电流模式DCDC同步降压芯片的设计与实现
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Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）模式选择单元以及ＰＦＭ驱动等功能。我们利用Ｍａｔｌａｂ分析了系统的 传输函数，增加了系统的稳定性，并优化了部分单元电路的结构。然后通过详细 的仿真测试，保证了电路结构的正确性。随后，我们完成了整个芯片版图的布图 工作，并将ＧＤＳＩＩ文件提交至晶圆厂流片。最后，我们对流片后的工程样片做了
１．４系统设计目标
本设计采用ＣＳＭＣ ＤＰＴＭ
０．５岬工艺进行仿真，并参加华润上华ＭＰＷ流片。
本产品的设计目标为：
工作电压：２．５．５．５ｖ 参考电压：０．６ｖ
ＰＷＭ工作频率：１．５ＭＨｚ
峰值电流：１．８Ａ 效率：＞７５％ 芯片面积：＜ｌｍｍ２ 静态电流：＜ｌｍＡ
７．要求良好的散热解决方案；
１．３本文所做的工作
本论文所要设计的芯片主要针对于使用单个锂电池供电（２．５Ｖ０５．５Ｖ）便携式
设备（包括智能手机，微处理器、ＤＳＰ内核供电，无线、ＤＳＬ猫，ＰＤＡ，ＭＰ３
播放器等），输出电压可低至０．６Ｖ的高效率降压直流变换芯片。高效率（７５％以
上）和成本优势是本设计的主要考虑。本论文的结构如下： 第一章为前言部分，主要介绍电源管理技术的背景知识和本论文的工作。 第二章介绍开关电源的系统知识，对本论文所采用的技术进行了较详细的阐 述，并且给出了本论文所设计芯片的系统框图。
ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔｓ．
ｐａｐｅｒ，ｗｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ
ｍａｉｎ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈａｔ ｃａｕｓｅ ｔｈｅｓｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｓｏｍｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙ
Ｗｏｒｄｓ：ＳＭＰＳ，Ｂｕｃｋ，ＰＷＭ，ＰＦＭ
Ⅱ
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ丽ｔ１１ Ｍａｔｌａｂ．Ｗｉｔｈ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ
ｃｏｒｒｅｃｔ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｆｔｅｒ
ｂｏｃｋｓ ａｎｄ
ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｅ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｍｉｓｅ ａ
ｎ１她ｗｅ
ｈａｖｅ ｌａｉｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｈｉｐ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｗｅ ｈａｖｅ ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ
理芯片时主要考虑： １）性能指标； ２）成本；
３１外围电路复杂度； 因此满足某类系指标的价格最低廉的电源管理芯片往往都会成为市场热捧 的对象。
１．２单片电源技术的分类和发展现状
单片电源技术主要可以分为以下几大类：
◆线性ＬＤＯ
●开关电容转换器（电荷泵） ●开关电源
电子科技大学硕士学位论文
目前国内的ＩＣ设计不论是从人才还是技术储备上都和国外有很大的差距。
ＰＷＭ ｍｏｄｅｌ．
ａｒｅ
Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｉｓ ｅｈｉｐ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｂｕｔ，ｔｈｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｏｍｅ
Ｉｎ ｔｈｉｓ
ｆｌａｗｓ．Ｔｈｅ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｏｍｅｗｈａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ
ｄｉａｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ．Ａｔ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｈａｖｅ ｔａｌｋ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ
ｄａｔａ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｈａｓ Ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｖｅ
ａｎｄ ｈｉ｝ｇｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ Ｍｏｄｅｌ ＤＣ－ＤＣ Ｂｕｃｋ
ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｉｓ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｓ ａｔ ｔｈｉｓ
ｇｅｔｔｉｎｇ ｂｉｇｇｅｒ．Ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ：Ｃｕｒｒｅｎｔ
ｍａｒｋｅｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致诩，的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
第三章对系统主要子电路进行分析，包括：施密特触发器，低温漂ｂａｎｄｇａｐ， ＰＯＲ电路，振荡器电路，误差放大器电路，斜波补偿电路，ＰＷＭ／ＰＦＭ选择电
２
第一章前言
路，驱动电路等模块，并对各模块进行数学推导和仿真验证。并在本章的最后进 行了完整电路的联合仿真。 第四章主要是完成对电路版图的设计，并讨论了相关的布图规则和技巧以及 分析了带隙基准源和ＥＳＤ保护电路的版图布局。在本章的最后对流片后的芯片做 了比较初步的测试，给出了测试结果。 在论文的最后部分，我们对本论文所做的工作做了总结，并对系统的不足之 处做了分析。
ｔｈｅ ＧＤＳＩＩ ｆｉｌｅ ｓａｍｐｌｅ ｃｈｉｐｓ．
ｔｏ
ｔｈｅ ｆｏｕｎｄｒｙ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｗｅ ｈａｖｅ ｄｏｎｅ ｓｏｍｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ＤＣ．ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ
签名：
盛。露
日期：加了年午月ｔ３日
关于论文使用授权的说明
．
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
电子科技大学 硕士学位论文 电流模式DC/DC同步降压芯片的设计与实现 姓名：陈君 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：兰家隆 20090501
摘要
摘要
开关电源是通过控制开关晶体管的开通与关断时间比来精确控制输出电压 的一种可靠高效的电源。随着消费类特别是移动电子产品对于电池寿命的要求越 来越高，开关电源的市场也越来越大。本文所设计的电路：电流模式ＤＣ．ＤＣ降 压芯片，正是针对这一市场需求设计的高效低成本芯片。 本课题的设计工作首先是完成了对参考芯片版图的提取，整理，并对参考芯 片结构进行了改进，增加了ＰＷＭ／ＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／Ｐｕｌｓｅ
本设计采用目前较为廉价的ＣＳＭＣ ０．５０ｍ ＤＰＴＭ工艺以节约成本，在设计上 采用ＰＷＭ和ＰＦＭ混合控制模式，以在大的负载范围内获得较高的效率。从流片 结果可以看出系统可以工作在１．６Ｖ－５．５Ｖ的宽输入电压范围，最大输出负载电流 亦可到４００ｍＡ，ＰＷＭ时开关频率为１．５ＭＨｚ。工作效率可在ＰＦＭ模式下达到７５％ 以上，ＰＷＭ模式下达到８０％以上。 从流片后的测试结果可看出，系统基本实现了预设功能。但系统还存在一些 缺陷，测试结果同仿真结果有一些差异。论文也分析了问题存在原因，并给出了 改进的方法。
初步的测试。
本论文首先分析了ＤＣ．ＤＣ电源芯片的背景资料和相关系统知识，讨论了各 种方案的优劣性，并对各主要模块进行了较详细的介绍，给出了相关的仿真和测 试数据。我们同时也介绍了版图设计的注意事项和给出了完整的系统版图。在论 文最后我们给出了流片后芯片的实际测试数据，针对测试数据和仿真数据做了对
比，并给出了结论。
但是电源管理芯片由于其技术门槛较低，市场需求旺盛等特点，很容易成为国内 初创ＩＣ公司进入市场的敲门砖。因此在技术上来说，国内的ＩＣ公司已能够自己 独立开发绝大多数的用在便携设备上的低压电源管理芯片。而且国内的ＩＣ公司由 于其运营成本较低，其设计的ＩＣ产品往往具有很强的价格优势，所以在低端的电 源管理芯片中，中国的产品往往一枝独秀。然而在高端产品中（如高速器件，低 功耗器件等）中，国外公司由于有非常丰富的经验积累，又有专利保护，国内的
１．１单片电源产品的市场前景
近年来，尽管半导体产业进入行业发展周期的低谷，电源管理产品却呈现了 快速增长趋势。这一增长主要来自于所有的电子产品都需要电源供电，而不同的 电子产品对供电系统的要求都不尽相同。因此电源管理产品市场是一个庞大而分 类复杂的市场。据Ｄａｔａｂｅａｎｓ在２００７年的预测在未来五年，电源管理市场将达到 ３２４亿美元，占到整个半导体市场的７％。在未来五年，电源集成电路的销售额预 计以１１％的年平均增长率发展，而分立电源产品的销售额增长预计仅为８嘣２１。 目前市场上已经存在很多种类的电源管理芯片，便携设备厂商在选择电源管
ｃｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｗｅｌｌ
ｗｏｒｋｉｎｇ
ａｔ １．６－５．５ｖ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．
Ｔｈｅ ｌａｓｔ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｉｓ ａｂｏｕｔ
４００ｍＡ．Ｔｈｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｉｓ
１．５ＭＨｚ．Ｔｈｅ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｉｓ ７５％ａｎｄ ａｂｏｖｅ ａｔ ＰＦＭ ｍｏｄｅｌ，８０％ａｎｄ ａｂｏｖｅ ａｔ
Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ｊｏｂ
ｂｅｇｉｎｓ ｗｉｔｈ ｃｈｉｐ ｄｉａｇｒａｍ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
ａｎｄ ｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｗｅ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｃｈｉｐ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ
ＰＦＭ／ＰＷＭ
ｓｅｌｅｃｔｏｒ，
ＰＦＭ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｓｏｍｅ ｂｌｏｃｋｓ．Ｗｅ ｈａｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
关键词：开关电源，降压，ＰＦＭ，ＰＷＭ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ（ＳＭＰＳ）ｉｓ
ａ
ｈｉｇｈ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂｙ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ａｎｄ ｏｆｆ ｔｉｍｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ａｓ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｃｕｓｔｏｍｅｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｇｒｅｗ ｈｉｇｈｅｒ
ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ．
ｓａｖｉｎｇ．Ａ
ａ
ｕｓｅｄ
ｔｈｅ ＣＳＭＣ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０．５岬ＤＰＴＭ
ｂｅｅｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｓｔ
ＰＷＭ／ＰＦＭ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｈｙｂｒｉｄ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｈａｓ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ
ｆｏｒ ｇａｉｎｉｎｇ
ｌｌｉｇｌｌ
ａｔ ａ ｗｉｄｅ ｌｏａｄ ｒａｎｇｅ．Ｏｕｒ ｃｈｉｐ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎｄ
ａｌｓｏ
ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｗｅ
ｈａｖｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｅｎ ｙｏｕ ｌａｙｏｕｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｈｉｐ ｌａｙｏｕｔ
日期叫年川多日
第一章前言
第一章前言
电源管理芯片，特别是高效的开关电源直流转换芯片在消费类产品中的应用 越来越广泛。近年来，随着手持设备的功能越来越强大，对于电池容量的要求越 来越高，对于供电系统的转换效率要求也越来越高。此外诸如手机，ＰＤＡ，ＧＰＳ 等通讯设备中，供电系统还需要考虑电池负载的突变（比如从待机状态突然进入 工作状态）情况，这就要求供电系统有快速响应能力【ｌ】。正是由于电子产品对于 供电系统的要求越来越高，电源管理芯片的也在持续不断的发展。
２．提高芯片的工作频率，以便使用更小的周边电路器件；
３．将周边电路的被动器件整合集成在芯片和ＰＭＵ，ＬＭＵ之中，使最终产品
的设计选用更方便，使用面积更小、使用成本更低廉；
４．优良的抗干扰和低噪音性能，多芯片可编程控制的睡眠／工作模式； ５．芯片封装趋向超薄、超小，节省使用面积和空间；
６．追求更高的效率；
设计公司目前还很难突破。但是相信随着国内的ＩＣ人才的不断成长和国内ＩＣ设 计公司的不断成熟，这一现象会有所改观。电源管理芯片也将成为中国ＩＣ设计公 司走向世界舞台的踏脚石【３】。 用于便携设备的电源管理芯片的发展主要还是围绕着实际应用范围进行的， 主要有以下几个发展趋势【４】： １．多种电源功能芯片的整合集成，如ＰＭＵ，ＬＭＵ；
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）模式选择单元以及ＰＦＭ驱动等功能。我们利用Ｍａｔｌａｂ分析了系统的 传输函数，增加了系统的稳定性，并优化了部分单元电路的结构。然后通过详细 的仿真测试，保证了电路结构的正确性。随后，我们完成了整个芯片版图的布图 工作，并将ＧＤＳＩＩ文件提交至晶圆厂流片。最后，我们对流片后的工程样片做了
１．４系统设计目标
本设计采用ＣＳＭＣ ＤＰＴＭ
０．５岬工艺进行仿真，并参加华润上华ＭＰＷ流片。
本产品的设计目标为：
工作电压：２．５．５．５ｖ 参考电压：０．６ｖ
ＰＷＭ工作频率：１．５ＭＨｚ
峰值电流：１．８Ａ 效率：＞７５％ 芯片面积：＜ｌｍｍ２ 静态电流：＜ｌｍＡ
７．要求良好的散热解决方案；
１．３本文所做的工作
本论文所要设计的芯片主要针对于使用单个锂电池供电（２．５Ｖ０５．５Ｖ）便携式
设备（包括智能手机，微处理器、ＤＳＰ内核供电，无线、ＤＳＬ猫，ＰＤＡ，ＭＰ３
播放器等），输出电压可低至０．６Ｖ的高效率降压直流变换芯片。高效率（７５％以
上）和成本优势是本设计的主要考虑。本论文的结构如下： 第一章为前言部分，主要介绍电源管理技术的背景知识和本论文的工作。 第二章介绍开关电源的系统知识，对本论文所采用的技术进行了较详细的阐 述，并且给出了本论文所设计芯片的系统框图。
ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔｓ．
ｐａｐｅｒ，ｗｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ
ｍａｉｎ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈａｔ ｃａｕｓｅ ｔｈｅｓｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｓｏｍｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙ
Ｗｏｒｄｓ：ＳＭＰＳ，Ｂｕｃｋ，ＰＷＭ，ＰＦＭ
Ⅱ
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ丽ｔ１１ Ｍａｔｌａｂ．Ｗｉｔｈ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ
ｃｏｒｒｅｃｔ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｆｔｅｒ
ｂｏｃｋｓ ａｎｄ
ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｅ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｍｉｓｅ ａ
ｎ１她ｗｅ
ｈａｖｅ ｌａｉｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｈｉｐ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｗｅ ｈａｖｅ ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ
理芯片时主要考虑： １）性能指标； ２）成本；
３１外围电路复杂度； 因此满足某类系指标的价格最低廉的电源管理芯片往往都会成为市场热捧 的对象。
１．２单片电源技术的分类和发展现状
单片电源技术主要可以分为以下几大类：
◆线性ＬＤＯ
●开关电容转换器（电荷泵） ●开关电源
电子科技大学硕士学位论文
目前国内的ＩＣ设计不论是从人才还是技术储备上都和国外有很大的差距。
ＰＷＭ ｍｏｄｅｌ．
ａｒｅ
Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｉｓ ｅｈｉｐ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｂｕｔ，ｔｈｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｏｍｅ
Ｉｎ ｔｈｉｓ
ｆｌａｗｓ．Ｔｈｅ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｏｍｅｗｈａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ
ｄｉａｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ．Ａｔ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｈａｖｅ ｔａｌｋ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ
ｄａｔａ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｈａｓ Ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｖｅ
ａｎｄ ｈｉ｝ｇｌｌｅｒ，ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ Ｍｏｄｅｌ ＤＣ－ＤＣ Ｂｕｃｋ
ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｉｓ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｓ ａｔ ｔｈｉｓ
ｇｅｔｔｉｎｇ ｂｉｇｇｅｒ．Ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ：Ｃｕｒｒｅｎｔ
ｍａｒｋｅｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致诩，的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
第三章对系统主要子电路进行分析，包括：施密特触发器，低温漂ｂａｎｄｇａｐ， ＰＯＲ电路，振荡器电路，误差放大器电路，斜波补偿电路，ＰＷＭ／ＰＦＭ选择电
２
第一章前言
路，驱动电路等模块，并对各模块进行数学推导和仿真验证。并在本章的最后进 行了完整电路的联合仿真。 第四章主要是完成对电路版图的设计，并讨论了相关的布图规则和技巧以及 分析了带隙基准源和ＥＳＤ保护电路的版图布局。在本章的最后对流片后的芯片做 了比较初步的测试，给出了测试结果。 在论文的最后部分，我们对本论文所做的工作做了总结，并对系统的不足之 处做了分析。
ｔｈｅ ＧＤＳＩＩ ｆｉｌｅ ｓａｍｐｌｅ ｃｈｉｐｓ．
ｔｏ
ｔｈｅ ｆｏｕｎｄｒｙ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｗｅ ｈａｖｅ ｄｏｎｅ ｓｏｍｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ＤＣ．ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ
签名：
盛。露
日期：加了年午月ｔ３日
关于论文使用授权的说明
．
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
电子科技大学 硕士学位论文 电流模式DC/DC同步降压芯片的设计与实现 姓名：陈君 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：兰家隆 20090501
摘要
摘要
开关电源是通过控制开关晶体管的开通与关断时间比来精确控制输出电压 的一种可靠高效的电源。随着消费类特别是移动电子产品对于电池寿命的要求越 来越高，开关电源的市场也越来越大。本文所设计的电路：电流模式ＤＣ．ＤＣ降 压芯片，正是针对这一市场需求设计的高效低成本芯片。 本课题的设计工作首先是完成了对参考芯片版图的提取，整理，并对参考芯 片结构进行了改进，增加了ＰＷＭ／ＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／Ｐｕｌｓｅ
本设计采用目前较为廉价的ＣＳＭＣ ０．５０ｍ ＤＰＴＭ工艺以节约成本，在设计上 采用ＰＷＭ和ＰＦＭ混合控制模式，以在大的负载范围内获得较高的效率。从流片 结果可以看出系统可以工作在１．６Ｖ－５．５Ｖ的宽输入电压范围，最大输出负载电流 亦可到４００ｍＡ，ＰＷＭ时开关频率为１．５ＭＨｚ。工作效率可在ＰＦＭ模式下达到７５％ 以上，ＰＷＭ模式下达到８０％以上。 从流片后的测试结果可看出，系统基本实现了预设功能。但系统还存在一些 缺陷，测试结果同仿真结果有一些差异。论文也分析了问题存在原因，并给出了 改进的方法。
初步的测试。
本论文首先分析了ＤＣ．ＤＣ电源芯片的背景资料和相关系统知识，讨论了各 种方案的优劣性，并对各主要模块进行了较详细的介绍，给出了相关的仿真和测 试数据。我们同时也介绍了版图设计的注意事项和给出了完整的系统版图。在论 文最后我们给出了流片后芯片的实际测试数据，针对测试数据和仿真数据做了对
比，并给出了结论。
但是电源管理芯片由于其技术门槛较低，市场需求旺盛等特点，很容易成为国内 初创ＩＣ公司进入市场的敲门砖。因此在技术上来说，国内的ＩＣ公司已能够自己 独立开发绝大多数的用在便携设备上的低压电源管理芯片。而且国内的ＩＣ公司由 于其运营成本较低，其设计的ＩＣ产品往往具有很强的价格优势，所以在低端的电 源管理芯片中，中国的产品往往一枝独秀。然而在高端产品中（如高速器件，低 功耗器件等）中，国外公司由于有非常丰富的经验积累，又有专利保护，国内的
１．１单片电源产品的市场前景
近年来，尽管半导体产业进入行业发展周期的低谷，电源管理产品却呈现了 快速增长趋势。这一增长主要来自于所有的电子产品都需要电源供电，而不同的 电子产品对供电系统的要求都不尽相同。因此电源管理产品市场是一个庞大而分 类复杂的市场。据Ｄａｔａｂｅａｎｓ在２００７年的预测在未来五年，电源管理市场将达到 ３２４亿美元，占到整个半导体市场的７％。在未来五年，电源集成电路的销售额预 计以１１％的年平均增长率发展，而分立电源产品的销售额增长预计仅为８嘣２１。 目前市场上已经存在很多种类的电源管理芯片，便携设备厂商在选择电源管
ｃｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｗｅｌｌ
ｗｏｒｋｉｎｇ
ａｔ １．６－５．５ｖ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．
Ｔｈｅ ｌａｓｔ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｉｓ ａｂｏｕｔ
４００ｍＡ．Ｔｈｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｉｓ
１．５ＭＨｚ．Ｔｈｅ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｉｓ ７５％ａｎｄ ａｂｏｖｅ ａｔ ＰＦＭ ｍｏｄｅｌ，８０％ａｎｄ ａｂｏｖｅ ａｔ
Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ｊｏｂ
ｂｅｇｉｎｓ ｗｉｔｈ ｃｈｉｐ ｄｉａｇｒａｍ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
ａｎｄ ｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｗｅ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｃｈｉｐ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ
ＰＦＭ／ＰＷＭ
ｓｅｌｅｃｔｏｒ，
ＰＦＭ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｓｏｍｅ ｂｌｏｃｋｓ．Ｗｅ ｈａｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
关键词：开关电源，降压，ＰＦＭ，ＰＷＭ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ（ＳＭＰＳ）ｉｓ
ａ
ｈｉｇｈ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂｙ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ａｎｄ ｏｆｆ ｔｉｍｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ａｓ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｃｕｓｔｏｍｅｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｇｒｅｗ ｈｉｇｈｅｒ
ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ．
ｓａｖｉｎｇ．Ａ
ａ
ｕｓｅｄ
ｔｈｅ ＣＳＭＣ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０．５岬ＤＰＴＭ
ｂｅｅｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｓｔ
ＰＷＭ／ＰＦＭ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｈｙｂｒｉｄ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｈａｓ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ
ｆｏｒ ｇａｉｎｉｎｇ
ｌｌｉｇｌｌ
ａｔ ａ ｗｉｄｅ ｌｏａｄ ｒａｎｇｅ．Ｏｕｒ ｃｈｉｐ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎｄ
ａｌｓｏ
ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｗｅ
ｈａｖｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｅｎ ｙｏｕ ｌａｙｏｕｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｈｉｐ ｌａｙｏｕｔ
日期叫年川多日
第一章前言
第一章前言
电源管理芯片，特别是高效的开关电源直流转换芯片在消费类产品中的应用 越来越广泛。近年来，随着手持设备的功能越来越强大，对于电池容量的要求越 来越高，对于供电系统的转换效率要求也越来越高。此外诸如手机，ＰＤＡ，ＧＰＳ 等通讯设备中，供电系统还需要考虑电池负载的突变（比如从待机状态突然进入 工作状态）情况，这就要求供电系统有快速响应能力【ｌ】。正是由于电子产品对于 供电系统的要求越来越高，电源管理芯片的也在持续不断的发展。
２．提高芯片的工作频率，以便使用更小的周边电路器件；
３．将周边电路的被动器件整合集成在芯片和ＰＭＵ，ＬＭＵ之中，使最终产品
的设计选用更方便，使用面积更小、使用成本更低廉；
４．优良的抗干扰和低噪音性能，多芯片可编程控制的睡眠／工作模式； ５．芯片封装趋向超薄、超小，节省使用面积和空间；
６．追求更高的效率；
设计公司目前还很难突破。但是相信随着国内的ＩＣ人才的不断成长和国内ＩＣ设 计公司的不断成熟，这一现象会有所改观。电源管理芯片也将成为中国ＩＣ设计公 司走向世界舞台的踏脚石【３】。 用于便携设备的电源管理芯片的发展主要还是围绕着实际应用范围进行的， 主要有以下几个发展趋势【４】： １．多种电源功能芯片的整合集成，如ＰＭＵ，ＬＭＵ；