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1、上海交通大学硕士学位论文 I 一种高精度 PWM 降压型 DC- DC 转换器的设计 摘 要 电源在电视、计算机和移动通讯终端等电子设备中占有重要位置，它是一切电路能否正常工作的基础。开关电源（Switch Mode Power Supply）由于具有体积小、重量轻、效率高、输出稳压范围宽等优势，被应用于各种电子、电器设备领域。开关电源核心的部分就是控制 IC，具有高集成度、高性价比、高效率的优点，得到广泛的应用。 尤其是近年来，随着便携式电子产品的迅速增长，与其配套的电源管理芯片也具有越来越广泛的市场。 由于人们对电子产品的功能及性能的要求不断提高以及对节能环保的重视， 高效率及高精度已经成
2、为芯片设计中至关重要的因素，这也是本次设计的主要目的。 本文设计了一款高精度电感型降压 DC- DC 转换器。芯片采用电压型 PWM 控制模式同时运用降频保护技术，并设计了全数字逻辑控制的软启动电路。芯片具有输出电压精度高、转换效率高、启动阶段过冲电压、浪涌电流小等特点。 芯片采用华虹 NEC （HHNEC） 0.35 微米 BCD 工艺参数的Spectre模型，在 Cadence 中进行仿真。芯片的输入电压为 4V- 12V，输出电压为 1.8V- 6V，最大输出电流 1A。以 5V 输入、2.5V 输出、5O 负载为例，仿真表明输出电压波纹低于 2mV，输出精度高达 0.05%，转换上海交
3、通大学硕士学位论文 II 效率高于 90%。另外，在 5V 降至 3.3V、2.5V、1.8V、及 12V 降至5V、3.3V、2.5V 的典型仿真中，芯片的性能均达到了预期的目标。由于时间原因，芯片版图已由代工厂设计，并进行流片，等待测试结果。 关键词：DC- DC，电压模式，PWM，高精度 上海交通大学硕士学位论文 III DESIGN OF A HIGH PRECISION PWM BUCK DC- DC CONVERTER ABSTRACT Power supply is an indispensable part in application electronic equipment
4、s such as TV, computer and portable communication equipments, which is the fundamental requirement for normal operation. Switch mode power supply, with its compact volume, small weight, high efficiency and good line regulation, has been widely applied in most of electronic fields. The core of switch
5、 mode power supply is integrated IC control system. Its high integration level, quality- price ratio and efficiency make it become the major candidate for application power design. In recent years, the portable electronic products is becoming more and more popular, which makes a rapid growth of powe
6、r management IC. With the purpose of providing more functions and high performance, as far as saving energy, these electronic products need switching power supply chip with high conversion efficiency and high precision. This thesis proposes a high precision monolithic buck DC- DC converter. The chip
7、 adopts the voltage PWM control mode, and uses decreasing frequency protection. In the chip, a digital controlled soft- star 上海交通大学硕士学位论文 IV circuit is contained. This chip is characterized by high precision, high converting efficiency and small strike- voltage and surge- current at starting stage.
8、Spectre simulations are done on each cell and the whole system in cadence with the parameter of HHNEC 0.35um BCD process. It works at 4V to 12V supply voltage, and provides 1.8V to 6V output voltage with a maximal output current of 1A. Simulation indicates that the output ripple is only 2mV, the out
9、put precision is 0.05%, and the power efficiency is above 90% with 5V supply voltage, 2.5V output voltage and 5O load resistor. Also in other typical simulations, the respective values are achieved. KEY WORDS：DC- DC, Voltage Mode, PWM, High Precision 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人
10、在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 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 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 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，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通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
11、存和汇编本学位论文。 保密?，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 概述1- 3 DC- DC 开关电源是电力变换设备的一种。目前，电能是大多数工业设备的直接动力，但是由于用电设备千差万别，供电部门提供的电能在很多情况下要经过电力变换设备的变换才能够使用。传统的公路交通设备是以汽油机、柴油机等为直接动力的，在这一领域中，电动汽车的出现是一个重大的突破。电动汽车的电能通常也要经过变换才能很好地满足驱动电机的要求。 按照输
12、入输出电能的种类，电力变换设备包括 DC- DC 变换器、AC- DC 整流器、DC- AC 逆变器、AC- AC 变频器等。DC- DC 开关电源是电力变换设备的一种，它应用半导体开关器件，通常利用 PWM 开关技术，将直流电能输入变换为具用良好应用特性的直流电能输出。DC- DC 开关电源是目前最常见的 DC- DC 变换器，它的输出在极性、大小、与输入的共地或隔离等方面有很大的灵活性。DC- DC 开关电源通常要通过适当的控制，保持输出电压稳定，或者满足特定负载的要求。 图 1- 1 DC- DC 开关电源系统 Figure 1- 1 DC- DC switching power sup
13、ply system 一般的 DC- DC 开关电源系统如图 1- 1 所示。在这个系统中，电路部分包上海交通大学硕士学位论文 2 括开关主电路（有时称为功率级）和控制器；输入输出包括能量输入、参考值输入和能量输出。为了达到电能变换的目标，可以从能量输出端向控制器引入反馈控制，也可以从能量输入端引入前馈控制。 1.2 电源转换技术简介4- 7 对于可满足手机内部电源转换要求的不同电压稳压器，图 1- 2 为 MAXIM 2008 年产品选购指南中的电源 IC 分类， 目前比较流行的有三种：线性 LDO 稳压器、电容式开关稳压电源（Charge Pump）以及传统的电感式开关稳压电源，所以我们必
14、须认真考虑它们的优缺点（见表 1- 1） 。 图 1- 2 电源 IC 分类框图 Figure 1- 2 Power management IC 上海交通大学硕士学位论文 3 表 1- 1 三种方案优缺点比较 Table 1- 1 Comparison among 3 converters 特点 LDO 稳压器 电荷泵 电感开关电源 设计复杂性 低 中 中到高 成本 低 中 中 噪声 最低 低 低到中 效率 低到中 中到高 高 热量管理 差到中 好 最好 输出电流 中 低 大 需要磁性元件 不需要 不需要 需要 局限性 不能升压 Vin/Vout比 布局考虑 1.2.1 线性 LDO 稳压器
15、将电压降至下一级的最简单方法是使用 LDO 稳压器。LDO 具有成本低，封装小、外围器件少和噪声小的特点。超低的输出电压噪声是 LDO 最大的优势，从而非常适用于作为对噪声敏感的 RF 和音频电路的供电电路。同时由于 LDO采用线性调节方案，因此不存在开关期间大电流所引起的电磁干扰（EMI） ，所以有利于对音频放大器、RF 电路系统或摄像机 CCD 感光器等的“噪声”开关模式稳压输出进行后置滤波。 但是 LDO 的缺点是低效率，且只能用于降压的场合。LDO 的效率取决于输出电压和输入电压之比：?=Vout/Vin。在输入电压为 3.6V（单节锂电池）的情况下，输出电压为 3V 是，效率为 90
16、.9%，而在输出电压为 1.5V时，效率则下降为41.7%。这样低的效率在输出电流较大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热，影响系统稳定性。 1.2.2 电容式开关稳压电源（Charge Pump） 电容式开关稳压电源也被称作充电泵，是采用“快速”或“泵式”电容器而不是电感器或变压器来存储能量的DC- DC 转换器。 内部FET开关阵列控制着 “快速”电容器的充放电，因此输入电压会乘以或除以 0.5、2、3 或 4 等系数，然后上海交通大学硕士学位论文 4 再进行线性调节，从而生成所需的输出电压。这种独特的调制方案可实现高达90%的效率。 电荷泵是利用电容作为储能元件，其内部的开关管阵列控制着电容的充放电。 为了减少由于开关造成的 EMI 和电压纹波， 很多 IC 中采用双电荷泵的结构。电荷泵同样可以完成升压、 降压和反转电压的功能。 由于电荷泵内部结构的关系，当输出电压与出入电压成一定倍数关系时，比如 2 倍或 1.5 倍，最高的效率可达90%以上。但是效
