發(fā)布時(shí)間：2018-01-27 04:04

  本文關(guān)鍵詞： Boost型DC-DC 同步整流 電流模式 環(huán)路增益　出處：《西安電子科技大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：直流開關(guān)電源給人類的日常生活提供了很大的便捷,然而在人體安全電壓范圍內(nèi)存在許多供電電壓,而且工作頻率也各不相同。為了使用同一個(gè)芯片,在只改變外圍器件參數(shù)的情況下滿足不同的供電電壓和工作頻率,本論文旨在設(shè)計(jì)一款輸入電壓范圍廣,工作頻率可調(diào),電感電流采樣精度高,轉(zhuǎn)換效率高的升壓型直流轉(zhuǎn)直流控制器。為此本芯片采用電流模同步整流技術(shù)。為減小芯片面積,減少高壓器件的使用,芯片內(nèi)部集成一個(gè)高壓的線性穩(wěn)壓器為內(nèi)部其他模塊提供工作電壓;為使工作頻率可調(diào),外置調(diào)整電阻,跟隨阻值的增大頻率成正比例增加;為擴(kuò)大應(yīng)用范圍,采用片外采樣電阻,通過改變采樣電阻阻值設(shè)置相應(yīng)的采樣增益;為提高轉(zhuǎn)換效率,兩個(gè)外置的功率管都采用NMOS管。論文首先闡述了電源管理芯片的研究背景和概述,然后對(duì)幾種常見的直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明和原理分析,接著又介紹了功率管不同調(diào)制模式的區(qū)別,并著重分析了PWM和PFM兩種調(diào)制模式的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)又介紹了電壓模反饋環(huán)路和峰值電流模反饋環(huán)路的工作原理及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。論文在給出功率管線性模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合峰值電流模環(huán)路將升壓型轉(zhuǎn)換器整個(gè)環(huán)路進(jìn)行線性等效,然后詳細(xì)推導(dǎo)出只和占空比有關(guān)的電感電流和輸出電壓的傳輸函數(shù),最后給出系統(tǒng)的等效小信號(hào)流程圖并推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路增益。依靠環(huán)路增益合理設(shè)置補(bǔ)償參數(shù),方便分析環(huán)路穩(wěn)定性。論文在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的核心子模塊包括帶隙基準(zhǔn)電路、啟動(dòng)電路、可調(diào)頻率振蕩器、電流采樣電路、負(fù)電流檢測(cè)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。最后給出了XD1496的電氣性能參數(shù)和整體功能的仿真結(jié)果。芯片XD1496采用0.6μm CMOS工藝,依靠Cadence下的Spectre等EDA工具對(duì)系統(tǒng)整體功能和電氣性能參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)整體功能和電氣性能參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。芯片在3~30V輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,輸出為19V、12V和5V三個(gè)典型應(yīng)用時(shí)分別能達(dá)到2A、3A和4A的最大負(fù)載,并且可以根據(jù)外部負(fù)載的不同,工作在PWM模式或PFM模式,保證系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)換效率。睡眠狀態(tài)下,靜態(tài)電流達(dá)到55μA,通過仿真計(jì)算,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高至96%。芯片的工作頻率在50kHz~1MHz范圍內(nèi)線性可調(diào),且系統(tǒng)均能正常工作。依靠片外采樣電阻,電感電流采樣精度達(dá)到93%以上,同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部具有過溫、過壓、過流等非正常工作模式保護(hù)電路。本芯片可廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、移動(dòng)電源、汽車電子和便攜式醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中,既可以提高正常工作時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率,又可以降低休眠狀態(tài)下靜態(tài)功耗,極大改善了電池的續(xù)航能力。
[Abstract]:DC switching power supply provides great convenience to human daily life. However, there are many power supply voltages in the safe voltage range of human body, and the working frequency is different. In order to use the same chip. In the case of only changing the peripheral device parameters to meet the different supply voltage and working frequency, this paper aims to design a wide range of input voltage, adjustable operating frequency, high precision of inductor current sampling. High conversion efficiency DC converter controller. For this purpose, this chip adopts current-mode synchronous rectifier technology. In order to reduce the chip area and reduce the use of high-voltage devices. A high voltage linear voltage regulator is integrated inside the chip to provide working voltage for other internal modules; In order to make the working frequency adjustable, the external resistor is adjusted, and the frequency increases in proportion to the increase of the resistance value. In order to expand the scope of application, the off-chip sampling resistor is adopted, and the corresponding sampling gain is set by changing the value of the sampling resistance. In order to improve the conversion efficiency, both external power transistors use NMOS transistors. Firstly, this paper describes the research background and overview of power management chips. Then several common DC converter topology structure and principle analysis, and then introduced the difference of different modulation modes of power transistor. The principle, advantages and disadvantages of two modulation modes, PWM and PFM, are analyzed emphatically. At the same time, it introduces the working principle of voltage mode feedback loop and peak current mode feedback loop and its influence on system performance. Combining the peak current mode loop, the whole loop of boost converter is linearly equivalent, and then the transfer function of inductance current and output voltage related to duty cycle is deduced in detail. Finally, the equivalent small signal flow chart of the system is given, and the loop gain of the whole system is deduced. The compensation parameters are set reasonably depending on the loop gain. On the basis of theoretical analysis, the core sub-modules of the system include bandgap reference circuit, starting circuit, adjustable frequency oscillator and current sampling circuit. The negative current detection circuit is designed and simulated. Finally, the simulation results of the electrical performance parameters and the overall function of XD1496 are given. The chip XD1496 uses 0.6 渭 m. CMOS process. The whole function and electrical performance parameters of the system are simulated and verified by EDA tools such as Spectre under Cadence. The simulation results show that the overall function and electrical performance parameters of the system are up to standard. Design requirements. The chip works stably in the input voltage range of 3V / 30V. The output of 19V 12V and 5V can reach the maximum load of 2A3A and 4A respectively, and can work in PWM mode or PFM mode depending on the external load. The conversion efficiency of the system is guaranteed to meet the design requirements. Under the sleep condition, the static current reaches 55 渭 A, which is calculated by simulation. The conversion efficiency of the system is up to 96. The frequency of the chip is linearly adjustable in the range of 50kHz ~ 1MHz, and the system can work normally. The precision of inductance current sampling is more than 93%. At the same time, the system has over temperature, overvoltage, overcurrent and other abnormal working mode protection circuit. This chip can be widely used in notebook computer, mobile power supply. In automotive electronic and portable medical equipment systems, it can not only improve the efficiency of power conversion in normal operation, but also reduce the static power consumption in dormant state, and greatly improve the battery life ability.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM46

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本文編號(hào)：1467514