【摘要】：便攜式電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電源變換器提出了更高能量密度的需求,CMOS工藝和封裝技術(shù)的進(jìn)步令芯片尺寸不斷縮小,大尺寸片外元件成為制約變換器尺寸的瓶頸。由于全集成電源變換器無需片外電感元件,極大地減小了變換器的體積和成本,且避免了芯片外部干擾對(duì)芯片電路性能的影響,近年來已成為電源變換器研究的熱點(diǎn)。此外,提高變換器效率、減少損耗一直是電源變換器設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)期需求,因此研究高效率、全集成的電源變換器具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本論文設(shè)計(jì)了一種250MHz二進(jìn)制PWM控制DC-DC電源變換器,在實(shí)現(xiàn)全集成電源變換器設(shè)計(jì)的同時(shí),能夠保證高開關(guān)頻率下穩(wěn)定環(huán)路控制、穩(wěn)態(tài)時(shí)較小的輸出電壓紋波和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。本論文首先分析了二進(jìn)制PWM控制方法,并利用這一控制方法進(jìn)行建模仿真,發(fā)現(xiàn)二進(jìn)制PWM控制方法具有控制環(huán)路簡(jiǎn)單,瞬態(tài)響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。其次根據(jù)二進(jìn)制PWM控制方法設(shè)計(jì)電源變換器電路,該電路由高速鐘控比較器、二進(jìn)制延時(shí)線等模塊組成,可在250MHz工作頻率下,對(duì)變換器進(jìn)行穩(wěn)定控制。為降低變換器穩(wěn)定輸出時(shí)電壓紋波,又設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)控制電路,用于在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)減小輸出電壓紋波。本文還設(shè)計(jì)了一種全MOS結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路用于為系統(tǒng)輸出和片內(nèi)電路提供基準(zhǔn)電壓。由于所設(shè)計(jì)的變換器工作頻率較高,論文詳細(xì)分析了功率管尺寸對(duì)系統(tǒng)損耗的影響,通過優(yōu)化功率管尺寸,使電源變換器獲得最優(yōu)效率。最后,設(shè)計(jì)了使用封裝焊線繞制成的有著低寄生、高電感值特點(diǎn)的片上焊線電感,實(shí)現(xiàn)了全集成電源變換器設(shè)計(jì)。本論文設(shè)計(jì)的250MHz二進(jìn)制PWM控制DC-DC電源變換器,基于SMIC55nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,完成了電路和版圖的設(shè)計(jì)。后仿真結(jié)果表明:變換器可以在150mA-500mA負(fù)載范圍內(nèi)輸出,最大效率達(dá)到64%,輸出電壓紋波40.1mV,瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間261ns,達(dá)到了電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
【圖文】：

圖 3.3 simulink 搭建的系統(tǒng)環(huán)路模型如圖 3.3 所示即為使用 simulink 搭建的系統(tǒng)環(huán)路模型，通過這一模型不僅可以對(duì)系統(tǒng)環(huán)路功能進(jìn)行模擬，同時(shí)可以輔助確定無源電容、電感大小，為之后的設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。模型中簡(jiǎn)單設(shè)置輸入電壓為 3V 輸出電壓 1.25V。由于面積、成本以及工藝的限制，通常制作的片上電感都不大于10nH，因此在本文中電路所使用的電感值定為 10nH。同時(shí)考慮到面積等因素，此處取輸出電感為3.6nF。下面具體對(duì)環(huán)路各部分進(jìn)行介紹。圖 3.4 為系統(tǒng)環(huán)路功率級(jí)模型，其中模塊 Switch1、Switch分別代表系統(tǒng)中的高低側(cè)功率管，其中 g 信號(hào)輸入端為控制信號(hào)，用于控制端口 1、2 之間的導(dǎo)通。無源器件 L、Cout、Rload分別為環(huán)路的輸出電感、輸出電容以及輸出負(fù)載。為了控制輸出電流為 300mA此處設(shè)定負(fù)載電阻阻值為 4.16ohm。

圖 3.3 simulink 搭建的系統(tǒng)環(huán)路模型即為使用 simulink 搭建的系統(tǒng)環(huán)路模型，通過這一模型不僅以輔助確定無源電容、電感大小，為之后的設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)出電壓 1.25V。由于面積、成本以及工藝的限制，通常制作中電路所使用的電感值定為 10nH。同時(shí)考慮到面積等因素，路各部分進(jìn)行介紹。圖 3.4 為系統(tǒng)環(huán)路功率級(jí)模型，其中模高低側(cè)功率管，其中 g 信號(hào)輸入端為控制信號(hào)，用于控制端口load分別為環(huán)路的輸出電感、輸出電容以及輸出負(fù)載。為了控制阻值為 4.16ohm。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM46

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本文編號(hào)：2596602