（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗降压型dcdc转换器的设计.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论 文( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位 论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库：( 2 ) 为教学和科研目的，学校可 以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校阅网上提供论文目 录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开 大学向教育部指定单位提交公开的学位论文：( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息 研究所和中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相 应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 围巍巍 2 0 1 0年5 月2 9 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目低功耗降压型d c d c 转换器的设计 姓名周巍巍学号 2 1 2 0 0 7 0 2 2 0答辩日期2 0 1 0 年5 月2 9 日 论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业微电子学与固体电子学 联系电话 13 8 0 3 0 0 8 0 2 9 e m a i l g u x i n g d u x i a 16 3 c o r n 通信地址( 邮编) ：天津市塘沽区宏达街2 3 号南开大学微电子学研究所 是否批准为非公开论 备注：否 文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 1 ， i 。擎榭皂革现科考拦妤非娶审鬲箪搬毒￥士掣削彰革拱珥去妊寻非乳 碡囤群蕈詈专爱( 劬丝草一) 剪晕虮甲。茸劭珥奔b 单干逊、千斟晕埘明士戮秘鬃目娶堆碑群章：翼 星 茸砚妊影非鬃戮排曼瞀：琨曷 彬孑乡二，曼伸张 雾￥兰眵蚤f 互蹦虿弩旦宰j 弘能：哟卿) 弭礴署甄 i c l f 彳7 渺寥f yj i l y9 f f f y ，1 9 l ! e 眦丑汰a 舅o0to3ti 蜜审羔轴 妄e 砷移臣f g 裹七访谤； 环牟 剃妄娄协糌章7 彩 蝈i 婆捌 口干匦华丢若刚口蛳醵秘掣口珂杀环拿干强四千、亟笪亲口千斟0 9 椠茸现 曰l i 了日f 匆0 o 6 0 m a ) ，电感电流连续时，采用电压型p w m 控制工作模式，在负载电 流较小( 约 6 0 m a ) a n do p e r a t e si np f m m o d ew h e nt h el o a dc u r r e n ti ss m a l l ( 输入电压范围： 输出电压范围： 输出电流： 。高效率： 振荡频率： 控制方式： 5 v ( t y p ) 3 v ( t y p ) 6 0 0 f n a 9 0 ( t y p ) 1 m h z ( 2 0 ) p 1 】l m p f ma u t o 第三章系统结构和性能分析 第二节d c d c 芯片的原理 3 2 1 系统框图及工作原理 图3 1 系统框图 本芯片包含基准电压源、误差放大器、相位补偿电路、三角波发生器、p w m 比较器、电流限制电路、u v l o 电路等，内置有p c h 、n c h 功率管。 输出电压经过电阻r 1 、r 2 分压后，与内部产生的基准电压在误差放大器 及相位补偿电路的作用下，产生一个电压信号，该信号与三角波发生器产生的 三角波相比较，获得了p w m 动作需要的、宽度与输出电压的高低相关的开关 脉冲，这个脉冲经过输出驱动控制电路增强与调整后，驱动p c h 、n c h 功率管， 在l x 端输出一个l c 所需的s w i t c h i n gd u t yc y c l e ，改变后的输出电压再反馈回 去，这样不停的反馈循环，从而获得了稳定的输出电压。 第三章系统结构和性能分析 电流限制电路根据p c h 功率管的电流大小，来调节误差放大器的输出，从 而在使用低e s r 滤波电容( 如陶瓷电容) 的情况下仍能保证反馈环路的稳定。 3 2 2 各子模块功能说明 b i a s ：基准电压、基准电流模块，为其它模块提供电压基准及电流偏置， 保证稳定的输出电压。 r a m pw a v eg e n e r a t o r ：电路用来产生1 m h z 的三角波，提供给p w m 比较器。 e r r o r a m p l i f i e r ：误差放大器是用来监控输出电压的。这个放大器将基准电 压与反馈电压进行对比，如果反馈电压低于基准电压，误差放大器的输出将会 升高，反之则会降低。误差放大器的输出增益与频率特性被确定，以传输最优 的信号给输出驱动控制器。 c u r r e n tl i m i t ：电流限制电路用来监控流过p c h 功率管的电流。当p c h 功 率管电流大于指定值时，电流限制电路会关闭脉冲；当p c h 功率管关闭时，电 流限制状态会被解除；在下一个脉冲到来时，p c h 功率管开启，一旦出现过电 流状态，这个功率管会立刻被关闭；过电流状态消除后，芯片又回复到正常动 作状态。 u v l oc i r c u i t ：当v i n 低于2 6 4 5 v 时，p e h 功率管被强制o f f 以防止由 内部动作不稳定而出现错误的输出脉冲；当v i n 高于2 5 3 4 v 后，强制o f f 状 态会被解除。这样，在输出开始启动时芯片表现出软启动功能。u v l o 模块并 不是关闭整个芯片，而只是关闭输出脉冲，内部电路仍保持动作。 p f ms w i t c hc t u t e n t ：在p f m 控制动作过程中，p c h 功率管会一直保持o n 状态，直到电感电流达到一定值i p f m 。 另外，p f m 控制模式有最大d u t ) r 限制，一旦超过这个d u t y ，即使电感电 流未达到i e f m ，p c h 功率管也会被关掉。 第三节d c d c 芯片性能分析 3 3 1 片外滤波原件的选择 片外滤波电感和滤波电容的选择与p w m 模式下的稳态输出电压纹波密切 第三章系统结构和性能分析 相关。本文提出的d c d c 芯片在p w m 模式下运行时，片外滤波电感中的 电流是连续的，因此输出电压纹波的大小可由电感中的纹波电流在半个工作周 期内向片外滤波电容注入的电荷量计算得出，如图所示 k 图3 2p w m 模式下的电感电流波形 在d c d c 降压稳压结构中，电感电流i l 的平均值等于输出电流l o u t ，可 以假设图2 8 中电感电流的直流分量全部流过负载电阻r o u t ，而纹波电流全部 被滤波电容c 吸收。因此在每个工作周期t 内，电感上的纹波电流山l 向滤波 电容c 注入的最大电荷量a q 等于图2 8 中阴影部分三角形的面积，即 a q ：! 一t 竺：一t v o t r rn d ) t ( 3 1 ) 22 2 8三 则输出电压纹波相对于稳态输出电压预计值的比例可表示为 a v o u r ：丝：! ! 二望! ( 3 2 ) 一= 一= ：一 j j v o t i tc o w v o t i t8 l c o t r r 本文设计的d c d c 芯片p w m 模式下以固定频率1m hz 运行，同时又要 满足输出电压文波在3 以内，带入上面公式可得 笔婴 k t q 时 i = i s e q v b e k t ( 4 2 ) 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 v 眶：v r 1 n ( 上) l s 其中玢= k t q 为热电压，k 为玻尔兹曼常数，q 是电荷量。 v d d q 2 g n d 图4 1 带隙基准等效结构图 m l ( 4 3 ) 在图中r l ，r 2 和r 3 以及q l ，q 2 构成带隙电压产生器，放大器o p 和 m 1 为反馈电路，保证a 和b 点电位相等。 由运算放大器的性质我们得到 v r 3 = a = t v e b 2 v t i 刀( 丢) 一网n ( 去) = 闭n ( 篆) ( 4 4 ) 式中，a n ，4 f 2 分别是q l 和q 2 管的发社区面积，比值为n l 。由于 v a = v b ，那么就有1 2 r 2 = 1 1 r 1 ，于是有 烁3 ：v r l n ( 里)( 4 5 ) ，2 ：一v r 3 ：旦i n ( 丝) ( 4 6 ) ，。：丝；里一v ri n ( 里) ( 4 7 ) = 一= 一一m i ，y j r ， 第四苹p w md c - d c 转换器的电路设计与仿真 最终我们得到 隐：v e t o + v r l ：v z m + i l r l ：v e a l + 丝v r l n ( 丝)( 4 8 ) 尺3r 1 从上式中可得到基准电压只与p n 结的正向压降、电阻的比值以及q z 和 q l 管的发射区面积的比值有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。 当基准建立之后，基准电压与输入电压无关。第一项v e b i 具有负的温度系数， 在室温时大约为2 r o w ，第二项所具有正的温度系数，在室温时大约为 + 0 0 8 7 m v c ，通过设定合适的工作点，便可以使两项之和在某一温度下达到 零温度系数，从而得到具有较好温度特性的电压基准。【2 1 j 图中i b 是基准提供给其它模块的电流，与i o 成比例，而1 0 为： i o = i i + 1 2 = ( 1 + i r 2 瓦1 蹦n ( 等) ( 4 9 ) 4 1 2 基准实际电路的实现与仿真分析 本次设计的带隙基准的实际电路图如下图所示。运用a s m c 0 3 5 u r n 工艺设 计完成。 其中电流偏置的电路如下，电流与电源电压无关( 但仍旧是工艺和温度的函 数) g n d 而w 2 石2 砀萨1 ( 1 一面1 ) 2 ( 4 1 0 ) 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 图4 2 带隙基准电路图 该电路由偏置电路，运算放大器以及带隙基准的核心部分构成。对该带隙 基准电路进行仿真。温度从4 0 。到1 2 0 。的范围进行扫描，分析基准电压源的 温度特性，仿真结果图如下图所示。具有非常好的温度特性，基准电压随温度 变化影响非常小，满足系统所需要的精度要求。 3 2 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 ，2 f l1 8 0 1 2 a 1 7 0 1 2 a 6 a 2 0 0 ：a m e f 0 cr e s p o t t h f ： ： ： ： ： ： ，一 -1j- -i- - 鬻t 爿r 脚丫”r 1 同暇弋i 盯譬1 丁匿啊四j 塑婴l l 生上一 b ：( 5 1 9 1 j1 2 0 5 )5 o p 戟一2 8 0 2 5 1 u 图4 3 输出电压对温度变化仿真 对电源电压在0 - 6 v 下进行d c 扫描，仿真结果如下图所示。在1 4 7 v 的输 入电压下，基准电路开始工作：当输入电压达到1 8 v 时候基准电压源输出稳定， 恒定在1 2 v ；在1 8 v 到6 v 变化时，基准电压输出为1 2 v 。基本满足系统要 求。 3 3 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 1 4 0 1 2 a ：、，r f - 。ir ； ； ! ! | | j i 。 -j-，。-。ij-。1- 图4 4 输出电压随电源电压变化的仿真 第二节误差放大器 误差放大器是d c d c 转换器中另外一个核心电路模块，通过放大输出电压 后的反馈电压信号v f b 和基准电压v r e f 的差值来控制转换器的占空比，当输出 电压升高时，v f b 也增大，大于v r e f ，从而误差放大器输出减小，占空比减小， 开关管导通时间变短，导致输出电压减小：当输出电压降低时，v f b 小，小于 v r e f ，误差放大器的输出增大，占空比增大，开关管的导通时间变长，导致输 出电压增大。由此可知，误差放大器的性能直接决定着变换器的稳定性和输出 电压纹波的大小。【矧 通常情况下实现误差放大器的误差运算放大功能采用经典两级差分跨导运 算放大器( o t a ) 结构是很好的选择。本论文误差放大器的核心部分采用的两 级o t a 结构。误差放大器的核心电路由四部分组成：输入级，差分放大级，增 益级和输出级。 3 4 舯 晰 晰 ， 8 6 a 第四章p w md c 1 3 ( 2 转换器的电路 攻计与仿真 4 2 1 误差放大器的设计考虑 设计误差放大器的增益时需要主要注意以下两个因素： 1 ) 无源低通滤波器输出的信号会带有一定的纹波，该纹波信号通过误差放 大器也会得到放大，从而在误差放大器输出端造成一定幅值的纹波。如果该纹 波的幅值过大，则会对后级p w m 信号的占空比带来很大的波动。设计时，要 把纹波的幅值控制在几十m v 的数量级。 2 ) 假如为了追求误差放大器输出端较小的纹波，而把误差放大器的增益设 计的很低，是不合理的，它会导致误差放大器两输入端差值过大，从而影响整 个电路的精度。 4 2 2 误差放大器的实现与仿真 基于以上考虑，本次设计基于a s m c0 3 5 u m 工艺，通过对b u c k 型d c d c 转换器系统控制环路进行分析确定系统设计对误差放大器的性能需求，在此基 础上确定满足系统需求的晶体管级误差放大器的主要结构和基本参数并确定其 补偿机制以保证系统控制环路的稳定性。误差放大器原理图如下 i b i a s 图4 5 误差放大器电路图 仿真结果表明本文所设计误差放大器的增益达到5 0 d b ，相位裕度为8 0 。 特性参数均达到或优于设计所需指标。 v o u t 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 图4 6 误差放大器的仿真结果 第三节锯齿波产生电路的设计 电路中的p w m 信号是由锯齿波信号和误差放大器( e a ) 的输出信号比较之 后得到的。所以，整体电路需要一个锯齿波发生器，该锯齿波的频率在设计中 定为1 m h z 。 4 3 1 锯齿波的设计考虑 锯齿波产生电路示意图如下图所示 棚拍一艚帕 的 盼 一 一 一 e ， 2 3 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 图4 7 锯齿波原理图 其工作原理如下：开始时，o s c 电平比两个比较器的偏置输入都低，假 设为0 ，此时，r s 触发器的r 端为高，s 端为低，那么q 输出端为低，这时m l 导通，而m 2 关断，恒流源1 1 给电容充电。当电容两端的电压充电到大于v 1 时，会发生状态改变，r 输入端为低，s 输入端为低，q 输出端保持低不变。当 电容两端的电压继续充电到大于v 2 时，状态再次改变，r 输入端为低，s 输入 端为高，q 输出端变为高。此时m 1 将关断，m 2 导通，电容通过恒流源1 2 放电。 当容两端的电压放电到小于v 2 时，r 输入端为低，s 输入端为低，q 输出端保 持高不变。当电容两端的电压放电到小于v 1 时，r 输入端为高，s 输入端为低， q 输出端变为低，此时，m l 导通，m 2 断，恒流源1 1 给电容充电，回到开始状 态，完成一个工作周期。由电路工作原理可知：要求v 2 v 1 因此能产生电压在 v 1 和v 2 之间的锯齿波。1 2 3 这里，我们取v 2 为v i l i g h ，v l 为v - l o w 。通过调整i l ，1 2 ，电容以及v l 和 3 7 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 v 2 ，可以调整锯齿波的频率，从而调整p w m 控制系统的频率。 充电过程：i i t l = c ( v 2 一v i ) 放电过程：i i t 2 = c ( v 2 一矿1 ) 由此得到周期t = c ( v 2 厂- v o + c ( _ v 2 r - v o = 2 c ( v 了2 一- - v i ) 4 3 2 锯齿波具体实现和仿真 结合以上考虑，本文设计的锯齿波电路如下图所示 r a mp ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 卫 心出10 蔓j b ，v 1 一1 1 - 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 i l f 9 a 瞄n 。 9 1 4 6 2 n i n 、 。 图4 1 3 比较器的延迟时间 由仿真结果可知在典型条件v d d = 5 v ；t e m p = 2 5 。的时候低频增益为4 3 8 9 d b ， 上升时间为6 8 n s ，延迟时间为1 4 6 2 n s ，基本满足设计要求。 第五节u v l 0 欠压保护电路模块是设计 u v l 0 ( 欠压保护) 也称为低电压保护，指的是稳压电源由于某种原因( 如电源 由电池供电，电池电压过低) 使输出电压降到某极限值时，欠压保护电路能自动 检测到电源电压的不足，并将稳压电源切断并保持切断状态( 锁存) ，等电源电 压上升到极限值以上某一个值时i 电路可恢复供电。这是保证不因工作电压过 低而造成电路工作不正常或电路性能超差的保护措。【2 4 l 在正常的电池供电系统中，正常的工作条件下，电池电压因为负载的消耗 总会不断地下降，当输入电压下降到一定程度，会导致芯片内部子电路无法正 常工作，输入电压欠压封锁电路主要功能是在输入压下降至系统设定的闭值后， 输出控制信号关闭整个芯片及功率m o s 管，为了避免因电源不稳定而引起不断 开关功率管的现象，欠压封锁模块中设置了一定的迟滞量，等到电源电压恢复 并超过欠压阐值一定迟滞量后，芯片才重新开启，此间避免了不当操作及误动 4 2 用 力 詹 詹 囊 a 口 0 6 5 3 z l 矗 l 第四章p w md c d c 转换器的电路没计与仿真 作的发生。 下图为所设计的欠压保护电路的原理图。 啪 啪 时 图4 1 4 欠压保护电路的原理图 当整体电路启动时检v d d ，如果v d d 达不到2 5 v 则u v l 0 的输出信号使得 整体电路后续模块不工作。当整个芯片正常工作不需要欠压保护的时候，u v l 0 输出低电平，使整体电路工作。 当系统上电时，分压电阻先对v d d 进行分压，并于基准电压1 2 v 进行比较。 通过反向整形得到u v l 0 的输出波形。， 当v d d 从5 v 开始下降的时候，电路不处于欠压状态u v l 0 输出低电平，整 体电路正常工作。当v d d 降至2 5 v 的时候，电路处于欠压状态，u v l 0 翻转高 电平使得整体电路不工作。 具体仿真波形如下 4 3 第四章p w md c d c 转换器的电路没计与仿真 j a 2 a 1 0 a 0 一 0 t i m e s ) 图4 1 5u v l 0 仿真结果 通过仿真图验证，当输入信号正常时，对电源电压进行扫描，在2 5 。时正 向( 即电源电压从0 v 到5 v ) 和负向( 电源电压从5 v 到0 v ) 扫描曲线可见其阈 值电压分别为2 6 4 5 v 和2 5 3 4 v ，滞回幅度达到1 li m v ，基本满足设计要求达到 了预期的效果。 第六节功率管的设计 功率m o s f e t 属于电压型控制器件，它依靠多数载流子工作，因而具有许多 优点：能与集成电路直接相连；开关频率可在数兆赫以上( 可达1 0 0 m h z ) ，比 双极型功率晶体管至少高1 0 倍；导通电阻具有正温度系数，器件不易发生二次 击穿，易于并联工作。但是因为本文设计的控制芯片输出电流比较大，管子工 作时，等效电阻发热，发热程度与通态电阻r d s o n 和导通时漏极电流有关，因 此必须适当选取这两个参数，以便将热效应控制在一个可以接受的范围内。功 第四苹p w md c - d c 转换器的电路没计与仿真 率管本身导通时的压降和功耗是设计必须要考虑的。功率管在导通时电阻越大， 则消耗的压降和功率越大，所以功率管的输出电阻有严格的要求。【2 5 】 该控制芯片集成两个功率管分别为开关管和整流管。求导通电阻r d s o n 损耗很小，但实际上，导通电阻损耗只是其中的- b 部分。如下图所示 誉 呈 蕾 差 一 珏 一 ：麟钳s l r 触d ：竽l ， ，1 黝 ，移 r爹 耘， | 霎；? ?l r 一 影疆网 血 一 丑蘧鄹l 嚣ll 盘静 毒 “占 甚 蓉垂 i - - 耋 善 差 薯 国耋 0i ：i；r j 按 善壹 6 d r j一o l f萑t 图4 1 6b u c k 主要损耗统计 对于非隔离式d c d c ，都可以分为三种：传导损耗、驱动和开关损耗、控 制电路损耗。功耗主要集中在功率级m o s 管及其驱动电路上。与功率m o s 管相 关的功率损耗为： t o t a l = p c o n d u c t i o n + w ( g g o + e d r i v e r ) f s w ( 4 14 ) 其中，p c o n d u c t i o n 为传导损耗，e d r i v e 为单位周期驱动单位沟道功率管 所需驱动电路提供的能量，e g o 为单位周期单位沟道宽度功率管的充放电能量， w 为沟道宽度，f s w 为开关频率。由此式可以看出，影响损耗的因素与工作频率、 器件尺寸、负载情况、工作模式等等都有关系。功率管和整流管的尺寸决定了 管子的导通电阻，与负载电流一起，共同决定了同步整流开关的传导损耗。而 管子尺寸和驱动电路确定后，开关损耗和驱动损耗不再随负载电流变化，因而 重载下以传导损耗为主，轻载下以开关损耗为主。功率管栅宽大则m o s 管导通 电阻小，导通损耗小，但栅极寄生电容大，开关损耗和驱动损耗大，所以存在 4 5 s d 2 - 取 8 蠢 】 o l l d o o d 第四章p w md c d c 转换器的电路设计与仿真 一个最优栅宽， p o w l 譬 如图所示： 图4 1 7 传导功耗和开关功耗与功率级栅宽的关系 最优栅宽的计算公式如下： f _ ( 4 1 5 ) 其中，r o 为单位宽度的沟道电阻，i d s ( r m s ) 为传导均方根电流。d c d c 系统为了提供足够大的输出电流，开关管和整流管的宽长比一般都非常大， 宽长比设计主要考虑要求的导通电阻和驱动电流大小，满足以上要求后尽量 采用( 3 5 8 ) 式的最优栅宽以最大限度降低功耗。按该式计算，取功率开关 p m o s 管w l = 4 0 0 0 0 整流管n m o s 管w l = 2 0 0 0 0 。 第七节本章小结 同步降压式d c d c 控制芯片的设计已经基本完成。本章简单介绍了该 芯片的工作过程和功能组成模块，提出芯片的总体设计思路：接着分别对 各个功能块按照一定的性能指标进行了电路结构设计和功能仿真，功能基 本正确，性能指标也基本达到要求，最后对功率管的设计要求进行了分析。 第五章系统仿真与分析 第五章系统仿真与分析 要确保一个系统能够正常的工作，提高流片的成功率，就需要进行一系列 的仿真测试。对b u c kd c d c 变换器的仿真测试主要包括一下的几个方面。 系统闭环稳定性测试、软启动功能测试、输出电压随输入电压的波动量测试、 不同负载下的输出电压纹波测试、以及不同负载下电源转换效率测试。 系统仿真电路采用a s m c0 3 5 a n 的工艺进行仿真验证的。系统仿真框图如 下。 图5 1 系统仿真框图 其中l 为4 7 z h ，输出电容c l 为l o 肛。在n _ 5 v t e m p = 2 5 。，系统仿真 输出波形如下图所示。 4 7 第五章系统仿真与分析 图5 2 系统仿真结果图 第一节不同负载条件下效率的仿真 对于电源变换器来说，转换效率是十分重要的指标，尤其是随着消费类电 子的迅猛发展，为提高电池的使用寿命，对电源转换器效率和低功耗设计的要 求越来越高。因此，对设计的b u c kd c d c 变换器在不同工作条件下进行效率 测试。由于采用同步整流技术后，用功率m o s 管代替了二极管，大大降低了导 通损耗，提高了系统的转换效率。 由表5 1 的实验数据，可看出：在不同输出电流下，转换器效率基本上都高 于9 0 ，符合设计的要求。 表5 1 不同输出负载效率仿真 输入电压负载电流效率 ( v )i l o a d ( m a )( ) 56 0 0 9 2 9 7 5 2 09 3 1 8 52 0 09 6 3 7 第五章系统仿真与分析 第二节不同负载下的输出电压纹波仿真 一个良好的电源变换器要具有良好的输出电压特性，其中输出电压的纹波 就是重要的指标。只要保证输出电压纹波能够在一定的范围内即可。输出电压 纹波随负载变化的仿真数据，如表5 - 2 所示。 表5 2 不同输出负载纹波仿真 输入负载纹波纹波 电压 ( m h )( m v )( ) ( v ) 5 6 0 0 3 8o 1 3 5 2 07 2 0 2 4 5 2 0 03 9 0 1 3 由表仿真结果可知，最大纹波也只有0 2 4 ，满足设计要求1 的要求。 第六章总结与展望 第六章总结与展望 集成电路的低功耗设计已成为当今微电子领域研究的热点。本文介绍了集 成电路( i c ) 低功耗设计问题的产生，在讨论i c 的低功耗设计技术基础上，设计 了一款低功耗降压型d c d c 芯片，基于a s m c0 3 5 a n 工艺，利用c a d e n c e 对电 路进行了仿真，仿真结果基本满足设计要求。【2 6 j 本文创新性在国内外已有相关研究工作的基础上，采用同步整流和多工作 模式技术，设计d c d c 控制器，采用变频技术和开关缩放技术使功耗降低让 转换效率得到提高。这种控制系统把续流二极管所使用的肖特基二极管换为可 控低导通压降的功率m o s 管，并且在重载情况下，工作在p w l v l 模式下，轻 载情况下，工作在p f m 模式下。改善系统的电压调整率，提高系统的瞬态响应 速度，增加系统的稳定性和抗电磁干扰能力，降低了系统功耗，提高了系统的 效率。【2 7 】 在国内外已有研究的基础上，本文对模拟低功耗电路的研究做了以下两点 总结，采用弱反型区亚阈值区工作电路和电流模式电路可以有效降低模拟电路 的功耗。【2 8 j 【2 9 1 弱反型区亚阈值区工作电路：当v g s 下降到低于v t 时，晶体管将关断，没 有任何漏极电流通过。现已证实，当v g s v t 时，m o s 结构中依然存在一个弱反 型层，工作在弱反型区的m o s 管，其漏源电压可以降到1 0 0m v 数量级，使得低电 源电压下亦有可能获得足够大的电压摆幅( 即使在采用c a s c o d e 结构的情况 下) 。因此，它特别适合低电压条件下工作，其功耗相应也非常小。 电流模式电路：以电流为信号变量的电路逐渐被认识并被挖掘出来j 促进了 电流模式电路的发展。电流模式电路可以定义为：选用电流而不是电压作为电路 中的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能。电流模式电路可以解决 电压模式电路所遇到的一些难题，在速度、带宽、动态范围等方面获得更加优良 的性能，尤其适用于低电源电压的工作条件，且有利于减小功耗。电流模式电路 结构简化、面积小。如果用电压变量进行信号处理，必须在电路内部设置高阻抗 节点进行电流一电压变换。反之，如果以电流作为信号变量，则无需进行变换，因 而减少了元件数日、简化了电路结构，电路面积也随之减小。电流模式电路在高 第六章总结与展望 性能低压低功耗模拟i c 的设计与应用中具有极大潜力。其突出优点是工艺无特 殊要求，兼容性好，是一种值得关注的低功耗模拟i c 技术。f 3 0 】 致谢 参考文献 【1 】张为佐从电力电子到电源管理机械制造与自动化2 0 0 4 ，3 3 ( 6 ) ：l 6 2 国际电子商情加强产品革新探索新的应用领域2 0 0 9 ， h t t p ：w w w g l o b a l s o u r c e s t o m c n g s o l i a 9 0 0 0 0 0 010 5 9 9 9 h t m 3 】张占松，蔡宜三开关电源的原理与设计( 修订版) 北京：电子工业出版社，2 0 0 4 4 侯振义直流开关电源技术及应用北京：电子工业出版社，2 0 0 6 【5 】a n t h o n yj o h ns t r a t a k o s h i i g h e f f i c i e n c yl o w - v o l t a g ed c d cc o n v e r s i o nf o rp o r t a b l e a p p l i c a t i o n s - p h dd i s s e r t a t i o n ，b e r k e l e y ：u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a 【6 】r d m i d d l e b r o o k m o d e l i n gc u r r e n t - p r o g r a m m e db u c ka n db o o s tr e g u l a t o r s p o w e r e l e c t r o n i c s ，i e e et r a n s a c t i o n so n 1 9 8 9 ，4 ( 1 ) ：3 6 - 5 2 【7 】杨旭，裴云庆，王兆安开关电源技术机械t 业出版社2 0 0 4 8 华伟通信开关电源的五种p e v l 反馈控制模式研究通信电源技术2 0 0 1 ，( 2 ) ：8 1 2 。1 6 【9 】c h e u n gf a il e e ，p h i l i pk t m o k o n - c h i pc u r r e n ts e n s i n gt e c h n i q u ef o rc m o s m o n o l i t h i cs w i t c h - m o d ep o w e rc o n v e r t e r s c i r c u i t sa n ds y s t e m s 2 0 0 2 ，5 ( 2 6 ) ：2 6 5 。 2 6 8 【1o 】v a t c h ev o r p e r i a n s i m p l i f i e da n a l y s i so fp w mc o n v e r t e r su s i n gm o d e lo fp w m s w i t c h a e r o s p a c ea n de l e c t r o n i cs y s t e m s 19 9 0 ，2 6 ( 3 ) ：4 9 0 4 9 6 【1 1 】侯振义直流开关电源技术及应用北京：电子工业出版社，2 0 0 6 1 2 徐静平，王虎，钟德刚等一种用于p w m 变换器的斜波补偿电路设计华中科技大 学学报( 自然科学版) 2 0 0 7 ，3 5 ( 9 ) ：6 6 - - 6 9 1 3 】刘帘曦，杨银堂，朱樟明p 删p f m 双模调制的高效率d c d c 开关电源2 0 0 6 ， 2 6 ( 2 ) ：2 0 9 - 2 1 3 1 4 赵卉电流控制模式单片开关电源的设计： 硕士学位论文 西安：电子科技大学 图书馆，2 0 0 5 【15 】f e n g - f e i m a ，w e i - z e nc h ea n dj i i n - c h u a n w u am o n o l i t h i ec u r r e r r t - m o d eb u c k c o n v e r t e r 、m t ha d v a n c e dc o n t r o la n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s p o w e re l e c t r o n i c s 2 0 0 7 ， 2 2 ( 5 ) ：1 8 3 6 一1 8 4 6 【1 6 】陈敏b u c k 型同步整流d e - d e 转换器系统模型与效率研究： 硕士学位论文 南京： 东南大学，2 0 0 5 17 】k a i s e r u ，s t e i n h a g e n w al o w - p o w e rt r a n s p o n d e ri cf o rh i g h - p e r f o r m a n c ei d e n t i f i c a t i o n s y s t e m s i e e ej o u r n a lo fs o l i d s t a t ec i r c u i t s 19 9 5 3 0 6 。3l0 【1 8 】蒋旭峰峰值电流控制p w m 升压开关电源i c 研究与设计： 硕士学位论文 成都： 电子科技大学，2 0 0 7 【1 9 】毕查德拉扎维著模拟c m o s 集成电路设计( 陈贵灿，程军，张瑞智等译) 西安： 致谢 西安交通人学出版社，2 0 0 3 ，5 1 7 5 2 8 【2o 】yj i a n ga n de k el e e d e s i g no fl o w - v o l t a g eb a n d g a pr e f e r e n c eu s i n g t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r i e e et r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m si z 2 0 0 0 ， 4 7 ：5 5 2 5 5 5 【2 1 】k a n a n gl e u n g ，p h i l i pk t m o k ，c h iy a tl e u n g a2 一v2 3 - u a 5 3p p m c c u r v a t u r e c o m p e n s a t e dc m o sb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e i e e ej o u r n a lo f s o l i d s t i a t ec i r c u i t s 2 0 0 3 ，3 8 ( 3 ) ：5 6 1 5 6 4 【2 2 】 【2 3 】 【2 4 】 2 5 2 6 】 2 7 】 2 8 】 【2 9 】 【3 0 】 汪华，邹雪城，童乔凌，肖华一种新型c m o s 误差放大电路的设计电测与仪表2 0 0 7 ， l ：5 2 5 3 p e 艾伦d r 霍尔伯格c m o s 模拟电路设计( 冯军，李智群等译) 科学出版社， 1 9 9 5 邓云飞，吴玉广p 删控制器欠压锁定电路的实现电子技术2 0 0 3 ，1 1 ：5 1 5 3 田锦明，王松