一种低压启动的Boost型DC-DC变换器的研究与设计

作     者：周继民 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：辛晓宁

授予年度：2022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：Boost型DC-DC变换器 低功耗 低压启动 同步整流 转换效率 

摘      要：近几年随着智能可穿戴设备、人体医疗检测等电子产品的兴起,使其对电源的要求更加的苛刻。传统的电池供电制约了电子设备的体积与使用寿命,因此利用温差发电器、光伏电池等能量采集设备从环境中采集能量成为普遍采用的供电方案。由于能量采集设备的输出电压较低,无法直接用于集成电路供电,因此低压启动、低功耗、高转换效率、低纹波的集成Boost型DC-DC变换器成为当前的研究热点。论文首先介绍了用于能量获取的低压启动的Boost型DC-DC变换器的研究现状和关键技术问题。为解决低压启动问题,对电源电压低于MOS管阈值条件的逻辑电路设计方法进行较深入的研究。在对DC-DC变换器的拓扑结构、调制和控制模式进行了较详细的分析及对比的基础上,选择了采用同步整流技术和自适应电流模式PFM控制的设计方案。论文给出了芯片的整体架构及电特性指标需求,并且重点研究了系统中低压启动电路及其它低电压、低功耗电路模块的设计方法。论文给出了一种新颖的低压启动工作模式,系统启动划分为三个阶段,即启动阶段、开环阶段和闭环阶段。论文还介绍了其它重要电路模块的设计方案,包括低压环形振荡器、电荷泵、低压带隙基准电压源、低压条件下的电压检测电路等。这些电路模块均根据系统的要求,采用了合理的且较先进的设计方案。整个设计在Cadence平台下完成,利用Hspice仿真软件对上述电路模块及整体电路进行了仿真验证。论文给出了芯片的版图并通过了DRC、LVS等验证。论文给出的低压启动的Boost型DC-DC变换器基于TSMC 0.18μm工艺设计,仿真结果表明:在环境温度为-40℃～85℃的情况下,最低启动电压为105m V,输入电压范围为105m V～500m V,输出电压范围为1V～1.8V,最大负载电流为1.2m A,峰值转换效率为73%,各项参数满足设计要求。