【摘要】：便攜式電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展趨勢對電源變換器提出了更高能量密度的需求,CMOS工藝和封裝技術的進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。此外,提高變換器效率、減少損耗一直是電源變換器設計中的長期需求,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用價值。本論文設計了一種250MHz二進制PWM控制DC-DC電源變換器,在實現(xiàn)全集成電源變換器設計的同時,能夠保證高開關頻率下穩(wěn)定環(huán)路控制、穩(wěn)態(tài)時較小的輸出電壓紋波和較高的能量轉換效率。本論文首先分析了二進制PWM控制方法,并利用這一控制方法進行建模仿真,發(fā)現(xiàn)二進制PWM控制方法具有控制環(huán)路簡單,瞬態(tài)響應迅速等特點。其次根據(jù)二進制PWM控制方法設計電源變換器電路,該電路由高速鐘控比較器、二進制延時線等模塊組成,可在250MHz工作頻率下,對變換器進行穩(wěn)定控制。為降低變換器穩(wěn)定輸出時電壓紋波,又設計了穩(wěn)態(tài)控制電路,用于在負載穩(wěn)定時減小輸出電壓紋波。本文還設計了一種全MOS結構基準電壓產(chǎn)生電路用于為系統(tǒng)輸出和片內(nèi)電路提供基準電壓。由于所設計的變換器工作頻率較高,論文詳細分析了功率管尺寸對系統(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,設計了使用封裝焊線繞制成的有著低寄生、高電感值特點的片上焊線電感,實現(xiàn)了全集成電源變換器設計。本論文設計的250MHz二進制PWM控制DC-DC電源變換器,基于SMIC55nm標準CMOS工藝,完成了電路和版圖的設計。后仿真結果表明:變換器可以在150mA-500mA負載范圍內(nèi)輸出,最大效率達到64%,輸出電壓紋波40.1mV,瞬態(tài)響應時間261ns,達到了電路設計指標的要求。
【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系統(tǒng)環(huán)路功能進行模擬，同時可以輔助確定無源電容、電感大小，為之后的設計工作打下基礎。模型中簡單設置輸入電壓為 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。同時考慮到面積等因素，此處取輸出電感為3.6nF。下面具體對環(huán)路各部分進行介紹。圖 3.4 為系統(tǒng)環(huán)路功率級模型，其中模塊 Switch1、Switch分別代表系統(tǒng)中的高低側功率管，其中 g 信號輸入端為控制信號，用于控制端口 1、2 之間的導通。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載。為了控制輸出電流為 300mA此處設定負載電阻阻值為 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，為之后的設計工作打下基礎出電壓 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。同時考慮到面積等因素，路各部分進行介紹。圖 3.4 為系統(tǒng)環(huán)路功率級模型，其中模高低側功率管，其中 g 信號輸入端為控制信號，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載。為了控制阻值為 4.16ohm。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM46

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本文編號：2596602