高性能DC-DC芯片設(shè)計(jì)

..;;AABSTRACTadoPsDva.Keyword:swehPowe幾DCDCPWMeficencyBCMOSICDesgn︸11砂目 錄目目 錄目 錄摘 要IABSTRACT……n目 錄V第一章 引 言…111源c發(fā)展綜述…112開(kāi)關(guān)源的分類及特點(diǎn)313本課題主要工作4第二章 DCDC的組成與工作原理…521DCDC芯片功能框圖與工作原理522DcDc芯片的特點(diǎn)…623封裝形式及管腳排列…6第三章 分模塊設(shè)計(jì)一 831基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)…8311電路設(shè)計(jì)…8312仿真波形932斜波發(fā)生器的設(shè)計(jì)…0321電路設(shè)計(jì)基本原理…0322仿真波形…233比較器的設(shè)計(jì)…4331PFM 電流比較器的設(shè)計(jì)…4332限流比較器的設(shè)計(jì)….…4333脈寬調(diào)制比較器的設(shè)計(jì)…7334頻率調(diào)制較器的設(shè)計(jì)20335過(guò)壓保護(hù)比較器034復(fù)位電路的設(shè)計(jì)1目 目 錄35偏置電路的設(shè)計(jì)236中心數(shù)字邏輯控制單元4第四章整體電路的分析與仿真641工作原理模型建立642整體功能分析和參數(shù)的仿真744特性參數(shù)6第五章版圖的設(shè)計(jì)851ICMOS工藝的設(shè)計(jì)852版圖的設(shè)計(jì)技術(shù)8521雙極性晶體管的設(shè)計(jì)8522MOS晶體管的設(shè)計(jì)9523設(shè)計(jì)規(guī)則9524整體版圖設(shè)計(jì)1第六章 典型應(yīng)用261典型應(yīng)用22應(yīng)用信息2第七章 課題總結(jié)6“72工作展望6致 謝7參考文獻(xiàn)8攻碩期間取得的研究成果.9必第第一章 引言竿一音 己1 全.勺 戶. Jl 刁1電源C發(fā)展綜述隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提高及便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，促使電源C有長(zhǎng)足的進(jìn)展。近年來(lái)，各半導(dǎo)體器件廠家如雨后春筍般開(kāi)發(fā)出大量新型源C以滿足不同產(chǎn)品的需要，真是使人不暇接。例如據(jù)MAXM公司2000年的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其中電源C就有近30種型號(hào)(大部分是近幾年的產(chǎn)品)，該公司在2000年1月到1月又開(kāi)發(fā)出0種新源C(未列入2000年數(shù)據(jù)手冊(cè));同樣MCEL公司在2000年2月到H月也推出了22種新電源C上市;ELANTEc公司以0巧娜技術(shù)投入電源c生產(chǎn)，其它各公司也紛紛推出源C新產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈另外與源有關(guān)的元器件(如電感、電容等)也大有改進(jìn)，使新一代的電源效率更高、功能更強(qiáng)、性能更好、尺寸更小、更安全可靠。十幾年前，電源C品種較少我國(guó)市場(chǎng)上是以8系列9系列等老產(chǎn)品統(tǒng)治主要市場(chǎng)，但前它己發(fā)展成為半導(dǎo)體器件中的一個(gè)大類?？梢钥匆幌翸AIM公司200年產(chǎn)品選購(gòu)指南中的電源C分類表(見(jiàn)下圖)其中熱插拔控制器及USB電源開(kāi)關(guān)是嶄新的。這里要說(shuō)明的是，分類表中高端MOFET驅(qū)動(dòng)器低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器、電池管理(圖中用虛線框表示)的幾類，由于與電源C有一定差別數(shù)量也較大其它公司另列成驅(qū)動(dòng)器及電池管理類另外，多功能源在實(shí)質(zhì)上也由開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器或LDO或電荷泵C為主組成的。派C分類表錐 關(guān)邀赫 姍熟達(dá)資動(dòng)播圖1 電源IC分類表電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文新型源C在這方面有很大的改進(jìn)。現(xiàn)分別低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器DCDC變換器及電荷泵這三類電源C介紹一下在這方面的成就。1、LDO線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器最大的損耗是壓差大，而新型線性穩(wěn)壓器一直在為減小壓差而奮斗，兩年前低壓差的水平是幾百mA輸出的LDO電源C，可以做到00mA輸出時(shí)壓差為00mV左右的水平(壓差的大小與輸出電流幾乎成正比關(guān)系)，999年可做到0~0mV100mA但到2000年已能做到每IO0mA輸出的壓差為40一50mV(典型值)的水平例如MAX735負(fù)壓LDO線性穩(wěn)壓器在200mA輸出時(shí)，其壓差典型值僅為80mV。在大電流輸出的情況，壓差與輸出電流的比值可做得更小，而且壓差與輸出電流關(guān)系不大例如在1一75A輸出電流時(shí)其典型的壓差為200一7O0mV。例如，德州儀器公司的TPS7533Q 在lSA 輸出時(shí)，典型壓差為160mV;TPS75233Q在ZA輸出時(shí)典型壓差為20mV(2000年3月的新產(chǎn)品)這與78系列在5A輸出時(shí)壓差為3000mV相比，真是有天壤之別了。其次是減小靜態(tài)電流及工作電流(它們都是流入地而不流經(jīng)負(fù)載的電流)，這也是一種損耗。前有超低靜態(tài)電流的器件，其典型值為必一幾必，有些輸出電流小的可做到A以下，而較小的低功耗電源c其工作電流為幾十A，超低功耗的為幾個(gè)A。例如MAx75(輸出0mA)其工作電流典型值僅2A。2、DCDC變換器D/DC變換器是高效率器件采用同步整流技術(shù)效率提高3%一5%其效率可達(dá)8%一97%。例如，TC3402微功耗同步整流升壓式變換器，其效率高達(dá)7%。過(guò)去認(rèn)為D/DC變換器工作電流比線性穩(wěn)壓器大，但現(xiàn)在已做到同一水平了。例如，MAX105升壓反轉(zhuǎn)器，其工作電流僅18A。3、電荷泵電荷泵電路主要用于電壓反轉(zhuǎn)器，即輸入正電壓，輸出為負(fù)電壓，它可以在便攜式產(chǎn)品中省去一組電池由于工作頻率采用2一3MHz因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容(損耗小、ESR低)，不僅提高效率及降低噪聲，并且減小源的空間。近年來(lái)，利用電荷泵倍壓的功能加上了穩(wěn)壓電路組成正輸出的穩(wěn)壓電源，其效率高于LDO線性穩(wěn)壓器。例如，MAX170降壓式電荷泵加穩(wěn)壓的器件，可輸出18V或19V電壓及SOmA電流，其峰值效率可大于5%。TC1503電荷泵加線性穩(wěn)壓器輸出ZV、0mA，其典型效率比LDO高5%。第一章第一章 引言2開(kāi)關(guān)電源的分類及特點(diǎn)人們的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)源每年超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)源可分為A/DC和D/DC兩大類D/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并得到用戶的認(rèn)可，但A/DC的模塊化，因其身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類開(kāi)關(guān)源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。lDCDC變換D/DC變換是將固定的直流壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式s不變，改變n(通用)，二是頻率調(diào)制方式n不變，改變s(易產(chǎn)生干擾)其具體的電路有下幾類:1)、Buck電路— 降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓i，極性相同。(2)Bost電路— 升壓斬波器，其輸出平均電壓UO大于輸入壓i，極性相同。(3)、BuckBost電路— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入壓U，極性相反，感傳輸。(4)、Ck電路— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓I極性相反，電容傳輸。當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得D/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍美國(guó)VCOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DCDC變換器其最大輸出功率有30OW600WSOOW等，相應(yīng)的功率密度為(6207)Wm3效率為(8090)%本NmeLmbda公司最新推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)源模塊RM系列其開(kāi)關(guān)頻率為(200300)kHz功率密度達(dá)到27/m3采用同步整流器(MOSFET代替特基二極管)，是整個(gè)電路效率提高到0%。2、ACDC變換A/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為整流，功率流由負(fù)載返回電源的稱為有源逆變。A/DC變換器輸入為00Hz的交流電，因必須經(jīng)整流濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如ULCCEE等)及EMC指令的限制(如ECFCCCSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用電子科電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制A/DC 源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求由于同樣的原因高電壓、大流開(kāi)關(guān)使得源工作消耗增大，限制了A/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。ACDC變換按電路的接線方式可分為半波電路全波電路按電源相數(shù)可分為，單項(xiàng)、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。3本課題主要工作由于DCDC電路在生活中應(yīng)用較為廣泛所以高性能優(yōu)良的DCDC將有好的市場(chǎng)前景。針對(duì)市場(chǎng)的需求和國(guó)對(duì)DCDC技術(shù)領(lǐng)域的牽引，本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)精心討論，并進(jìn)行立項(xiàng)。本課題的主要工作如下:1、明確設(shè)計(jì)方向和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的DCDC電路的特點(diǎn)和性能比較，結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)，確定設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。2、利用選定貝嶺1.uBCMS工藝線的器件模型，對(duì)所確定的電路利用CdnePre軟件進(jìn)行仿真模擬，是電路的性能指標(biāo)達(dá)到所要求的指標(biāo)，確定電路和器件的最佳結(jié)構(gòu)和參數(shù)。3、根據(jù)所選定的工藝線的設(shè)計(jì)規(guī)則，運(yùn)用iusoLyut等EDA工具，給出完整的物理版圖設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)際流片驗(yàn)證設(shè)計(jì)的音頻功放的正確性，完成設(shè)計(jì)。第第二章 DCDC的組成與工作原理第二章 DCDC的組成與工作原理本文研制的DCDC是一個(gè)低噪聲、脈寬調(diào)制PWM)的降壓轉(zhuǎn)換器。它在類似蜂窩式話，PDA 通訊和便攜式終端等小的無(wú)線系統(tǒng)中用作邏輯源和傳輸工作。該器件的特點(diǎn)是由于在內(nèi)部有同步調(diào)整，因而可取得很高效率;但不需要額外的特基二極管。出色的噪聲特性和固定頻率工作能很容易的實(shí)現(xiàn)快速濾波。另外，它也可應(yīng)用在3V或5V固定輸入中。21DCDC芯片功能框圖與工作原理該器件可以工作在以下四種模式之一。強(qiáng)迫PWM 方式工作在與負(fù)載無(wú)關(guān)的固定頻率中。同步PWM 方式允許外接一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率，這樣能控制噪聲并能使噪聲降低到最小。在輕的負(fù)載期間里通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成PFM沖激的模式，這就是理想模式PWMFM)它延長(zhǎng)了電池的壽命關(guān)閉模式把靜態(tài)供電電流降低到01pA以下，使該器件處于等待狀態(tài)。該款DCDC能輸出超過(guò)60mA的電流。能把+27V到+55V的輸入電壓范圍調(diào)整到125V到VN的輸出電壓范圍。其他特點(diǎn)還包括高效率、低壓降、并且在部有一個(gè)精確到2%的5V參考?jí)?。麒?鱉多佬入縱粵奄協(xié)門 翱減緒 5公nl用翻，/內(nèi)《級(jí)汗 勺 砂皿 巍燃 粼洲 擎欣「一圖21原理框圖電子科技電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文22DCDC芯片的特點(diǎn)特點(diǎn):1、輸入電壓范圍+27V到55V2、輸出電壓范圍從15V到VN3、產(chǎn)生600mA的輸出電流4、5%的效率5、不需要額外的特基二極管6、5pA的靜態(tài)電流7、00%占空比8、PWM工作在5OKHz的固定工作頻率9、同步轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)頻率0、精準(zhǔn)的參考電壓:15V12%23封裝形式及管腳排J磷欖熟碑碑C璐團(tuán) M圖22封裝形式及管腳排列第第二章 DCDC的組成與工作原理表21管腳定義及功能描述腳 名稱 功 能11 INN 輸入電壓，輸入范圍27V‘5SV。帶有一個(gè)IuF的旁路電容。22 BPP N以，。要連額外電皿源到BP。個(gè).uF的旁路電容』33 G助 接地端互 REFF 輸出1.25硯1.2%參考電壓。能夠輸出50雇外部負(fù)載，連接一個(gè)0.2F的旁路電容到接地。55 FBB 反饋電壓輸入66 LIMM 限流選擇輸入。將LIM連接到GND形成O6A的極限電流或者將LIM連接到N形成12A極限電流。SNC陽(yáng)WM致F0reedPW式))77 SYNC陽(yáng)獄同步振蕩器和低噪聲，模式控制輸入。SSNC沖G助(即模式))慮到與以的開(kāi)關(guān)同步，允許LX外接一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。88 SHDNN 低電平有效，關(guān)斷控制輸入。靜態(tài)電流減小到0.uA。關(guān)斷狀態(tài)，輸出呈高阻態(tài)99 LXX 電感器連接到內(nèi)部柏SFET的漏極110 PG助 電源地主一一一一一一一一一第三章 分模塊設(shè)計(jì)31基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)31電路設(shè)計(jì)此電路的核心是一個(gè)雙極的帶隙基準(zhǔn)源，輸入電壓大于ZV就可以得到很平穩(wěn)的15V的電壓。為了輸出的精確，設(shè)有一個(gè)可修調(diào)電阻。其路圖如下:呼展--舀 .冷 }冷窿 洲氣沈 釘一-習(xí)’}}圖31基準(zhǔn)源原理該電路共有兩個(gè)輸入信號(hào):控制信號(hào)和偏置信號(hào)這兩個(gè)信號(hào)是有關(guān)系的，一旦有了偏置信號(hào)，控制信號(hào)同時(shí)控制此電路開(kāi)啟。第三第三章 分模塊設(shè)計(jì)該電路15V的基準(zhǔn)電壓，精度為12%，并能驅(qū)動(dòng)SOuA的電流的能力只有在基準(zhǔn)源開(kāi)始充電上升時(shí)，紋波小于mV另一個(gè)為控制復(fù)位電路的信號(hào)，才復(fù)位完畢。312仿真波形)輸入源電壓為3V時(shí)基準(zhǔn)源輸出線如下:曰ut0氣\v匕獷/p必5必~ 2必己 勸必一1必圖32 固定源壓輸入與基準(zhǔn)輸出線)當(dāng)輸入源電壓從27V一5V變化時(shí)基準(zhǔn)源輸出線如下:1.ul氣.匕二〔。:沖0>聲2必紛汾1公mme(S)圖33 變化電源電壓輸入與基準(zhǔn)輸出曲線)輸入源電壓3V溫度從0℃一85C子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文DCResPonse1257必 :/R「1253必>249必1245必1241叼一40 j必 60empC)圖34溫度變化與基準(zhǔn)輸對(duì)應(yīng)線32斜波發(fā)生器的設(shè)計(jì)321電路設(shè)計(jì)基本原理此電路的震蕩部分是由一個(gè)比較器，數(shù)字邏輯，及一個(gè)RC回路構(gòu)成。核心部分是由一電流源和一比較器組成如圖二所示其中D點(diǎn)電壓是由基準(zhǔn)源決定的所以是不變的，偏置電壓B3隨電壓改變很小，所以對(duì)電容充電的A點(diǎn)電流隨電壓改變很小，這樣充電時(shí)間基本上保持不變而至產(chǎn)生的斜波周期不變。這里的充電電容是一個(gè)可修調(diào)電容，可以改變電容值達(dá)到所規(guī)定的頻率，從而使內(nèi)部振蕩頻率固定在70KHz以達(dá)到快速濾波并減小噪聲克服了只用RC振蕩電路產(chǎn)生的頻率雖電壓改變振蕩頻率變化比較大的弊端。電路圖如下:{{ {{〕 。-圖35斜波發(fā)生器原理圖第三第三章 分模塊設(shè)計(jì)荔i 孵AA ，沁}}1甲兩引[{洲圖36斜波發(fā)生器原理圖2署啊 衡 布 目氣 渭叢 勤.」 加N i六‘司 日目一 !!圖37斜波發(fā)生器原理圖3孕.巴 竺腳 髻.< “尸 思之 嗯如 李飛.4.廠 貨 沙貨 1 慫 廣 盞，r盔 門 盆.橄圖38斜波發(fā)生器原理圖4ll電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文產(chǎn)生的固定振蕩頻率傳輸?shù)街行臄?shù)字控制單元，并和產(chǎn)生的斜波輸入到斜波處理電路中。經(jīng)過(guò)電位轉(zhuǎn)移產(chǎn)生進(jìn)入PWM比較器的其中兩路信號(hào)。以完成調(diào)節(jié)占空及其它功能將在下面介紹。如上圖所示，是一塊軟開(kāi)啟路。當(dāng)復(fù)位電路復(fù)完位之后一段時(shí)間，此電路才把復(fù)位信號(hào)傳到邏輯電路，此起到保護(hù)內(nèi)部邏輯不混亂。此電路的核心部分仍然是一個(gè)二輸入比較器，其中一輸入端是固定電位REF，另一端的電壓的產(chǎn)生是當(dāng)復(fù)位電路完成復(fù)位之后一流源開(kāi)始對(duì)電容充電，當(dāng)電容上電壓超過(guò)EF時(shí)完成軟開(kāi)啟。如上圖所示，此電路中心也是一個(gè)其中一端電壓固定的比較器。此電路的作用除了完成部振蕩器的復(fù)位外還有選擇振蕩頻率的作用。當(dāng)模式選擇端SNYC是高電平或者是低電平超過(guò)ous是振蕩頻率就默認(rèn)為是70KHz。當(dāng)SNYC輸入一個(gè)頻率為00KHz一000KHz的脈沖時(shí)電路就屏蔽了內(nèi)部振蕩器而改用外加頻率.這樣就能更好的起到加快濾波減少噪聲的作用。322仿真波形如下是仿真結(jié)果:(1)、當(dāng)輸入電源電壓為7V時(shí)6必，> 3必m6必， 。;/9> 3必m 飛 ! ) {一_一，9必on， 對(duì)! ‘> 20日， }添一5必On， :/48AO一公第三第三章 分模塊設(shè)計(jì)圖39 27V源對(duì)應(yīng)斜波發(fā)生器的輸出曲線上圖中Nl時(shí)A點(diǎn)電壓N48是產(chǎn)生的震蕩頻率(此時(shí)為73OK)其它兩者就是產(chǎn)生的最后斜波及頻率補(bǔ)償.)、當(dāng)輸入電源電壓為55V時(shí)6mA3m必8m 州/9>叭6_，· ! ， 毒 靡︾ 紛>護(hù)獷7必 _:/48~一~州廠一 廠 r?！?一一-廠- 廠 }AJ必 {日 l {{} ﹄日 .口一1必9U 14U 19七me(S)圖30 55V電源對(duì)應(yīng)斜波發(fā)生器輸出曲線此時(shí)頻率為70K(3)、源電壓36V溫度為0℃此時(shí)振蕩頻率為70KHZ電源電壓36V溫度為5℃時(shí)I3子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文振蕩頻率為8KHZ6mL> 3m必5m 州/n49>2m一1m -7m ，! 介" ;l 、>3m廠 卜 ，瀝 獄 彭一1m5必 /8> T| 一「 廠一呀「一廠 「2必 }l { i { i {一1必1lu 14u 17ume(S)圖311 36v源對(duì)應(yīng)斜波發(fā)生器輸出線33較器的設(shè)計(jì)331PFM 電流較器的設(shè)計(jì)332限流較器的設(shè)計(jì)就IMCOMPARTOR來(lái)說(shuō)他有以下幾點(diǎn)作用:1對(duì)內(nèi)部的用于開(kāi)關(guān)作用的PMOS功率管有一個(gè)保護(hù)作用.當(dāng)IM接N時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流超過(guò)2A時(shí)限流比較器翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)信號(hào)輸入中心控制單元l4第第三章 分模塊設(shè)計(jì)使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，使開(kāi)關(guān)管中的電流為O達(dá)到保護(hù)作用。2能夠減小輸出的紋波若不對(duì)開(kāi)關(guān)的電流加以限制當(dāng)壓掉的很低開(kāi)始充電時(shí)，外接電感中貯存的能量就很大，給負(fù)載供電時(shí)電流很大，一段時(shí)間輸出電壓很高，使紋波較大。3、可以控制輸出電流范圍。當(dāng)IM接GND時(shí)最大輸出0OmA，當(dāng)IM接創(chuàng)時(shí)最大輸出12A的流。具體功能在下面有介紹。PFMCURRENT的功能主要就是在PWMPFM模式下通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管電流的范圍改變芯片工作的模式當(dāng)電流小于0nA時(shí)工作在PFM模式反之就工作在PWM的模式下。這兩種較器的較放大部分的電路是一樣的如下圖:試 拼徹|||1|… 乎 圖32限流較器原理此電路使用雙極型器件所構(gòu)成的三級(jí)放大器MOS電路給比較器提供偏置壓，整個(gè)電路的特點(diǎn)就是速度快放大倍數(shù)高。這兩個(gè)比較器的核心部分就是電流的采樣，即當(dāng)開(kāi)關(guān)電流進(jìn)入翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)比較器怎樣感知，下面就是此電路電路圖。子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文、、一— l }1_gu1MM44圖313電流采樣原理如圖中N是接在電源上，LX接在外接電感上，易知Ml和MZ恒導(dǎo)通的管子并且和開(kāi)關(guān)管是并聯(lián)的，所以當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)(此時(shí)X5為低電位)通過(guò)Ml和MZ的電流就基本上和開(kāi)關(guān)中的電流是一個(gè)固定的比例關(guān)系所以從Ml，MZ的漏端接出的電壓KS和K6也基本上和開(kāi)關(guān)電流是一個(gè)比例關(guān)系.而KS和K7是一個(gè)固定壓，其值可由圖中的可修調(diào)電阻R3來(lái)修調(diào).圖中K6KS是PFM比較器的輸入端K7KS是限流比較器的輸入端.當(dāng)開(kāi)關(guān)剛一打開(kāi)時(shí)，由于外接電感產(chǎn)生一反向的感生電動(dòng)勢(shì)，所以開(kāi)關(guān)管里的電流基本上是0所以KS和K6的電壓基本上是源電壓隨著感生電動(dòng)勢(shì)慢慢減小電流慢慢增大.使KS和K6的電壓逐漸減小，當(dāng)電流增加到2OMA時(shí)K6的電壓降到了KS的電壓PFM比較器翻轉(zhuǎn).當(dāng)電流增加到2A時(shí)(XZ為高)KS才降到K7而使限流比較器轉(zhuǎn)再者其中信號(hào)XZ是直接連到AD中的LM上，當(dāng)XZ為高時(shí)限流12A，當(dāng)XZ為低時(shí)限流60mA這很容易從上面的電路圖中得出結(jié)論。中斷器通過(guò)將一條中斷請(qǐng)求線路驅(qū)動(dòng)到低電平來(lái)請(qǐng)求中斷。在單中斷處理器系統(tǒng)中，這些中斷請(qǐng)求線路的優(yōu)先級(jí)是有區(qū)別的，RQ*擁有最高優(yōu)先權(quán)。第三第三章 分模塊設(shè)計(jì)333脈寬調(diào)制較器的設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制PWM)比較器在整個(gè)電路中占有一個(gè)舉足輕重的位置它的性能的好壞直接影響到整個(gè)電路的功能或是影響到輸出的波形的紋波它的輸出對(duì)開(kāi)關(guān)pms管有著直接的控制作用，所此電路的工作狀態(tài)是整個(gè)片子的關(guān)鍵。脈寬調(diào)制PWM)較器是一個(gè)六端輸入的較器，電路圖如下:二 確 愁燕‘喲門 -可t健 }}刁護(hù)裂{一勸 加 . }翔 如 }}如 翻廠 卜 . …安::{{ }} }}圖34脈寬調(diào)制比較器原理圖戴巍筍 當(dāng) 防竿落舌分ly’子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖3巧脈寬調(diào)制較器原理圖2如圖五所示，此電路是是較器的核心，使用雙極器件做的六輸入差分放大級(jí)用ms器件做的偏置電路有速度快的特點(diǎn)。圖六中是此比較器的后級(jí)放大器，相位改變10度，使信號(hào)放大接近于數(shù)字信號(hào)，便于進(jìn)入到中心數(shù)字邏輯單元此比較器產(chǎn)生的脈沖就是最后控制開(kāi)關(guān)管的脈沖所以p~模式調(diào)制脈寬的過(guò)程即調(diào)整空比的過(guò)程都是這個(gè)較器完成。此較器輸入端有三組來(lái)源:一組是輸出反饋壓FB和基準(zhǔn)源電壓EF，這一組是主要信號(hào)。第二組是開(kāi)關(guān)管的電流敏感信號(hào)，此信號(hào)在PWM工作模式下對(duì)于減小輸出紋波有很重要的作用在PWM模式下當(dāng)FB的電壓接近EF的電壓時(shí)此信號(hào)就根據(jù)開(kāi)關(guān)管中德電流大小控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，使紋波小。第三組是斜波補(bǔ)償信號(hào)，此信號(hào)主要作用是頻率補(bǔ)償，使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟頻率和內(nèi)部頻率相吻合，同時(shí)也有減小紋波的作用。以下是內(nèi)部振蕩頻率和開(kāi)關(guān)管頻率的對(duì)照?qǐng)D:輸入電壓36v輸出8v，負(fù)載60OmA)4必 4八:落今井> 一} -~ 一1必 !4必 刀4/net77I> 盯一「 一廠-~ 一1O 卜，影，219必O必必必U 22133333u 22366667u 22e必〔me(s)圖316開(kāi)關(guān)管控制波形與振蕩器輸出波形曲線如上面圖中所示此時(shí)是工作在PwM模式上面一條是開(kāi)關(guān)管的控制波形，下面一條是內(nèi)部振蕩器的波形，容易看出他們的頻率是一樣的，占空比是由負(fù)載決定的。下是此較器的輸入輸出波形圖(工作在PWM模式)第第三章 分模塊設(shè)計(jì)llUll辦l匕日氣\v匕東必 _:>U — 班— 護(hù)一必10m>必E7必>53Om 廠疇廠刃SOm>~ gSOm ::5>罕 必 一~一一一一~一_ 了12349刃>片23引必1256必 :7一~一一一 .-湯洲卜~一~一一~、嘴、一、--一書(shū)‘一~一一一~一卜一一一-~一，>代25必匕一234U 235U 23eu 237u 238吏me(S圖317較器輸入輸波形圖如上圖所示其中1是比較器的輸出端信號(hào)2和3是開(kāi)關(guān)電流的敏感信號(hào)，4和5是斜波補(bǔ)償信號(hào)，6和7分別是FB和REF。另外2、4、6是在較器的一側(cè)即它們共同影響差分較器的一個(gè)輸入端，3、5、7共同影響另一端。圖中5信號(hào)就是頻率補(bǔ)償，當(dāng)從內(nèi)部頻率來(lái)一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)5信號(hào)就產(chǎn)生電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文一個(gè)沖擊，使輸出能確保置成高位，達(dá)到頻率補(bǔ)償。圖中的2和3信號(hào)工作原理是隨著外接負(fù)載的不同通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流就不同所這兩個(gè)信號(hào)的電壓差就不同這樣就形成隨著外接負(fù)載不同F(xiàn)B和EF的差值不同時(shí)較器翻轉(zhuǎn)點(diǎn)不同，而引起翻轉(zhuǎn)的空比不同。這樣能使紋波減小，同時(shí)這樣充分利用了外接電感中的能量增加了效率。當(dāng)外接負(fù)載較小時(shí)電路可以工作在PFM的工作狀態(tài)此時(shí)這比較器作用不明顯，主要靠PFM比較器，所以紋波較大，下面有介紹。334頻率調(diào)制較器的設(shè)計(jì)當(dāng)外接負(fù)載較小時(shí)為了增加效率減小靜態(tài)功耗此芯片可以工作在PFM及頻率調(diào)制的工作模式下。這種模式的轉(zhuǎn)換是由上面所提到過(guò)的PFMCOMARAOR所控制的。此比較器的內(nèi)部電路圖如下?！璢 {粉二 ，’，。 薪即 : : {執(zhí).月 尸卜 砂日?qǐng)D38頻率調(diào)制比較器原理圖上圖中電路有兩個(gè)輸入端分別是輸出電壓反饋信號(hào)FB基準(zhǔn)源電壓REF。一個(gè)輸出端直接連到中心數(shù)字邏輯單元經(jīng)處理后控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。具體的工作將在后面的整體功能描述中再提。335過(guò)壓保護(hù)較器此電路有中心數(shù)字部分控制制工作在PFM模式下當(dāng)芯片工作在非正常條件下輸出電壓由于某原因紋波比較大此時(shí)電路還在充電就會(huì)使輸出嚴(yán)重失真，第第三章 分模塊設(shè)計(jì)另外當(dāng)外接負(fù)載過(guò)小時(shí)，由于這種模式充電時(shí)間一定如果負(fù)載過(guò)小在此充電時(shí)間輸出壓會(huì)達(dá)到一個(gè)很大值所需要一個(gè)路限制壓過(guò)高。下圖就是此電路的原理圖洲舉卜囑-州{ } l圖319過(guò)壓保護(hù)較器原理圖此電路的兩個(gè)輸入端分別是FB和REF，輸出端同樣進(jìn)入中心數(shù)字邏輯單元控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。當(dāng)FB的電壓超過(guò)REF4OMV時(shí)，無(wú)論其它信號(hào)是什么開(kāi)關(guān)管都將斷開(kāi)，電壓降低，以達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的功能。當(dāng)FB不大于E+0Mv時(shí)，將對(duì)電路沒(méi)有影響，其他電路繼續(xù)工作。34復(fù)位電路的設(shè)計(jì)此電路是整個(gè)芯片的開(kāi)啟電路只有此電路翻轉(zhuǎn)中心數(shù)字邏輯單元中的一些不定態(tài)信號(hào)才能復(fù)位邏輯才能正常工作。在此芯片中還有很多模擬電路塊，也是此信號(hào)直接控制，只有復(fù)位路翻轉(zhuǎn)這些模擬塊才正常工作。以下是此電路的電路圖:電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文門牡陣界! 9成銜竹圖320復(fù)位電路原理圖如上圖可知，此電路的核心部分是一個(gè)差分輸入比較器，差分輸入的一端是REF基準(zhǔn)電壓另一端是由電源和地之間的分壓此比較器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)大約在4V左右這樣此電路就可分為兩方面一方面是整個(gè)電路的啟動(dòng)電路，只有源電壓超過(guò)24V此比較器翻轉(zhuǎn)電路才能工作另一方面當(dāng)外接的直流源的能量逐漸消耗電壓降低到24V左右時(shí)此電路翻轉(zhuǎn)使整個(gè)芯片不工作以免輸出的波形失真。此電路圖的最右端有一塊是有一NMOS管和一小電阻并聯(lián)組成如上圖所示，這里主要是起一個(gè)滯回作用，使之成為一個(gè)滯回比較器，這樣使電路更穩(wěn)定，不易受外接源的波動(dòng)影響。它的滯回壓大約5mV。35偏置路的設(shè)計(jì)此塊電路是整個(gè)芯片的基礎(chǔ)，芯片中所有的模擬電路的功能、工作狀態(tài)，都是由它確定的。一旦偏置電路不準(zhǔn)了，所有的功能就實(shí)現(xiàn)不了了。具體的電路圖如下所示。第三章分模塊設(shè)計(jì)圖3-21偏置電路原理圖111圖3-22偏置電路原理圖2如上兩圖此偏置電路是由一系列的鏡像電流源和有源電阻及可調(diào)電阻組成。由于有很多可調(diào)電阻來(lái)修正此電路，所以一旦偏置電壓偏離了正確值范圍，可以通過(guò)可調(diào)電阻的修調(diào)以達(dá)到規(guī)定值。23子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文如上圖所示，在它的右端有一個(gè)nos管是此電路的啟動(dòng)管，一旦開(kāi)關(guān)SHUTDOWN打開(kāi)，此啟動(dòng)管開(kāi)啟使偏置電路產(chǎn)生偏置電壓后馬上截止。其鏡像流源的部分有很多可調(diào)電阻他是對(duì)整個(gè)電路的偏置有一個(gè)調(diào)控作用。如上圖所示此部分電路主要是用來(lái)對(duì)一些重要的模塊提供偏置，尤其是對(duì)部振蕩器電路，它直接影響到內(nèi)部振蕩器的頻率。有四個(gè)可調(diào)電阻可以控制部頻率的大小。36中心數(shù)字邏輯控制單元此功能塊是整個(gè)電路的核心，電路中所有模塊之間信號(hào)的處理、傳遞都是由此單元控制的。三種模式的轉(zhuǎn)換、各種限流比較器功能實(shí)現(xiàn)、振蕩頻率的處理、最小占空比的形成都是由此單元完成的。以下是此電路圖門級(jí)原理圖:((呂勺夕師護(hù)孽}}圖323中心數(shù)字控制邏輯單元原理圖第第三章 分模塊設(shè)計(jì)此電路是由一些簡(jiǎn)單的門電路和鎖存器組成。它的整體功能將在下面詳細(xì)介紹。電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第四章整體路的分析與仿真本章第三章的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)DCDC整體電路的分析，并利用仿真軟件對(duì)電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。41工作原理模型建立下圖是針對(duì)DCDC建立的工作原理說(shuō)明模型。經(jīng)獄豹p3r法1uwm 呂公下藝一 丫叮、2隊(duì)圖41工作原理模型圖如上圖所示的D/DC變換器的工作原理:變換器用圖中的PMOS管來(lái)等效，當(dāng)PMOS管開(kāi)啟時(shí)此電路除了向負(fù)載供電外，還有一部分電能儲(chǔ)存在L、C中，L上的電壓極性是左端正、右端負(fù)，此時(shí)續(xù)流二極管截止。當(dāng)PMOS管斷開(kāi)時(shí)，L上產(chǎn)生一個(gè)極性為左端負(fù)、右端正的反向電動(dòng)勢(shì)，使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，L中的電能就傳送給負(fù)載，維持輸出電壓不變，當(dāng)電感中的電能減小，就由電容放電保持輸出的波形的平滑。第四章第四章 整體路的分析與仿真42整體功能分析和參數(shù)的仿真本課題是一個(gè)降壓的DC一DC電源管理電路變換器輸出電壓是一個(gè)可變的范圍在15V到VN的電壓內(nèi)部同步調(diào)整管增加了效率并不在需要特基二極管作為續(xù)流管。內(nèi)部固定的頻率是濾波變得容易并且使噪聲變得很小。即使輸入電壓低到了27V，也能對(duì)負(fù)載提供60MA以上電流。此芯片的工作模式主要由三種即PWMPWMPFM外接固定頻率下面將詳細(xì)介紹各種模式。1、PWM模式本課題用的是斜波補(bǔ)償敏感電流的脈寬調(diào)制來(lái)控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟的占空比。它最高可以獲得0%的占空比是當(dāng)壓降得很低時(shí)PWM比較器就會(huì)控制連續(xù)充電，這樣就會(huì)達(dá)到00%占空比，最長(zhǎng)可以維持兩個(gè)周期的時(shí)間。在數(shù)字電路中其中有一RC控制最小占空比最小的ONIME時(shí)間訂在10NS開(kāi)關(guān)中的敏感電流轉(zhuǎn)換成敏感電壓進(jìn)入到PWM比較器，這樣隨外接負(fù)載的不同，敏感電壓不同而產(chǎn)生寬長(zhǎng)比不同的脈沖。當(dāng)ADSYNC接在高電位時(shí)這是電路就進(jìn)入了PWM工作模式。內(nèi)部振蕩信號(hào)輸入到數(shù)字邏輯單元時(shí)一旦輸入低位時(shí)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)電路對(duì)負(fù)載和L、C充電此時(shí)數(shù)字邏輯單元中一鎖存器鎖存，使開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，只有當(dāng)限流比較器(LMCOMARArOR)或者是脈寬調(diào)制較器PWMCOMARAOR)中有一個(gè)翻轉(zhuǎn)，此鎖存器復(fù)位此時(shí)開(kāi)關(guān)管截止，一個(gè)很小的時(shí)間間隔后(此時(shí)間由一小電容控制，防止開(kāi)關(guān)管和同步調(diào)整管同時(shí)開(kāi)啟)同步調(diào)整管打開(kāi)，這時(shí)電感上產(chǎn)生一個(gè)反向的感生電動(dòng)勢(shì)對(duì)負(fù)載放電而后電容放電使波形平滑。只有當(dāng)NEGIM比較器翻轉(zhuǎn)或者內(nèi)部振蕩傳送來(lái)一個(gè)低電位時(shí)此同步調(diào)整管才關(guān)斷若是因?yàn)镹EGIM比較器翻轉(zhuǎn)而使同步調(diào)整管關(guān)斷那么在關(guān)短之后電容繼續(xù)對(duì)負(fù)載充電，直到下一個(gè)脈沖來(lái)到，開(kāi)關(guān)管打開(kāi)。若是因?yàn)橛謥?lái)一個(gè)脈沖的低電位的使同步調(diào)整管關(guān)閉，接著馬上開(kāi)關(guān)管就打開(kāi)，從新開(kāi)始對(duì)L、C充電。PWM工作模式的輸出紋波很小主要是因?yàn)檫@里的PWM比較器的特有功能，由于外接電阻的不同使開(kāi)關(guān)管的電流不同，PWM比較器可以感知負(fù)載電流的大小，在FB還沒(méi)有超過(guò)REF就使開(kāi)關(guān)關(guān)閉，這樣由于電流的續(xù)流壓升高就很慢，所以當(dāng)FB剛超過(guò)REF時(shí)經(jīng)開(kāi)始放電了，所以紋波很小這種模式適合用于外接負(fù)載較大的情況，這種情況通過(guò)的電流大，所以要控制紋波大小，而且這種情況開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟的占空比比較大，整個(gè)芯片的效率要高一些。如果外接負(fù)載非常小的話，這樣開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟的占空比就非常小，在子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)間很長(zhǎng)，在這段時(shí)間有很多模擬塊雖然不起作用但都在開(kāi)啟狀態(tài)，消耗的無(wú)用功耗例大，所以是功耗加大，所以最好把這種模型應(yīng)用在重負(fù)在下。下面是PWM模式下的仿真波形，當(dāng)開(kāi)關(guān)中的電流很大的情況。3231必護(hù)226必>3221必J21604必 川叼e778J必> 2必必5必 :釗拱矛J必一必5② _:叼獻(xiàn)853必 刁廠習(xí)!{畢-!一1必12u 124u 125ume(S圖42PWM模式下的仿真波形曲線第第章 整體路分析與仿真如圖所示其中NET774是PWM較器的輸出NET778是限流比較器的輸出NET53是控制開(kāi)關(guān)管的脈沖NET75是控制同步調(diào)整管的信號(hào)。由圖中可以看出，PWM比較器沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，而限流比較器翻轉(zhuǎn)了此使開(kāi)關(guān)管立刻截止，在過(guò)很小一段時(shí)間后同步調(diào)整管開(kāi)啟，開(kāi)始放電。下圖是PWM工作模式下，穩(wěn)定時(shí)仿真波形:吸11電子號(hào)叮弓 1.?！?… ，1二 ，，。.，.11‘ }ll產(chǎn)卜~~幾}習(xí) {!{!! 瑞 囊 認(rèn)一{{l二 ，… 。二 !，，.… ，二 }}5一;子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖43PWM工作模式穩(wěn)定時(shí)仿真波形線此圖中各條波形線和上圖中的完全一樣，從圖中可以看出限流比較器沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，但隨著PWM比較器的翻轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，然后隔一段時(shí)間后調(diào)整管打開(kāi)。下面是當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，可看到NEGUM 較器的作用?！?協(xié) · 翔 心__ 廠 {{幾11 1 }}! {，{ : {ii) }}{: ‘:{{; __攜…! “ l l! . A ! 寧翔 l// l! }{{}}， ll) / } 擠圖44小負(fù)載時(shí)NEGLIM較器功能說(shuō)明圖第第章 整體路分析與仿真如圖中所示其中第一條是內(nèi)部振蕩器第二條是控制同步調(diào)整管的波形，第三條是NEGIM 比較器可以看出當(dāng)調(diào)整管打開(kāi)放電時(shí)一旦負(fù)載較輕引起電感中反向電流達(dá)到0nANEGLM較器就翻轉(zhuǎn)，是同步調(diào)整管截止。下面是當(dāng)負(fù)載較重時(shí)的上述情況:4必3必 -- 一2必一一 弓ll> ~ 10 必 一1必 }}4必J必 {{ ;;2必 > {{ }}~ !0必 一…一一!O !!J680}}364必{.Je必 。}> ) } - ‘ ’} ! }~ 356必J52必 { … { lJ480 !! 巨355u 357u 359ume(S)電子電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖45大負(fù)載時(shí)NEGLM較器功能說(shuō)明圖可以看出這時(shí)候電感中的反向電流達(dá)不到50mA這樣同步調(diào)整管的截止，就只是當(dāng)下一個(gè)內(nèi)部振蕩脈沖進(jìn)入控制單元。下面是當(dāng)在PWM工作模式下輸入電壓為36V輸出電壓為18V負(fù)載為3歐姆輸出電流為600mA。TranentResPonse182必181必18O179必178必364 刀閃Je33602J6刃1，e必359935983597359636U 65u 37u 375u 38億第第章 整體路的分析與仿真圖46輸入輸出電壓線其中圖中上面是輸出為omV，紋波不到mV，輸入電壓為3V。2PFMPWM模式當(dāng)把AD SYNC接到源地上芯片就工作在PF樹(shù)PWM 的狀態(tài)下這種狀態(tài)是一種效率很高的工作模式當(dāng)開(kāi)關(guān)管中的電流低于0mA時(shí)即外接負(fù)載較小時(shí)輸出電流較小芯片工作在PFM狀態(tài)下當(dāng)開(kāi)關(guān)管的電流高于2OmA時(shí)，即外接負(fù)載比較大輸出電流較大時(shí)，數(shù)字邏輯單元控制芯片將進(jìn)入到PFM工作模式下。在PFM工作模式下，有一個(gè)特殊的電路被啟動(dòng)，此電路結(jié)構(gòu)如下。!! {{三， {*叨…(}} ” ’ l }” 一圖47時(shí)控電路原理圖其中核心電路是中間的比較器其中一端是不變的電壓REF，另一端是當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)一電流源對(duì)電容充電當(dāng)電容上的電壓超過(guò)REF時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，所以在這種模式下開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟時(shí)間是一定的，不隨外接負(fù)載的不同改變。我們暫時(shí)把此電路稱作時(shí)控電路在PFM工作模式下PFMIM限流比較器翻轉(zhuǎn)內(nèi)部控制信號(hào)控制使PFM比較器產(chǎn)生作用。當(dāng)FB小于RF時(shí)PFM比較器翻轉(zhuǎn)這時(shí)內(nèi)部振蕩電路開(kāi)始工作當(dāng)有一個(gè)脈沖進(jìn)入到中心邏輯單元之后開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，同樣邏輯單元鎖存使開(kāi)關(guān)保持開(kāi)啟，只有當(dāng)FB大于REFPFM比較器翻轉(zhuǎn)并且限流比較器或是時(shí)控電路有一個(gè)翻轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)始關(guān)閉然后先是電感放電然后是電容對(duì)負(fù)載充電在正常工作時(shí)限流比較器是不翻轉(zhuǎn)的所以每次開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟的時(shí)間是一子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文定的，但由于負(fù)載的不同電容對(duì)負(fù)載放電時(shí)間也不同，所以就會(huì)引起控制開(kāi)關(guān)管的信號(hào)頻率不同，以達(dá)到調(diào)節(jié)頻率的效果。這種工作模式比起PWM模式一個(gè)很優(yōu)越的特點(diǎn)就使靜態(tài)功耗很小，最小是可達(dá)到5UA(當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉)其原因在于在PFM工作模式下當(dāng)FB大于EF時(shí)，PFM比較器翻轉(zhuǎn)，此翻轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)入到數(shù)字邏輯單元后產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，都芯片中的大部分模擬電路都截止，當(dāng)PFM比較器在次翻轉(zhuǎn)時(shí)(FB小于EF)這些模擬電路又正常工作所達(dá)到了減小功耗的作用。雖然這種模式減小功耗但是由于充電時(shí)間是固定的不隨著外接負(fù)載改變，會(huì)出現(xiàn)當(dāng)FB已經(jīng)達(dá)到EF的電位了，開(kāi)關(guān)管還在充電，使紋波較大，所以在選擇模式時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。當(dāng)外接負(fù)載較大時(shí)，開(kāi)關(guān)管里的電流超過(guò)了0MA時(shí)PFMIMCoMARATOR翻轉(zhuǎn)使芯片工作在PwM模式這種模式在上面介紹過(guò)了。下圖是工作在PFM狀態(tài)下一個(gè)周期的關(guān)鍵波形:Tr口nsentResP0nse〕卜~ e一1必4。 少:刀生/門。t7必已~~寸一一一~一 一一 — 一 ~丁一》 2必.0必O必O必O必3333333)卜巴右66667必曰必曰必曰必。。。。。。。 _:月4/nets介333333J3了 } }!咋 口必曰必曰必曰必 匕一一17必8刁n} 1714必， 72m 7tfe 氣S ，第第章 整體路分析與仿真圖48PFM狀態(tài)下一個(gè)周期的關(guān)鍵波形如上所示第一條是控制同步調(diào)整管信號(hào)的波形第二條是NEGIM 較器的翻轉(zhuǎn)波形，第三條是時(shí)控路的翻轉(zhuǎn)波形，第四條是開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)波形由圖中可看出一旦時(shí)控電路翻轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)管就馬上截止同步調(diào)整管打開(kāi)，感開(kāi)始釋放能量，當(dāng)電感中反向電流達(dá)到0mA左右時(shí)NEGIM 比較器翻轉(zhuǎn)，同步調(diào)整管截止這時(shí)就只剩容給電放電直到下一個(gè)周期到來(lái)。下面是當(dāng)輸入是3V輸出壓是2V，負(fù)載是50歐姆時(shí)的波形。19必必 /料份弓分88必186曰1840> 182必18必曰780176必174必Jee4刃 :/IJJ乃e刁3名36必2么36必1必>3e曰必必 AA13599必3598必359703596必15必， 16必rn l7必n， 1.8必n，圖49負(fù)載500歐姆輸入輸出電壓波形圖從圖中可看出紋波起PWM模式有些大。頻率可控制模式這種模式的震蕩頻率，不是由內(nèi)部提供是外接在ADSYNC振蕩源提供的在這種情況下電路工作在PWM模式下，除了振蕩頻率不同，其它的和PWM模式下的狀態(tài)沒(méi)有任何區(qū)別。子科技子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文44特性參數(shù)特性除非特別說(shuō)明外V。+36V，SNCpWMNDVM一+36V，SHDN=困，見(jiàn)表4l;T后oC+85C)表41特性數(shù)名稱 符號(hào) 條件 最小值最大值單位入電壓范圍 Vnn 2.77 5.55 VV出電壓 VttFBOUTVV2V5O=01.1135 1.2855 VV=O巧OOmALIMIN或者IOuTT二0o250nALM=GNDD出電壓范圍 Vff Vnn VV饋電壓 Vbb FBUOTOVVLM%)， 1.2133 1.2855 VV(解2))FB輸入電流 IBB VFB=14VV 500 5OO nAAP溝極限電流 LM=CNDD 0.33 0.99 AALM=NN 0.77 1.66N溝極限電流 SYNCPWM=INBREFF 155 1100 AA態(tài)電流 SYNC/WMGNDVFB=14VLXX 1400 pAA不連接閉電流 /HDN=LXGND不包括LX的漏 OO AA電流蕩頻率 fee 6300 8400 KHZZ考電壓 VFF ref00 1.233 1.2688 VV壓門檻電平UVLOOVIN上升典型延后85mVV2.332.55VV入邏輯高電平Vhh/HDNSYNCPWMMM22VV入邏輯低電平VllSHDNSYNCWMLMM0.44VV入邏輯電流SHDNSYNCWMLMM1111pAA與特性除非特別說(shuō)明外VN=+36V，SNCpWMGND，LM=+36V，SHDN=N，見(jiàn)表42;TA=O+5℃，典型值為A+5℃)表42電特性36第第章 整體路的分析與仿真數(shù)名稱 符號(hào) 條件 最小值典型值最大值單位入電壓范圍 Vnn 77 5.55 VV=27jIOU怡OOFB=OUTVN== 1.199 1.2322 2755出電壓 Vtt FB=OUTVrVnn 12332499.2755 VV27VjVOUT=0600人UM=N或者0盯=ooo250氣L堿=GNDD出壓范圍 V可 Vnn VV饋電壓 V幾 FB5J，1NOx二 1223312499 .2755 VV占空比二23%))形調(diào)節(jié) 占空比二1以飛鄧 11 %%載調(diào)節(jié) o= .33 %%GNDDFB輸入流 陽(yáng) VVV 500 0011 500 AA阻 〕*}vV 3 5 Q阻 〕}Vv 5 8 盈lPrr LGNDD 0.755 1.22 1555 飛公 V玲=lvv 4500 8500 16000~人以lJ‘ SYNC尸仇咖卜INFBREFF 00 500 1000 飛激極限電流 00 200 600 AA態(tài)電流 SYNCIWMGNDVFB=144 855 400 AAV連接_關(guān)閉電流 HDN=LG不包括XX 11 00 AA的漏電流 VI=5VVLX=0或5jVV 200 .11 200 AA蕩頻率 fee 500 500 800 KHzz步捕獲范圍 000 0000川ZZ大占空比 dxx 000 %%小占空比 dnn 222 %%考電壓 口 00 1355.255 .2655 VV考負(fù)載調(diào)節(jié) O簇(SOAA 33 55 VV壓門檻電平 UVDD V上升典型延后5VV .33 44 2.55 VV入邏輯高電平 V還 HDNSYNC/UMM 22 VV入邏輯低電平 V公 HDNSYNCUMM 044 VV入邏輯電流 HDNSYNCVMUMM 11 0.11 11 AASYNC最小脈寬 高、低平 5000 nSS37子科技大學(xué)工程子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第五章版圖的設(shè)計(jì)51BCMOS工藝的設(shè)計(jì)該芯片采用是12um的ICMOS工藝由于芯片要求精度很高所以要求工藝在加工電阻時(shí)誤差要盡可能的小和工藝線溝通知道加工電阻時(shí)有0%的誤差，這樣對(duì)此芯片中的基準(zhǔn)電壓源，偏置電路及震蕩源電路等很重要的模塊都有影響，導(dǎo)致輸出誤差。解決此問(wèn)題的唯一方法是對(duì)重要的電阻進(jìn)行修調(diào)。我們準(zhǔn)備用燒斷鋁條的方法進(jìn)行修調(diào)，要嚴(yán)格加以控制。另外芯片內(nèi)部要求把功率地PGND和邏輯地GND進(jìn)行隔絕，保證模塊的功能，功率管的隔絕是用NPLUG和BLN實(shí)現(xiàn)的這里要特別注意此外還有功率管的漏電流單位鋁條電流需要特別重視。其中電阻采用高阻多晶硅電阻方塊阻值為ZK溫度系數(shù)200Ppm精度為0%電容有兩種分別是多一Pbse電容和多一Npg電容其中Pbse電容的下極板是Pbse上極板多晶硅;Npg電容的Npg極板坐下極板接電源，多晶硅作為另一極板。兩種電容的單位容值都是125umZ。52版圖的設(shè)計(jì)技術(shù)521雙極性晶體管的設(shè)計(jì)a罵竺圖51BCMOS工藝中雙極晶體管結(jié)構(gòu)圖第五章第五章版圖的設(shè)計(jì)522MOS晶體管的設(shè)計(jì)﹃ 伽 l:，I5 G O ﹄WLLNT陽(yáng)P翔B圖5ZBCMOS工藝中MOS晶體管結(jié)構(gòu)圖523設(shè)計(jì)規(guī)則表5IN+埋層設(shè)計(jì)規(guī)則項(xiàng) 目 描 述 最小尺寸(m).1 寬度 4.0.2 槽的寬度 6.0.3 間距 20.0表5ZNTub設(shè)計(jì)規(guī)則項(xiàng) 目 描 述 最小尺寸(m).1 寬度 4.0.2 槽的寬度 2.8.3 2.3.1間距Porr 6.00b2.3.2 CmOSS 4.55.4 BLN包含在Nub內(nèi) 4.0.5 Nb和不在它內(nèi)部的BLN的間距 60表53N阱設(shè)計(jì)規(guī)則項(xiàng) 目 描 述 最小尺寸(m).1 寬度 2.4.2 槽的寬度 4.8子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文.3 間距3.3.1 bPorr 8. 003.3.2 ComSS 6. 55.4 BLN包含在NWELL內(nèi) 3.0. 5 N阱包含Nb 內(nèi) 1. 0. 6 N阱和不在它內(nèi)部的BLN的間距 7.0表54P型襯底設(shè)計(jì)規(guī)則項(xiàng) 目 描 述 最小尺寸(m).1 寬度 1.2.2 槽的寬度 2.5.3 間距 5.0.4 Pbae包含NTUB 7.0.5 Pbe和不在他內(nèi)部的Nub的間距 1.0，6 be和Pg的間距 8.0.7 Pbae和不在他內(nèi)部的Nwel的間 2.0巨表5SN設(shè)計(jì)規(guī)則項(xiàng) 目 描 述 最小尺寸(m)0.1 寬度 2.80.2 N+包含AA 1.00.3 Pbae包含N+ 1.20.4 Pbae和N+的距離 4.50.5051對(duì)COMSN+和P+的距離 8052在Pbae內(nèi)N+和P+的距離 1第第五章版圖的設(shè)計(jì)524整體版圖設(shè)計(jì)州戮】耀圖53版圖版圖大小:22mx1m(不計(jì)劃片槽)表56版圖各層次與GDSn層號(hào)對(duì)應(yīng)表GD511LayerNumbers次 層名 GD5層號(hào)1 } BLN I 122 NUbb 223 } Nwl l 34 1 Npu只 } 45 1 Pbae } 566 HIPOO 667 } Pv } 78 l ent } 89 1 Mz { 90 } Va l 0111 Mea122 1114 . Fd ! 417 11 AtVee 1778 } Npus } 159 } Ppu: } 90 } PAD I 0電子科技大電子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第六章 典型應(yīng)用61典型應(yīng)用該芯片廣泛應(yīng)用于蜂窩式電話無(wú)繩電話PDA和便攜式終端CPU的輸入輸出供電，筆記本電腦的芯片裝置供電，池設(shè)備l節(jié)in或者3節(jié)NMH/NCd)。晰羚犯姍 我 以 準(zhǔn)洲協(xié)人朝歌倉(cāng)毯 s哪切幼戀鍘公 溉歹圖61典型應(yīng)用原理圖62應(yīng)用信息一、輸出電壓的選擇要在15V與VN之間選擇一個(gè)作為輸出電壓，可以通過(guò)連接FB與輸出和GND之間的分壓電阻來(lái)選擇(如圖2)反饋電阻凡的選擇在SK。~50KQ的范圍。然而R;是由下式給出的:尺R玲T/瑞)] 公式(6l)其中:編=L32V加上一個(gè)與R;并聯(lián)的大約4PF一00pF的小的陶瓷電容(cs)來(lái)補(bǔ)償由于在FB引腳的偏置容量和輸出電容等級(jí)阻抗(EsR:EquvantsesRence)。要得到滿意的紋波電壓就需要選擇與電感電流相符的輸入輸出濾波電容。輸入濾波電容也可以減少電流的峰值和電壓源的噪聲。另外，在輸入端連接一個(gè)低值的等級(jí)電阻(ESR)大的多的電容(建議使用習(xí)0pF)遇見(jiàn)要求輸入紋波與電壓的比率時(shí)，使用大的電容比小的電容更合適。使用以下的特征方程表示最大輸入電流對(duì)比度RMS:第六第六章 典型應(yīng)用JR招一OUTLOUTJN一OT月IN 公式(62)當(dāng)要選擇一個(gè)輸出電容時(shí)，應(yīng)該考慮到輸出紋波電壓并且近似將它作為紋波電流的輸出和輸出電容的等級(jí)阻抗ESR。K“[T珠/2)珠.ERZ 式)其中:Z是輸出電容的等級(jí)阻抗。該款DCDC的環(huán)狀增益是較低的，故需使用一個(gè)較小的、低值的輸出濾波容。高值的輸出濾波電容會(huì)供應(yīng)改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。較低的振蕩頻率需要一個(gè)大的輸出濾波電容。當(dāng)使用PWMFM時(shí)在以上條件之下輸出紋波變高;另外在PFM工作期間使用校驗(yàn)電容來(lái)選擇輕負(fù)載這里推薦使用低值的ESR電容。ESR電容是對(duì)輸出紋波的主要貢獻(xiàn)者(通常在0%以上)。一般的鋁制電解電容都有一個(gè)高的ESR因此應(yīng)該注意避免使用它低值ESR的鋁制電解電容的價(jià)格比較低廉是可以接受的低值ESR的擔(dān)電容更好它為不受空間約束的表面安裝設(shè)計(jì)提供了緊湊的解決方案。注意別超過(guò)擔(dān)電容的紋波電流速率。陶器電容器在總體上有最低的ESR高值電解型的05CON電容器也有最低的ESR。該款DCDC一般需要使用陶瓷或05CON電容器;在高可靠性或?qū)挏囟确秶膽?yīng)用中考慮使用陶器或05CON電容器這樣做在費(fèi)用開(kāi)銷上是合理緊湊的。當(dāng)使用很低的ESR(如:陶器或05CON電容器)時(shí)，在驗(yàn)證負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)應(yīng)檢查它們的相對(duì)穩(wěn)定性。輸出電容通過(guò)保證那個(gè)有最小的電容量值和最大ESR值決定的，如下:q>2a+T嶸NT棍) 式)R。<~ ) 式5)其中:c:是輸出濾波電容，vE;是內(nèi)部的15V的參考電壓，VNm是最小的輸入電壓(7V)，sNE是內(nèi)部的01的靈敏電阻，C是內(nèi)部的振蕩頻率(典型值為70KH)。這個(gè)方程提供了一種最小的必要條件C:的值是由極限占空比的工作而需要增加的。下表提供幾種推薦的使用在不同的外部同步頻率下的電感線圈和電容器值。表61推薦電感子子科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文出電壓 電感值 推薦電感圍(V) LuH)CoileraftDO16OSC1033125255 1OO SumidaCD431000SumidaCD541000TDKNLC322522IOOTT25400 222 SumidaCD432200SumidaCD54220040555 333 SumidaCD432200SumidaCD542211表62推薦電容造商的部分產(chǎn)品序號(hào) 類型 ESR(m幾))VX 擔(dān) 150TPSD476