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《复旦大学》 2010年
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低功耗Sigma-Delta直流转换器的研究与设计

严伟  
【摘要】:随着便携式电子设备系统规模的迅猛发展,电池续航时间问题成为系统设计者的首要考虑因素之一。由于目前电池容量的提升速度远远落后于系统功耗的增长速度,因此使用高性能的开关型直流转换器(DC-DC)仍然是重要选择。在功耗、成本、体积、性能等多方面压力下,当今便携式电子设备对DC-DC提出了转换效率高、谐波干扰低以及响应速度快等一系列要求。基于这些要求,本论文分析了现有技术方案的不足,并对具有良好谐波抑制特性的低功耗、快速响应、降压型(Buck) DC-DC进行了研究与设计。 论文首先对低压差稳压器(LDO)、电荷泵(Charge Pump或Switched-Capacitor Converter)以及DC-DC等电源转换器的工作原理和性能特点进行了介绍。并着重从工作模式、调制方式、控制技术和输出谐波干扰等几个层面对DC-DC进行了详细的总结和优缺点对比。 随后论文从连续导通(CCM)和断续导通(DCM)两种模式出发,对DC-DC的各种损耗来源进行了详细分析。分析对象包括了功率管导通损耗、功率管寄生电容充放电损耗、功率管体二极管导通损耗、功率管开关损耗、滤波电感寄生电阻损耗、滤波电容寄生电阻损耗、输出电压纹波损耗以及外部引线寄生电感损耗等。论文对分析结果进行了数值比较,并获知了各种损耗在不同负载电流下对DC-DC效率的影响程度,从而可以对DC-DC的效率优化方案进行有力指导。 接着论文提出了一个基于3阶Sigma-Delta调制器的DC-DC系统方案,利用3阶Sigma-Delta调制器良好的噪声整形特性对DC-DC的输出谐波进行有效抑制。论文详细研究了Sigma-Delta调制器在DC-DC系统中的传输特性,分析出其在DC-DC控制环路中的传递函数。在此基础上,论文总结出一个完整的Sigma-Delta DC-DC环路设计方法,并在CCM和DCM两种模式下对DC-DC进行了环路补偿设计。 在上述损耗分析和环路设计的基础上,论文最后设计了一个在宽负载电流范围内具有良好谐波抑制特性的低功耗、快速响应Sigma-Delta DC-DC转换器。设计采用有源-无源的混合式结构来降低Sigma-Delta调制器的功耗;采用功率管动态栅宽调整、脉冲屏蔽控制、动态死区时间调整等技术来提高DC-DC的转换效率;在负载跳变时采用非线性控制来加快DC-DC的响应速度。除此之外,论文在电流采样电路、软启动电路和低功耗电压基准源等模块上也都进行了有益的创新设计。DC-DC的输入电压为2.7-4.2 V,输出电压为0.9 V,片外滤波电感为2.2μH,片外滤波电容为4.7μF,调制器时钟频率为8 MHz。电路利用Chartered 0.35-μm CMOS工艺进行设计并投入流片。测试结果表明:DC-DC在5-500 mA负载电流下的换效率为78-90%;输出电压纹波最大值为17 mV;当负载电流在50-450 mA跳变时,输出电压的最大过冲为82 mV;输出电压的频谱在CCM和DCM模式下均无谐波分量。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM46

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