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1、word格式PWM电流模式DC-DC降压控制电路的设计当今消费市场中，便携式电子产品所占比重较大，这种产品要求电池体积小、重量轻、使用时间长。高效、低压开关DC-DC转换器，通过提高电源转换效率及改进控制技术，达到了所需要求，因此被广泛应用于电子产品中。本文首先介绍了Buck DC-DC转换器的拓扑结构及工作原理，并且详细论述了两种工作模式。然后进行了系统的设计与分析，具体介绍了电流感应电路、过流保护电路、带斜坡补偿的振荡器以及同步整流驱动电路等系统关键模块的设计与仿真。其中，振荡器电路的设计中，利用一种简单的斜坡补偿电路，完成了窗口比较式振荡器的充放电电路的功能，具有简洁高效的特性。 同时，
2、在模块电路设计中，采用0.35m工艺，从功率级设计开始，详细讨论了元件类型的选择以及电路结构参数的确定。之后，配以简单的外围电路构成了Buck DC-DC转换器系统，并对其进行了功能仿真，Hspice仿真结果表明，该系统能稳定工作，并满足设计指标的要求。关键词：PWM峰值电流模式；Buck DC-DC转换器；带斜坡补偿的振荡器Title：DESIGN OF CURRENT-MODE BUCK DC-DC CONVERTER CONTROL IC Major：Microelectronics and Solid ElectronicsName: 李强 Signature: Supervisor:
3、 Associate Prof. Lu Gang Signature: AbstractIn todays consumer market, battery-operated portable electronic devices are in great demand. For these devices, small size, light weight, and long battery run-time are the main demands. The highly efficient low-voltage switch-mode DCDC converters are manda
4、tory in these devices for minimizing the size and weight and extending the battery run-time, by enhancing the efficiency of power supply and improving the control technology.The topology structure and basic principle of buck DC-DC converters are introduced firstly. Meanwhile, two operation modes are
5、 depicted in detail. Then the whole system is designed and analysis. And the key modules, such as current sensing circuit, over current protection circuit, and synchronous rectifying driver, are designed and modulated. A simple slope compensation circuit is used to substitute for charging and discha
6、rging capacitor in the window comparator oscillator. And the oscillator is simple and effective.In the module design part, starting with the power stage, the type and parameters selection of electronic devices are discussed. Finally, a whole Buck DC-DC converter system, which can be completed by the
7、 control IC with few external parts, is simulated by Hspice, with 0.35m CMOS process, whose results indicate that the system is stable and circuit function and performance have perfectly satisfied the design requirements.Key words: PWM peak current-mode control method; Buck DC-DC converter; oscillat
8、or with slope compensation circuit 1 引言11.1 开关电源的发展11.1.1 开关电源的发展现状11.1.2 开关电源的发展趋势21.2 开关电源的分类与比较31.3 本文的主要工作42 DC-DC转换器的拓扑结构和原理分析52.1 Buck DC-DC转换器的工作原理分析52.1.1 CCM模式分析62.1.2 DCM模式分析92.2 DC-DC转换器的控制方式和控制模式112.2.1 DC-DC转换器的控制方式112.2.2 DC-DC转换器的控制模式123 PWM电流模式DC-DC降压控制电路的设计与分析173.1 系统设计目标及系统结构173.2
9、误差放大器的设计与仿真183.2.1 电路的分析与设计183.2.2 电路的仿真结果223.3 带隙基准电压源的设计与仿真243.3.1 电路的分析与设计243.3.2 电路的仿真结果273.4 PWM比较器的设计与仿真303.4.1 电路设计与分析303.4.2 电路仿真结果313.5 电流感应电路与过流保护电路的设计与仿真333.5.1 电流感应电路设计与分析333.5.2 过流保护电路的设计与分析353.5.3 电路的仿真结果363.6 带斜坡补偿的振荡器电路的设计与仿真383.6.1 比较器的设计与分析393.6.2 斜坡补偿电路的设计与分析404.6.3 脉冲展宽电路的设计与分析42
10、3.6.4 仿真结果433.7 逻辑控制电路与同步整流驱动电路的设计与仿真443.7.1 逻辑控制电路的设计与分析443.7.2 同步整流驱动电路的设计与分析453.7.3 电路的仿真结果473.8 软启动电路的设计与仿真484 整体仿真504.1 输出电压504.2 开关管Mp和整流管Mn导通电阻514.3 转换效率52结论55致谢56参考文献571 引言 电源是一切电子设备的动力心脏，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性和安全性。而开关电源（Switch Mode Power Supplies，SMPS）是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置
11、，是通过控制开关晶体管导通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源，近几年成为了电源市场的焦点之一，越来越受到人们的重视。与传统的线性电源相比，开关电源最大的优点是体积小、重量轻、效率高。强大的优势使其几乎席卷了整个电子界，同时，由于开关电源技术不断地创新，也为其提供了更为广泛的发展空间。特别近年来随着便携式消费类电子设备市场快速成长，尤其是手机市场突飞猛进的发展速度，更是令厂商们对便携式电子设备趋之若鹜。便携式电子产品的迅速增长是开关电源技术发展的主要推动力，然而随着便携式产品日益丰富的功能，如何设计可靠性好、体积小、重量轻、转化效率高（能延长电池的寿命）的电源转换电路成为便携式产品设计
12、的重要任务16。1.1 开关电源的发展1.1.1 开关电源的发展现状据FROST&SAULLIVAN公司的资料显示，1999年全球开关电源的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元，平均年增长率为10%，这是作为电源和开关电源用户的计算机及其外围设备市场的不断发展，通讯业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景7。据相关报道，2002年全球开关电源市场总收入达到100.9亿美元，这一数字在2009年可望攀升至l56.4亿美元2。日本和美国的电子工业和通讯工业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。美国在2001年AC-DC开关电源48.6亿美元，DC
13、-DC开关电源14亿美元，合计为62.6亿美元，其中用于通信方面的开关电源共21.98亿美元，占开关电源总量的35%7。日本约占全球市场50%，美国约占29%，欧洲约占11%，亚洲（除日本外）约占5%。虽然亚洲目前在全球开关电源市场所占比例尚小，但由于亚洲通讯业的高速发展，对开关电源的需求也将与日俱增，2000年其需求量在全球市场上的比例已达10%，在21世纪初继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一8。国外开发电源管理芯片厂商很多，主要有IR、MAXIM、ST、TI、National等，他们产品非常成熟，能够提供高质量、全系列的电源管理芯片，包括升压、降压、升降压，固定、可调输
14、出，不同负载能力的芯片9。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已经占据了相当的市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口9，然而其红火的表象难掩缺乏核心控制芯片技术的尴尬。国内开关电源厂家所用的电源管理芯片均由国外公司提供，由于没有国内厂家能够参与竞争，芯片价格远高于成本数倍，使得开关电源整机成本较高，大部分利润被核心芯片提供商剥夺，技术上受制于人，很难实现大的突破。因此开发具有自主知识产权的电源管理芯片，已是大势所趋、形势所迫10。1.1.2 开关电源的发展趋势近年来，开关电源发展呈
15、现以下趋势1115：（1）小型化、轻量化和高频化开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定。因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高效率和高可靠性开关电源使用的元器件大大少于线性电源，因此提高了可靠性。电容、光电耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。（3）低噪声和良好的动态响应单纯追求高频化，会引起很大的噪声。电子信息设备用量的激增使得电磁干扰（EMI）问题日益突出，而开关操作时产生的浪涌和噪声则是开关电源转换器的固有缺陷。采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。尽可能降低噪声影响成为开关电源转换器的又一发展方向。（4）低电压、大电流、高功率、低功耗随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V，业界预测，电源
