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高效率多模式Buck-Boost开关电源控制芯片设计

宋爽  
【摘要】: 随着电力电子技术、半导体技术和集成电路设计、制造技术的发展,便携式设备使用日益广泛,对开关电源芯片提出了更高的要求。主要包括,在更大的输入电压范围内能够提供稳定的输出电压,在全负载范围内高效率工作,以及体积更小,功率密度更高等。论文针对上述需求,设计了一种BUCK-BOOST开关电源控制芯片。 论文在分析各种升压—降压式拓扑的基础上,设计了一种基于级联式4开关BUCK-BOOST拓扑的开关电源控制芯片,其根据不同的负载、不同的输出电压,采用不同的控制策略: (1)重载时,系统采用电压模式控制,工作在PWM模式,且根据输入电压的不同进行分段控制,实现在BOOST,BUCK以及过渡状态间自动转换; (2)轻载时,系统采用迟滞控制,工作在BURST模式,亦根据输入电压的不同,实现在BOOST,BUCK以及改进BOOST间自动转换。 设计的过渡状态和改进BOOST状态最大程度上减少了开关管开关次数,比现行方法有更低的开关功耗。这样的系统结构和控制策略实现了在系统级的功率优化,减少了系统功耗,提高了效率。 在系统设计的基础上,论文给出了该芯片的实现方案,并设计了其中的关键模块。如设计的带锁相环的多模式时钟发生电路,经过流片和样片测试,表明其能简单地实现多模功能,优化锁相环噪声性能,适用于开关电源管理芯片;误差放大器结合系统环路进行补偿,保证了系统的稳定性;电平转换电路、电流检测电路等都采用了新设计的结构,并在电路设计中注重电路级功耗的降低。 整个系统及其电路利用美国国家半导体1.5μm BCD工艺进行设计,CadenceSpectreS的仿真结果表明,设计的芯片能工作正常,实现了所有工作模式,并能在各个模式、各个工作状态间切换。在较大的输入电压范围内,提供稳定的输出电压;在全负载范围内高效率工作的预期设计目标均以实现。


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