毕业设计（论文）深亚微米电源管理类集成电路及各种数模混合集成电路的关键技术理论研究与设计.doc

摘要以外商委托的科研项目“深亚微米电源管理类集成电路及各种数模混合集成电路的关键技术理论研究与设计”为背景，作者承担了高效电流模同步降压型DC/DC集成电路设计与实现工作目前作者所设计芯片已经通过Cadence、Hspice等EDA软件前、后仿真验证、CMOS的版图设计，正于Hynix投片论文以开关型电压转换器为着眼点，在深入、系统地分析和研究了电流模开关型电压转换器的基础上，成功地设计与实现了一款高效电流模降压型DC/DC该芯片采用同步整流、双工作模式、低漏电压等技术使得最高效率可达96％为了消除大占空比工作时的亚谐波振荡效应，作者对斜率补偿技术进行了深入的分析研究，并在此基础上设计了斜率补偿电路其中，大胆设计了一款可根据斜率补偿信号幅度进行阈值自调节的箝位电路，从而大大消除了斜率补偿对电流限制的影响，保证了芯片在高占空比条件下的带载能力为了保证该DC/DC电压环路稳定，文章对芯片中工作于开关态的电路进行建模，并得到波特图，从而恰到好处地实现了电压环的频率补偿结合市场需求，为了缩短芯片测试周期，提高产品利润，文章采用管脚复用技术，完成了可测性设计关键词：电流模 Buck型DC/DC 斜率补偿 稳定性 可测性ABSTRACTA high efficiency current mode synchronous buck regulator IC is designed on the basis of the project “Theoretical research and design of key techniques for deep-submicron power management IC and mixed IC”. The whole simulation has been completed by using the EDA softwares, such as Cadence, Hspice, and the layout design is also finished. At present, the chip is being taped out in Hynix.Beginning from the switching mode regulator, a high efficiency current mode synchronous buck DC/DC is designed after an in-depth systemic study on the current-mode switching regulator. By adopting the technologies of synchronous rectification, double operation mode and low dropout operation, the efficiency of this design is up to 96%. In order to prevent the sub-harmonic oscillation at high duty cycles, slope compensation is used. What is special is that the design provides a clamp circuit that can adjust its thresholds with respect to the magnitude of the slope compensation signal so that a substantially constant maximum current limit of the regulator may be remained at greater duty cycles. A macro model is also created to obtain the bode plots for appropriate frequency compensation. Finally, the circuits for testability are designed to shorten the test time and get more profit margins.Keyword: current-mode Buck regulator slope compensation stabilitytestability目 录第一章 绪论 1§1.1国内外电源管理技术概述 1§1.2开关型电压转换器简介 2第二章 XD2607系统构建 8§2.1控制模式的选取 8§2.2工作模式的选取 10§2.3系统设计与系统框图 11§2.4效率的考虑 13§2.5 主要电特性指标 14第三章 XD2607设计中的技术关键及其解决方案 16§3.1电流环稳定性分析与斜率补偿 16§3.2电压环稳定性分析与电路建模 21第四章 XD2607电路设计与仿真验证 28§4.1使能控制与PTAT电流偏置（ENABLE） 28§4.2带隙基准源（VREF） 31§4.3零温度系数电流基准（IREF） 36§4.4误差放大器（EA） 38§4.5振荡器模块（OSC） 41§4.6斜坡产生模块（SLOPE） 43§4.7电流比较器（ICOMP） 45§4.8 误差箝位电路（CLAMP） 47§4.9自动测试电路（TEST） 49§4.10控制逻辑（LOGIC） 53第五章 XD2607整体电路仿真验证及主要性能指标实现 56结束语 错误！未定义书签。

参考文献 错误！未定义书签在学期间撰写的学术论文和参加科研情况 错误！未定义书签3第一章 绪论第一章 绪论本章首先对国内外电源管理现状及发展趋势进行了简要的介绍继而在此基础之上对开关型转换器的基本结构、分类及其发展作出较为简明的阐述§1.1国内外电源管理技术概述以电力电子学为核心的电源管理技术从20世纪60年代中期开始形成，但此时的电源管理内容相对简单，以整流技术（AC/DC）为主的各种电源装置的出现是该时期的主要标志而后随着电子技术的飞速发展和不断创新，电子电力设备与人们的工作、生活的关系日益密切，电子设备都离不开可靠的电源，由此带来了电源管理技术腾飞电源的管理与控制已经是电子系统设计中最基本和关键的需求进入20世纪80年代后，国际上开关电源开始了实用化，PFM高频调制技术、软开关技术、处理网测斜波电流和提高网测功率因数的PFC技术的研究以及柔性交流输电系统概念的提出引起学术界和企业界的广泛瞩目受改革开放浪潮和发展电力电子技术需求的激励，我国电工电子业界掀起了三大研究和开发热潮：高频电子镇流器、高频逆变－整流式弧焊电源和交流电机变频调速一些高科技公司开始了开关电源量产化工作20世纪90年代以来是我国电力电子技术和电源管理技术的快速发展期。

业界出现了一些技术难度较大且具有国际先进水平的产品，如“多谐振双环控制的通信开关”、“单芯片控制的500W以下PFC控制器”、“智能化高频开关电源”、“数千kw级的IGBT中压变频器”等但与国际发达国家相比，我国在应用基础研究深度方面的差距为5-10年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面差距估计为10－15年左右如今我国的电源管理技术更是面临着加入WTO后所带来的巨大考验自1958年集成电路问世以来，半导体技术的发展可谓一日千里如今集成电压转换器已被广泛采用以简化繁冗的电源电路设计工作，并成为任何模拟或数字系统的关键组成模块之一，近十多年来的飞速发展引人瞩目，目前国内外已发展到几百个品种我们大致可以按照以下几种方式归类：1． 按电路的工作方式分类：（1） 线性集成稳压器（2） 开关式集成电压转换器2． 按电路的结构形式分类：（1） 单片式集成电压转换器（2） 组合式集成电压转换器3． 按管脚的连接方式分类：（1） 三端式集成电压转换器（2） 多端式集成电压转换器4． 按制造工艺分：（1） 半导体集成电压转换器（2） 薄膜混合集成电压转换器（3） 厚膜混合集成电压转换器不同的电压转换器结构也各有其所擅长的优势，从设计电源系统的角度来看，必须根据特定的负载需求做以取舍进而选择不同的管理方案。

电源管理技术的不断发展和推陈出新，不仅使便携式电子产品成为电子行业中增长速度最快的一个分支，也会使得选择电源方案的优先级不断地发生变化§1.2开关型电压转换器简介上世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了电源换代进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子监测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，开关电源技术得以迅速发展开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率管导通和关断时间比率，输出恒压的一种稳压器，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成主要分为两类：AC/DC和DC/DCAC/DC变换是用以将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的被称为“整流”，功率流由负载返回电源的被称为“有源逆变”按电路的接线方式可分为：半波电路、全波电路；按电源相数可分为：单向、三项和多相按电流工作象限又可分为：一象限、二象限、三象限、四象限由于AC/DC变换必须经过整流和滤波，因此体积相对较大的滤波电容必不可少，同时交流输入还必须加EMC滤波即使用符合安全标准的元件，这样就限制了电源体积的小型化另外由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容的难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，同时也使得电源工作消耗增大，限制了其模块化、集成化进程。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波它有两种工作方式：其一是脉宽调制方式（PWM），其二是频率调制方式（PFM）当今的DC/DC已有了质的飞跃，电路效率达到90%以上DC/DC电压转换器已经实现模块化、集成化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟并标准化下面首先对DC/DC电压转换器的基本结构及未来发展趋势做以简介1．基本结构我们将采用最少器件数所构成的电源转换电路称为基本电压转换电路；采用多于最少器件数的器件构成的电源转换电路则被命名为衍生电压转换电路[1]对于开关型电压转换器来说主要有三种基本结构：Buck型转换器（Buck Converter）、Boost转换器(Boost Converter)和Buck-boost型转换器(Buck-boost converter)图1.2.1 Buck型转换器拓扑结构（1）Buck型转换器(Buck converter)Buck型转换器拓扑结构如图1.2.1所示，其中Q1是功率管，CR为续流二极管当Q1导通时，能量向输出端传送，续流二极管CR处于反偏态若忽略Q1导通压降，则电感两端压降，因此在此期间的电感电流线性增加，上升斜率为： （1.2-1）能量被储存于电感中。

Q1一旦被关断，由于电感电流不能突变，二极管CR便会正向导通进行续流，忽略CR正向导通压降，电感上压降则为－Vo，电感电流变化斜率为： （1.2-2）可以看出电感电流线性减小，释放所储能量如果在Q1关断期间，电感电流未下降到零，那么转换器就工作在连续导通模式（CCM）；反之，若是电感能量在此期间耗尽，并维持一段时间零电流，则工作于不连续导通模式（DCM）。