（通信与信息系统专业论文）boost芯片中关键电路的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 模拟集成电路制造工艺奔绍 模拟集成电路( i c ) 的品种繁多、电路复杂。同数字集成电路相比，模拟集成 电路的电源电压高，电路中重复单元较少。由于王艺的限制，制作电感、大电容、 大电匿班敷蔫拄匏的p 船晶体管较困难，模拟i e 的发屡援相当长豹一个辩期内 落后子数字i c 。然而，随着电路设计技术的不断进步和工艺水平的提高，模拟i c 已取得飞速发展，模拟i c 工艺已由原来单一的双极工艺发展为等平面工装、互 补双极( c b ) 工艺、b i c m 0 s 工艺等。根据需要，部分t 艺避融入了s i g e 工蕊技术 秽s 0 i 深攥介质隔离工艺技术。 双极工艺制造的器件速度高、驱动能力强、模拟精度高，但在功耗和集成度 方面无法满足集成规模越来越大的系统集成的要求：而c m o s 工艺制造的器件功 耗低、集成度高和抗干扰能力强，但速度低、驱动能力差。b i c m o s 工艺将双极和 e s 器伟阉时剖 筝在同一芯片上，综合了飙极器 牛赛跨导、强负载驱动熊力帮 c m 0 s 器件商集成度、低功耗的优点，使其赢相取长补短，发挥各自的优点为高 速、高集成度、高性能的l s i 及v l s t 的发展开辟了一条新的途径。b i c m o s 工艺 通常是在已有的c m 0 s 工艺慕础上融入双极工艺。可以采用不同的方法制作双极 器俸。一般嚣可能多造利用m o s 器馋工艺中已有的工艺步骤，来毒l 筝双极晶体管。 但若对双极晶体警的性能参数要求较高时，则需要增加工艺步骤。高性能b i c m o s 工艺一直试图在c m o s 工艺中同时制作高性能双极晶体管，但必须在可接受的工 艺复杂程度与所要求的器件性能之间折中。 在搂拟i c 中，经常要翱翔双摄器俘的精密匹配和低臻声特性。模拙i c 还常 常采用p n p 晶体管( 横向) 、精密电阻和精密屯容。因此，用于模拟i c 的8 i c m o s 工艺可能会变得十分复杂，通常是由双极i c 工艺发展而来。i “ 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 开关电源管理芯片简介 电源是等静电子设备必不可缺的缀成部分，性能直接关系剜电子设备的难 运行。目前常见的d c d c 电源管理芯片主要有两种，直流线性稳压电源和开 电源。线性稳压电源比较常见的是l d o ( l o wd r o p 一0 u t ) ，它稳定性好、输出 压噪声小、结构简单容易集成。但是它效率低下和输出范围小，电池豹很大 部分能量被消耗在调整管上，造成很大的浪费。它的这个缺点对于便携式穆 设备来说是致命的。开关电源管理芯片有效率高输出电压范围大的优点，这 因为开关电源的功率开关管工作在高频开关状态，损耗的能量很少，目前使 豹集成开关电源效奎可以达到8 0 以上。正是由于开关电源的避一特点，现 已经成为赢流稳压电源的主流产品。 目前，随着电子技术的应用与发展，便携式的电子产品( 如p d a 、手机、笔 。本电脑等) 得到了广泛鲍发展，对开关电源提出了越来越高的要求。更惠的 成度、更高的转换效率甄及更小的输出噪声这是开关电源发展的方向。 1 提高电源的集成度。早期的开关电源以分立元件为主，使得整个电源管 。系统的体积很大。9 0 年代出现了由控制芯片、功率开关管和外部电感电容元 组成的开关电源馊得电源的体积大大的撼小了。目裁随着功率半导体技术的 步发展，已经出现了把功率半导体器件集成到b i c m o s 工艺中d m o s 工艺， 以把功率开关管之间集成到芯片内部，使得开关电源的成本和体积避一步减 e 2 提高能量转换效率。开关电源管理系统中，能量主要消耗在功率开关管 t 通时的等效导通电阻上，同时控制芯片中的静态电流也会造成能量损耗。所 要提高能量的转换效率主要是从减小导通电阻和减小静态电流两个方面来解 ：。 3 减小开关电源的输出噪声。开关电源的最大缺点，就是输出电压的纹波， ：是无法避免的，但是我们可以通过一些技术尽鲞的减少输出电压的纹波。日 f 主要的减小纹波的技术主要有：可以通过掏建舍适的输出 偿网络( 如增船 i 出电容的值，可以有效的减小纹波) ；提高芯片的工作频率可以减小开关电源 l 输出纹波。 西南交通大学硕士研究生学位论文 1 3 本论文的主要工作及研究意义 本文从系统的角度出发了解b 0 0 s t 芯片的系统结构，从而确定系统中关键 模块所需要的指标参数；其次根据模块的参数指标，利用自己所学的电路知识， 设计出子电路模块；最后利用h s p i c e 软件对设计的子电路及整体电路进行仿真， 确定电路是否满足设计的要求。本文主要由以下几个部分组成： 第一章：引言。简单介绍了设计模拟集成电路所使用的b i 叫o s 工艺和开关 电源管理芯片的方展概况。 第二章：开关电源系统的拓扑结构和控制方式。阐述了开关电源系统的工 作原理以及它的几种常见的控制方式。 第三章：一嚣片的结构设计。确定芯片的整体结构，以及其所需要的子电路。 第四章：芯片中模块的设计和仿真。对本课题中的主要子电路进行分析， 根据设计要求设计了带隙基准电压模块和限流模块，并且利用h s p i c e 对它们进 行了仿真分析。 结论：总结了本文所傲的工作和对开关电源未来的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第二章开关电源的基本原理和控制方式 随着便携设备在人们日常生活中的日盏广泛，丌关电源技术也在不断的进 步，其性能也有着大幅度的提升。其控制模式也在不断的发展，由电压控制模 式发展为电流控制模式，使得单片开关电源无论在性能还是在设计上都有着长 足的进步。 2 1 常见的开关电源电路 开关功率变换器按照主回路拓扑可以分为四种：b u c k 变换器、b 0 0 s t 变换 器、b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器。” 2 1 1b u c k 型功率交换器 b u c k 型功率变换器也被称为降压变换器。早在2 0 世纪6 0 年代就歼始应用 于电子设备中。它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比 ( 即占空比) 来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉 冲构成，方波脉冲的平均值就是壹流输出电压。”1 使用台适的l c 滤波器可将方波脉冲平滑成较小纹波的直流输出，其值等于 方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反 馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响。 图2l 所示为简化的b u c k 功率变换器拓扑图。图中，开关器件m 1 作为单 刀单掷开关与直流输入电压v d c 串联。在开关周期t 内，m 1 的导通时间为t o n 。 m l 导通时，v l 点电压为v d c ( 设m 1 导通时，m 1 上的压降为0 ) 。m l 关断时，v l 点电压迅速下降到0 ( 设= 极管上得压将为o ) 。若没有钳位二极管d l ( 也称为 续流二极管) 将其钳位于地，则v 1 点电压波形会降得很负而损坏m 1 。 续流二极管) 将其钳位于地，则v 1 点电压波形会降得很负而损坏m 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 图2 一tb u c k 功率转换器拓扑图 设此刻二极管的压降也为0 ，则v l 点电压波形为矩形波，如图2 2 所示t o n 时电压为v d c ，其余时间电压为o 。该电压的直流值( 或者称为平均值) 为 v w t w t 。l 。c 。滤波器接于v l 和v o 电压之间。它使输出点v o 成为幅度等于v 。 t 。t 的直流电压。 “门厂 厂 卜0 令专人 幽2 2b u c k 功率转换器的主要波形图 2 1 2b 0 0 s t 型功率转换器 与b u c k 型开关电源高压输入得到低压输出不同，b o o s t 型开关电源可以由 西南交通大学硕士研究生学位论文 端，对它们的分析方法都是基于电感电压平衡。丽c l j k 变换器踬它们最大的不 间就是，它韪通过电容来传递能量的，分析方法也是基于电容的电流平衡。c u k 的典型结构如圈2 5 所示。 。h 1 卜 r 2 土 辫2 5c u k 功率转换器拓扑篷 当开关管m 1 导通对，流过电窑c l 雏电流为1 2 ；当开关管m l 关闭时，流过 电容c l 的电流为1 1 。 在稳态时，在一个周期内流过c l 的电流和为零，从而有 l 摹。托一i l 娟一q 因此有丘蔓 f t d ( 2 4 ) ( 2 5 ) 根据能量守恒! 生，一j l( 2 ，6 ) 矿 1 一d 扶式2 6 可以看出c u k 功率转换器的输入电压与输出电疆的芙系与b u 涨一 0 s t 相丽，信c 隧转羧器疑有输入和输出电感平滑输入和输出电流的优点，雨 其他几种功率转换嚣至少有侧有较大的电流脉冲。 2 2 开关电源的控制方式 基本的控制方式主要有p f m ( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ：脉冲频率调 制) 和p 蜊( p u l s e q i d t hi i l o d u l 乱i o n ：脉冲宽度调制) 。 p 糊的主要特点是将开荧的脉冲宽度圈定，通过调节开关的频率来调整占空 比，其稳压原理是当输出电压v o 升高时，控制器输出信号使得开荧的导通时间 西南交通太学硕士研究生学位论文 不变而周期变长，从而导致了占空北d 减小，v o 降低。采用p m 控制方式的开 关电源的输出电压的调节范围很宽，但是由于它的频率不同定导致了输出电压 的噪声频率较宽，这就为输出电感、电容的选择带来了麻烦。”l p 榭的主要特点是固定开关的频举，通过改变脉冲宽度来调节占窄比d 。由 于开关周期是固定的，所以它的输出噪声的频率范围也是比较固定的，这就为 设计输出滤波电路提供了方便。由于受到功率扦关最小导通时间的限制，采用 p 麟控制方式的开关电源的输出电压调节范匿比较窄。 2 2 1p 置m 控制方式 p 剐控制方式主要有两种：定时p f m 、峰值电流最小导遭时问p 雕。 定时p f m 是最简单的控制方式，采用定时p 踟控制方式的开关电源如图2 6 所示。 图2 6 定时p f m 控制结构示意图 掘图2 6 所承绘如电压分压后反馈到误差 e 较器，比较器的另一端与基 准电压相连，当输出电压v o u t 较小时，比较器输出为“1 ”到r s 触发器从版 控制开关导通，电感存储能量，在开关关闭时为输出电容充电，使得v o u t 达到 门限。使用这砖方式会使得输出电压的纹波很大，丽且输出信号的嗓声变化范 围比较大。 峰值电流最小导通时间p f m 稍微比一般的p f m 复杂点。它的拓扑结构图 嚣裹交通大学碾士研究生学位论文 如图2 7 赝示。 如朦2 7 所示，跟定对p 雕耀魄，这种方法不需要摄荡器来为功率开关产 生开关信号。嚣燕运过两个比较器_ 稀脉冲产生邀路( o n e s h o t ) 按照一定的逻 辑关系采控裁琏率开荧豹频率和占室激。脓冲信哿产生邀路的烹耍撑绢是产生 定辩信号分别控制嚣荧戆最丈导逶对闻和最，l 、关辑时润，飙磊可敬避免产生误 撩作。掰个比较嚣分剐是限流比较器和误差比较器。当开关导通瓣，葫窭开关 警的电流主升。当电流达到艰流比鞍器豹门限时，比较器输如为“1 ”，遴避 定的逻辑关系使褥功率开荧警美逶( 懿粜凌最大尊遴辩惩到来时，电流没霜达 到门鞭，鲍对o n e s h o t 电流会越作嗣使褥开关荚翔) 。当功攀帮关臀关阏时， 经_ ；囊最小静遂时闽露( 由o n e s h o t 电熬提供) ，知巢输出电压低予v o u t 误差 比较嚣的门限粼开关导通。峰值电漉最小母遥对闭p 嘲控靠裁怒遴避电流门疆 和误差比较器两个门限，健褥开关不鞭滟完藏拜荧渤俸。这秘控制方法内于采 翔了限瘟控制，健褥辕高电压的纹波大大艴藏，l 、了。 强2 7 峰值电流最，j 、譬通对间p 粼撼扑结构型 西南交通太学硕士研究生学位论文 2 2 0p w m 拄制方式 脉冲宽度调制，也就是在脉冲频率一定的情况下，调整脉冲的占空比。基 本实现方法是由蠹部叛荡器产生一个频率恒定的锯齿波，与一个反馈电压比较， 输出方波，用于控制调整管。这种方法在大负载时的效率高，对负载变化跟随 较好，而且噪声频谱恒定，利于进行电磁兼容设计。；缺点是当负载较小时，控 制电路的工作电流占总工作电流的比例j = 升，导致效攀降低。有一种解决办法 是当负载较小或为零时，使用线性电源代营p 瓤主电路进行工作，充分裁用线 性电源小电流时效率高的特点。 电压模式p 州控制方式拓扑结构如图2 8 所示。 霉2 8 电压模式p 鞭控制方式拓卦围“1 如图2 8 所示，r a m p0 s c ( 斜波振荡器) 产生锯齿波信号。输出电压经 电阻分压后反馈到误差放大器，误差放大器把v o u t 跟v r e f 电压的差值放大后 辕出到误差比较器，跟由鹪波振荡器产生的锯齿波进行 b 较，从而确定功率开 荧的占空比。警输出电压v o u t 减小时，v e r r o r 信号也变小，经过误差比较器， 使得功率开关的导通时间变长，占空比变大，从而使得输出电压增大。 1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 3 开关电源模型简介 开关电源系统属于周捌性时变嚣线性系统，以及它所含鸯多变量的特点， 决定了开关电源的建模成为一个难题。由于时变、非线性均出现在功率级，因 而功率级建模是开关电源建模的难点所在。自七p 年代起，许多学者致力于这 方面的工作，取得了令人瞩目的成就。 r dm i d d l e 缸o o k 和sc u k 于1 9 7 6 年提如了、茯态空间平均模型。“。 其主要思想是根据开关电源在一周期内各时段的电路结构，分别得出系统在各 时段( 在c c m 下为两个时段：主开关管导通时段和主开关管截止时段) 内的状态 空间方程组，再透过状态空间平均法( s t a t e s p a c e8 v e r a 醯n g ) 在一闫期虑取平 均值，对系统进行线性化处理，得到系统的小信号模型。它揭示了开关电源的 电感电流、输出电压、占空比以及输入电压等变化基之间的关系，并且论证了 在b o o s t 和醣c k b o 。s t 型开关电源系统中存在右平砸零点( 雕p ) 的性质。它 对认识开关电源系统的小信号工作特性很有帮助，但对系统设计的指导意义有 限。 1 9 8 9 年，r d m i d d l e b r o o k 又提出了能应用于指导p c mp 州开关电源 设计的模型。“穆系统中的功率缓和电流控制坯合并，得到一个线性等效取螭 口网络，给出了网络参数表达式。利用此模型，双闭环控制的开关电源系统转 换成为考虑了电流内环影响的电压单环控制系统。这样，可以有效地设计出稳 定的系统，但却不使用于详尽分柝电流内环的作用。 1 9 9 0 年，v a t c h 6v o r 陌r i a n 提出了适用于b u c k 、b o o s t 、j n v e r t 和c u k 等四种结构的统一模型“3 。先从开关电源四种基本拓扑中抽苏出等效开关， 研究c c m 和d c m 模式下等效开关的端口特性，分别得出两种工作模式下功率级 的线性等效电路。这个摸型的优越性在于它的适用范围程广，土述四种开关电 源无论采用何种控制模式，只需以此线性等效电路替代系统中的功率开关，建 模问题便迎刃而解。而这种模型的缺陷，在于分析各动态分量时精度较低。 2 0 0 i 年，t s u n t i o 和j 1 e m p i n e n 探讨动态分董的影响问惩”“已有 的基础上，提出了针对a c mp 槲开关电源韵动态模型“，该模黧中增加了表征 动态分量作用的环节，精确度有了提简，但模型变得复杂。“” 西南交通大学硕士研究生学位论文 第三章芯片构架分析 3 1 芯片设计的流程 芯片设计一般分为正向设计和逆向设计两大类。正向设计通常用来实现一 个新的设计，而逆向设计是在剖析别人的基础上进行某种修改或改进，从而满 足自己设计的要求。3 在这两大类中又可以分为“自顶向下”( t o p d o w n ) 和 “由底向上”( b o t t o mu p ) 。不同的设计方法有不同的设计步骤，具体见表3 1 。 另n 到自项向下 由精向上 行为设计系统划分、分解 蝻构设计 单元赞计 正逻辑设计助勰疑设计 向 设 电路设碓半磊绕设计 计 版圈设计 系统总成 j 醺图解静 艘鼢解析 电路陵提取 电路口撬取 功能分析功能分析 逆 站构修被单元泣训 向 设 逼橱设计功能块设计 计 电路设计子最统设计 牍阁设讣系统设计 表3 1 集成电路的设计方法 蘸帮麓通毋爱擎蓁型牵蒌莹套塞 魏嚣磬甜坠誊薹蓦娟囊；冀运蕊罄瀑鹱鋈i 一笺弦；馨i j 琵裂翁篝t ；蕊毽鬻 龋舅羹g ；囊雾：冀嚣膏露豇秘髫 鞋幕量e j 嚣蛩囊潜薹；i 舅燮冀露墨；3 灞咏囊囊蚕澄渭耋囊埋g o 美m 委她如胥耋粪j 。睡羹嘉黎；蔓q y 倒? “基湔 塌名 j ? j0 蕊；l ，i 礴鏊醣耐阑麓擀：垫霪；一i 髫l 。：纛；箔增罐娄黧篓薹 ； j 蝌。嗍“，：。”j ：j | l j i i # i ；i 5 一 牛囊二；簦墼噔薹孽瞳j ；型麓增蟊嘉j ；：囊 静囊蕊蠢： 囊瓿萋目；莲臻藩警案蒜霎譬臀髓即薹i h 耐磐? 瓤藤￥鬟磊纂鬻錾葫： 露嗡；? j 镬墓萋嚣薹擎裂誉鼎诵篓曼埋穗罐堞器瓣锤撂j ；l 紧茫寨；鬃鍪鬻溪蕈掣纛囊萋热；i ；冀垂鼗她露掣二j 删蓥醑鬻氇霎 娶霎篓蓉鬣弹；i 鬓i 蒌t 删美；囊秀i 堡露冀型一蔷蕊：警删鏊裂糖墓 黯蔼董渊涮墓聪甏譬型蒋鏊糍藿鬻穗篷壁醚 西辩墓窆注妻型裂堕擎藓 表叁鸯 争= 自= 女型霉；蔷；鎏i ! 蒸廷誊落熊强 l | i j 二- l 害裾黝轴酣f 1 6 拍翼 | j 受嚣憨攀；j j ；等嵇眷酾疆 两南交通大学硕士研究生学位论文 圈4 2 与温度无蕉的电压产生电路 图4 2 所示的设计完成的是与温发无关的电压产生电路。假设三极管的电 流增益芦 l ，假设v 0 1 一v 0 2 ，q 2 和q l 这蘸个三极管晦射极面积魄为n 。郏么可 以得到 2 + 彤= f l 掣 肼= y 南一2 ，k l n n ( 4 1 2 ) 圪2 一p 矗2 + 肼 ( 4 1 3 ) 由公式( 4 1 2 ) 和( 4 1 3 ) 可以得到， k 2 = p k 2 + k 1 n ( 4 1 4 ) 如果令l n n = 1 7 2 ，就可以使得输出电压在温度为3 0 0 k 时，得到温度补偿。 输出电压约为l 。2 5 v 。 4 1 2 带隙基准电压源的主要性能指标 a 滠度漂移 基准电压源的温度漂移特性( 即温漂) 通常用相对温度系数来表征，单位 是p p m ( 即百万分之一m v ) ，表示由于环境温度变化而引起的输出电压的漂 移量，它是衡量基准电源电珏质量的关键性技术指标。 b 噪声 这里所说的噪声( n 。i s e ) 是指电压基准输出端的电噪声，它包括两类：一 西南交通大学硕士研究生学位论文 类是宽频带的热噪声：男一类是窄带( o 1 1 0 ) 噪声。在商精密设计中，嫌 声的因数是不可忽视的。 c 基准建立时闻( 即基准软寤动辩闻) 基准建立时间是指系统上电以嚣基准输出电压达到稳定所需要的时阐。 d p s r ( 电源抑制) 电源抑制是指电源的噪声对基准电源输出的影响。不同频率下的电源噪声 对输出的电压的影响是不同，我们希望在比较大的带宽内能够使得p s r 尽量的 1 ， 小。p s r 的计算公式如下：鼯r * 2 0 l g 二导 e 电源电压稳定度 电潭电篷稳定度，反映的是不同的输入电源电压对基准电压源的输出的变 影酾。计算公式为：之箩坚! 堂 级。 y d o m 一m n 基准电压源的主要设讨指标： l参数设计指标 温漂 l o p p m l电源电压稳定度 l ，g ，： l 所以式( 4 2 0 ) 可以化筒为， 一点照坞 将式4 2 l 代入到公式( 4 1 8 ) 中可得， g 。3 虬一一g d 渤+ 分析凰4 5 ( a ) 中的等效模型可以得到方程式： 毪墨+ 嘞：匕) ：奠噱。踟- 0 20 1 坚+ g ，。：圪一鳖当 把式( 4 ，2 2 ) 代入方程( 4 2 4 ) 中，则， ( 4 1 8 ) ( 4 ，1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) ( 4 2 2 ) ( 4 2 3 ) ( 4 2 4 ) ( 上+ 上) y 。一g 。胁+ 矿一上尘尘一 ( 4 2 5 ) gm2 根据方程( 哇2 3 ) 和方程( 4 2 5 ) 就可以得到， 。噎l 孝竺：， 。* 一删 p 一一垒一血 ，! 。l 、7 ，。+ = 乎一* 亡+ 善唱阿卜星毫竺二扮 化籀忘可l 三【得到一垒。一g 。( + 一一) 吼 熹， ( 4 2 5 ) 由式( 4 2 5 ) 可知采用c a s c o d e 结构的放大器的增益为g 。，略高于一般 的不采拜l 共源共楞结构的放大器( 增益为占。也，) ) 。它的增益躁三极管q n 3 、 q n 4 的跨导占。和m p 2 的输出电阻、有关。要提高该放大器的增髓可以通过增加 西南交逄大学硕士研究生学位论文 予没有增加极点，这就意睐着级数应该减至最小，这种方法将减低电压增益。 另一方面+ 第二种方法可以通过把主极点的位置往前移的方法，使得相位裕度 提高，同时又保持了放大器的低频增益。 从上所述，由于第二秭方法不会影响放大器的低频罐盏所殴在本文巾的 频率补偿使用的是第二种方法一一主极点迁移。 要使放大器的主极点翦移，最窿接的方法是在第二数放大器的输入端直 接，并联”个电容。但是要使该极点变樗很小需要一个很大的补偿电容，遨就 需要很大的芯片面积。 对于= 级放大器的频率补偿最好的办法是密勒补偿，密勒 偿就是在第二 级放大器的输入与输出之间并联一个密勒电容c c ，见强4 7 ， 伊 4 x l 圈4 7 两级放大器的密勒补偿 根据密勒定理，密勒电容c c 可以等效为在第二级放大器的输入端和输出端的两 个电容：c x 和c y ，如图4 8 所示，其中， c x 一晾c c c ，一c c ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) 从公式( 4 2 6 ) 、( 4 2 7 ) 可以看出，应用密勒补偿，相当于在第二级放大 器的输入端并联了一个大电容c ，- 以：c 。，该电容可以使放大器的主极点曼船 靠近原点，从丽增大放大器的相位褡度，达到频率 髅的作用。 珏南交通大学硕士婿究生掌位论文 匿4 8 密勒 偿等效图 lb 叫li 粪4l ￥p l0 t i - ，i + 扣 + i _ t * h ti t ： 毒芦i1 士 j t * 1n ，i i p ， - 口t 臼 i 一 。 是”k 一 ! i ，曩m hr r r 。 l f一甲 图4 9 率文驶计抟萋准宅鼯霉 本文设计的带隙基准电压源电路如图4 9 所示，放大器采用的补偿方式就 是使用了密勒补偿的方法，往得教大器的主极点靠近原点扶而实现频率补偿。 跟上文所提刭豹密勒 偿稍微不同的是，密勒电容的贸一端连接的是y 点，丽 不是直接跟第二级放大器l 的输入端x 点相连。 这样做最大的优点是，在第二级放大器的输入与输出之间，为密勒孝 偿电 容串联了一个电阻r e q ( 把州l 看作是一个等效电阻r 。) ，这样作为除了能在输 入端产生一个投点之外，还会产生零点，可以使的放大器的楣位裕度大大的增 枷。 干一 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 带淑基准电孤源的仿真结果 4 2 1 带隙基准电匿的漱度特穗 1 2 7 i 8 1 2 7 1 6 1 2 7 1 4 1 。2 7 1 2 1 2 7 1 i 。2 7 0 8 1 ，2 7 0 6 毒 厂 一 r j 誊 。r l 。r 1 1i 一7 1 1 一r 丁t t t t t t t _ _ _ r 广广厂0 1 1l - r 一 一q 02 002 04 06 0日0 凇( c 图4 一l 。基准电压的溢度特性 图4 1 0 是运用h s p i c e 软件对带隙基准电艇模块进行的d c 特性分析，反 映的是基准电压源在不同温度下的输出电压。 仿真眩输入电压v d d 为4 v ，温度范围为一4 0 。c 8 5 。c 。 从图中可以看出，模块的输出电压从一4 0 。c 到8 5 。c ，基准电压源随着 温度的漂移罴最多不超过1 2 m v ，温漂为7 5 p p m 。c ，优于寝4 一l 的要求。 4 。2 。2 慕准糍压源的输入电压稳定性 基准电压源的输入电压稳定性，需要测量在不同输入电压( v 叻) 条件下 输出电垂攻。的变化。 蘸两交通大学硕士研究生学位论文 2 l o v d j 02 0 u4 0 u6 0 u8 0 u1 0 0 u 1 2 0 u 1 4 0 u 1 6 0 u 1 8 0 u 2 00 i 】 t i 巾e 鞠41 2 基准电压源麴辫态特性 4 2 4 基准电压的电源撺制( p s r ) 基准电源的电压抑制，反映了输入电压不同频率下的波动辩输出电压的影 响。 图4 一i 3 是对基准电压源做的交流分析，仿真温度为2 5 。c ，输入电压在 4 v 附近波动。 从仿真结果可以看出，基准电压源的誊流p s r 离达一9 8 d b ，优于表4 一l 的 要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文 7 f t j h 一 7 1 0 l o o搬 1 熟c o o k 扛 1 0 x 柚0 x 1 窖 图4 1 3 基准电压的p s r 4 。2 。5 与一般的基准电路的诧较 文献 4 5 提出也是一种带隙结构的基准电压源，袁4 一l 是举文提出的基准 电压源与它的性能的比较。 本文文献 4 5 温漂7 5 p p m 。c 8 p p m 。c 电源电压稳定性 o 1 m v v4m v v t 埘f 蚺毋d ) p s r一9 8 d b一3 5 d b 袁4 2 基准电压源的性能比较 从比较的结果可以本文设诗的带隙基准电压的温漂跟文献 4 泌性能相近 但是电压稳定性秘p s r 翦蛀能都大大优于文献 4 广 所提出的基准电压源。 加 鹅 豫 一 0 嚣南交通大学硕士研究生学位论文 唾。3 限流电路的分析与设计 4 3 1 限流电路的结构设计 f e 流电路，对于b o o s t 开关电源来说是十分重要的技术。它可以检测流过 功率m 0 s 瞀豹电流，防止功率管因电流过大而被烧毁，同时也可啦防止电感进 入饱莘日区。 限流电路的结构如图4 一1 4 ，限流电路可以分为两个部分；电流采样部分和 l e 较帮分。电流采样部分负责把流过功率m 。s 管的电流按一定的采样率转换成 电压；比较部分主要是负责把采样撂到的电流跟参考电流比较，当输出大于门 限时，比较器控制功率开关管关断，趴而使电流下降。 限流电路的设计要求 主要参数设计指标 电流门限6 0 0 m a 误差范围6 0 m a 延迟时间 1 2 0 n s 表4 3 艮流毫路的设计噩求 西南交通大学硕士研究生学位论文 4 1 3 2 电流采样电路的设计 l 圈4 1 5 利用串联电阻进行采样 为了能够采样得到功率m o s 管的电流，最简单的方法是在m o s 管和“地”之 间串连一个采样电阻( 冕图4 一1 5 ) ，这样可以根据在电疆上的压降得到它的毫 流，这样做的有点是简单易行。但是它的最主要的缺点是在采样电阻上耗散大 量的功率，减小了整个芯片的工作效率。文献 2 6 提出了一种新的电流采样的 方法，剥用一个积分嚣寒采样电感电流，这种方法的优点是它有很高的精度而 且功耗较小，僵是实现它的电路结构比较复杂，增加了电路的复杂度。文献 2 7 提出了一种新的采样方法，用一个采样m o s 管与功率m o s 管成镜像，使得采样 得到的电流跟功率m o s 管的电流成比倒，又远小于功率m o s 管的电流。这种方 法有很好温度窝电压特性，目羲波广泛的应用，但是需要嚣个运放，电路结掏 比较复杂。而且她使用的是分立器件的方式实现电流采样，不便于集成。 本文研究的采样电路，采用的是与文献 2 8 相似的方法，针对该文献提出的 电路的缺陷，提出了简化的采样方法，使得采样电路更加篾单、可靠。 磷南交通大学硕士研究生学位论文 一 芭耳? 嚆蜘 延迟时问f 由羁和c ，的值决定。延迟电路的时序圈如图4 1 7 所示。 f 恻4 1 7 延迟电路的时序关系图 功率m o s 管m l 工作在线性区 如4 ；n 。( 鲁卜眙一；) 一y 2 “ ( 4 2 8 ) 其中，。为m 1 的电流，耽为系统的高电平，峙。为m 1 的闽值电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文 度来看，在不同的v d d 下采样率的三条曲线基本上薰合在一起，说明采样率也 不会随着输入电压的变化而有很大的变化。 q o m 粟捧率 3 0 m 1 0 m 0 z弋 02 0 0 m l 舭， 图4 1 9 不同v d d 下来样率的特性曲线 同样的图4 2 0 是电流采样电路采样率跟输入电流的关系，横轴为流过功 率m o s 管的电漉，纵轴为采样率。输入电压为v d d = 4 v ，扫描了三个温度：4 0 。c 、2 5 。e 和8 5 。c 。 从仿真结果可以看出采样率基本上是一条跟横轴平行的直线。这说明，采 样率并不会随着输入电流的值的变化而有很大的变化。从不同的温度的角度来 看，在不团骑温度下采样率的变化也缀小( 比不犀温度下的采样率变化大) ， ， ：# c0 5 c o 2 0 0 r n q 0 0 m 图4 2 0 不同温度下采样率的特性睡线 西南交通大学硕士研究生学位论文 4 4 2 限流电路约中比较器的仿真 4 4 1 比较器的共模范围( c m r ) 一 墨 手j j “4 0 。r ， = = = = 娄 列：7 夕 - p 7 z _ | 一 罗 ； ， 网4 2 1 比较器晦其模范隧 翻4 2 1 是用h s p i c e 对比较器进行的d c 特性分析，反映了比较器在不同 温度下的蕉模范围。仿囊时赣入电难v d d = 3 0 v ，分别扫描淀艘：一4 0 4c 、2 5 。c 和8 5 4 c 。 从仿真结巢可以看出，e 较器的最小的共模范围为o v 1 8 v ，共摸范匿比 较宽，能够圃肘满足限流比较器的需要。 4 4 2 比较器的增益 盈4 2 2 是对眈较器进行的a c 特r 陵仿真，菠映了该沈较器的频率特性。输 入电压为v d d 一4 v ，扫描温度为：4 0 。c 、2 5 。c 和8 5 9 c 。 执镄赛缝采可瞳着岛，在不嗣温度下比较嚣的直流增益均高于7 5 d b ，能够 使得比较器有很高的精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。c f ，8 ，。、 、。 辩 牾 ? | ； 酊 ”“ “m 茹 图4 2 2 比较器的增益 4 4 3 比较器的延迟时间特性 比较器的延迟时间特性，反映的是比较器的转化速率。这个量对于比较器 来说是至关重要的。 图4 2 3 是对比较器进行瞬态分析的结果，仿真时v d d = “，输入信号的上 升沿在1 0 0 u s ，下降沿在2 0 0 u s 。扫描一4 0 。c 、2 5 。c 和8 5 。c 这三个温度点。 表4 4 是具体的延迟时间。 从仿真结果可以看出，比较器最大的延迟时间发生在下降沿为8 l n s ，优于 表4 3 的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文 0 5 0 u1 0 0 u1 5 0 u2 0 0 u2 5 0 u3 0 0 u t i m o 图4 2 3 比较器的延迟时间特性 ，弋 - 4 0 2 5 8 5 lt p i 且 4 0 3 日一0 0 842 2 e _ 0 0 846 5 e 0 0 8 i7 砰h l7 2 8 e 一0 0 8 7 1 3 e 一0 0 88 1 e _ 0 0 8 表4 4 比较器延迟时问特性( 单位为s ) 4 4 3 限流电路的功能仿真 当流过功率帅s 管的电流不断增大，到达限流电路设置的门限时，限流电 路的输出会由高电平变为低电平。它随电流的跳变点就是限流电路的实际门限。 图4 2 4 时对比较器进行的瞬态分析，图中模轴为流过功率m 0 s 管的电流， 温度为2 5 。c ，扫描输入电压为3 v ，4 v 和5 v 。 从仿真可以看出，限流电路的跳变点在6 0 0 i i i a 附近，并且在不同v d d 下跳 变点的误差不超过2 5 i i l a ，限流电路的精度很高。这跟图4 1 9 反映的在不同输 入电压下，采样率的变化比较小是一致的。 4 3 2 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 2 【： 。0 ： v n ， m 3 v 声7 02 0 0 m柏o m6 0 0 m 酗4 2 4 不输入电压下限流电路的功熊啦线 同图4 2 4 一样，图4 2 5 也是限流电路的功能曲线，不同的是图4 2 5 的输入电压为v d d ，扫描一4 0 。c 、2 5 。c 和8 5 。c 这三个温度点。 从仿真结果可咀看出，不同温度下限流的最大误差为4 5 f i l a 。优于表4 3 的要求。 ，_ o 2 0 甜n4 0 0 m古o o m8 0 0 m 图4 2 5 不同输入电压f f 艮流电路的功能曲线 q 一 3 2 。 o 西南交通犬学硕士研究生学位论文 结论 本文概述了d c d c 开关电源的分类和拓扑结构。比较了p w m 和p f m 两 种控制方式。并且对采用峰值电流晟小关断时间p f m 控制方式的b o o s t 做了 详尽的分析。根据芯片的要求，设计了该控芯片中最关键的两个模块：带隙基 准电压电路和限流电路。 由于b i c m o s 工艺融合了m o s 器件的低功耗、高集成度和抗干扰能强和 双极性工艺器件速度高、驱动能力强、模拟精度高的优点，目前b i c m 0 s 工艺已 经成为模拟集成电路的主流。本文所设计的电路都是基于o 5 u m b i c m o s 工艺设 计的。 本文设计的带隙基准电压源采用一阶温度补偿，工作温度为一4 0 。c 8 5 。 c 。仿真结果表明该基准电压源具有低温漂( 温漂为7 5 p p m 。c ) ，高电源抑制 ( 达到9 5 d b 以上) 。 本文设计的限流电路采用“采样电路”加“比较器”的结构，使得电路大 大的简化。从仿真结果来看，它虽然结构简单，但是仍然有很高的限流精度。 目前，集成电路制造工艺的发展越来越快，便携式电子设备的应用越来越 广泛，这些为电源尤其是开关电源的发展提供了机遇与挑战。怎样降低基准电 压的温度系数，怎样减小基准电压的噪声，怎样提高限流电路的采样精度也越 来越受到关注，因为这些性能对开关电源的性能有着极大的影响。 由于本人的水平有限，对其中某些关键的问题研究还有不够透彻的地方。 文中的不足之处，敬请各位老师指正。 西南交通大学硕士研究生学位论文 致谢 感谢我的导师冯全源教授，在两年半的研究生学习和工作中，他为我们提 供了良好的掌习环境，他的谆谆教诲_ 苇口一丝不苟的科研精神将使我受用终身。 本论文从选题、开题、论文撰写到答辩的过程中，冯老师一直拾了我耐心的指 导。 同时，要感谢得西南交大徽电子研究所的同学大力帮助，我向他们表示诚 挚的谢意。 感谢荫南交通大学多年的培养；感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷 心感谢百忙之中撼出对攮参加沧文谱阙和评议的各位专家学者，感谢他们为审 阅本文所付出的辛勤劳动。 西南交通大学硕士研究生学位论文 参考文献 【1 何开全，谭开l | f 。李米强，“高性能横拟集成电路工艺技术”，微电予学，2 0 0 4 年8 月。 2 施敏现代半母体器件物理 雠 北京：科学出版社，2 0 0 1 年。 3 】朱正涌半导体熊成电路 砌北京：清华大学出版社，2 0 0 1 4 】何希才型开燕电源设计与应用北京：毒斗学技术如版社2 0 0 t 朝t a 辑 瓤n gs h nv i e b t b o 叠a 弧s i 瓣1 8 t i 醯8 n d 糙脚坩摊e n t 程p 张妇i 。h i n g c 。州e r t e r $ ，磷a s t e r 髓e 辜主so f 强e 拱。辑酗n g 瓠n i v e r s t yo fs c i 髓e e 锄d t e c h n o l o g y ，n o v e 曲e r1 9 9 9 6 a b r a h 鲫ip r e 8 $ m a n ，s 订t c h i n gp o w e rs u p p l yd e s i g n ，m c g r a p h i l l ，1 9 9 8 7 】 r o b e r tw e r i c k s o n d r a g a nk s i m o v i c ， f u n d a m e n t a l s o f p o w e r e 】e c t r o n i c s s e c o n de d i t i o n ，u n i v e r 8 i t y c o t o n d ob o u l d o r ，c 0 1 0 r a d 0 ，2 0 0 0 截e r 如g 越矗 ，a r s l a bl 、l 鲫p 湃e rs 馥e m ef 。rf 臻f i l t e ri 肺l e l l e n t 8 t i o ns 主g 韪8 l 糊l t i p l i e re 瀚s 篱 p r 。c e s s o r s ：j j ，l 嚣蕊，e i e e t r 锄i ol e t t e r s ，拇，3 3 0 - 。3 7 9 w a x i m ， d c d cc o n v e r t e rt u t o r i a l ，o c t1 9 ，2 0 0 0 1 0 t s e ，c 。k ：l “ ym“c o n t r o l 。fb i f u r c a t i o n1 nc u r r o n t p r o g r a 呻e dd c 埘 c o n v e r t e r 8 ：br e e x 鲫i n a t i o no fs 1 0 p ec 。l l l p e n s 8 t i o n ”，c i r c u i t sa n ds y s t e m s ， 2 0 0 。p r o o e e d i 鸣sr s c a s2 0 ，g e n 州a n l e2 oi e 髓i n t e r n 8 t i o n a ls y m p o s i u m 髓v 。l 嬲e ：l 。2 8 _ 3 l 。 醚y2 0 0 ，p a 辨$ ：s 7 i 喝7 4 ￥o l 。l 王1 0 鞠i e i 赫澈t e h l l ，“院一d 。s w i t 曲i n gr e g u i a t 。r 觚8 l y s is | ”曲a p t e r4 ， m c g r a r h i il8 0 0 k p a n y l 2 r d m i d d l 曲r u o k “m o d e l i n gc u r r e n t p r o g r a m e d b u 媳a n db 0 0 s t r e g u l a t o r s ”，i e e e t r a j s a c t r s 叫p 鲫e r 百l e e t r o n i c s 。n o 1 ，j a n 1 9 8 9 ，p a g e s ：3 6 5 z l 。4 1 3 v l c 硅v 缫 拣l 棚，“s i m 扭l i f i e d 抵 y s i so fp 鞴e 邵v 嚣t e s 瓿i n g 孙如l 西阿雏 s i t c h 弛r tj ：e o b t i n u o u sc o 喇u e t i o h 雏。d e ”。i 五e e 蕈r