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基于模拟与数字控制技术的电源管理芯片关键技术研究

邱建平  
【摘要】:随着集成电路制造技术的飞速发展,电源管理系统的集成度越来越高,电源管理芯片受到越来越多的关注,同时对电源管理芯片的要求也越来越高。在电源管理芯片的实现方式方面,传统的模拟控制技术一直以来都被广泛使用,同时近年来数字控制技术在电源管理芯片中也得到越来越多的使用。本文在对电源管理芯片的基本设计理论进行了研究之后,对电源管理芯片的模拟控制技术和数字控制技术都进行了一定的探讨,并针对电源管理芯片的未来发展趋势,对其中的一些关键设计技术进行了研究,主要包括以下内容:高压Buck转换器中低功耗启动带驱动电路设计、数字电源的设计基础及建模分析、原边反馈型反激变换器的多模式数字控制芯片设计和自适应的高精度原边采样技术研究。 本文首先研究了基于模拟控制技术的高压Buck变换器,主要应用在汽车电子等高压供电的场合,为了提高系统的集成度,减小体积,降低成本,采用了芯片内部集成上开关管的方式。同时为了降低芯片面积和减小开关管上的导通损耗,采用了NMOS来实现上开关管,并且设计了一个低功耗的启动带驱动电路,相比于传统的启动带驱动电路,其自身功耗更低,并且可以最大的限度的提升上开关管的驱动电压,进一步减小其导通电阻,提高系统效率。在控制方式方面也引入了PWM/PSM双模式控制和自适应斜坡补偿的方式,来进一步提高系统的效率及性能。所设计的芯片经流片测试,验证了设计目标。 在研究了基于模拟控制技术的Buck变换器之后,对数字控制技术进行了探讨。数字控制技术作为一个新兴的电源管理实现方式,受到越来越多人的关注,采用数字控制技术实现的电源也被叫做数字电源。数字电源有可靠性高、集成度高、灵活性高等特点。因此本文针对数字电源的基本结构包括模数转换器、数字补偿器、数字脉冲宽度调制器等进行了研究,详细介绍了数字电源的基本设计思路,分析了数字电源中由于量化效应引起的极限环震荡效应以及如何去避免。最后利用simulink软件,对Buck变换器的数字控制器进行了建模分析。 对数字电源的基本理论进行研究之后,采用数字控制技术,设计了一款用于反激变换器的控制芯片。该芯片采用高精度的原边反馈技术,采用数字补偿的方式,可以实现恒压输出和恒流输出两个功能。同时为了实现更高的系统效率,在恒压输出下根据负载大小分别采用PWM/PFM双模式控制,而在恒流模式下,则引入了准谐振控制,实现片外开关管的零电压开通。所设计的控制芯片最后通过流片,测试结果验证了理论设计功能。 最后本文还对反激变换器中的原边反馈技术进行了更深入的研究,提出了一种自适应的高精度原边反馈技术,其采样精度不受片外器件参数的影响。


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