高压高效率同步降压变换器功率级电路的分析与设计

作     者：耿铭慈 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯全源

授予年度：2009年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：同步降压变换器 功率 高压 高效率 

摘      要：在高端电信和网络设备中,分布式DC-DC开关电源供电已成为主流应用方式。该方式通常需要将24V或-48V的母线电压转换为板内系统所需的高功率低电压电源,要求DC-DC开关电源具有宽范围输入电压、低纹波输出电压、大功率密度、高效率等特点。因此本文专注于高压同步降压型DC-DC变换器（Buck）的功率级电路,重点讨论功率损耗、参数优化以及效率问题。 本文首先针对通信系统中的分布式电源,分析了DC-DC开关变换器,尤其是同步Buck变换器的应用需求,在此基础之上提出了本文所要设计的一款同步Buck变换器的指标:5V～24V输入电压、0.925V～20V可调输出电压、5A最大负载电流和340kHz开关频率。接着,从功率器件PowerMOSFETs的特性入手,结合同步Buck变换器的工作原理,对所要设计的功率级电路进行了模块化的分析与设计,包括芯片外部的无源器件、集成的Power MOSFETs、驱动电路、自举电路、电平位移电路和反向限流电路。分析与设计的具体内容有:Power MOSFETs的工作过程、电感和电容的参数选取、功率损耗的来源与计算、驱动电路参数的优化设计、自举充电过程、高低压接口电路的电平转换设计、反向电感电流的限制策略。最后,基于所设计的功率级电路,结合控制系统的宏模型,完成了对整个同步Buck变换器效率和瞬态响应的性能测试,实现了提出的宽范围输入电压、低纹波输出电压、大负载电流以及高效率的设计目标。此外,文中还对同步Buck变换器特有的寄生体效应二极管、并联肖特基二极管、死区时间、贯通电流、平坦电势等现象进行了必要的分析与讨论。 本文所构建的功率级电路的晶体管模型为UMC 0.6umm BCD工艺,仿真工具采用了HSPICE。