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基于系统识别的buck dc-dc自动补偿算法设计

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基于系统识别的buck DC-DC自动补偿算法设计

作者：张华鑫东南大学

学位级别：硕士

随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)和大数据(Big Data)的广泛应用,服务器集群发展迅速,大量的数据负荷要求其电源管理芯片(Power Management IC,PMIC)拥有更好的瞬态性能。而电源电路的环路非最优设置、外围器件老化以及制造工... 详细信息

随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)和大数据(Big Data)的广泛应用,服务器集群发展迅速,大量的数据负荷要求其电源管理芯片(Power Management IC,PMIC)拥有更好的瞬态性能。而电源电路的环路非最优设置、外围器件老化以及制造工艺偏差等问题,降低了系统的瞬态性能,甚至会影响到环路的稳定性。针对上述问题,本文设计了一种基于系统识别(System Identification,SI)的buck dcdc自动补偿(Autotuning)算法。首先介绍了所设计电路的基本工作原理,然后开展了以下主要工作:(1)利用状态空间平均法推导出功率级传递函数并且设计对应的补偿传递函数形式;(2)设计了系统识别算法,包括采样延迟补偿方案、系统识别优化方案、功率级参数提取及其修正方案,成功提取了高精度的功率级参数;(3)设计了自动补偿算法,包括相位裕度(Phase Margin,PM)、多个穿越频率(Multiple Crossover Frequency,MCF)、极限环振荡(Limit Cycle Oscillation,LCO)以及闭环输出阻抗的判断,通过该算法筛选出了最优的补偿参数,实现了高性能的瞬态响应。最后在Simulink中搭建仿真环境,根据所提出的算法进行算法级和寄存器传输级(Register Transfer Level,RTL)仿真验证,并搭建测试样机,对基于系统识别的自动补偿算法进行现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)原型验证。仿真和实测结果表明,本文所设计的系统识别算法,实现了功率级参数的提取,其误差为4.42%,耗时100ms;而基于闭环输出阻抗的自动补偿算法,实现了最优补偿参数的筛选,耗时124ms。当负载从5A切换到0A,过冲电压及其响应时间分别为70m V和80μs,相比传统补偿方案分别减小了36%和20%;当负载从0A切换到5A,欠冲电压及其响应时间分别为80m V和80μs,相比传统补偿方案分别减小了38%和33%,达到了设计指标要求。

关键词： buck dc-dc 系统识别功率级参数提取自动补偿瞬态响应

适用于快速动态电压调节的数字控制buck dc-dc电路设计

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适用于快速动态电压调节的数字控制Buck DC-DC电路设计

作者：陈威宇东南大学

学位级别：硕士

低功耗系统级芯片(System on Chip,SoC)对其电源管理芯片(Power Manager IC,PMIC)提出了快速动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)的需求。数字控制具有着灵活、基准调节简单、精度高等优势,正逐渐取代传统模拟控制成为此类电源... 详细信息

低功耗系统级芯片(System on Chip,SoC)对其电源管理芯片(Power Manager IC,PMIC)提出了快速动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)的需求。数字控制具有着灵活、基准调节简单、精度高等优势,正逐渐取代传统模拟控制成为此类电源芯片的研究热点。但是数字控制的DVS在调节速度和稳定性方面还未达到较好的平衡,且大多数需要额外进行电感电流采样,增加了成本。本文设计了一种适用于快速动态电压调节的数字控制buck dc-dc电路。首先从环路分析、DVS上调和DVS下调方面介绍了所设计电路的基本原理。然后具体开展了如下工作:(1)使用状态空间平均法推导主拓扑传递函数,并介绍了比例积分微分(Proportion Integral Differential,PID)补偿算法的原理和物理意义;(2)设计了动稳态平滑过渡算法,使得系统能够快速而平稳地从动态切换到稳态;(3)设计了DVS上调算法,包括过渡阶段、预测阶段、逼近阶段和电感电流回调阶段,实现了快速的无过冲的动态电压上调;(4)设计了DVS下调算法,包括过渡阶段、过零检测阶段、预测阶段和电感电流回调阶段,实现了快速的无下冲的动态电压下调。最后,根据所设计的电路,搭建Matlab-Simulink仿真平台,进行算法级和RTL级仿真验证;并根据仿真验证结果和应用场景确定器件和电路参数,在基于FPGA的样机上,对本文所设计的控制电路进行了实测验证。实测结果表明,本文所设计的适用于快速动态电压调节的buck dc-dc电路能够在12V或5V的输入电压条件下实现满载为10A的全负载范围内的稳压控制,其峰值效率达到91%;能够在动稳态切换过程中实现快速而平滑的过渡;并且能有效地提升电路的DVS性能:其DVS上调速度最快达40μs/V,FOM(速率/输出电容)约为0.0943s/(F·V),上调过冲电压基本为0V;其DVS下调速度在2A负载的条件下达到了260μs/V,FOM(速率/输出电容)约为0.61s/(F·V),下调下冲电压基本为0V。

关键词：动态电压调节过冲和下冲动稳态平滑过渡 buck dc-dc 电源管理低功耗

平均电流模控制恒压恒流buck dc-dc变换器的研究与设计

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平均电流模控制恒压恒流Buck DC-DC变换器的研究与设计

作者：田康迪西安电子科技大学

学位级别：硕士

在电力电子产业飞速发展的前提下,许多应用如LED模组对于稳定的电流或者恒定的电压需求强烈。基于LED驱动电源和充电器IC发展现状以及适用于这些场景的电源设备面临的挑战,结合电源管理的要求,迫切需要能够满足恒流驱动或者恒压输出的... 详细信息

在电力电子产业飞速发展的前提下,许多应用如LED模组对于稳定的电流或者恒定的电压需求强烈。基于LED驱动电源和充电器IC发展现状以及适用于这些场景的电源设备面临的挑战,结合电源管理的要求,迫切需要能够满足恒流驱动或者恒压输出的电源芯片或模块。而电源管理芯片中的buck dc-dc变换器具有低功耗、高效率、宽输入电压范围等优势,可以作为LED驱动电路或是充电控制电路的理想选择。此文首先概述了LED驱动电源和充电器IC两种电路的分类、工作原理等基础知识。以恒压/恒流作为共同切入点,讨论了两种电路的实现方式,确立了设计目标为PWM降压型dc-dc变换器。阐述了其电路架构、元器件特性、导通模式和控制方式,确定了以平均电流模控制为核心的设计原则。然后根据平均电流模控制的电路架构提出了新的实现方式,通过放大由控制电流在内部电阻的电压差和电感电流平均值在采样电阻的压差实现对电感电流平均值的控制。加入了输出电流调整部分,在满足电流最大输出限制的条件下进行输出电流调整,适应不同电流大小的应用需求。当芯片驱动高功率负载或大电流应用时根据工作温度及时减小最大电流可以保护负载,在具有温度限制的应用中,如果负载温度升高可以减小输出电流。其次基于平均电流模式电流环路稳定的前提条件,确定了误差放大器的增益极值,明确了加入补偿后的环路的零极点位置。最后给出了芯片系统框架、引脚功能和工作原理等,对一些典型应用如恒流LED驱动和锂离子电池恒流、恒压充电给出了外围电路和应用建议。主要设计分析了带隙基准、预调节电路、误差放大器、振荡器和部分保护电路。综合以上内容设计出的应用于恒流驱动或恒压输出的集成降压型dc-dc变换器芯片—XD2001B。在平均电流模式控制的基础上满足对输出电流的调控,保证了一定量的调控精度。内部控制的精确性设计保证了较高的输出电压调节精度。宽输入输出电压范围可以满足多种负载使用。运用外置电阻调整开关频率或者使用外同步频率均可以适应需求。多个芯片的并联使用可以增大输出电流且不受不同输入电压的限制。加入软启动、过压保护、过温保护和限流保护等多种辅助电路增加了芯片的安全性能。芯片基于0.35μm的BCD工艺,采用Cadence软件平台的spectre仿真工具对一些模块进行了参数和性能仿真,也对芯片整体电路进行了仿真验证。结果可以满足预定的1.2V～24V输出电压范围和0A～12A电流控制范围,多种应用场景的效率都能达到90%以上,实现了高效恒压恒流的设计要求。

关键词：平均电流控制 buck dc-dc 恒压/恒流 LED驱动充电控制器

高瞬态响应低EMI的降压型dc-dc变换器的研究与设计

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高瞬态响应低EMI的降压型DC-DC变换器的研究与设计

作者：谷艳雪吉林大学

学位级别：硕士

全球范围内的工业化和信息化进程的不断加快,带动了芯片行业的迅速发展,其中电源管理芯片在消费电子、汽车电子、通讯等领域应用非常广泛,起到的作用是为其他电路提供稳定的电源。电源管理芯片种类繁多,其中开关电源降压dc-dc变换器在... 详细信息

全球范围内的工业化和信息化进程的不断加快,带动了芯片行业的迅速发展,其中电源管理芯片在消费电子、汽车电子、通讯等领域应用非常广泛,起到的作用是为其他电路提供稳定的电源。电源管理芯片种类繁多,其中开关电源降压dc-dc变换器在电源管理芯片中占据重要地位,有较宽的转换范围和较高的转换效率。由于片上系统SOC中很多电路工作在由降压型dc-dc提供的较低电源电压下,这对该电源的精度和瞬态响应提出更高的要求,以防止负载跳变引起的较大过欠冲电压破坏电路正常工作;而且由于芯片集成化程度越来越高,电路之间的干扰也会愈发严重,要避免电路噪声影响其他电路正常工作。因此设计一种效率高、输出纹波和噪声低、响应快的dc-dc变换器是非常重要的。本文的目标是使用40 nm工艺设计一款工作频率由外部时钟控制的降压型dc-dc变换器,具有一定的输入电源电压范围:3 V-5.5 V,输出电压为1.1 V。较小的尺寸工艺和较低的输出电压令高瞬态响应、低电磁干扰成为本设计的重要研究方向。分析了降压dc-dc变换器的工作原理包括拓扑结构、控制模式、调制方案以后,基于低输入电源、较大负载电流、高精度,高瞬态响应和低电磁干扰的设计目标,本设计采用片外同步整流电压模控制方案节约片内面积、提高转换效率;采用精度更高、响应更快的电压控制模式;为芯片内部电路模块提供稳定电源供应而设计一款翻转电压跟随器,并在其中引入自偏置技术改善其瞬态响应;在环路补偿方案中将Ⅱ型补偿与电容倍增技术结合,在提高dc-dc变换器环路稳定性与响应速度的同时,减小6倍片内电容所占面积;采用随机调制方案,降低该芯片设计的电磁干扰;芯片上电速度受外部时钟调控,可以灵活改变。芯片电路使用SMIC 40 nm工艺进行设计与仿真验证,整体电路的仿真验证结果中输出电压精度基本不大于1%,输出电压纹波不大于10 m V,加入频率抖动后的纹波增加6.56 m V,电磁干扰噪声谱峰值下降6.8 d B,发生负载突变时最大的过欠冲电压分别为50.7 m V和41.9m V,对应恢复时间分别为3.86μs和3.4μs;转换器效率最高为92%。

关键词： buck dc-dc 瞬态响应 EMI 同步整流

一种PCM控制的宽输入高效同步降压型dc-dc变换器的研究与设计

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一种PCM控制的宽输入高效同步降压型DC-DC变换器的研究与设计

作者：张浩长安大学

学位级别：硕士

随着消费电子市场的蓬勃发展,电源管理芯片(Power Management Integrated Circuit,PMIC)的需求越来越旺盛。同时电子设备的更新换代也对PMIC的性能提出了更高的要求,而buck型转换器作为一种广泛使用的降压型dc-dc结构,也逐渐向着宽输入... 详细信息

随着消费电子市场的蓬勃发展,电源管理芯片(Power Management Integrated Circuit,PMIC)的需求越来越旺盛。同时电子设备的更新换代也对PMIC的性能提出了更高的要求,而buck型转换器作为一种广泛使用的降压型dc-dc结构,也逐渐向着宽输入电压范围、高效率、高功率密度的趋势发展。因此选择合适的系统控制方式和电路优化措施对于提高最终芯片性能具有重要作用。首先,本文通过对buck变换器的几种常见控制策略进行分析对比,结合宽输入范围、高效的设计目标,最终选择各方面性能更为平衡的峰值电流模(Peak Current Mode,PCM)作为控制方法,针对占空比大于0.5时的次谐波振荡现象,采用改进平均模型法对其进行小信号建模,推导出带斜坡补偿的环路传递函数,并通过Simplis对系统的稳定性进行验证;然后对系统性能指标和引脚功能进行定义,设计出原理框图,对模块间的具体工作过程作以说明;为满足低功耗的要求,在对系统中存在的损耗进行分析的基础上,为减小轻负载时的开关损耗,设计了可以通过外部端口选择的跳脉冲模式(Pulse Skip Modulation,PSM)和休眠模式;为尽可能地减小导通损耗,对功率管的内阻进行折中;面对工作温度过高、内部电源欠压等突发情况,设计了对应的异常保护电路来保证系统的可靠性。本文基于0.18μm BCD(50V)工艺,在Virtuoso平台上对带隙基准和预降压电路、误差放大器及其钳位电路、斜坡补偿与高速峰值电流比较电路、过零与过流检测电路和保护电路进行设计和仿真;最后根据应用条件选取外围无源器件参数,完成芯片整体仿真。结果表明,输入12V转输出5V时的输出电压纹波在7m V以下并能保持稳定;输入电压在5～42V的宽范围之间跳变时,输出电压的误差保持在±1.85%以下,线性调整率均在0.1%/V以下,恢复时间110μs以内;最大负载电流可达3.5A,对负载电流分别为15m A和150m A时的PSM和休眠模式进行仿真,效率分别为64.18%和84.65%,高于单独使用PSM的效率;在典型应用下的最高效率为95%,总体满足高能量转换效率和高精度输出的设计要求;最后完成了版图设计,尺寸为1970μm×1580μm。

关键词：开关电源 buck dc-dc PCM 建模轻载模式

电流模同步降压dc/dc转换芯片的研究与设计

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电流模同步降压DC/DC转换芯片的研究与设计

作者：米文杰西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着通信技术与电子产品多元化的飞速发展,电源管理芯片拥有了越来越广泛的应用场景。这其中dc-dc转换器由于具有高效率、较大的负载电流、体积小、外围电路简单等优点而被广泛应用。由于对轻载高效率和快速瞬态响应的需求逐渐增加,人... 详细信息

随着通信技术与电子产品多元化的飞速发展,电源管理芯片拥有了越来越广泛的应用场景。这其中dc-dc转换器由于具有高效率、较大的负载电流、体积小、外围电路简单等优点而被广泛应用。由于对轻载高效率和快速瞬态响应的需求逐渐增加,人们越来越关注拥有这些优点的电流模式恒定导通时间(Current Mode Constant On Time,CMCOT)控制模式的降压型dc-dc。但是CMCOT控制模式的开关频率不固定,给解决电磁干扰问题带来一定的难度,部分场合难以得到应用,如何稳定CMCOT控制模式的开关频率成为目前的研究方向之一。因此,本文在传统CMCOT控制模式的基础上,设计了电流模式自适应导通时间(Current Mode Adaptive On Time,CMAOT)控制架构,在拥有CMCOT控制模式优点的同时,还能恒定系统开关频率。该架构采用双模式进行工作,根据负载情况选择对应模式,以实现轻载时的高效率。同时系统采用了同步整流架构用来降低导通损耗。为保证系统的高可靠性,本文设计了全面的保护功能,如输出软启动、输出短路保护、输出过压及欠压保护、输入过压保护和内部电源欠压保护等。具体而言,本文的主要研究内容如下:(1)为保证CMAOT控制环路的稳定性,本文基于描述函数法对CMAOT控制环路进行频域小信号建模,并求出其传输函数,在此基础上对补偿网络进行了设计。经仿真验证,控制环路的相位裕度为62°,环路带宽低于开关频率的1/10,满足控制环路稳定工作的要求。(2)对CMAOT控制电路进行设计,为实现开关频率的稳定,引入输入电压和输出电压作为反馈,控制导通时间长度改变开关频率,以减少输入电压和输出电压对开关频率的影响。为实现较宽范围的开关频率以及工作频率外同步,设计电流乘法电路以引入外部频率设置信号供CMAOT控制电路和外同步锁相环使用。(3)为解决在CMAOT控制模式下瞬态响应出现过冲或欠冲的问题,引入锁相环同步开关频率,从而改善瞬态响应,同时也可以进一步稳定开关频率。仿真结果表明,加入锁相环后瞬态响应的上冲和下冲幅度减少了25%,瞬态响应有一定的改善。(4)对CMAOT控制模式系统电路进行整体仿真验证。仿真结果表明,系统的工作频率较为稳定,基本不受输入输出电压影响;系统的负载调整率约为0.5%,线性调整率约为0.015%/V,且在瞬态响应时系统能稳定工作,响应速度较快;在不同工作条件下的转换效率较高,最高可达95%。

关键词： buck dc-dc 谷值电流模 AOT 锁相环频率同步

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视觉假体中能量无线传输系统设计

视觉假体中能量无线传输系统设计

作者：吴米雪西安理工大学

学位级别：硕士

视觉假体是人工恢复视觉的一种重要手段,它将体外采集到的图像信息通过皮肤信道无线传输到体内,植入体内的刺激器根据接收到的信息控制电极阵列产生微电流,刺激未受损的神经元产生光幻视,在一定程度上恢复患者的视力。而体内植入的刺激... 详细信息

视觉假体是人工恢复视觉的一种重要手段,它将体外采集到的图像信息通过皮肤信道无线传输到体内,植入体内的刺激器根据接收到的信息控制电极阵列产生微电流,刺激未受损的神经元产生光幻视,在一定程度上恢复患者的视力。而体内植入的刺激器需要稳定地供能才能正常工作,因此需要为视觉假体设计能量传输单元。本文基于线圈互感耦合原理,设计了一种可植入、无污染、高效率的经皮能量无线传输系统,应用于视神经视觉假体装置中为其稳定供能。本文的研究内容包括:第一,体外能量发送和体内能量接收电路的整体设计,搭建电路并采用Multisim 10.0.1软件仿真验证能量无线传输系统功能,得到体内接收电路的参数。第二,将体内能量接收电路转换为可集成的有源单元,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,利用Cadence Spectre软件设计有源全波整流器、buck dc-dc转换器来提高能量无线传输效率和系统稳定性。第三,利用LSK调制解调原理,采用Multisim 10.0.1软件设计体内数据反向传输单元,并在体外添加解调电路,对植入体的信息进行实时监测。实验结果显示,系统可为体内刺激器提供稳定的0.9V直流工作电压,以及最高20mA的负载电流。在弱耦合的条件下,系统的能量传输效率达35.1%。本文所设计的视觉假体能量无线传输系统避免了有线传输引起的生物组织感染、皮肤穿孔等问题,提高了能量传输效率,对视觉假体的能量传输方式研究有一定的参考意义。

关键词：视觉假体有源全波整流器 buck dc-dc 传输效率 LSK

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高效率低成本电源管理芯片研究

高效率低成本电源管理芯片研究

作者：王秉坤复旦大学

学位级别：硕士

近年来,消费电子市场对手机,PDA等基于电池供电的各种便携式电子设备表现出强劲的需求。由于电池技术的缓慢发展,为了增加系统的工作时间,延长电池的使用寿命,在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设备的尺寸,... 详细信息

近年来,消费电子市场对手机,PDA等基于电池供电的各种便携式电子设备表现出强劲的需求。由于电池技术的缓慢发展,为了增加系统的工作时间,延长电池的使用寿命,在这些设备中必须使用高性能的电源管理芯片。而且为了减少这些设备的尺寸,重量和成本,需要使电源模块具有小型化,低成本,高集成度等特性。本文研究和设计了基于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的,高精度,高效率,低成本的低压便携式系统的电源管理芯片。本论文首先简要的回顾了电源转换器中buck dc-dc的工作原理,并介绍了使用高频率时钟所带来的优势和因此引起的转换效率的恶化;通过对电源转换电路的功率损耗的分析,提出了一些效率改进的方案,并理论的分析了最佳的效率值和如何根据需求合适的选取功率开关尺寸。然后分别从电压控制模式和电流控制模式(平均电流模式)两个方面对系统进行精确建模,提出了使系统稳定的环路补偿方案,并比较了电压控制模式和电流控制模式各自的优缺点。接着设计各个子电路,实现了整个系统,并给出了整个系统的性能指标,通过整体仿真验证了系统的功能和性能。最后,通过对版图,封装以及外置器件的研究,更全面的研究了这一电源管理芯片。本论文研究和设计的电源管理芯片具有电压控制模式和平均电流控制模式的双模式可选功能;通过提高时钟频率(达到12MHz),从而可以使用更小的电感(0.47uH)和更小的电容(2.2uF),大大的降低了系统的成本和体积;高时钟频率同时也提高了转换的精度(纹波小于5mV)与速度;另外,通过精确的损耗分析和低功耗设计,在100mA～500mA的负载电流范围内,整个芯片的转换效率仍然能够保持在90%左右。

关键词：电源管理IC CMOS 高效率低成本高精度 buck dc-dc