（微电子学与固体电子学专业论文）高效率低成本电源管理芯片研究.pdf

复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 摘要 近年来，消费电予市场对手机，p d a 等基于电池供电的各种便携式电予设备表 现出强劲的需求。由于电池技术的缓慢发展，为了增加系统的工作时间，延长电池 的使用寿命，在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设 备的尺寸，重量和成本，需要使电源模块具有小型化，低成本，高集成度等特性。 本文研究和设计了基于互补金属氧化物半导体( c m o s ) 工艺的，高精度，高效率， 低成本的低压便携式系统的电源管理芯片。 本论文首先简要的回顾了电源转换器中b u c kd c d c 的工作原理，并介绍了使 用高频率时钟所带来的优势和因此引起的转换效率的恶化；通过对电源转换电路的 功率损耗的分析，提出了一些效率改进的方案，并理论的分析了最佳的效率值和如 何根据需求合适的选取功率开关尺寸。 然后分别从电压控制模式和电流控制模式( 平均电流模式) 两个方面对系统进 行精确建模，提出了使系统稳定的环路补偿方案，并比较了电压控制模式和电流控 制模式各自的优缺点。 接着设计各个子电路，实现了整个系统，并给出了整个系统的性能指标，通过 整体仿真验证了系统的功能和性能。 最后，通过对版图，封装以及外置器件的研究，更全面的研究了这一电源管理 芯片。 本论文研究和设计的电源管理芯片具有电压控制模式和平均电流控制模式的双 模式可选功能；通过提高时钟频率( 达到1 2 m h z ) ，从而可以使用更小的电感 ( 0 4 7 u h ) 和更小的电容( 2 2 u f ) ，大大的降低了系统的成本和体积；高时钟频率 同时也提高了转换的精度( 纹波小于5 m v ) 与速度；另外，通过精确的损耗分析和 低功耗设计，在1 0 0 m a 一5 0 0 m a 的负载电流范围内，整个芯片的转换效率仍然能够 保持在9 0 左右。 关键词：电源管理i c ，c m o s ，高效率，低成本，高精度，b u c kd c d c 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 a b s t r a c t r e c e n t l y , b a t t e r y - o p e r a t e dp o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e ss u c h 嬲c e l l u l a rp h o n e sa n d o t h e rp a l m s i z ed e v i c e sa r ei ng r e a td e m a n di nc o n s u m e re l e c t r o n i cm a r k e t h i g h p e r f o r m a n c ep o w e rm a n a g e m e n ti c sa r em a n d a t o r yi nt h e s ed e v i c e sf o rm a x i m i z i n gt h e s y s t e mr u nt i m ea n de x t e n d i n go p e r a t i o n a ll i f eo f t h eb a r e r yd u et ot h es l o wd e v e l o p m e n t o fb a t t e r yt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt od e c r e a s et h es i z e ，w e i g h ta n dc o s to ft h e s e d e v i c e s ，m i n i a t u r i z a t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hi n t e g r a t i o no ft h ep o w e rm o d u l e sa r ee s s e n t i a l i nt h i sp a p e r , h i 曲e f f i c i e n c y , m u l t i m o d e s ，m u l t i p l e - o u t p u t sp o w e rm a n a g e m e n ti c sf o r p o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e sa r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e db a s e do nm i x - s i g n a lc m o s p r o c e s s t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e d ： t h et h e s i sb e g i n sw i t hab r i e fr e v i e wo ft h ep o w e rc o n v e n e r sb u c kd c d cw o r k i n g p r i n c i p l ea n di n t r o d u c et h eu s eo fh i g h - f r e q u e n c yc l o c kb r o u g h ta b o u tb yt h ea d v a n t a g e s a n dt h ed e t e r i o r a t i o no fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ；, t h r o u g ht h ep o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i to f t h ep o w e rl o s sa n a l y s i san u m b e ro fe f f i c i e n c yi m p r o v e m e n tp r o g r a m s ，a sw e l l 勰 t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ee f f i c i e n c yo ft h eb e s tv a l u ea n dh o wt h ed e m a n df o rp o w e r s w i t c ht os e l e c tt h ea p p r o p r i a t es i z e a n ds e p a r a t e l yf r o mt h ev o l t a g ec o n t r o lm o d ea n dc u r r e n tc o n t r o lm o d e ( t h ea v e r a g e c u r r e n t m o d e ) t w oa s p e c t so ft h es y s t e mf o ra c c u r a t em o d e l i n g ，r a i s e ds ot h a tt h es t a b i l i t y o ft h es y s t e ml o o pc o m p e n s a t i o np r o g r a m ，a n dc o m p a r e dt h ev o l t a g ec o n t r o lm o d ea n d c u r r e n tc o n t r o lm o d eo ft h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e nt h ed e s i g no fe a c hs u b c i r c u i t ，r e a l i z et h ew h o l es y s t e ma n dg i v et h ew h o l e s y s t e mp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h r o u g ht h ew h o l es i m u l a t i o ns y s t e mf u n c t i o n a l i t ya n d p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h r o u g ht h et e r r i t o r y , a ne x t e r n a ld e v i c ep a c k a g e sa sw e l la ss t u d i e st oo b t a i na m o r ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ep o w e rm a n a g e m e n tc h i p t h i st h e s i sr e s e a r c ha n dd e s i g no fp o w e rm a n a g e m e n tc h i p sw i t hv o l t a g ec o n t r o l m o d ea n da v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm o d eo ft h ed u a l - m o d eo p t i o n a lf e a t u r e s ；b yi n c r e a s i n g c l o c kf r e q u e n c y ( u pt o12 m h z ) ，a n dt h u sc a nu s eas m a l l e ri n d u c t o r ( o 4 7 u h ) a n ds m a l l e r c a p a c i t a n c e ( 2 2 u f ) ，g r e a t l yr e d u c i n gt h es y s t e mc o s ta n ds i z e ；a n dh i 曲c l o c kf r e q u e n c y a tt h es a m et i m ei m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec o n v e r s i o n ( t h er i p p l ei sl e s st h a n5 m y ) w i t ht h es p e e d ；i na d d i t i o n ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dp r e c i s el o s so fl o w - p o w e rd e s i g n ，a t i i 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 10 0 m a 。5 0 0 m ao fl o a dc u r r e n tr a n g eo ft h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ee n t i r ec h i p w o u l db ea b l et om a i n t a i na ta b o u t9 0 k e y w o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n ti c s ，c m o s ，h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , l o wc o s t ，h i g h p r e c i s i o n ，b u c kd c - d c i i i 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 1 引言 当今世界，能源在社会现代化方面起着极为关键的作用，电力电子技术以其灵活 的功率变换方式，高性能，高功率密度以及高效率，在2 l 世纪必将得到大力发展； 面向便携式应用的低压电源管理正成为该领域夺目的亮点。据市场调研公司c i r 发 表的市场报告指出，未来几年内基于便携式应用的电源器件市场前景非常乐观 1 】。 但是，便携式设备中与日俱增的新功能，将对电源管理器形成大量新的需求；因 此便携式设备的电源管理器制造商也面临着越来越大的压力，他们不仅要把一些新 功能集成于不断缩小的芯片和p c b 板的有限体积内，同时又要让它维持较长的工作 时间和更高的精度。例如，随着0 9 年初国内3 g 的到来，手机不仅要浏览网页、发 送电子邮件、拍摄数码照片，甚至还要能播放视频流，这些都给电源管理带来巨大 挑战。随着处理器速度的加快，整个电源管理方案和各个子系统必须跟上这一变化， 提供配套的电源支持；此外，新型电池技术、尤其是微型燃料电池技术的商用化即 将开始，也迫使电源芯片厂商重新思考未来的电源系统设计 2 1 1 3 4 。 这些新的变化趋势同时也为电源芯片厂商创造了巨大商机，促使他们绞尽脑汁开 发更先进的、各具特色和尺寸越来越小的电源管理解决方案，以支持这些日益复杂 的系统电源要求和新功能。本章首先简要的介绍电源管理器的背景，种类和工作原 理；然后引出本论文研究的内容和创新点。 1 1 研究背景与现状 电源管理简单的说就是将电源从一种粗糙的，不可控的，不稳定的能量形式，转 换为另一种稳定的，可控的，电路所需的形式；可以看作是一种从粗电到精电的转 换过程。 几乎所有的电子产品都会涉及到电源管理，就好像所有的人都需要心脏提供血液 循环的动力一样；然而为了应对不同的需求，电源管理芯片产品种类也是众多的； 从工作原理来分类，一般的便携式电子设备的电源管理可能用到以下三大类稳压器 i c ：一是以电感为基础，并且内建m o s 开关的交换式电源转换器，主要是指d c d c 转换器；二是无电感的交换式电源转换器，如电荷泵( c h a n g ep u m p ) ；三是线性稳 压器，主要指低压差的l d o 。这些转换器i c 各有其优缺点：就效率而言，以电感 为基础的d c d c 转换器拥有最高的整体效率，其次是电荷泵，最后才是l d o ；而 成本通常反比于效率，因此l d o 成本最低，然后是电荷泵，最后则是d c d c 转换 器；就输出精度来说，线性稳压器l d o 是线性输出，基本没有输出纹波，电荷泵 有一定的纹波，而d c d c 转换器纹波较大；就整个解决方案来说，线性稳压器体 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 积最小，通常只需要输入输出电容；电荷泵除了输入输出电容外，还需要一个或两 个飞驰电容( f l y i n gc a p a c i t o r ) ；d c d c 转换器则还需要一个电感。三大电源管理i c 性能比较如表1 1 所示 5 】。 表1 1 三大电源管理i c 性能比较 效率 负载成本 体积噪声 复杂度纹波 d c d c 高大高大大 高大 l d o 低大低小小低小 电荷泵 高小低小大低大 虽然开关电源相比电荷泵和l d o 有很多相对的劣势，但是由于它的绝对高的转 换效率，仍然成为目前应用最广泛的电源管理器类型。 根据负载对电源的需求，设计合适的开关电源管理芯片为其供电是电源管理系统 设计的核心。对于便携式电子设备，电源管理的需求有一些共同点 6 】： ( 1 ) 高稳定性 移动通信的实时性，要求电源管理具有高度的稳定性。如射频收发模块在待机和 通话时，负载变化大，电池的电压也会随着使用时间的增加而降低，这些都要求稳 压器能很好的调整这些变化而不发生稳定性的问题。由于便携式设备使用空间的移 动性和不确定性，所以在各种环境，如高温高压等情况下保持稳定的输出显得尤为 重要。 ( 2 ) 工作电压低 由于是电池供电，所以其工作电压通常较低；目前常用的锂电池的标称电压约为 3 6 v ，电路的工作电压大概也就在2 6 v 的范围内。 ( 3 ) 输出电流变化大 由于供电的负载电路越来越复杂，电路的工作模式也越来越多样，例如现在很多 便携式系统都有待机状态，工作状态和重载状态，所以输出电流的变化通常也较大， 一般可能在几毫安到几安培内变化。 ( 4 ) 转换效率高 便携式系统由电池供电，电池的储能是一定的，而且短期内电池技术不大可能有 较大的突破；所以当待机时间与使用时间成为一个电子产品的重要性能指标时，如 何提高电池的转换效率就成为电源管理的最大挑战之一。现在市场上的d c d c 转 换器的峰值效率已经可以达到9 5 以上，上升空间已经不大了，但是如何在改善其 它性能指标的同时，保持这种高转换效率就成为了电源管理芯片研究的热点。 2 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 ( 5 ) 完善的保护措施 大多数芯片都是脆弱的，一个小小的失误或者非常规情况都可能导致芯片无法恢 复的损坏；所以，在设计芯片的同时，就必须考虑到特殊情况出现时如何对电路进 行保护。电源管理由于直接对电源进行处理，所以常见的有以下的一些保护：过流 保护( 其中包括短路保护) ，温度保护，过压保护等。 ( 6 ) 输出电压精度要求高 输出电压的精度往往影响了负载电路的精度；这里的精度有三层概念：一是电压 的绝对精度，即对于输出电压与所需电压的误差大小；二是负载电压对输入电压的 响应速度，当输入电压值急速改变时，输出电压稳定所需的时间( 通常称为线性响 应) ；三是当负载电流急速改变时，输出电压稳定所需的时间( 通常称为负载响应) 。 消费电子、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场最主要的应用领域，如图 1 1 所示，三大领域占据了电源管理芯片市场7 5 以上的市场份额，而这三大领域 都主要为低压便携式系统的电源管理。 甘卞， 汽车电子甍是 工业控制t 3 o i t 计算机 2 丸t 图1 1 各个领域对电源管理的需求的市场份额 中国作为全球最大的芯片消费国，国内的电源管理市场丰要由国外的品牌占据， 有t i ，n s ，f a i r c h i l d ，s t , l i n e a r 等，其中最大的德州仪器( t i ) 占据了超过1 0 的市场 份额 7 】，图1 2 是德州仪器0 8 年的一款电源管理芯片的结构图，这是一款p f m ( 脉 冲频率调制) 和p w m ( 脉冲宽度调制) 双模控制芯片。 该芯片的工作性能可以看作是目前市场上低压便携式系统电源管理芯片的一种 主流，该芯片的d a t a s h e e t 给出的具体性能参数如表1 2 所示。 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 s 僦删 图1 2 德州仪器t p s 6 2 0 0 8 的芯片结构 表1 2 德州仪器t p s 6 2 0 0 8 的芯片性能 效率 输入范围建立时间输出纹波负载电流 9 5 2 5 5 v6 u s2 0 m v0 “0 0 m a 开关频率静态电流输出范围输出电容电感 1 m h z5 0 u ao 8 m n1 0 u f1 0 u h 1 2 便携式电源管理的趋势 随着电源管理芯片技术门槛的降低，越来越多的芯片设计公司( f a b l e s s ) 开始涉 及该领域，尤其是台湾和中国内地厂商，近年来发展迅速，已经在中低端电源管理 芯片领域取得较大成功，然而这也造成中低端电源管理芯片市场产品同质化严重， 市场竞争激烈，产品价格持续下降。虽然在中高端产品方面国际领先厂商仍然有明 显的优势，但是中低端领域的产品，新进入厂商已经开始影响到这些国际大公司， 在很多中低端产品市场中，往往只能通过价格优势来争取客户。目前，由于价格的 影响以及上游芯片生产材料价格的上涨，电源管理芯片产品的利润空间受到持续压 缩。 从产品的发展来看，电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化，包括同时提供 多个不同的供电电压趋势、数字电源管理趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积 缩小趋势以及低成本趋势等等【8 】，然而最值得一提的仍然是集成化趋势，众所周之， 集成化是半导体产品发展的一大趋势，电源管理芯片也不例外，其中，最为明显的 4 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 例了就是p m u 产品已经在于机等多种产品中广泛应用，一个p m u 可能集成了多个 l d o 和d c d c 等产品，能够实现多种电源管理，是集成化趋势最明显的例子，如 图1 3 所示。 图1 3 低压便携式系统的电源管理集成单元( p m u ) 此外，随着各种芯片产品功能的集成度不断提高，很多芯片产品内部集成了电源 管理功能，这样系统厂商就可以不必在外围搭配相应的电源管理芯片。然而，集成 化并不能解决全部问题，一个p m u 往往只能针对某类应用，甚至某个产品，从某 种角度来说有些类似a s s p ( 专用标准产品) ，其扩展应用性不如分离解决方案，而 且分离解决方案可以根据需求选择最适合的电源管理芯片，可以达到最高的能效； 由于分离和集成各有优势，因此，集成化和分离的解决方案将会一直长期存在。 随着产品的发展，电源管理的一些新技术也逐渐成熟起来，并成功的应用在很多 芯片上，成为改变电源管理性能的主要动力，下面介绍几个较为突出的技术 2 4 ： ( 1 ) 高频化技术：随着开关频率的提高，开关电源转换器的体积也随之减少， 功率密度得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率d c d c 转换器的开关频率将 上升到m h z 级别。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、 高频寄生参数以及高频e m i 等新的问题也将随之产牛。 ( 2 ) 软开关技术：为提高转换器的变换效率，提出了各种软开关技术，具有代 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关零电流开关 ( z v s z c s ) 谐振、准谐振、零电压零电流脉宽调制技术( z v s z c s p w m ) 以及 零电压过渡零电流过渡脉宽调制( z v r z c t - p w m ) 技术等。采用软开关技术可以 有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。 ( 3 ) 功率因数校正技术( p f c ) ：目前p f c 技术主要分为有源p f c 技术和无源 p f c 技术两大类，采用p f c 技术可以提高a c d c 转换器输入端功率因数，减少对 电网的谐波污染。 ( 4 ) 模块化技术：采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统 的可靠性。 ( 5 ) 低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电 子设备的工作电压越来越低，这就要求未来的d c d c 转换器能够提供低输出电压 以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。 ( 6 ) 多工作模式技术：对于电路不同的负载电流情况，使用不同的电源管理模 式；通过引入多模理念，使电源管理器始终以最适合当前负载的模式工作，就可以 最大的提高电源管理的效率，但是这样同时也会加大电路的复杂度以及带来一些额 外的功率损耗。 ( 7 ) 数字电源管理技术的探索：由数字电路对电源进行管理，可以大大丰富电 源管理的功能和工作模式，但由于数字电源管理复杂度高，转换效率上不去，目前 也只处于探索和初步应用阶段。 1 3 研究内容 本论文研究和设计了基于c m o s 工艺的用于低压便携式电子设备的高效率，低 成本，高精度电源管理芯片。针对学术界和工业界研究的现状，对低压便携式系统 的电源管理芯片特别是稳压器i c 进行了广泛而深入的研究，主要完成了以下研究和 设计工作： 对控制时钟频率为1 2 m h z 的b u c kd c d c 转换器进行了损耗分析并提出了一些 效率改进的方法，简要的介绍了高时钟频率给电源管理器带来的优势和需要规避的 缺陷；然后分别从电压控制模式和平均电流控制模式两方面进行系统建模，分析了 如何设计一个高性能且稳定的电源管理器控制环路，并给出了仿真结果( 基于m a t l a b 软件) 。 接着根据建模分析得到的理论，确定电路实现的方案，然后逐一完成了芯片中各 个子电路的设计，并仿真验证性能( 基于c a n d e n c e 软件平台) 。 6 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 然后将子电路构成整个系统，并介绍系统可实现的功能和预期性能；通过整体仿 真比较高时钟频率的电源管理器在电压控制模式和平均电流模式下表现出的不同性 能和优缺点。 最后版图实现芯片，并研究电源管理芯片的外接器件的特性以及探讨了封装集成 的可能性。 1 4 论文组成和安排 论文第一章为引言，首先介绍论文的课题背景；然后简要的叙述了一下当前国内 外市场以及低压便携式电源管理技术的现状，提出了一些当前研究的热点和难点， 并分析了便携式电源管理的发展趋势，然后引出本文将要研究的内容；最后给出文 章的组成和安排以及主要的创新点。 第二章简要介绍d c d c 转换器的基础，然后重点分析b u c kd c d c 的工作原理， 并探讨了功率损耗以及如何相应的提高效率。 第三章是系统建模，精确的建模是每一个稳定的电源管理器设计的基础，其中主 要从电压控制模式和平均电流控制模式对系统建模，提出了环路参数的确定方法， 并给出仿真结果对模型进行验证。 第四章是电路设计，要最终实现芯片，必须进行完整的电路设计，其中包括控制 环路的核心电路设计，也包括为系统提供参考源和保护的旁置电路。每一个电路都 尽量以最小的功耗去满足系统对子电路性能的要求。 第五章是系统的整体仿真和芯片的实现，这个是电路级系统验证，需要考虑更多 的寄生参数和将来芯片的可测性以及功能的全面性；版图以中芯国际0 1 8 微米 c m o s 工艺实现。 最后一章对整篇论文进行了一个总结，同时发现一些存在的问题，并为将来的改 进提出可能的解决方法。 1 5 主要创新 目前市场已经逐渐显露出对更高控制时钟的开关电源管理器的需求，以往一些文 献对1 m h z 级别控制时钟的开关管理器的研究已经不能满足当前高时钟频率的要 求。更高的时钟频率不仅能够减小外置器件的尺寸和成本，还可以在响应速度和精 度等多个方面改进性能。本论文的主要创新就在于在保持了较高的转换效率的前提 下，通过采用更高的时钟频率，实现了成本更低，精度更高，响应更快的电源管理 芯片。 7 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 2 降压转换器控制电路系统建模 降压转换器( b u c kd c d c ) 作为电源管理中最为常用的电源转换器，设计一个 高性能，低成本，且稳定的降压转换器对低压便携式系统有着极为重要的意义；本 章从如何设计一个高性能的降压转换器出发，首先介绍d c d c 的一些基础理论； 然后分析了降压转换器的功率损耗以及如何提高效率；接着介绍了一些常用的降压 转换器的控制方法；最后分别从电压模式和电流模式分析了降压转换器控制环路的 设计方法。 2 1d c d o 转换器基础 目前研究领域常见的d c d c 电源转换器大致有1 4 种，可以分为隔离和非隔离 两大类；隔离d c d c 转换器是通过电感线圈耦合，将输入和输出进行隔离，常用 于电压转换幅度较大的电路；对于当前主流的以锂电池供电的低压便携式系统，则 一般采用非隔离d c d c 转换器。 市场上常见的转换器有b u c k , b o o s t 和b u c k - b o o s t 三种，如图2 1 所示。b u c k d c d c 是降压转换器；b o o s td c d c 是升压转换器；而b u c k - b o o s t 则既可以完成 升压转换，也可以完成降压转换 9 。 + k 名 + k 匕 b u c kb o o s t b u c k b o o s t 图2 1 常用的d c d c 转换器 由于具有高效率和相对较低的成本，b u c k 转换器广泛的应用于低压便携式系统。 图2 2 为转换器的工作时电感两端的电压和流过的电流的变化示意图，v g 是输入电 压，通常接外部供电电源( 例如锂电池) ；开关1 和开关2 是功率开关，实际系统中 开关1 通常用具有很大宽长比的m o s 功率管实现，开关2 则可根据控制模式的不 同选择有很大宽长比的m o s 功率管( 同步整流模式) 或大功率肖特基二极管( 异 步整流模式) 。正常工作过程中，开关1 与开关2 以一定的周期轮流导通，其中接输 入电源的开关的导通时间与周期的比值称为导通占空比，用d 表示。 功率开关后面接着的储能元件电感l 和电容c ，与负载r 一同构成一个简单的 r l c 滤波器。当流过电感的电流始终大于零时，可以认为转换器工作在连续电流模 式( c c m ) 下；这时开关1 和开关2 交替打开，电感两端电压和电容的电流可以表 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 不为： 工等= 屹，c 鲁2 ( 2 1 ) d tdt 、 所以在开关1 导通，开关2 关闭时，电感电流按固定斜率上升，斜率为： 一d i l ：尘兰 ( 2 2 ) 一= ；一 izzj d tl 当开关2 导通，开关1 关闭时，电感电流按固定斜率下降，斜率为： 一d i l ：互 ( 2 3 ) d tl 在导通占空比一定的情况下，每个周期电感电流上升的量将最终等于电感电流下 降的量，从而达到动态的平衡， 驴竿。j k = d v g ( 2 4 ) 这时，输出电压平均值可以表示为输入电压乘以占空比( 由于电感电流的上升和 下降，输出电压存在一个小的纹波，但是由于该纹波较小，此时可以暂时以平均值 来考虑输出电压) 。所以改变时钟占空比，可以等比的改变输出电压的平均值。 1 ： 2 ：y ii f ( a ) ( b ) 图2 2b u c k 转换器工作原理图( a ) c c m ( b ) d c m 9 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 当i o w v g d ( 1 一d ) 乃2 l 时，转换器工作在非连续电流模式( d c m ) 下，这时， 除了开关1 导通( 占空比d i ) 和开关2 导通( 占空比d 2 ) ，还存在一个开关1 和开 关2 同时不导通的状态，负载只由输出电容供电；这时的输出电压可表示为： k 2 名雨- 百1 ( 2 5 ) 由于的大小是不确定的，所以d c m 往往比c c m 更难以分析，在环路稳定性 上需要更加全面的予以考虑 1 0 1 。 电感上的电流的上升和下降反映在输出就是小信号的纹波，称之为输出纹波，是 开关电源的一个重要的性能指标，不少精密的电路对纹波的大小都有着比较苛刻的 要求，所以在设计中要尽可能的降低输出纹波，b u c k 转换器的输出纹波的大小为 1 l 】： 孚， 2 亍 8 c - 5 + ) 2 是输出电容的串联等效电阻，是开关时钟频率，l 为电感的电感值。 可以看出，当输入输出电压一定时，减小输出纹波可以通过提升电感电容或提高 时钟频率；但是，大的外部电感和电容不仅提高了产品成本，而且占用了大量的p c b 版图面积，是当前趋向于大众消费型的便携式电子产品所不能够接受的；所以只有 通过增大时钟频率来减小电压纹波，并抵消由于电感和电容的减小而引起的纹波增 大 1 2 。 但是频率的提高会恶化电源转换器的另一重要指标：转换效率( 具体原因见下 节) ；如表2 1 所示，可以说，设计一个好的开关电源管理芯片是一个须要根据具体 需要，对精度，成本，面积和效率等的多方面折中。 表2 1 市场电源管理芯片产品性能参数 输入输出电流 时钟频率电感电容效率 3 3 v1 8 v l al m h z 3 3 u h1 0 u f 9 7 5 v 3 3 v l a2 m h z 2 2 u h1 0 u f 9 5 5 v 3 3 v 0 5 a3 m h z 1 u h4 7 u f 9 3 3 6 v 1 8 v 7 0 0 m v 一10 0 m 图3 3 用于p w m 的高速比较器 输入 。孽 。 、-i 彩彩5 9 0 n1 0 u1 ，5 u2 ，f 2 j u t i m e ( s ) ( a ) 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 5 ，d ，、 2 巧 ， 、_ ， 一1 ，乃 1 5 彩 ，- 、 7 形0r t l 一一10 0 m n illi8n 瞳 n 且jll l | 一土l 。 l ，il i o 一一 ， ： 1 f彳 一1 刁7 叫 7 5 9 0 m 、一 3 2 0 m 电感电流 ；入 v 。v 。 ， 电流检测 v ( 3 5 ) ( 3 6 ) 4 9 7 0 u4 9 8 0 u 4 9 9 0 u 5 0 ，g 彩u t i m e ( s ) 图3 1 0 电流检测仿真结果 本设计对于0 4 7 u h 的电感的电流检测精度可以达到9 5 左右，具有较高的精度。 如果使用其它取值的电感，则需要改变电感电压采样电阻的比值。 当然，这里电感的e s r 会引入一个零点，但是由于使用的电感较小，串联电阻 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 也小，这样产生的零点频率较大，几乎不在考虑的频率范围内，所以可以忽略。 3 4 功率管的驱动电路 由于功率管尺寸较大，所以需要一定尺寸的驱动电路；传统的驱动电路是由尺寸 逐级增大的多级反相器构成，但是由于同步整流的p w m 控制的两个功率管要避免 同时导通而导致较大的功率损耗，所以还需要在驱动电路前加上非交叠时钟产生电 路，具体电路实现如图3 1 1 所示。 c 图3 1 l 功率管驱动电路 非交叠产生的死区如图3 1 2 所示，即p m o s 和n m o s 管同时关断，在这段时间 内，为了保持电感电流的连续，n m o s 管的体二极管会有短暂的导通，造成额外的 能耗而且还有可能发生闩锁效应，所以死区的时间不能太大，优化死区时间是很有 必要的；死区的时间主要由图中延迟单元的延迟时间决定。 4 彩 3 ，彩 2 ，d 1 ，妇 国，彩 一1 g - r m v 3 目 j ： 、f i ； n l o s 一， 区、 f a j cp vv 8 0 7 0 u8 ，彩9 9 u8 ，1 1 0 u8 1 3 0 u t i m e ( s ) 图3 1 2 功率管驱动电路仿真结果 3 5 锯齿时钟产生 对于p w m 控制，锯齿波或三角波发生器是系统的重要组成部分，一般产生一个 固定频率的时钟的方法主要有外部提供时钟和内部产生时钟两种。外部提供时钟主 4 1 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 要是通过晶振输入时钟基准，然后由p l l 锁相再分频得到精确的频率；而内部时钟 可以是环路振荡也可以是l c 振荡。由于电源管理器并不需要绝对精确的时钟，本 次设计采用了更为简单内部环路振荡产生锯齿波( 芯片实现时，考虑y 多 l - 接时钟的 可能) ，电路结构如图3 1 3 所示。 图3 1 3 锯齿波产生电路 电路中m 2 是一个电容c 的放电开关，恒定电流届不断给电容c 充电，当电容 的上端电压达到一定值时，m 2 栅极电压为正，电容放电，然后再重新开始充电， 产生的锯齿波的峰值和频率可以表示为。 k ：堕坠型厂：址 ( 3 7 ) 。脚 心 。 ( 置+ r ) c 可以看出无论是电压峰值还是频率都与输入的电源电压值无关，这样就使系统 的稳定性在时钟方面不会受到电源电压改变的影响，具体仿真电路如图3 1 4 所示。 4 ，巧g j o 5 ，蛔 ， - 一 2 8 0 1 7 d _ 、 7 0 0 r - n - ， 5 0 0 m 输入电源 输出锯齿波峰值= 1 5 v 频率= 1 2 m h z 。 己 9 8 0 0 u9 9 0 0 u1 0 0 0 u1 0 1 0 u1 0 ，2 0 u t ；m e ( s ) 图3 1 4 锯齿波产生电路仿真结果 4 2 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 3 6 高精度带隙基准源 作为绝大部分模拟集成电路的一个基本组件，基准电压源始终是集成电路中一个 重要的单元模块，前面的章节中的电路很多都用到了参考电压源；它是一种几乎不 依赖于温度和电源的基准技术。 要得到与温度无关的偏置，可以将两个相反温度系数的量以适当的权重相加，那 么结果就会显示出零温度系数。 对电源的抑制，可以运用一个高增益的运放反馈来稳定两条支路的电压，也可以 通过具有较大输出电阻的共源共栅电流镜来隔离电源 2 5 】。 具体电路实现如图3 1 5 所示【2 6 】 2 7 ，参考电压输出为o 5 v ，参考电流为1 0 u a 。 输出的基准电压对温度的相关性的仿真结果如图3 1 6 所示，在0 到1 2 0 度的范 围内，参考电压的改变只有0 5 m v 。 带隙基准对电源噪声的抑制能力很大的影响了输出电压对输入电源的响应，一般 用电源抑制比( p s r r ) 来表示输出参考电压源对电源小信号变化的抑制能力；p s r r 的仿真结果如图3 1 7 所示。 图3 1 5 带隙基准源电路结构 4 3 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 v d d = 3 6 v 一一靠一“嗡一一 ”。 一， 黛：。 ，v d d = 3 ： - 。一一一。、 、 ， i 7 7 、 、，v r l r l ：气 一 一2 彩 一3 莎 一一4 彩 田 可- 5 0 6 彩 一7 彩 3 7 温度保护 t e mp ( c ) 图3 1 6 带隙基准源温度系数仿真结果 ，一 ， ( ， j n， 。u ，u j ? 1 9 国1 1 2 i k1m1 彩刃m f r e q ( h z ) 图3 1 7 带隙基准源电源抑制比仿真结果 前面提到，功率的损耗最终都是以热能的形式，就是说，芯片如果得不到及时的 散热，可能会出现温度不断升高的现象；任何一个芯片对于温度都有一定的耐受极 限，一般工作环境长时间在1 5 0 度以上会可能对芯片造成不可能逆转的损坏，所以 在芯片设计的时候，为了省去将来应用时的温度检测，需要在芯片内部加上一个温 度保护模块，该模块的主要作用是在检测到芯片的温度超过一定耐受极限时，停止 电源转换，待芯片回落到一个更安全的温度时，再重新开启；整个电路的实现如图 3 1 8 所示。 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 j 易 一 2 彩 1 刃 - ， 刃，d 3 ，d 一 2 彩 1 0 _ 一 国，彩 图3 1 8 温度保护电路 温度下降+ 一 1 。ttt 。 t e m p ( c ) 图3 1 9 温度保护电路仿真结果 q 1 是以二极管形式连接的三极管，和带隙基准源一样，它具有一个负温度系数， 当温度较低时，v n 场，输出电压为高；随着温度升高，砌逐渐减小，当v n 2 彩0 m 、- ， 一1 a 彩m 图3 2 1 带软启动的带隙基准源 电感电流 、 1 酮吣。 i - _ 山n u l w i u i j 一_ m -1 _ n m f m l - ：- j 一 己 i一 彩，f 2 j 05 1 2 f o u1 1 2 f 0 u1 5 ，1 2 j u t f m e ( s ) 图3 2 2 软启动仿真结果 4 7 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 4 整体仿真与芯片实现 前面章节完成建模和晶体管级电路设计，但是要完成电源转换的特定功能需要把 子电路构架成一个完整的系统，并完成系统级的仿真验证。本论文设计的电源转换 芯片是一个在c m o s 工艺下实现的，能够分别工作在电压控制模式和平均电流控制 模式下的高时钟频率，低成本，高效率的b u c kd c d c 。 4 1 系统构架与仿真 系统的整体设计指标如下：( 开关时钟为1 2 m h z ) ( 1 ) 直流特性 输入电压范围：3 v 3 6 v 输出电压范围：0 5 v 也5 v 可调 负载电流范围：1 0 ( h n a - 5 0 0 m a ( 软启动) ( 2 ) 参考和工作温度 片内带隙基准与片外参考电压可选 工作温度：2 5 1 2 5 度( 温度保护) ( 3 ) 时钟 片内环路振荡时钟和片外输入时钟可选 ( 4 ) 外置器件 输入电容：1 0 u f ，e s r 典型值为1 0 毫欧，最大2 5 毫欧 输出电容：2 2 u f ，e s r 典型值为5 毫欧，最大2 0 毫欧 功率电感：0 4 7 u h ，最大直流电阻1 0 0 毫欧 ( 5 ) 输出精度 绝对电压精度1 以内，纹波小于5 m v ( 6 ) 输出效率 峰值效率大于9 0 ，平均效率大于8 5 图4 1 为本次设计实现的双模式可选b u c kd c d c 电源管理系统的框图，图中 是模式控制开关，当输入为高时，系统以电压模式控制；当输出为低时，系统 以平均电流控制。e 陆是输入锯齿波外接时钟控制端1 ：3 ，当为高电平时，锯齿波为 内置产生；为低时，锯齿波由外接输入口圪膻输入。c 0 为外接参考源输入端v i ，当 为高电平时，参考源由内部的带隙基准源产生；为低时，参考源由外部供给。k 。为 输入电源，为输出电压，g n d 接地；吃接外置电感的输出端。4 位c 二控制电 复旦大学硕士论文高效率低成本电源管理芯片研究 阻阵列从而控制输出电压的值，用于外接电阻微调输出电压。 c e f 圪fc e 。 图4 i