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250MHz二进制PWM控制DC-DC变换器设计

张玉浩  
【摘要】:便携式电子产品的小型化发展趋势对电源变换器提出了更高能量密度的需求,CMOS工艺和封装技术的进步令芯片尺寸不断缩小,大尺寸片外元件成为制约变换器尺寸的瓶颈。由于全集成电源变换器无需片外电感元件,极大地减小了变换器的体积和成本,且避免了芯片外部干扰对芯片电路性能的影响,近年来已成为电源变换器研究的热点。此外,提高变换器效率、减少损耗一直是电源变换器设计中的长期需求,因此研究高效率、全集成的电源变换器具有重要的理论意义和实用价值。本论文设计了一种250MHz二进制PWM控制DC-DC电源变换器,在实现全集成电源变换器设计的同时,能够保证高开关频率下稳定环路控制、稳态时较小的输出电压纹波和较高的能量转换效率。本论文首先分析了二进制PWM控制方法,并利用这一控制方法进行建模仿真,发现二进制PWM控制方法具有控制环路简单,瞬态响应迅速等特点。其次根据二进制PWM控制方法设计电源变换器电路,该电路由高速钟控比较器、二进制延时线等模块组成,可在250MHz工作频率下,对变换器进行稳定控制。为降低变换器稳定输出时电压纹波,又设计了稳态控制电路,用于在负载稳定时减小输出电压纹波。本文还设计了一种全MOS结构基准电压产生电路用于为系统输出和片内电路提供基准电压。由于所设计的变换器工作频率较高,论文详细分析了功率管尺寸对系统损耗的影响,通过优化功率管尺寸,使电源变换器获得最优效率。最后,设计了使用封装焊线绕制成的有着低寄生、高电感值特点的片上焊线电感,实现了全集成电源变换器设计。本论文设计的250MHz二进制PWM控制DC-DC电源变换器,基于SMIC55nm标准CMOS工艺,完成了电路和版图的设计。后仿真结果表明:变换器可以在150mA-500mA负载范围内输出,最大效率达到64%,输出电压纹波40.1mV,瞬态响应时间261ns,达到了电路设计指标的要求。


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