（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式降压型dcdc转换器的设计.pdf

四川大学硕士学位论文 电流模式降压型d c d c 转换器的设计 微电子学与固体电子学专业 研究生毛振峰指导教师王国裕 本文分析、设计了一款电流反馈模式控制p w m 单片d c - d c 转换器。该 d c d c 转换器的特点是内置了功率m o s f e t ，同步整流m o s f e t ：工作电压 范围5 2 5 v ，输出电流可以达到稳定的2 a ，输出电压根据输出电阻可以调整。 转换速率4 0 0 k h z 。该换换器的特点是动态相应快，启动时输出电压和电流过 冲小，具有软启动特点，输出纹波小( 4 - - 1 8 m v ) 。由于该转换器将开关功率 管内置，而且该芯片具有过流，过稳等保护功能，所以客户使用的时候只需 要很少的外围器件就可以实现完整的开关电源。 文章首先对单片开关d c - d c 转换器的各种类型进行了介绍，对电压反馈 和电流反馈两种控制模式进行了原理阐述和特点对比，然后根据设计要求进 行了本文整体电路的设计。然后在现有的工艺模型参数下分析、设计芯片内 各个子电路模块。重点分析了电流反馈环路，斜波补偿电路，误差放大器、 基准产生电路等几个模块。而且由于工艺的限制，对原设计进行了改变和优 化，使之能在现有工艺下实现设计要求并且完成了芯片的l a y o u t 设计。 最后，对整体电路和整体l a y o u t 在0 8umb i c m o s 工艺模型基础上，使 用c a d e n c e 的s p e c t r e 进行仿真验证，仿真了不同输入电压、不同工作环境温 度、不同工艺参数等情况，仿真结果均达到设计要求。通过仿真结果也验证 了本文的设计实现了设计思想。 关键词：d c d c 转换器电流控制模式电压控制模式斜波补偿带隙基准源 四川大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 ac u r r e n t c o n t r o l m o d es t e p - d o w nd c d c c o n v e r t e r m a j o r ：m i c r o e l e e t r o n i c sa n d s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s s t u d e n tm a o z h e n f e n g a d v i s e rw a n gg u o y u a s t e p d o v md c d cc o n v e r t e ri sa n a l y z e da n dd e s i g n e d i th a sf e a t u r e st h a t s u p p l yv o l t a g ec a nc h a n g ef r o md c 5 vt od c 2 5 v , y i e l d so u t l p u td c c u r r e n tu p t o2 aa n dt h eo u t p u tv o l t a g ei sp r o g r a m m a b l et h a td e p e n d so nt h eo u t p u t r e s i s t o r s i t so s c i l l a t o rf r e q u e n c yi s4 0 0k h z t h ed c d cc o n v e n e rh a sb e e n d e s i g n e dw i t hi n t e g r a t e dp o w e rs w i t c ht r a n s i s t o r sa n ds y n c h r o n o u sp o w e r t r a n s i s t o r si a s i d e t h e r e f o r e i ti sv e r yc o d v e n i a n tf o rc u s t o m e r sb e c a u s eo n l ya f e wo u t s i d ed e v i c e sa r en e e d a dw h e nt h ec o n v e r t e ri su s e d t h ec o n v e r t e rh a sa h i 曲y n a m i c - r e s p o n d i n gs p e e d ，av e r ys m a l lo v e r r a n g ev o l t a g ea n do v e v r a n g e c u r r e n tw h e nt h ec h i pi sp o w e r e du p f i r s t l y , t h ed i f i e r e n tc o n t r o lm o d e so f m o n o l i t h i cs w i t c hp o w e rc o n v e n e r w e r ei n t r o d u c e da n dt h ec u r r e n t c o n t r 0 1 m o d ea n dv o l t a g e - c o n t r o l m o d ew e r e c o m p a r e di nt h i sp a p e ra c u r r e n t c o n t r 0 1 m o d eh a sb e e ns e l e c t e dt ob u i l dt h e c o n v e r t e rd u et ot h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h e nt h ec t r i pb a s e d0 1 2t h ep r o c e s s m o d u l e ，e s p e c i a l l yt h ec u r r e n tf e e d - b a c k1 0 0 9 ，l o o pc o m p e n s a t i o n ，e r r o ra m p l i f i e r a n d b a n dg a pc i r c u i t sw a sa n a l y z e da n dd e s i g n e d s o m eu n i t so f t h eo r i g i n a l c i r c u i t sw e r em o d i f i e dt of i tt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s t h ei a y o u td e s i g nw a s d i s c u s s e da f t e rt h ec i r c u i t sd e s i g n f i n a l l y , t h ew h o l ec i r c u i ta n dl a y o u tw e r es i m u l a t e db a s e do nt h e 8 ub i c m o s m o d u l ew i t hd i t l 、e r e n ls u p p l yv o l t a g e ，d i f f e r e n te n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e t h e r e s i s t a n c ec h a n g ec o m i n gf r o mt h ep r o c e s sh a sa l s ob e e nc o n s i d e r e di nt h ed e s i g n t h es i m u l a t i o i lc i r c u m s t a n c ew a sc a d e n c es p e c t r e k e yw o r d s ：s t e p d o w nd c d cc o n v e r t e r , c u r r e n t c o n t r o l m o d e ， v o l t a g e - c o n t r o l m o d e ，r a m pc o m p e n s a t i o n ，e r r o ra m p l i f i e r , b a n dg a p 四川大学硕士学位论文 引言 电源是各种电子设备不可缺少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子 设备的技术指标及能否安全可靠的工作，因此，越来越受到人们的重视。目 前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源的调整 管工作在线性放大区，稳压性能好，输出纹波电压很小。但它必须使用笨重 的工频变压器与电网进行隔离，而且调整管功率损耗大，导致电源体积和重 量大，效率低，一般只有3 5 6 0 。开关电源s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y ) 被誉为高效节能电源，现在已经是稳压电源的主流产品，它代表着 稳压电源的发展方向，开关电源内部的关键元器件工作在高频开关状态，消 耗的能量很低，所以电源效率可以达到7 0 9 0 ，比普通线性稳压电源提高 近一倍。开关电源稳压输入范围宽，体积重量轻，并且由于其一般具有自动 保护电路，当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断 电源进行保护。所以安全可靠。可以想象，作为一种新型的基础产业，无论 在通讯、计算机领域，还是办公室、家庭自动化或工业控制等，开关电源的 发展前景具有很大的潜力。 1 1 国内外发展动态 1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直 流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛( j e ns e n ) 发 明了自激式推挽双变压器，1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联 开关电源的设想，这对电源向体积和重量的降获得了一条根本的途径。而从 1 9 6 7 年美国发明第一块集成稳压器ua 7 2 3 ，到1 9 6 9 年由于大功率硅晶体管 的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5 千赫 的开关电源，开关电源已经有几十年的发展历史。2 0 世纪6 0 年代是晶闸管相 位控制式开关电源，7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均由于效率不 够高，开关频率低、电路复杂、调试困难等使之应用受到限制。7 0 年代后期 以来，随着集成电路设计和制造技术的发展，各种开关电源专用芯片大量问 世，这种新型能源才获得发展。 目前，电源的开关频率高达3 0 0 k h z 4 0 0 k h z 的水平，而小功率电源已 实现1 m h z 的开关频率，并且提高了电源功率密度，这对电源技术的进步与 1 四川大学硕士学位论文 发展起着重要的支撑作用。中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大 国：全球最大的移动电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第 二大半导体市场。2 0 0 4 年，中国电源管理芯片市场保持旺盛增长的势头，市 场规模达到1 6 1 2 亿元，与2 0 0 3 年相比增长了3 4 2 ，高于全球平均增长水 平。同时，中国芯片销量达到3 0 5 亿片。信息产业的发展成为电源产业 发展的强大推动力。 目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的1 0 0 k i - i z 、用 m o s f e t 制成的5 0 0 k h z 电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要 提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关 元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存 储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大 大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启一闭所发生的电压浪涌，可 采用r - c 或l c 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶 态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1 m h z 以上的高频，要采用谐振电路， 以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同 时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电 源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理 论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主 要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数m h z 的变换器的实用化研究。 1 2 实用价值和理论意义 单片开关自从问世以来就显示出强大的生命力，目前已成为国际上开发 中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的首选集成 电路。单片开关电源的应用领域主要如下： ( 1 ) 通用开关电源 各种通用开关电源 开关电源模块 精密开关电源模块 智能化开关电源模块 ( 2 ) 专用开关电源 微机、u s b 接口电源、彩电、录像机( v c r ) 、摄录像机( c v c r ) 2 四川大学硕士学位论文 等高档家用电器中的待机电源 电子仪器仪表中的电源 辅助电源 手机电池充电器 a c d c 电源适配器等 低功耗d v d 电源 l c d 电源适配器 带以太网结构的d c d c 电源转换器 ( 3 ) 特种开关电源 复合型开关电源 恒压恒流型开关电源，截流输出型开关电源，恒功率输出型开关 电源 功率因数校正器( p f c ) 其他类型的特种开关电源 单片开关电源有着如此广阔的应用，但是目前国内电源整机厂家所用的 电源管理芯片均由国外公司提供，不仅大部分利润被国外厂商剥夺，而且技 术上受制于人，很难实现大的突破，这对我国的经济发展和国防建设都非常 不利。所以，开发具有自主知识产权的电源管理芯片已是形势所迫。 1 3 本文主要工作 该项目主要设计要求是：设计一个降压型d c d c 转换器，工作电压 6 1 9 v ：转换效率高( 8 0 ) ；能够输出稳定的直流电压，输出纹波电压 20 、一 一10 t r o n s l e n lr e s p o n s e 8 8 3 0 u t i m e ( s ) 图3 60 s c iii a t o r 输出三角波和方波 振荡器仿真结果如图3 6 所示，输出固定4 0 k 和4 0 0 k 的同步方波和锯齿 波。在无外部输入时钟信号时，l o g i c 模块中的同步电路输入端s y n c 悬空， 通过一个内部下拉电阻使同步输出固定电位；当s y n c 端输入大于4 1 0 k _ h z 时 钟频率时，每个周期中，同步时钟输出高电平对振荡器电容c o 强制放电，使 振荡频率跟随外部时钟频率。 芯片刚刚上电时，输出电压很小，这个时候输出电压的反馈电压一直不 能达到使p w m 比较器翻转的阈值，而这个时候振荡器内部电容的充放电时 间由一个电阻窜对基准电压的分压和很小的充放电电流决定，所以如图3 7 所示波型的前部分，频率始终是一个比较小的固定值，大概是4 0 k ；当输出 电压增加到它的反馈电压达到p w m 比较器翻转的阈值，p w m 比较器开始翻 转，这时充放电电流增加，荡器频率也增加，如图3 7 波型后部分所示。 图3 70 s c i a t o r 仿真波形 够牙它| 鬲： 四川大学硕士学位论文 3 2 2 2 电流反馈环路 振荡器输出和电流检测器输出进行叠加作为补偿斜波提供给p w m 比较 器，根据图3 1 这个电流反馈环路提供系统的一部分增益，该d c d c 转换器 的环路增益包括电流环路增益和电压环路增益 2 2 1 。 电流反馈环路的增益： 鳖：生 !l + s 如c ! 置1 + r l t ( m c d 0 5 ) 肛1 + s ( o t 1 + s c o ”绋+ s 2 j 邮1 其中墨= a i r s ；d = i - d ；m c = l + s , s 。，s e ：补偿三角波斜率；s n ：电流感 测放大器输出斜率；= 1 c & + t - ( 聊。d 。一o s ) l c ；。= 2 7 r ( 五，2 ) = 石r ； g = 1 万( ”2 c d l 一o 5 ) 。由方程( 3 7 ) 可以看出，电流环路增益是负载电阻( r l ) 和电流感测增益( 用r i ) 表示的函数。此级与一个跨导放大器极为相似，所以 电压增益随r l 增大。增加m 降低此级的跨导。当s e 大于s n 时，即增加补偿斜 率，增益降低。方程( 3 7 ) 的第三项给出环路中由输出电容器的有效串连电阻 e s r 引起的低频极点和零点。第4 项包含在开关频率的2 个极点。补偿斜波 控制这些极点的峰值。若斜波太小，这些极点将导致稳压器环路增益在d 5 0 时，峰值在0d b ( 在f s w 2 ) 以上。这是发生在电流模式控制中子谐波振荡的原 因【2 3 】。 其中电流检测器和加法器a i 实现如图3 8 ，虚线框内电路实现加法功能，其 它部分是电流检测器。v f 是检测器a i 输入，v b 由带系基准提供。电流感测放大 器a i 检测电感电流来调整p w m 的输入，在本周期内调节输出电压，根据公式 ( 3 7 ) ，调整m c 可以改变环路增益，如果补偿斜波s e 增加，系统增益减小，避 免了系统发生振荡。 输出电流检测器通过电阻r 4 确定电路的工作静态电流，r 1 、r 2 与r 5 、r 3 的比例确定输出电流检测器的增益。 加法器为m 5 锯齿波电流与输出电流比例电流q 7 射极电流叠加，通过电阻 r 6 、r 5 和r 3 转换为对应的输出锯齿波电压。 2 0 论文 图38 电流检测器； n l n 法器 3 3 电压反馈环路和误差放大器的实现 如前所述，该d c d c 转换器的环路增益包括电流环路增益和电压环路增 益，根据图3 1 ，电压反馈环路的增益是： 币r f 面2q 邵) = 一篆删 ( 3 8 ) 其中爿( s ) = 瓯z ( j ) ，增益( v o u t 与v c 之比) 是反馈比的函数。所以稳压 器环路增益将随v o u t 变小而增大。即误差放大器的增益变化直接影响此增 益。方程( 3 7 ) 和( 3 8 ) 确定了系统的总增益： 耶卜面v r e f 叫寸酉a i 鬻州f h ( ( 3 ，) 其中：k = 1 ( 1 + 心b ，( m c d 一0 5 ) l ) ，砌o ) = 1 ( 1 + ，q p + s 2 j ) 。 误差放大器电路实现如图3 9 。误差放大器为开环工作状态，w 5 4 设置误 差放大器静态工作点。w 4 3 为基准输出电压1 2 v ，w 3 4 ( f b ) 为该转换器的输 出电压经过一个比例电阻串分压再反馈回来，m 3 为限幅器件。输出电压w 3 4 ( f b ) 、w 4 3 通过q 1 7 和q 2 1 电位平移作为q 0 和q 1 2 的输入缓冲级。0 0 和 q 1 2 为差分放大级，q 1 9 、q 1 6 、q 1 3 和q 1 5 为双端转单端电路，同时也是整 个误差放大器的增益级。r 3 、r 4 和q 2 0 构成限幅电路，通过电阻的参数选 四川大学硕士学位论文 择，输出电压w 3 0 0 最高电压限制在为1 6 v 。 图3 9 误差放大器电路 通过仿真，该误差放大器的输出波形如图3 1 0 所示。 6 彩 1 a - o 、。- - 4 0 2 移0 零a ，$ a - o 、一一2 $ o 。：d b 2 0 a cr e s p o n s e ， a n ：p h a s e 。r k 、 1 m1 g f r e q ( h z ) b ：( 1 7 2 7 9 1 m 一1 2 , 5 2 1 3 ) s l o p e ：4 5 1 1 7 5 u 图3 1 0 误差放大器仿真结果 2 2 四川i 大学硕士学位论文 图3 1 0 中b 点相位裕度 4 5 。 四川大学硕士学位论文 3 4 带隙基准 3 4 1 基本基准电路 基准电压源在d c - - d c 转换器中尤其重要，因为误差放大器就是通过采 样输出电压和基准电压进行比较来调节输出，而且基准还给其它模块提供偏 置电压。 衡量基准最重要的参数是电源电压抑制比和温度抑制比。电源电压抑制比 是指用于衡量当负载和环境温度不变时，因输入电压的波动而引起基准输出 电压的改变，通常称为电压抑制比；温度抑制比是当电源电压和负载不变时， 基准电路受环境温度波动而产生的输出值偏离正常值的程度，一般用p p m 表示。 产生基准的电路包括隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准点压源、x f e t 电压基准源，这里通过比较这几种基准电路的不同，阐述了为什么本文选择 带隙基准作为基准产生电路。 3 4 1 1 齐纳二极管基准源 利用工作在击穿区的齐纳二极管的特性制作的基准为齐纳二极管基准 源。工作在雪崩状态的齐纳二极管的击穿电压大概是7 v ，由于隐埋齐纳二极 管工艺上较难控制，所以产生的电压经常会有较大误差，所以必须利用电路 对其进行调整。一种选用高精度运算放大器和隐埋齐纳二极管的基准电路如 图3 1 2 所示【2 4 】。图中运算放大器的增益由r 3 和r 4 决定：g = 1 + r 4 r 3 ，电阻 r 1 、r 2 用来分压齐纳电压。该基准输出电压： 。肌r 2 蹦( 1 + 斟屹 ( 3 1 0 ) 四川大学硕士学位论文 图3 1 2 齐纳二极管基准电路 隐埋齐纳二极管性能比较好，典型情况下温度系数 1 0 0 d b ) 。如图3 1 9 所示。p w m 的输入信号是锯齿波v s l o p e 和从输出电压分压来的反馈信号 v f b ，输出信号是占空比不同的脉冲信号。d c - - d c 转换器刚开始工作时，输 出电压比较小，所以反馈电压v f b 也一直小于斜波信号，这时p w m 输出不 变，始终为“1 ”；随着输出电压的增加，p w m 输出开始根据反馈电压的变化 而变化，当s l o p e v f b 时，p w m 输出“1 ”，反之输出“0 ”。图3 1 7 中偏置电 压w 5 4 由基准电路提供。 四川大学硕士学位论文 w 5 4 图3 1 9p w m 比较器 p w m 的仿真结果如图3 2 0 所示。 ，虿t e 衙弓；符t ；r i 芦6 强s ， t 吉：、肝b”，矗：p w m t 黼影t 。l 图3 2 0p w m 比较器仿真结果 图3 2 0 中方波是p w m 比较器输出，三角波是振荡器输出三角波和电流反馈 放大器输出叠加的补偿斜波，缓慢增加的斜线波是输出电压的反馈电压。由 3 2 四川大学硕士学位论文 仿真结果可以看出，转换器开始工作的时候，输出电压很小，所以当反馈的 电压小于和它比较的补偿斜波电压时，这时比较器一直输出高电位；随着转 换器输出电压慢慢增大，反馈电压也增大，比较器输出开始出现高电位和低 电位的翻转。 3 6 内部电压调节器 3 6 1 内部电压调节器电路 前面已经提过该d c - - d c 转换器有个内部电压调节器，如带隙基准的工 作电压就是由内部电压调节器产生。内部电压调节器主要是产生两个次电压 源，一个是模拟电压源3 2 v ，另一个是数字电压源4 8 v 。并且为有些模块提 供偏置电压。它由使能控制电路、基准产生电路和驱动电路三部分组成。 图3 2 1 为使能控制电路和基准生成电路结构图。其中? 3 器件为一耗尽型 n d m o s ，它的阈值为4 6 v 。电源电压在正常工作电压范围内时，w 1 1 1 为固 定4 6 v 。q 4 9 、q 5 2 、m 1 7 8 、m 1 8 0 、m 1 9 4 、m 1 9 5 构成s h u t d o w n 比较器。 q 5 3 、q 5 l 、r 2 3 、m 1 9 6 、m 2 0 1 、m 2 0 2 构成一个微电流源，为s h u t d o w n 比 较器提供偏置电流。当e n a b l e 输入大于1 2 v 时，q 5 2 截止，q 4 9 开启，带隙 基准输工作，w 1 41 输出3 2 v 模拟电压；当e n a b l e 输入小于1 2 v 时q 5 2 开启， q 4 9 截止，带隙基准不工作，芯片处于关闭状态。 四川大学硕士学位论文 图3 2 1 内部电压调节器中的使能控制和基准生成电路 图3 2 2 为数字电压输出驱动电路。w 4 3 为基准输出电压1 2 2 v ，经过单 位增益缓冲输入到数字电压输出驱动电路，通过电阻r 6 1 和r 6 2 的比例决定 内部数字电压值。b s 端口为自举电容充电电路，当输出端v s w 为低电平时， b s 对电容充电；当v s w 为高电平时电容电压抬高，q 5 72 的b e 结反向截止。 本工艺中，v b e 的反向击穿电压小于8 v ，所以为防止反向击穿，? 6 为一个限 压器件，是一个源和衬底接q 5 2l 的发射极的耗尽型n d m o s 。m 2 4 l 为尾电流 补偿开关。当自举电容充电时，w 1 9 6 为高。m 2 4 。开启，尾电流增大，以提高 驱动能力。 四川大学硕士学位论文 图3 2 2 数字电压输出驱动电路 3 6 2 内部电压调节器电路的改进 在设计中因为以下三个原因我们对电路进行了改进： a 、现有工艺中的标准流程不提供耗尽型n d m o s 结构； b 、数字电压驱动电路中的尾电流补偿电路导致数字输出电压不稳定： c 、工艺中高压n p n 器件无埋层，器件集电极串连电阻大。器件大电流能力 差。 电路改进后的数字电压驱动如图3 2 3 ： 四川大学硕士学位论文 图32 3 改进后的数字电压驱动电路 改动后去掉了尾电流补偿电路，使得数字输出电平稳定，通过一个达林 顿结构解决了自举电容大电流充电时对前级电路的影响。使用高压二极管d o 替换了耗尽型n d m o s ? 6 。在自举电容电压抬高时，通过d o 承压，防止 q 5 7l b e 结反向击穿。 改动后的模拟电压源生成电路如图3 2 4 ，虚线方框内器件在原电路中分 析为耗尽型n d m o s ，栅接地电位。现改为增强型n d m o s ，通过一齐纳二极 管为其提供稳定的栅偏置电压，虚线方框内新加器件结构。 四川大学硕士学位论文 图3 2 4 改进后的模拟电源生成器 内部电压调节器仿真结果如图3 2 5 。虚线是控制信号e n a b l e ，w 1 4 & p 为模拟电压 源3 2 v ，当e n a b l e 为低时，基准没有输出。 ，4 彩 ” ， - 1 2 o l 固 图3 2 5 模拟电压源仿真结果 四川大学硕士学位论文 3 7 功率管的设计 3 7 1 功率管导通电阻 该d c - - d c 的一个优点就是内部集成输出功率管，所以给使用带来很大 方便，仅需要很少的外围器件就可以正常使用。但是因为输出电流最大可以 达到2 a ，管子工作时，等效电阻发热，发热程度与通态电阻r d so 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。所以功率管本身导通时的功耗是设计必须要考虑的。功 率管在导通时电阻越大，则消耗的功率越大，所以输出电阻有严格的要求， 该d c - - d c 转换器输出级有两个功率管，分别是u p p e rs i d e 和l o ws i d e ，设计 的要求分别是r o 。p p c ，= o 2 q ，r 。n l o w = 6 q 。u p p e rs i d e 功率管的等效电阻仿 真，采用对其栅电压进行d c 扫描，漏端f o r c e 电流源，测其漏端电压的方法， 如图3 2 6 所示。当漏电压最小的时候就是功率管导通状态下等效电阻最小的 时候。图3 2 7 是仿真结果，纵坐标就是电阻r 。p p c ，。i d 。= ? 蟛，可以看出最 1 d s 大导通电阻发生在输入电压最小时，此时r u p p e r s i d 。= o 1 7 8 4q 。 ? 劂 吲l 、商黥。 i 一 - m f 。k 3 也 图3 2 6 功率管等效电阻仿真图 四川大学硕士学位论文 d cr e s p 0 6 s e 图32 7 功率管等效电阻仿真结果 转换器正常工作的时候u p p e rs i d e 功率管不能和l o ws i d e 功率管同时处于 导通状态，所以u p p e rs i d e 功率管的栅驱动电压v l 和l o ws i d e 的栅驱动电压 v 2 如图3 _ 3 所示，两者之间有个t 的死区时间。 3 7 2 功率管响应时间 在高速的d c d c 转换器中，例如频率等于m h z ，功率管的反应时间也 是非常重要的参数。反应时间分为开启时间( t o 。) 和关断时间( t o 厅) ，开启时 间等于导通延迟时间加上上升时间，即，珊= 0 。+ ，：关断时间等于关断延迟 时间加上下降时间，即o = o f f ) + r 。现在的高性能功率管开关时间已经做 到：t o n = 7 7 n s ，t o f r = 1 6 8 n s 本章小结 本章对该d c d c 转换器内部主要的电路模块进行了电路分析和仿真验 证。包括核心的谐波补偿实现，带隙基准电压产生等。特别是在现有工艺已 定的前提下，原来设计的电路中无法实现的电路模块：内部电压调节器和数 字电压驱动电路进行了电路的重新设计和改进。仿真结果实现了设计参数的 要求。 四川大学硕士学位论文 4 总体电路仿真和版图设计 4 1 总体电路仿真 4 1 i 不同电源电压，不同负载电阻的仿真结果 除了上面介绍的主要模块外，该d c - - d c 转换器还包括图3 2 所示的缓 冲器，s h u t d o w n 比较器等辅助模块，主要是起到对电路的保护功能。该转换 器的d c 参数可以通过直接仿真电路得到，完整的电路仿真如图4 1 所示，在 加上外围电阻、电容、电感后完成。典型应用条件下外接电感2 2 u h ，电容2 2 n f 。 输出电压根据电阻可调：1 2 2 v - 5 v 。调整的电阻是图4 1 中的r l 、r 2 ， - 1 2 2 叫1 + ) ( 4 1 ) 仿真采用0 8 u m5 v 4 0 vb i c m o sp s u b 工艺的参数模型，仿真环境是 c a d e n c e 下的s p e c t r e 。电阻有两种：p + _ - n w 电阻r l , + _ r r c l ，8 7q s q u ；高阻多 晶电阻r e 。i y ：i k q s q u ，m 1 铝线：0 0 7q s q u ；电容：双多晶电容单位容 值o 5 7 f f u m 2 。 图4 1 总体电路仿真电路 图4 2 是典型应用输入电压v c c1 2 v ，负载电阻r l = 2 5q ，输出电压 v o u t = 5 v ，即公式( 3 1 4 中r l = 1 0 k q ) ，输出电流2 a 。图4 3 是输出纹波电 压，这种情况下输出纹波电压是1 6 1 m v 。 4 0 四川大学硕士学位论文 乏5 - 9 罗。，1 2 0 曩j q 堂。 7 一：0 0 图4 2 电流模式输出电压v o 和输出电流i 。 图43 输出纹波电压 从图4 2 可以看出，转换器输出电压和输出电流稳定，在转换器开始启动的时候输 出电压和电流都没有发生过冲；从图4 3 可以看出，转换器的输出纹波电压小。 不同电源电压，不同负载电阻室温下仿真结果如表1 ： 表1 不同电源电压，不同负载电阻室温下仿真结果 电源v 。c ( v )r l ( q ) 输出电压( v )电流i r ( a )纹波电压( m v ) 空载49 9 0 3 5 0 0 7 61 0 0 m - l o o m1 7 2 5 2 54 9 8 5 3 50 0 1 21 8 3 6 0 2 1 5 5 91 5 9 1 2 5 4 9 8 9 9 - 5 0 0 6 02 4 3 0 2 5 5 91 6 1 1 0 49 9 2 6 5 0 0 9 33 3 3 m , - - 6 6 3 m1 6 6 5 0 4 9 9 6 6 - 5 0 1 4 69 7 m - 1 1 0 m1 8 空载 49 9 6 9 5 0 0 9 97 8 m 7 8 m 1 3 92 5 4 9 8 9 0 5 0 0 0 71 8 8 1 5 2 1 1 6 51 1 6 8 四川大学硕士学位论文 1 04 9 9 6 1 - 5 0 0 8 73 7 9 m 6 1 3 m1 2 5 3 空载 5 0 0 1 1 - 5 0 0 5 74 6 m 4 6 m4 4 6 62 54 8 1 6 扯4 8 1 9 61 8 9 1 9 63 3 1 04 9 9 8 0 - 5 0 0 3 04 6 8 m - 5 4 0 m4 4 1 2 不同工作环境温度仿真 、 环境温度和电阻的误差都会造成输出的变化，所以这里对不同环境温度做了仿 真，在不同温度下，分别对高阻多晶电阻砩。l y 和电阻r p u w 方块电阻分别进行了 2 0 范围变化的仿真。仿真结果如表2 所示。仿真条件：v c c = 1 2 v ，5 v 输出标准 连接。 表2 不同温度和不同方块电阻仿真 r p 0 “+ 1 2r p o l y + 0 8 r p o l y + 1 2r p o l y + 0 8 r p n w l2r p + n w + 1 2r p + n w + 0 8r p + n w + 0 8 v t e m p = + 7 0 c 4 9 7 0 4 9 9 0 v4 9 7 0 - 5 0 0 2 v5 0 2 2 5 0 3 4 v5 0 2 2 - 5 0 3 8 v v o m t e m l ：m - - 4 0 。c 4 9 8 5 5 0 1 0 v4 9 6 0 - 4 9 8 5 v4 9 9 0 - 5 0 1 5 v5 0 0 0 - 5 0 2 0 v 从表2 可以看出，在不同温度和不同方块电阻下，转换器都能得到满意 的输出电压。 4 1 4 系统有电流反馈和没有电流反馈的仿真比较 该d c d c 转换器有和没有电流反馈回路的区别前面已经论述过，这里不 再重复。没有电流反馈回路时的仿真结果如图4 4 所示，输出电压过冲5 9 7 v ， 电流过冲4 8 2 a 。 四川大学硕士学位论文 7 ，d 塾9 一：0 5 ：o 。 塾i o 一1 翅二 【) 图4 4 电压模式输出电压v o 和输出电流i 。 没有电流反馈环路时，转换器启动电压过冲接近6 v ，输出电感电流更加 不稳定，过冲接近5 a 。即在芯片上电后，转换器开始转换，但是由于电压和 电流的大幅振荡，这会产生很大的开关功率损耗，而且引入很大的开关噪声。 比较图4 2 和图4 4 ，电流模式d c d c 转换器开始工作时经过一段时间才能 稳定，但是这段时间不影响转换器正常工作时的转换速度，本设计需要转换 器输出电压缓和的趋近设计所需值，然后快速转换，但是没有电流反馈的时 候，d c d c 转换器开始工作时电压和电流会大幅振荡，这对高速d c d c 转 换器非常不利。这里的高速转换是要求当输出值偏离规定值时，通过反馈， 转换器能够迅速使其趋向规定值。可以通过输出纹波来分析，如图4 3 ，输出 纹波电压仅为1 6 1 m v ，一般情况纹波电压是2 0 m v 多1 2 l 。 4 2 版图设计与工艺 和理的版图设计才能保证设计的电路达到设计指标要求。该d c d c 是数 模混合型电路，而且电路中有体积庞大的输出功率管，所以该版图设计中的 基本布局原则是： 1 数字模块和模拟模块分开供电，即采用数字电源、数字地和模拟电源、模 拟地两路供电线路为芯片供电； 2 芯片输入电源v c c 要提供大电流，所以采用多个电源p a d ( 该版图为3 个) 多个地p a d ( 该版图为3 个) 的方式，在外部封装只有一个电源p i n 脚和地p i n 脚： 3 同一个功能模块的电路版图上尽量紧促放置在一起； 4 3 四川大学硕士学位论文 4 减小电磁影响，高电压大电流工作的功率管和电路其它模块之间加隔离 槽，避免功率管对其它模块的影响， 5 减小发热对芯片的影响，大电流发热量大的电路放在版图上半部，小电流 发热量小的电路放在版图下半部分，整个版图布局上热量从上往下递减； 6 减小版图面积，功率管采用梳状结构尽量减小其面积： 7 从版图上优化b i p o l a r 器件性能： a 采用多晶硅发射极双极工艺，提高晶体管的电流增益，减小管子上升 和下降时延，改善其频率特性； b 在n p n 基区重新注入一层深硼，形成外基区，同时这一层也作为p n p 管的集电极和发射极。此举减小了基区电阻，提高了p n p 管的电流增 益： c p n - p 管多设计成多发射极对称型结构，保证了各路电流相匹配。 8 基准电路从整个模块和内部电路上尽可能实现对称分布，减小工艺误差和 温度分布对基准电压的影响。 最终通过d r c 和l v s 验证的版图如图4 5 所示。 图4 5 整体版图 四川大学硕士学位论文 5 总结 本文设计一款降压型d c d c 转换器，为了达到设计要求：工作电压范围 6 1 9 v ；输出稳定直流电压并且大小可以调整，纹波电压 4 0 m y ，输出直流电流达 到2a ：动态相应快等。文章在分析了降压型d c d c 转换器的不同控制和反馈模 式的优缺点后，结合设计要求选择电流反馈，p w m 控制模式作为基本结构。确定 电路总体结构后，分析设计内部各个单元模块电路，根据流片工艺线能够提供的器 件模型对原设计电路进行了改进： a ) 内部次电压产生电路。由于工艺限制，用增强型高压m o s 管取代了次电压 产生电路中的耗尽型高压m o s ，并且在电路中加入齐纳二极管来驱动替代后的增 强型m o s 管以满足原设计要求，产生稳定的3 2 v 模拟电源电源电压，这样既满 足了设计要求又满足了工艺条件，减小了电路的制造成本； b ) 原电路中的数字电压驱动器，输出数字电源电压4 8 v 不稳定，这主要是当 数字电路对外部电容进行大电流充电时产生向前一级的反馈信号，导致驱动器尾电 流反馈环路大电流时不稳定，进而使输出数字电源电压不稳定，所以对数字电压驱 动器的尾电流反馈电路进行了改进，添加达林顿结构和高压二极管作为输出级，即 满足大电流时输出稳定又能够满足大电压要求； c ) 设计了一个简单易行的电流反馈放大器，电流反馈放大器直接感应输出电 感电流的变化，形成补偿斜波，这个补偿斜波作为的输入信号，进而通过p w m 比 较器以及它后面的缓冲器控制输出功率管的导通和关断，随着功率管的导通和关 断，输出电压得到调整，达到高速动态相应，电压反馈环路对系统进行相位裕度的 补偿，不需要添加大量的控制电路模块就实现电流模式的降压d c d c ，简化了设 计难度，减小了电路成本： d ) 带温度保护的高精度带隙基准电路，电源电压抑制比7 3 d b ，温漂1 3 5 p p m ( 温度变化范围一5 5 一1 5 0 ) 。实现基准输出的同时，在基准电路中添加了一块 逻辑控制电路使该基准具有高温保护功能，当芯片温度高于1 5 0 时，基准电路的 输出通过逻辑控制电路整形，输出信号关断整个芯片，芯片停止工作达到降温和自 动保护： e ) 振荡器电路产生补偿斜波，通过对基准产生电压进行电阻窜分压来精确的 限制振荡器充放电的最大值和最小值，为了确保振荡周期的精确，振荡器采用r - c 4 s 9 9 ) 1 1 大学硕士学位论文 结构，原因是r c 结构的振荡器电路易实现，而且在工艺上，电阻值和电容值的大 小容易精确修条，所以通过采用基准电压分压和r c 电路结构相结合，能够得到 准备的振荡器振荡频率； f ) 芯片内置输出功率管和同步管，为了最简化d c d c 转换器使用时所需的外 围器件，方便客户应用，所以该转换器内置了输出功率管；为了进一步提高转换器 的转换效率，采用一个尺寸远小于功率管的m o s 管作为同步整流管，代替传统结 构