電源管理芯片是支撐當前便攜式電子產(chǎn)品、精密工業(yè)設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)。而電流模式BUCK(降壓型)開關(guān)控制器高輸入低輸出、效率優(yōu)良、響應(yīng)速度快等特點迎合了當前市場的許多應(yīng)用場景。然而,在當前低壓、大負載電流的發(fā)展趨勢下,傳統(tǒng)的單芯片工作會導(dǎo)致芯片面積過大、發(fā)熱嚴重、封裝困難、器件應(yīng)力過高等問題,市場的需要導(dǎo)致了多路并聯(lián)輸出技術(shù)的產(chǎn)生。該技術(shù)具有降低器件應(yīng)力、良好的驅(qū)動大電流負載能力、方便的可擴展性等特點,因此逐漸成為研究熱點。論文首先分析了當前國內(nèi)外作為集成電路領(lǐng)域重要一環(huán)的開關(guān)電源芯片發(fā)展的現(xiàn)狀,凝練出市場的發(fā)展趨勢。為解決當前低壓、大電流矛盾,設(shè)計了一款可多路并聯(lián)輸出的芯片。全文首先分析了BUCK控制器的工作原理、調(diào)制方式、控制模式,并在仔細比較下,選擇了具有良好電壓線性度和環(huán)路響應(yīng)的電流模式。然后詳細研究了多路并聯(lián)輸出的核心技術(shù),即多相交錯并聯(lián)技術(shù)、負載均流技術(shù)和并聯(lián)芯片捕捉跟蹤外部多相信號的鎖相環(huán)技術(shù)。其中多相交錯并聯(lián)技術(shù)可以使輸出電流紋波顯著減小,而且在充分比較了主流的負載均流技術(shù)后,本文采用了主從負載均流的方式。同時,利用控制理論中的二階系統(tǒng)響應(yīng)分析了二階、三階電荷泵鎖相環(huán)的動態(tài)特性,由于其鎖相范圍寬、相位差可達到零等優(yōu)異性能而被本芯片設(shè)計采用。之后,利用之前的理論研究進行具體的芯片模塊設(shè)計,包括為整顆芯片提供電流偏置的基準電流源,能多路并聯(lián)時鎖相工作又能單片工作時頻率可調(diào)的鎖相環(huán)。模塊設(shè)計完成后,基于0.35微米的BCD工藝庫,先對輸出電壓1.8V,輸出電流7A的單芯片工作進行了驗證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是電流紋波,還是負載調(diào)整率等各項指標均滿足預(yù)期。然后以兩路并聯(lián)輸出14A電流為例搭建系統(tǒng)架構(gòu),仿真結(jié)果與單芯片對比發(fā)現(xiàn),兩路交錯并聯(lián)輸出的設(shè)計使輸出電容的頻率加倍,電流、電壓紋波顯著減小,極大地降低了對儲能元件的應(yīng)力,符合最初的設(shè)計目標。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN402
【部分圖文】：

圖 2-1 BUCK DC-DC控制器拓撲結(jié)構(gòu)UCK DC-DC 變換器工作的核心是電感的無損限流正好能抑制電容的者形成互補，同時電感、電容充當了功率濾波器的作用，濾除高頻載上較平滑的恒壓輸出。由于變換器工作時負載、輸入網(wǎng)壓等會發(fā)高系統(tǒng)的環(huán)路或交流響應(yīng)，需要在輸出采樣信號，經(jīng)變換器輸出一比信號，驅(qū)動功率管的開關(guān)，這樣形成了負反饋調(diào)節(jié)。環(huán)路響應(yīng)一響應(yīng)與電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)的疊加[7]。 BUCK拓撲的工作模式上節(jié)可知，在變換器開關(guān)周期中，電感電流要經(jīng)過先線性上升再下要電流回到周期的初始值，系統(tǒng)就處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)僅涉及相同，并未要求開關(guān)周期起始與結(jié)束時的電流絕對值大小。因此 變換器穩(wěn)壓過程中電感是否持續(xù)有正值電流，可以將變換器的工作 續(xù) 導(dǎo) 通 模 式 （Continuous Conduction Mode，CCM） 和 斷 續(xù) 導(dǎo) 通

圖 2-2 CCM工作模式下的關(guān)鍵信號波形現(xiàn)在電感電流每周期能夠復(fù)位，可以得到：ON ON OFF OFF|V t |=|V t|下標 ON 表示每周期內(nèi)功率管導(dǎo)通時間，下標 OFF 表示每，式（2-1）即為開關(guān)電源的伏秒積相等法則[7]。通過該法通、關(guān)斷時間內(nèi)電感兩端電壓對時間的積分面積的絕對值由圖 2-1中的電路結(jié)構(gòu)可得到：ON IN SW OV =V -V -V OFF O DV = -V -V K 變換器在 CCM 工作模式下占空比為：ON O D OIN D SW INt +=T + -V V VDV V V V

2(1 )8OVV DLCf 可以看出，Co 上紋波與 Vo 成正比，與頻率的平方通模式（DCM）個工作模式，取決于電路的輸入電壓和帶載情況，當負載電流小到一定程度，系統(tǒng)會自發(fā)地進入 DC波形如圖 2-3 所示。電感電流在功率管關(guān)斷器件本，由于峰值電流比較小，在關(guān)斷時間未結(jié)束時，電點電壓應(yīng)該等于-VD，但由于 A 節(jié)點上有寄生參數(shù)電感電流從峰值降到零的時間為 TOFF，注意此時 間 T，由伏秒積相等法則得：ON OFF I I I
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本文編號：2887695