低功耗DCDC变换器的设计研究

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摘要：随着片上系统SoC设计技术的高速发展，如今SoC已成为集成电路发展的热点，可以说，集成电路已进入SoC时代。SoC技术在单一硅芯片上集成了数
7 @( k1 |* }, d- n! @: s+ M2 d字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等，实现一个系统的功能。这
些模块都需要电源的支持，良好的电源供给是系统稳定工作的基础，最常见的解
7 u/ B* }) k) I3 ]决办法是在SoC芯片外加一块或几块电源芯片供电，以满足系统的要求。然而
( b' e# S  c0 R/ ]4 o/ R& y为了减少电源损耗，减小系统的体积，降低成本。设计者希望把电源也集成到
8 V9 I  I; X5 U' KSoC当中。同时，随着半导体工艺技术的提高及便携式电子产品的迅猛发展，电
% v+ }* i$ U" y( p1 t子产品对电源的要求越来越大，宽输出电流范围、低功耗是电源IC发展的必然
趋势。另外，为了实现小型便携式电子产品的普通电池供电，单片升压型DC/DC
/ q% P1 B8 z2 g6 f! W变换器的设计研究的重要性毋庸置疑。
鉴于以上几点，同时考虑到当前在SoC设计中数字CMOS工艺占有主导地
( I4 }8 R( T' l2 q位，因此本课题的研究内容是:基于标准数字CMOS工艺(SMICo.18um CMOs
6 g: Y" m# u3 G8 t. ?3 o工艺）的升压型、低功耗DC/DC变换器设计研究。
本论文比较分析了多种DC/DC变换器，以及各种反馈控制方式的优缺点，
6 g1 C( W* }1 _0 P3 _& u选择采用Boost升压电路实现，并采用电压模式的PWM反馈控制方式将变换器
构成闭环系统，以提高输出的精度和动态特性。对于Boost拓扑电路中的元件参
数，按照课题提出的设计规格和低功耗的要求进行优化设计。在实现过程中，设
计了低电压基准电压源，以确保输出电压随输入电源电压变化的波动较小;利用
6 Y  T8 f, g# }: n/ u2 X& i电容的恒流源充放电设计了频率基本不随电源电压变化的锯齿波发生器;另外，
设计了低功耗宽带误差放大器、低功耗功率管驱动电路等。

关键词:Boost变换器，同步整流，电压型PWM控制，基准电压源，误差放大器，
5 G) O) B4 W1 w- X锯齿波发生器、功率管驱动电路
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电源是自从人类使用电以来都不可缺少的科技和产业。从日常生活到尖端科
技，从电气产品到电子产品，都离不开电源技术的支持，电源技术也正是在这种
' ^( S; B7 ^! j$ P: G环境中一步步发展起来的。电源技术是一门综合功率变换技术、现代电子技术和
自动控制技术的多学科边缘交叉技术。电源技术的发展已经历了多次变革，如图
1.1所示。除控制技术外，从本质上讲电源技术的变革也就是功率变换技术的变
# e1 n+ \! g* _& M1 {革。功率变换技术的变革经历了从发电机组到半导体功率器件的应用，而半导体
功率器件的应用又经历了从不间断工作模式到间断工作模式，即开关模式。功率
变换器件工作在开关状态的电源，称为开关电源SPS(Switching Power Supply )o
. W# p4 E  x# H  @6 F* {按照目前习惯，开关电源是专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电
. m6 v9 k4 e# c* m! `- e& ^9 E6 O源。
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SoC技术在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等，实现一个系统的功能