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《西安电子科技大学》 2011年
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高性能集成降压型DC-DC设计技术研究

王辉  
【摘要】:随着微电子技术以及半导体工艺的迅猛发展,电源管理类芯片已广泛应用于通信网络、计算机以及汽车电子等诸多产品领域。近年来,集成DC-DC变换器的高电压、高效率、快速响应、小体积使得其应用前景非常广阔。本文主要以电感型DC-DC为主线,系统研究了DC-DC关键技术及其理论分析,并针对DC-DC的几个关键技术:高电压技术、高效率技术、快速响应技术和自适应技术,进行了深入的分析与研究;根据应用环境的不同,分类设计了两种高压IC芯片的内部基准电路,实现了两种高电压条件下的应用和内部电路的调节;同时,根据影响DC-DC效率的三种主要因素:静态损耗、开关损耗以及导通损耗,文中有针对性分别提出了相应的解决方案,提高DC-DC的效率;其次针对DC-DC两种不同控制环路,分类设计了提高两种环路响应速度的电路,实现负载快速瞬态响应的要求;然后为了有效的减小上电时的过充现象,提出一种自适应软启动电路,用以保护整个系统。最后将以上研究成果根据不同场景,分别应用到不同条件下的DC-DC变换器,以提高DC-DC的各种性能指标,并最终适应市场需求。 本文的主要研究工作以及贡献如下: 1、针对电源输入范围较宽的IC芯片,提出一款不需Trimming调节,可快速启动的高精度电压基准电路。该设计的思想是利用齐纳二极管的稳压特性,在电压基准电路前设计一款TTL_BUFFER缓冲电路和一快速启动电路,TTL_BUFFER电路,不仅展宽输入电压的范围,而且提高了电压基准的精度;快速启动电路的引入大大提高了基准启动速度。 2、针对高压芯片的功耗问题,提出一种新颖的片内高压转低压电源转换方案。与传统的片内电源转换方案不同,该方案直接利用带隙原理产生一个输出可调的基准电压,并利用推挽输出增大基准输出的带载能力,使其可以作为高压IC中的内部电源,完成电源高低压的转换;同时设计了高阶温度补偿电路,保证了输出电压的精度。 3、为了减小静态损耗,提出了一种基于滤波器的无损耗电感电流采样电路。通过设计超宽带宽的跨导运放使DC-DC可以工作在较高的开关频率下,从而抵消采样电路中电感与电容的时常数对采样精度的影响。所设计的跨导放大器同时完成采样电流信号的I/V变换,将其通过交流耦合输入到PWM求和比较器。与传统的电感电流采样电路相比,该电路无直流损耗,可以应用在大功率输出的IC中。 4、针对Buck型开关稳压器的不连续工作模式(DCM),提出了一种新颖的负载电流检测电路。该结构直接应用与负载电流变化几乎同步的同步管栅极驱动信号作为“电流采样”信号,实现了负载平均电流的检测。有效的提高了开关电源整个负载范围内的效率。 5、Buck型DC-DC工作在不连续电感电流模式(DCM)下会出现电感电流倒灌现象,这种情况会使得系统的效率大幅度的下降。针对这一问题,设计实现了一款电感电流过零检测电路。该电路利用失调电阻抵消同步管关断延迟,达到了快速关断同步管的目的,有效的减小了电流倒灌现象的发生。 6、针对非线性控制环路中输出电压纹波大和频率不固定的问题,提出了一种新颖的非线性控制环路方案。该方案将DC-DC变换器中的主比较器、驱动、功率管和电感电容滤波网络等效看作一个环形振荡器,在主比较器处设计两对起辅助输入作用的RC网络来拓宽环路的稳定频率范围,消除环路由寄生谐振引起的不稳定和输出电压纹波大的问题;在驱动和主比较器处增加一频率锁存环(FLL)将其频率锁定在某一固定的基准频率处以消除其频率不稳定的现象,有效的实现了负载的快速瞬态响应。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM46

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 郝志燕;一种高集成度的高效LED驱动芯片研究[D];北方工业大学;2012年
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【参考文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘宏伟;一款应用于便携式设备中的高频率降压型DC-DC转换器的研究与设计[D];西安电子科技大学;2011年
【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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4 刘伟晗;王琪;龚春英;;双环控制型推挽正激DC-DC变换器的小信号建模[J];电源世界;2008年01期
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1 曾华丽;高压峰值电流模非同步降压型DC-DC转换器的研究与设计[D];西安电子科技大学;2011年
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5 张爱美;带变频过流保护的同步降压型DC-DC变换器XD8019的设计[D];西安电子科技大学;2013年
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8 郑溢;一款降压型直流—直流开关电源的设计与实现[D];西安电子科技大学;2013年
9 吕昌辉;连续导通模式的单电感多输出降压型DC-DC变换器[D];复旦大学;2010年
10 徐灵炎;高压自适应导通时间控制模式降压型DC-DC控制器XD1319的研究与设计[D];西安电子科技大学;2013年
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