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高效宽输入多分离电源轨的DC-DC转换器设计与研究

赵如月  
【摘要】:电子产品小到智能手机、智能手环等低功率设备,大到无人机、平衡车等较大功率设备等变化日新月异,电源管理类芯片作为这些电子产品中必不可少的一部分,它的创新升级变的越来越重要。DC-DC转换器作为电源芯片的重要组成部分,以高效率、带载能力强、瞬态响应好等优势在当下的电子产品中获得了广泛应用,可以满足消费者对产品的续航时间、带载、稳定性等各方面的要求,DC-DC转换器开始逐渐占据主要市场。本文紧跟开关电源的发展趋势与研究热点,结合之前的一些研究成果设计了一款高效、宽输入、集成多分离电源轨的降压型DC-DC转换器。近年来无人机等大功率产品发展迅速,传统的低压芯片输入电压范围小,已无法满足这类产品的对输入电压的要求,为了增大输入电压范围本文提出多分离电源轨的设计方案,使得输入电压范围可以达到3V-20V,芯片最大负载电流为8A,满足了不同类型电子产品的应用需求。本文从DC-DC转换器的三种基本拓扑结构出发,分析了PWM和PFM两种调制方式的原理,综合两种调制方式在不同应用环境下的优缺点提出了PWM/PFM自动切换的控制结构,该结构根据负载大小选择调制方式,可以降低功耗,提高芯片转换效率;然后阐述内部电压源产生电路的工作原理,对系统关键子模块误差放大器、带隙基准电路、振荡器、高压电平转移等进行了电路设计分析并对仿真结果进行解释;最后对整体电路的环路进行建模分析了环路稳定性并对负载跳变瞬态响应、输出电压精确度、转换效率、启动过程等整体性能进行仿真验证,确保所设计的电路能够良好的工作。基于0.35um BCD工艺设计了一款高效宽输入多分离电源轨的Buck型DC-DC转换器,应用LINUX操作系统下的Cadence EDA集成电路设计工具来搭建系统电路,应用Spectre仿真工具对电路进行了仿真验证,验证表明芯片在负载电流为2.5A条件下效率最高达到97%,全负载范围内不低于83%,输出电压纹波在开关频率为750KHz时仅为3mV,负载电流8A时可正常工作,满足设计指标对于产品效率、精度、带载能力等方面的要求。


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