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一种瞬态响应提升的高效率混合模式降压型dc-dc转换器

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一种瞬态响应提升的高效率混合模式降压型DC-DC转换器

作者：邢奕赫西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着通讯进入5G时代,智能手机及健康监测器等便携式电子设备发展迅速,普及率越来越高,成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。与此同时,人们对便携式电子设备的体积、重量以及续航能力提出了更高的要求。为了在不增加便携式电子设备体... 详细信息

随着通讯进入5G时代,智能手机及健康监测器等便携式电子设备发展迅速,普及率越来越高,成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。与此同时,人们对便携式电子设备的体积、重量以及续航能力提出了更高的要求。为了在不增加便携式电子设备体积和重量的前提下提高设备的电池使用寿命,提高为设备供电的转换器芯片的转换效率逐渐成为研究焦点。此外,智能设备中的高性能处理器工作模式较多,处理器从低功耗空闲模式到高速活动模式之间切换时,电源瞬态响应的速度对处理器性能有重要影响。因此,为了保证设备在复杂工作模式切换时依然具备高性能,用于供电的dc-dc转换器需要具有快速的负载瞬态响应特性。基于上述应用需求,本文设计了一种具有快速瞬态响应的高转换效率混合模式降压型dc-dc转换器。转换器采用动态电源管理技术来降低控制电路的功耗,并根据负载状况分别采用不同的工作模式,在重载下采用PWM控制,在轻载下采用PFM控制,从而获得全负载范围内的高转换效率。为了实现模式间的平滑切换,本文提出了一种数模混合的负载检测方案,在重载下采用模拟负载检测方案以实现高精度的负载检测,在轻载下采用基于计数器和间歇工作时钟的数字负载检测方案降低控制电路的静态功耗,从而提高轻载下的转换效率。为了降低混合模式转换器控制电路的复杂度,本文在设计PFM控制电路时复用PWM控制中的电感电流采样电路以及比较器,减小了电路规模,降低了功耗。此外,本文提出了一种瞬态增强技术以优化负载跳变导致转换器发生模式切换时的瞬态响应,在转换器由PWM切换为PFM时采用强制连续导通模式(FCCM)吸收电流,提高过冲电压的恢复速度,在转换器由PFM切换为PWM时采用非线性控制技术优化欠冲电压的幅度和恢复速度。本文基于SMIC 0.18μm标准CMOS工艺对所设计的dc-dc转换器进行了电路设计和版图实现,核心电路面积为0.95×0.94mm。使用Cadence Spectre仿真器对提出的dc-dc转换器进行了仿真验证,后仿真结果表明,该转换器的输入电压范围为2.1V-3.3V,输出电压范围为1.2V-1.8V,负载电流范围为1m A-300m A。转换器的最低静态电流为50μA;在3.3V输入,1.8V输出的条件下,全负载范围内的转换效率在85%以上,当负载电流为100m A时,转换器达到96.3%的峰值效率。当负载电流在1m A和300m A之间跳变时,转换器可分别实现61m V/41.5m V的欠冲/过冲电压以及4.8μs/9.3μs的恢复时间。

关键词：降压型dc-dc转换器 PWM/PFM控制动态电源管理技术高转换效率瞬态响应提升

一种降压型dc-dc转换器的误差放大器设计

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现代信息科技 2019年第21期3卷 28-31,34页

作者：刘志福周文涛李佑进程铁栋江西理工大学电气工程与自动化学院

本文提出了一种适用于降压型dc-dc转换器的误差放大器电路,该误差放大器采用数字电路的设计方法对软启动信号与基准信号进行处理,很好地实现了输出电压从启动状态到稳定状态的过渡,有效地消除了降压型dc-dc转换器启动阶段的浪涌电流和... 详细信息

本文提出了一种适用于降压型dc-dc转换器的误差放大器电路,该误差放大器采用数字电路的设计方法对软启动信号与基准信号进行处理,很好地实现了输出电压从启动状态到稳定状态的过渡,有效地消除了降压型dc-dc转换器启动阶段的浪涌电流和过冲电压。该误差放大器已应用到降压型dc-dc转换器中,电路采用SMIC0.18umCOMS工艺设计。从仿真结果可看出,该误差放大器的低频增益为64dB,相位裕度为55°,带宽高达65MHz,静态功耗为10uA,具有良好的整体性能指标。

关键词：误差放大器降压型dc-dc转换器数字电路软启动

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一种降压型dc/dc转换器设计

一种降压型DC/DC转换器设计

作者：谢观福合肥工业大学

学位级别：硕士

单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、性能优越等优点,非常适合便携式电子产品的应用要求,已广泛应用于通讯、电子计算机、消费类电子产品等领域。本文设计了一种应用于便携式电子产品的降压型dc/dc转换器。论... 详细信息

单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、性能优越等优点,非常适合便携式电子产品的应用要求,已广泛应用于通讯、电子计算机、消费类电子产品等领域。本文设计了一种应用于便携式电子产品的降压型dc/dc转换器。论文首先介绍降压开关电源的工作原理、系统结构,建立系统的小信号模型,分析系统的稳定性以及采用斜率补偿方法改善系统稳定性的原理。然后设计了一种新型峰值电流PWM控制的降压型dc-dc转换器;系统采用同步整流驱动电路、同步整流和软开关技术的结合、PWM/PFM多工作模式等技术,能够有效地减小了转换器功率损耗,提高转换效率。在实际电路的设计中,采用0.5μmCMOS工艺,利用Cadence EDA集成电路设计工具包,对系统内的重点模块包括基准电压电路、误差放大电路、振荡发生电路、PWM比较电路、软启动电路、PWM/PFM自动切换模块等进行了具体的设计、仿真和分析。最后,基于同步整流降压dc-dc转换器系统确定电路参数和外围元件类型;Spectre仿真结果表明,该系统性能稳定,满足设计要求。

关键词：同步整流脉宽/脉频调制软开关技术降压型dc-dc转换器

一种高效低功耗的自适应恒定导通时间Buck dc-dc转换器设计

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一种高效低功耗的自适应恒定导通时间Buck DC-DC转换器设计

作者：姜澳吉林大学

学位级别：硕士

随着电子行业的不断发展,各种电子器件和芯片都朝着小型化发展,伴随着尺寸的减小,各种电子器件的功耗不断上升,对于电源管理芯片同样意味着将朝着更高的效率、更低的功耗以及更小的尺寸发展。在不同的领域中对于电源管理芯片的性能要求... 详细信息

随着电子行业的不断发展,各种电子器件和芯片都朝着小型化发展,伴随着尺寸的减小,各种电子器件的功耗不断上升,对于电源管理芯片同样意味着将朝着更高的效率、更低的功耗以及更小的尺寸发展。在不同的领域中对于电源管理芯片的性能要求也有所不同,航天航空领域对于开关电源的可靠性和稳定性要求十分严格,便携式设备的需求则是低功耗。本文的主要目的是设计一个高效率、低功耗的Buck转换器芯片。dc-dc转换器作为直流输入直流输出的电源电路,能为电子设备提供稳定的输出。为dc-dc选择不同的控制模式,可以使其正常工作在不同场合下。一般常用的控制模式是电压模式控制和电流模式控制,但这两种控制方式存在电路复杂、系统稳定性差的问题。因此我们找到了一种COT的控制模式,其结构简单,可通过固定导通时间实现快速瞬态响应。不过COT控制模式也存在不足,由于它的导通时间固定,使其开关频率不稳定;另外,它需要较大的输出电容,考虑到尺寸和成本,COT控制模式并不适合在市面上推广。最终,在众多控制模式中选择了ACOT控制模式——自适应恒定导通时间控制模式,其导通时间随输入输出的变化自行调节,开关频率恒定,解决了COT控制模式的不足,并具有良好的瞬态响应和更高的转换效率。本文首先介绍了dc-dc的三种拓扑结构,详细研究了同步降压型dc-dc转换器的基本原理和工作模式等,并对其功耗来源和提升效率的参数选型进行了分析。对所采用的ACOT控制模式进行了介绍,并对其稳定性和直流失调问题进行分析。基于预期的设计要求,对转换器的关键子模块进行了详细的分析、设计,并进行了仿真验证。经过验证,各个子模块性能均能满足设计需求。最后,本文采用0.18μm BCD工艺,对电路的整体性能进行仿真验证。验证结果表明,该转换器具有1.8V-4V的输入电压范围,输出范围为0.6V-2V,开关频率约为1MHz,最大负载电流为2A,Buck的静态电流约为4.15μA,并且在最小输出电压也有80%以上的转换效率,该转换器实现了低功耗高效率的设计目标。

关键词：降压型dc-dc转换器 ACOT控制模式低功耗高效率

一种基于BCD工艺的高速低功耗电平位移电路

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微电子学 2012年第1期42卷 63-66页

作者：庞振洋王曾甄少伟罗萍电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054

提出了一种基于0.25μm BCD工艺、适用于高压降压型dc-dc转换器的新型电平位移电路。该电路使用了耐压60V的高压DMOS器件(HVNMOS、HVPMOS)、耐压5V的低压CMOS器件(LVNMOS、LVPMOS),以及耐压5V的三极管器件(BJT)。分析了降压型dc-dc转换... 详细信息

提出了一种基于0.25μm BCD工艺、适用于高压降压型dc-dc转换器的新型电平位移电路。该电路使用了耐压60V的高压DMOS器件(HVNMOS、HVPMOS)、耐压5V的低压CMOS器件(LVNMOS、LVPMOS),以及耐压5V的三极管器件(BJT)。分析了降压型dc-dc转换器对电平位移电路的特殊要求;基于对两种常见电平位移电路的分析,提出了一种新型的电平位移电路。电路仿真结果显示,与之前的电路相比,新型电路结构具有响应快速、功耗低、输出电平精确、可靠性高等优点。

关键词： BCD工艺降压型dc-dc转换器电平位移电路

一种用于PWM控制Buck型dc-dc变换器的带隙基准源

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电子器件 2013年第2期36卷 252-255页

作者：王宇星朱波无锡科技职业学院江苏无锡214028 无锡新硅微电子有限公司江苏无锡214028

在dc-dc转换器芯片设计中,用于产生参考电压的带隙基准精度直接影响芯片的控制精度,设计了一种用于低压型dc-dc转换器芯片内的基准电路。电路基于BJT的Widler型电压基准基本原理,经过理论分析和仿真模拟,采用东部BD0.35μm BCD工艺流片... 详细信息

在dc-dc转换器芯片设计中,用于产生参考电压的带隙基准精度直接影响芯片的控制精度,设计了一种用于低压型dc-dc转换器芯片内的基准电路。电路基于BJT的Widler型电压基准基本原理,经过理论分析和仿真模拟,采用东部BD0.35μm BCD工艺流片成功。在-40℃～160℃温度范围条件下进行仿真,当VIN=4.75 V,-25℃～160℃的温度系数是22×10-6/℃,低频下PSRR为-57.37 dB。电源电压从7.5 V～18 V的变化范围内,基准输出变化了0.03 mV/V。整个带隙基准电压源具有好的综合性能。

关键词：降压型dc-dc转换器 CMOS带隙基准源 BCD工艺温度系数

恒定导通时间控制的Buck型dc-dc转换器XD1593的设计

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恒定导通时间控制的Buck型DC-DC转换器XD1593的设计

作者：刘雪西安电子科技大学

学位级别：硕士

近些年,随着电子技术的不断发展进步,手机、笔记本电脑和相机等便携式电子产品越来越多地出现在人们的日常生活中。这些电子产品核心的组成部分就是电源,因此电源性能的好坏直接影响着电子产品的续航能力和使用寿命。要使电子产品的性... 详细信息

近些年,随着电子技术的不断发展进步,手机、笔记本电脑和相机等便携式电子产品越来越多地出现在人们的日常生活中。这些电子产品核心的组成部分就是电源,因此电源性能的好坏直接影响着电子产品的续航能力和使用寿命。要使电子产品的性能更加优良,关键是要优化电源的性能。目前,电源主要分为线性电源和开关电源。线性电源的转换效率低、不利于节能环保,因此线性电源逐步被开关电源所代替。正是因为开关电源具备功耗小、转换效率高、生产成本低这些优点,才被广泛应用于各个电子领域。本文首先对开关电源技术进行了概述,并且介绍了开关电源的发展历程、研究现状及发展趋势、分类与应用;然后简述了dc-dc转换器的理论基础,重点介绍了降压型dc-dc转换器的拓扑结构、工作模式、调制方式以及控制模式;并且在此基础上讨论了本文所设计芯片的功能特点、系统架构、工作原理以及稳定性问题,对系统中的一些关键子模块电路进行原理分析和功能仿真验证;最后对整体电路的功能特性进行仿真验证,并给出版图布局。本文所设计的转换器芯片采用的是恒定导通时间(COT)控制模式,这种控制模式电路不需要误差放大器和环路补偿网络,因此系统的架构简单、瞬态响应速度快。转换器根据负载电流的大小选择工作模式,在重载时选择连续导通工作模式,在轻载时选择非连续导通工作模式;芯片采用同步整流技术,使得系统在重载状态下转换效率最高可以达到96%,在轻载状态下转换效率高于85%;芯片的输入电压范围为4.2V6V,输出电压范围为0.805V3V,输出电流最大可以达到3A;芯片的内部集成了欠压锁存、过温保护、过流保护、过零检测等保护模块,提高了芯片的可靠性。芯片XD1593基于0.18μm BCD30V工艺,使用Cadence和Spectre仿真工具对芯片的关键子模块及整体电路进行仿真验证。仿真结果表明,芯片的各项性能指标能够达到设计要求。

关键词：降压型dc-dc转换器恒定导通时间瞬态响应快同步整流

宽输入高效率BUCK型dc-dc转换器关键模块的研究

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宽输入高效率BUCK型DC-DC转换器关键模块的研究

作者：秦筝电子科技大学

学位级别：硕士

随着半导体技术和芯片设计能力的发展,高效率、低成本、更稳定且能够应用于更多场合的电源管理芯片得到国家的重视,但我国电源管理芯片的设计能力相对薄弱。作为dc-dc转换器芯片中必不可少的一类芯片——降压型dc-dc转换器,宽输入高效... 详细信息

随着半导体技术和芯片设计能力的发展,高效率、低成本、更稳定且能够应用于更多场合的电源管理芯片得到国家的重视,但我国电源管理芯片的设计能力相对薄弱。作为dc-dc转换器芯片中必不可少的一类芯片——降压型dc-dc转换器,宽输入高效降压型的dc-dc转换器的研究具有非常重要的现实意义,因此本文设计了一种宽输入高效率的BUCK型dc-dc转换器。传统的BUCK型dc-dc转换器因其固定输入电压或者输入电压范围较窄等问题,限制了其应用范围。针对该类问题,融合耐高压的线性稳压器的宽输入框架和耐高压、高精度的电流采样框架,提出了一种集成耐高压宽输入线性稳压器模块和耐高压的电流采样电路模块,通过该模块使转换器能够工作在较大的输入电压范围,实测可以实现5-35 V的电压输入。针对传统结构的电压精度低和响应速度慢的问题,提出了一种融合脉冲宽度调制方式(PWM)和电流模式控制的系统反馈环路;同时,采用同步整流技术提高转换器的效率,设计了集成线性稳压器的供电选择逻辑来进一步降低内部线性稳压器部分的功率损耗,通过该方案有效地提高了转换器的转换效率;在转换器内部集成了可进行系统工作频率调节以及可与外部输入时钟频率同步的振荡器模块,使得转换器工作频率可以根据实际应用灵活选择,以实现工作频率最优化。针对转换器可能出现过流、过压等问题损毁系统内部电路结构,完成了一种简单高效的输出过流保护、过零保护等相应保护模块的设计。本转换器基于SMIC公司0.18μm的BCD工艺,利用Cadence工具完成关键模块的电路设计、电路仿真和电路优化,以满足系统设计指标的要求。仿真结果表明转换效率最高可达90%以上,其中当负载电流为2 A附近可达到93%,输入电压范围为5-35 V,同时输出电压纹波峰峰值小于19 mV、线性调整率为0.012%、负载调整率为0.0068%,转换器的工作频率为100 KHz-1000 KHz,实现了宽输入、高效率的设计要求。

关键词：降压型dc-dc转换器高效率宽输入电压频率可调

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宽输入恒压恒流降压型转换器的设计与研究

宽输入恒压恒流降压型转换器的设计与研究

作者：王荣西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着越来越多的便携式电子设备融入我们的日常生活,人们对电子设备的性能要求也在不断的提高,这也有力的推动了我们对电源管理类芯片的研究与创新。宽输入范围、高效率、带载能力强、抗干扰能力强等已成为衡量电源管理类芯片性能优劣的... 详细信息

随着越来越多的便携式电子设备融入我们的日常生活,人们对电子设备的性能要求也在不断的提高,这也有力的推动了我们对电源管理类芯片的研究与创新。宽输入范围、高效率、带载能力强、抗干扰能力强等已成为衡量电源管理类芯片性能优劣的主要指标。因此,研究如何在不影响其他性能的前提下提高这些指标已成为当今开关电源设计的主要研究方向。本论文对降压型dc-dc转换器的工作原理做了深入的研究,在此基础上设计了一款宽输入恒压恒流降压型dc-dc转换器。该芯片采用了峰值电流模PWM控制方式,降低了环路补偿的难度,有效的提高了系统对负载变化的瞬态响应能力。在轻载时采用BURST调制方式,提高了轻载时芯片的效率,使该芯片在全负载范围内都能保证很高的效率。论文提出了一种新颖的恒流控制方式,通过外挂电阻的阻值设置恒流模式的电流值,有效的提高了输出电流的精确性和可控性,节省了芯片面积,并且改善了传统电流采样方式损耗大的缺点。根据恒压模式下,芯片的输出电流与误差放大器的输出电压成一定的比例关系,设计了一种高效的输出电缆压降补偿电路,对输出导线上的压降所导致的输出电压的降低进行了抑制,提高了输出电压的精确性。此外,芯片还集成了逐周期的过流保护、软启动、过温、短路、过压欠压等多种保护功能以确保芯片的正常工作。论文首先介绍了开关电源的发展趋势以及选题的目的和意义,接着介绍了开关电源的拓扑结构及其工作原理,然后对开关电源的零极点对电压环路和电流环路的稳定性影响进行了探究并讨论了关于外围器件选择的一些问题。紧接着介绍了几个重要的子模块和版图设计中一些基本规则和注意事项。基于某公司0.35 um BCD工艺模型,采用Candencc Spectre仿真软件对芯片的各个子模块进行了设计和仿真,并对芯片功能进行了仿真测试,完成了芯片的整体版图设计。该转换器的输入电压范围为10V0V,最大输出电压为12V,最大输出电流为3A。正常工作情况下,转换器的工作频率为225KHz,效率可达94%,满足设计指标要求。此款芯片适用于车载充电器/适配器、便携式充电设备、通用CC/CV充电应用等。

关键词：恒流控制电缆压降补偿降压型dc-dc转换器