡掣霉篙霉插图索引~.~骸玙一““霍雹髆啊啊蕖夼蟛爸姿Ⅲ斟∞∞“∞西∞∞艘佻㈣放电过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯../J健笆睯∞¨¨绺行椭绷髯;黄鞯湫徒峁埂嗦返缭词涑瞿?椤一个ǹ9氐缛葜绷髯;黄鳌ǹ9氐缛葜绷髯;黄鞒浞诺缡疽馔肌涞绻獭图开关电容直流转换器放电简化示意图⋯⋯.诺绻獭包含电感的开关电容阵列⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.包含电感时输出电压纹波示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.理想时钟和时钟沿修正后的时钟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.开关的理想特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.ü堋ḿ途骞堋管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.脉冲宽度可调的时钟信号发生器简略图⋯⋯⋯⋯..械缏返氖涑霾ㄐ瓮肌缏贩娇蛟硗肌刃У缏贰绺兄械缌鞑ㄐ瓮肌龀迤德实髦平峁箍蛲肌牡缏吩硗肌淙胂蘖飨咝苑蠢】刂啤系统结构框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.开关电容阵列电路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯./J健/J健迟滞电压和纹波电压关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.增益跳变模式下的传输效率图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.模式向模式跳变时电容阵列变换图改进前的增益模式跳变仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.改进后的增益模式跳变仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.迟滞比较器电路图⋯⋯⋯⋯⋯鲆嫜≡窨刂贫寺呒楹系缏蘖鞴苷ぱ沟脑淼缏吠蘖鞴苷ぱ沟牡缏吠肌凹如孔弛恪薄┠¨一.●,
鱩薏安癿鳌辪..输入时限流管的栅压变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯痘荚词涑龌撼宓缏贰舶卯钉驰钙∞∞如奔侵叨刂葡碌氖淙氲缌鱅.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯....淙胧毕蘖鞴艿恼ぱ贡浠淙氲缌魉媸淙氲缪沟谋浠敝臃⑸缏贰敝诱蚊偶兜缏吠肌敝有藕欧抡娌ㄐ巍龀迤德士傻鞯氖敝臃⑸缏贰ǹ刂菩藕诺目9氐缛菡罅械缏贰刂菩藕抛楹系缏吠肌砥鸲缏吠肌砥鸲缏贩抡娼峁搪繁;さ缏贰搪繁;さ缏贩抡娼峁负载电流为钡拇湫省负载电流为时的传输效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..输入电压的瞬态响应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..矩形功率管结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..缎喂β使芙峁埂β使馨嫱忌杓啤竺婊鹗粝甙嫱忌杓啤缌骶档陌嫱疾季帧插图索~一●,.十
表格索引表各种直流转换器的综合性能比较表本文的直流转换器的设计指标..表基本增益,跳变增益和输入电压表本设计与国家半导体产品性能的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯....
引言第电源管理的重要地位本论文的研究工作与创新点在集成电路向着高性能,低成本,以及更加广阔的应用领域发展时,电源电路为了满足不同应用环境以及高集成度的要求而发展出电源管理这个庞大的研究领域。所谓的电源管理梢约虻サ描述为控制一个系统中电压和电流按要求随时间变化的系统。一个好的电源管理电路必须能提供足够的功率供系统正常运作,并且不能影响系统的功能还要符合成本效益。在高度数字化趋势下,数字技术在工艺尺寸微缩后对于电压的变化、电流的容忍和保护日益重要,不同的需要不同的供应电压,因而促成更多电源管理需求的兴起;不仅如此,终端产品如手机由于整合的功能愈多,随之而来的功率需求和电池寿命长也成必备要素,因此占据模拟市