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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于SIMULINK的单片集成开关电源稳定性研究 姓名：陈亮亮 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：徐静平 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 开关电源作为系统的供能装置，由于其性能的优劣直接关系到电子设备能否达到 技术指标要求以及安全可靠地工作，因此开关电源芯片一直是微电子学和功率电子学 研究的热点。本课题从系统定义到模块设计与芯片测试，完成了两款开关电源芯片的 设计，并分别从小信号和大信号角度研究了影响开关电源稳定性的因素。 首先，采用电感电压平均近似和
2、电容电流平均近似的方法，建立了小信号下连续 模式（CCM）DC/DC 转换器的功率级模型，实现了非线性向线性模型的转化，采用 此模型得到的从 “控制到输出” 的传递函数与采用状态空间方法得到的传递函数一致。 并在此基础上基于 Matlab 工具对不同补偿网路的频域特性进行了设计和仿真， 仿真结 果表明采用双极点-双零点补偿得到的系统性能最好。 其次，针对芯片的应用环境，研究了外界条件对芯片稳定性的影响，包括输入输 出滤波电容的选择，PCB 布局和抗振铃电路的设计。 本文对芯片进行了流片与测试，测试结果表明，静态电流、效率、输入输出范围 等关键指标均满足设计要求。同时采用以速度换精度的折衷方法，
3、对第一次流片的芯 片进行了优化设计。一是将误差放大器，带隙等关键电路的带宽降低到芯片内部开关 工作频率的 1/5，从而将工作频率处误差放大器的增益降低到 20 dB，以降低芯片输 出端的开关噪声带来的影响，提高芯片的抗干扰能力。二是增加了软启动设计，输出 过流保护电路设计和钳位电路设计，以提高系统的响应速度。仿真结果表明，优化后 的芯片与第一次流片结果相比：输出波纹降低了 50%；在带宽降低的情况下，响应速 度与第一次流片相当。最后采用 CSMC0.5 m DPDM 工艺对芯片版图进行了设计，并 进行二次流片。 关键词：开关电源 小信号 大信号 带宽 输出波纹 华 中 科 技 大 学 硕 士
4、学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The research of Switched Mode Power Supply （SMPS） chip has been the hot spot of Micro-electronics and Power electronics, because the chip often works as a power supply center for electronics equipments, of which the performance is directly related to the sp
5、ecification, the securety and safety of the equipments.Two SMPS chips were designed from system design to chip test, based on which the stability factors from AC mode to DC mode were researched. Firstly, a linear model of voltage control DC/DC converter in CCM mode was given by the means of inductor
6、 voltage averaging approximation and capacitor current averaging approximation, which converted the non-linear circuits to linear model. It was shown that the close loop control-to-output characteristics coincided with the result derived by the method of State Space Averaging. The dynamic characteri
7、stic of the system had been simulated by using Matlab. The simulated results exhibited that the double poles and double zeros compensator improved more dynamic characteristics of the system. The results from Hspice simulation verified the correctness of frequency analysis. Secondly, the noise from e
8、xternal conditions was studied in chip application environment, including the input and out filter capacitor, PCB layout and the design of anti-ringing circuits. Thirdly, the chip was tested after MPW fabrication. The results showed that the quiescent current, efficiency, input and output range of t
9、he chips met the design SPEC well. At the same time, the chip was optimized emphsized on accuracy, not speed. The first was that the band-width of the error amplifier and the OP in Bandgap circuits were reduced to one to fifth of working frequency, and the gain of error amplifier was reduced to -20d
10、B in working frequency in order to attenuate the output noise and improve anti-interference ability of the chip. The second was that a soft-start circuit, ouput over-current protection circuit and clamp circuit were designed in order to improve the system response speed. The simulation results show
11、that the ripple of proposed chip was reduced by 50% than before 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III and the response speed was the same as before in the case of lower bandwidth. Finally, the chip layout was designed by CSMC 0.5m DPDM process and was manufactured. Keyword: Switching Mo
12、de Power Supply; AC siganal; DC siganal; bandwidth; output ripple 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论
13、文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 2008 年 7 月 8 日上午九点在北京发布的BP 世界能源统计 2008表明，目前全 球能源市场的基本特征继续表现为高企业且波动的价格
14、，说明供求平衡依然紧张。这 就使得诸如能源安全、能源贸易以及替代能源等问题成为当今全球范围内最重要的政 治议题1，同时节能研究也成为科学家研究的热点。 电源作为系统的供能装置，由于其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及 能否安全可靠地工作，成为行业内研究的焦点。 1.1 开关电源的发展现状 为了满足市场对电源性能不断提高的要求，近年来单片集成开关电源（以下简称 开关电源）开始向高效率、低功耗、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以及宽输 入输出范围等方向发展，同时采用数字控制方式以及应用于特殊环境的开关电源也是 研究的热点。其主要应用领域包括通信、计算机、工业、医疗、军事和航空航天等。 目前
15、各大企业的研究主要包括以下几个方面： 1. 低启动电压研究 Seiko Instruments 公司采用 SOI（Silicon On Insulator）技术实现了最低启动电压 降低到 0.3 V。S-882Z 系列与以往的电荷泵 IC 不同，是采用完全耗尽型 SOI（绝缘体 上硅）技术开发的，可以超低电压工作的升压型 DC-DC 转换器 IC。由于利用非常低 的输入电压（ 0.30.35 V） 即可升压，因此可有效地利用微弱的能源。升压电能可 存储在外接的启动用电容器中，一旦达到所设定的放电开始电压，就可以作为升压 DC-DC 转换器的启动电能来进行放电。该芯片主要用于太阳能电池、燃料电池
16、等的 低电压电源、RF 标签内部电源电压的升压，为间歇工作系统供应间歇电力2。 飞思卡尔半导体在 2008 年的应用电力电子会议及展览（APEC）上演示用于光电 （PV）应用的电源转换技术新突破。其已开发了先进的超低电压 DCDC 转换器技术， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 实现了行业领先的太阳能电池启动和运行性能，启动电压只有 0.32 V，而运行电压更 是低至 0.25 V，效率达到将近 90%。这种技术突破能够让研发人员经济高效地开发各 种单电池太阳能系统及其它能量采集应用，如热电和机械清除系统。潜在应用包括太 阳能电池充电器、汽车系统的涓流充电器、手机和笔记本电脑充电器、远程数据采集 和工业空调系统、基于 PV 的交通信号、太阳能家庭和商业照明产品以及自我供电的 无线收发器。 飞思卡尔DCDC电源转换技术的卓越性能和效率是通过 SMARTMOS 10 工艺技术、优化的 flip-chip on leadframe（FCOL）封装和
