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寬輸入高效率BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵模塊的研究

發(fā)布時(shí)間:2020-11-14 14:17
   隨著半導(dǎo)體技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)能力的發(fā)展,高效率、低成本、更穩(wěn)定且能夠應(yīng)用于更多場(chǎng)合的電源管理芯片得到國(guó)家的重視,但我國(guó)電源管理芯片的設(shè)計(jì)能力相對(duì)薄弱。作為DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片中必不可少的一類芯片——降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器,寬輸入高效降壓型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,因此本文設(shè)計(jì)了一種寬輸入高效率的BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器因其固定輸入電壓或者輸入電壓范圍較窄等問(wèn)題,限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)該類問(wèn)題,融合耐高壓的線性穩(wěn)壓器的寬輸入框架和耐高壓、高精度的電流采樣框架,提出了一種集成耐高壓寬輸入線性穩(wěn)壓器模塊和耐高壓的電流采樣電路模塊,通過(guò)該模塊使轉(zhuǎn)換器能夠工作在較大的輸入電壓范圍,實(shí)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)5-35 V的電壓輸入。針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電壓精度低和響應(yīng)速度慢的問(wèn)題,提出了一種融合脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)和電流模式控制的系統(tǒng)反饋環(huán)路;同時(shí),采用同步整流技術(shù)提高轉(zhuǎn)換器的效率,設(shè)計(jì)了集成線性穩(wěn)壓器的供電選擇邏輯來(lái)進(jìn)一步降低內(nèi)部線性穩(wěn)壓器部分的功率損耗,通過(guò)該方案有效地提高了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率;在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成了可進(jìn)行系統(tǒng)工作頻率調(diào)節(jié)以及可與外部輸入時(shí)鐘頻率同步的振蕩器模塊,使得轉(zhuǎn)換器工作頻率可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活選擇,以實(shí)現(xiàn)工作頻率最優(yōu)化。針對(duì)轉(zhuǎn)換器可能出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓等問(wèn)題損毀系統(tǒng)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu),完成了一種簡(jiǎn)單高效的輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)零保護(hù)等相應(yīng)保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)。本轉(zhuǎn)換器基于SMIC公司0.18μm的BCD工藝,利用Cadence工具完成關(guān)鍵模塊的電路設(shè)計(jì)、電路仿真和電路優(yōu)化,以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)90%以上,其中當(dāng)負(fù)載電流為2 A附近可達(dá)到93%,輸入電壓范圍為5-35 V,同時(shí)輸出電壓紋波峰峰值小于19 mV、線性調(diào)整率為0.012%、負(fù)載調(diào)整率為0.0068%,轉(zhuǎn)換器的工作頻率為100 KHz-1000 KHz,實(shí)現(xiàn)了寬輸入、高效率的設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位單位】:電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位年份】:2019
【中圖分類】:TN43
【部分圖文】:

線性穩(wěn)壓器,穩(wěn)定性仿真,環(huán)路,輸入輸出


(a) (b)圖 3-2 (a) 線性穩(wěn)壓器電路的輸入輸出仿真結(jié)果;(b) 線性穩(wěn)壓器電路的環(huán)路穩(wěn)定性仿真結(jié)果3.1.2 電流采樣模塊設(shè)計(jì)與分析電流采樣模塊主要采樣電感電流的變化,作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率管導(dǎo)通占空比的一個(gè)反饋信號(hào)。采樣電感電流變化的方式主要有:(1)在電感支路上串聯(lián)一個(gè)小電阻,將電感電流變化轉(zhuǎn)換成這個(gè)小電阻上電壓的變化,這個(gè)電壓變化作為采樣模塊的輸入;(2)直接采樣功率管源漏兩端的電壓變化,根據(jù)功率管導(dǎo)通時(shí)的等效電阻,可以得到功率管電流的變化;(3)直接采樣電感兩端的電壓變化,根據(jù)電感電壓和電感電流的微分關(guān)系,這個(gè)電壓變化經(jīng)積分操作后即可以得到電感電流的變化;(4)用一個(gè)跟功率管成一定比例的 MOS 管來(lái)采樣功率管的電流變化,這個(gè)MOS管的源柵漏各端口同功率管接相同的電位,根據(jù)電流鏡的比例關(guān)系可以同步采樣電感電流[30-32]。本文將采用串聯(lián)電阻方式來(lái)采樣電感電流的變化,本文設(shè)計(jì)的電流采樣電路如圖 3-3 所示。其工作過(guò)程為:電流采樣電路正常工作時(shí),MHA、MHB、MHC 以及三極管

仿真結(jié)果,內(nèi)部線,選擇邏輯,線性穩(wěn)壓器


圖 3-4 電流采樣電路的仿真結(jié)果關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)分析可知:高效率指標(biāo)將主要從系統(tǒng)靜態(tài)功耗以方案有增加了內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的選擇邏輯電路以控制的驅(qū)動(dòng)電路。本節(jié)主要對(duì)這些電路進(jìn)行設(shè)計(jì)輯模塊設(shè)計(jì)與分析模塊主要是根據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出電壓值的高低來(lái)-B 工作的信號(hào) VLDO_ctr,即選擇是由輸入電壓還是為線性穩(wěn)壓器的供電電壓。本文設(shè)計(jì)的供電選擇A

選擇邏輯,輸出電壓,仿真結(jié)果,功率管


圖 3-7 供電選擇邏輯輸出電壓的仿真結(jié)果電壓在 0 到 12 V 范圍內(nèi)變化時(shí)供電選擇邏輯知,在 A 和 C 點(diǎn)為低電位時(shí),供電選擇邏輯電位時(shí),且輸出電壓 VOUT在達(dá)到閾值 4.75 V電選擇邏輯輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn),滿足設(shè)計(jì)的要求,電壓作為內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的供電電源,獲得相模塊分析與設(shè)計(jì)塊主要產(chǎn)生合適的功率管驅(qū)動(dòng)脈沖以及續(xù)流管間[33,34],避免如功率管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)已經(jīng)變低行放電,在未放電結(jié)束功率管柵極尚有一定電高,此時(shí)的功率管和續(xù)流管出現(xiàn)一起導(dǎo)通的現(xiàn)下,為得到低的等效導(dǎo)通阻抗以獲的較低的導(dǎo)
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào):2883568

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