【摘 要】
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电源管理芯片可以将输入的电压进行合理地变换并分配到电子设备中的各个模块,随着电子设备的小型化发展趋势,对电源管理芯片的设计需求也日益复杂。德州仪器(Texas Instruments)和芯源系统(Monolithic Power Systems)等国外公司占据了市场的大部分份额,在这一领域有着广阔的国产代替空间。开关电源芯片的研究与设计,对于提高国产芯片的自用率和自给率具有重要意义。美国德州仪器公
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电源管理芯片可以将输入的电压进行合理地变换并分配到电子设备中的各个模块,随着电子设备的小型化发展趋势,对电源管理芯片的设计需求也日益复杂。德州仪器(Texas Instruments)和芯源系统(Monolithic Power Systems)等国外公司占据了市场的大部分份额,在这一领域有着广阔的国产代替空间。开关电源芯片的研究与设计,对于提高国产芯片的自用率和自给率具有重要意义。美国德州仪器公司生产的TPS62065降压型DC-DC电源芯片,综合性能优秀,可以满足多种场合的应用需求,本文以该开关电源芯片为对比分析目标,对整体电路进行设计。通过对比较器、电流采样和斜坡补偿模块的优化设计,最终设计的降压型DC-DC转换器能够在相同的输入电压和输出电压下达到和TPS62065芯片相近的转换效率,在相同输出电压下输出电压纹波更低。芯片设计流程包括电路设计与仿真验证、版图设计与仿真验证、流片后的实验验证三个阶段,本文完成了电路设计与版图设计工作,流片后的实验验证将在后续完善。本文的主要研究内容如下:(1)低功耗高效率是开关电源的主要发展趋势之一,通过同步整流技术,即用导通电阻较低的MOS管替代续流二极管,降低了原续流二极管产生的导通损耗,同时辅以死区控制电路,避免了开关管与续流管同时导通产生的导通损耗与开关损耗。当负载电流为400mA~2A时,转换效率可达90%以上,最高可达93%。(2)峰值电流模式因响应速度快、输出电感小和具有瞬时峰值电流限流功能等优点被广泛应用于开关电源,但是峰值电流模式可能会使系统出现次谐波振荡,需要斜坡补偿来克服该问题。传统的解决方法固定斜率斜坡补偿、分段斜坡补偿、二次斜坡补偿均会导致开关电源系统带载能力下降。通过自适应斜坡补偿电路实现了根据输入输出条件变化的动态补偿,在提升系统稳定性的同时不会产生过补偿现象。(3)开关电源的输出纹波大小会影响到后级电路工作的平稳度,通过优化反馈控制环路的比较器模块和电流采样模块,提高了反馈环路的响应速度,降低了输出电压纹波。比较器电路采用了多级级联的设计思路,改善了比较器抗噪声性能,输出时延为2ns。电流采样电路在传统无运放电流采样电路的基础上,通过引入补偿电流,提高了采样的精度与速度,采样精度达到98%以上。受益于传输时延的降低和采样速度的提高,当输入电压或负载发生变化时,系统能够在20μs内恢复稳定。系统处于稳态时,输出电压纹波为1mV。经过仿真测试,设计的降压型DC-DC开关电源芯片,在轻载、典型工作条件及重载下输出电压纹波均在1mV,在相同输出电压的情况下,优于市面上常用的TPS62065芯片,负载调整率为0.0569%,线性调整率为0.444%,转换效率最高可达93%,三项性能指标均与TPS62065处于同一水平。经过仿真验证与对比分析,本文设计的开关电源芯片对TPS62065芯片有一定替换作用,对国内开关电源芯片的设计有一定参考价值。
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