同步升降压DC-DC变换器的设计

分类号学号641850200671852学校代码10487密级硕士学位论文一款同步升降压DC/DC变换器的设计学位申请人：王曦学科专业：微电子学与固体电子学指导教师：徐静平教授答辩日期：2008年5月31日AThesisSubmittedinPartialofFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDesignofaSynchronousBuck-BoostDC/DCConvertCandidate:WangXiMajor:Microelectronics&SolidStateElectronicsSupervisor:Prof.XuJingpingHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay.2008独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文I摘要随着消费类电子的更加普及，电源管理芯片的作用越来越重要，其在以电池为供电主体的电子产品中更显突出。为了适应市场需求，本课题基于0.5μmCMOS工艺，分析并设计了一款高效率同步整流升降压型DC-DC变换器。本芯片采用同步整流技术，由于内置同步整流管典型效率达到90%以上，同时因为其取代了外部的肖特基二极管，减小了PCB版面积，大幅度降低了芯片成本；带隙基准源模块包含起动电路，在完成带隙的起动后，起动电路将自行关闭，以减小功耗；本芯片设计亮点之一振荡器模块，它除了能够提供系统工作所需的时钟信号，还能通过内部控制逻辑的作用，使振荡器工作在三种模式：固定频率模式、外部时钟同步模式和突发模式；RAMP模块由两个OneShot电路组成，由于两个OneShot电路分别为上升沿触发和下降沿触发，所以得到相差半个周期的两个锯齿波信号，直接关系到本芯片升降压功能的实现；另一个设计亮点就是PWM逻辑控制模块，正是通过其内部的逻辑操作，才能正确定相四个开关，达到升降压的功能和区域间的平滑过渡；突发模式操作模块解决了芯片在轻负载情况下效率不高的问题，采用全时间四开关操作以提高系统效率。在完成电路原理分析及子模块设计的基础上，对整体电路进行了功能仿真及性能模拟，仿真结果表明，各项指标均满足SPEC要求，验证了文中阐述的升降压型DC/DC变换器的设计理论。接下来介绍了模拟版图设计的有关注意事项，完成了芯片的版图设计，并采用上华0.5μmDPDMCMOS工艺通过了流片。整个流程是基于HSPICE仿真工具、Cadence集成电路设计环境。关键词：升降压同步整流振荡器PWM逻辑控制自动突发模式华中科技大学硕士学位论文IIAbstractThepowermanagementisthehot-potasthepopularizationoftheconsumerelectronics,andbecomesmoreimportantespeciallyprominentintheportableelectronicspoweredmainlybythebattery.Toadaptthemarketrequirements,ahighefficiencysynchronousBuck-BoostDC-DCconverterwasanalyzedanddesignedinthisthesisemploying0.5μmCMOSprocess.Thetypicalefficiencyreachesover90%owingtothebuilt-insynchronousrectifier(SR),whichcaneliminatetheneedforanexternalSchottkydiode,andsoreducethesizeandcost.TheBGcontainsastart-upmoduleswhichwillshutdownitselftosaveenergyafterthestart-uptime.Oneofthekeytechnologiesistheoscillator.Exceptfromprovidingthesystemclocksignal,itcanalsoworksunderthreemodes:fixedfrequencymode,externalclocksynchronousmodeandburstmodeduetotheinternallogicmodules.TheRampmodulesiscomposedoftwoOneShotcircuits.OwingtothedifferenttriggertypeofthetwoOneShotcircuits,twoperiodicsawtoothwaveformwillbegeneratedwhichhelptorealizethefour-switcheslogic.AnotherkeytechnologyisthePWMcontrollogic.Owingtoitthefourinternalswitchesareproperlyphasedsothetransferbetweenoperationmodesiscontinuous.TheBurstModeoperationiswhentheICdeliversenergytotheoutputuntilitisregulatedandthengoesintoasleepmode.Itsolvestheproblemoflowefficiencyatlightloadsituation.Thenthewholechipfunctionsimulationandtypicalperformancecharacteristicssimulationwerepresented.Thethesisalsointroducesthefullcustomlayoutdesignofsomekeymodulesandthewholechip.Thewholechipoccupies1350x1562μm2andistapedoutviaMPWinCSMC.TheEDAtoolsusedinthedesignincludetheCadencecustomdesignplatform-Virtuoso,thesimulationtool-HSPICEandtheverificationtool-DRACULA.Keyword:Buck-BoostSROscillatorPWMLogicControlBurstMode华中科技大学硕士学位论文III目录摘要....................................................................................................................IAbstract..............................................................................................................II1绪论1.1开关电源概况..........................................................................................(1)1.2开关电源芯片的种类..............................................................................(3)1.3开关电源芯片的发展趋势......................................................................(5)1.4选题目的及意义......................................................................................(7)1.5论文的主要工作和结构安排..................................................................(7)2开关电源的原理2.1电感伏秒平衡原理和电容电荷平衡原理............................................(10)2.2开关电源调制模式简介........................................................................(14)2.3开关电源控制模式................................................................................(15)2.4连续/非连续工作模式的边界条件.......................................................(18)2.5外部元件的选取....................................................................................(19)2.6同步整流工作原理................................................................................(23)3升降压DC/DC变换器芯片设计3.1芯片描述................................................................................................(25)3.2带隙基准模块........................................................................................(28)3.3振荡器模块............................................................................................(35)3.4RAMP模块.............................................................................................(41)3.5PWM逻辑控制模块...............................................................................(44)华中科技大学硕士学位论文IV3.6突发模式操作模块..........................................................