BUCK型DCDC变换器中保护电路的设计.pdf-资料库

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西南交通大学硕士学位论文BUCK型DC-DC变换器中保护电路的设计姓名：刘宇星申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：冯全源20090501

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要随着电子技术的不断发展，电子设备的功能日趋全面完善，对电源提出的要求也越来越高。由于具有高集成度、高性价比、外围电路简单、高效率等优点，单片开关电源已经广泛应用于众多便携式电子产品中。本文分析了一款可广泛应用于分布式系统、网络通信设备、绿色电气设备和笔记本电脑的降压型(BUCK)直流(DC—DC)开关变换器，并着重分析和设计了其中的保护电路部分。保护电路主要由两个电路模块构成：欠压保护电路和过压保护电路。对芯片的保护功能主要体现在以下两方面：一、欠压保护电路在输入电压过低时，给出控制信号，关断芯片，防止芯片工作异常，在输入电压有一定波动的情况下，具有一定的迟滞效应，防止误关断的发生，当芯片的输入电压过高时，内部稳压接口电路能提供稳压功能，保护内部控制电路正常工作；二、过压保护电路对输出电压进行监控，当输出电压过高时，给出控制信号，及时拉低输出电压，保护负载，在输出信号传输通路中，引入了适当的响应延时，能有效的抑制电压毛刺所引起的误触发。芯片采用了0．6umHV-BCD工艺制成，适用于4．75V-23V的宽范围输入，采用电流控制模式，工作频率为340kHz。本文首先对BUCK型DC—DC变换器的相关原理和应用于单片开关电源的常用保护电路进行了介绍。基于0．6umHV-BCD工艺，设计了一种应用于降压型直流开关电源的保护电路，保护电路包括以下两个电路子模块：欠压保护电路、过压保护电路。由于开关电源的应用输入范围较宽，所以在电路中采用了新型的内部稳压接口电路，对电平进行了适当的转换，从而使其既能够满足内部控制模块的低压应用需要，同时兼顾保护电路的设计需求。在过压保护电路中，通过设置延时电路，解决了输出电压所引入得电压毛刺所造成的芯片误关断问题。本文是电路理论与仿真实践相结合的结果。在分析电路原理的基础上，运用HSPICE仿真软件对保护电路的各个子电路模块和整体性能进行了功能和性能参数的仿真验证，仿真结果良好。关键词DC．DC变换器；保护电路；欠压保护；过压保护

西南交通大学硕士研究生学位论文第1l页AbstractWiththerapiddevelopmentofelectronictechnology,thefunctionofvariouselectronicequipmentsismaturingdayafterday，thereforetherequirementforthepowersupplyisbecominghigherandhigher．Becauseofitsremarkableadvantagesofhighlyintegrated，cost—effective，simpleperipheralcircuitsandhigherefficiencycomparedwimconventionalpower,thesingle—chipswitchingpowersupplyiswidelyappliedinlargenumberkindsofportableelectronicdevices．ThispaperaimsatakindofswitchingmodeDC—DCpowersupplychipwhichcailbewidelyusedinthedistributedsystems，networkingsystems，greenelectronicappliancesandnotebookcomputers，andanalysesanddesignstheprotectioncircuitforthechip．On—chipprotectioncircuitsfunctionsincludethefollowingaspects：First，undervoltageprotection(UVP)workswhentheinputvoltageislowerthanthelevelwhichthechipCanworknormal，itgeneratescontrolsignalstoturnoffthechipandpreventitfromworkingabnormal，consideredtheinputvoltagemayhavefluctuations，circuithasthehystereticeffecttopreventfa．1seturn—offoccurrence；second，bymonitoringtheoutputvoltagewhentheoutputvoltageistoohi．gh，overtemperatureprotect(OVP)generatescontrolsignals，throughthefollow—upcontrollogiccircuit，topulldowntheoutputvoltageandprotecttheload．Theappropriateresponsedelaycanavoidfalseturn-offwhichisgeneratedbyoutputvoltageglitch。Theconveneruses0．6／nnHV-BCDprocess，inputrangeis4．75V～23Kusingcurrentcontrolmode，theoperatingfrequencyiS340kHz．ThisdissertationintroducesthebasicprinciplesandprotectioncircuitappliedintheBUCKconvenerfirst．Basedonthe0．6urnprocess．akindofprotectioncircuitappliedintheBUCKDC—DChasbeendesigned，thecircuitincludestwomodules：UVPandOVP．Becauseofthewideinputrange，anewinterfacecircuithasbeendesigned．ItcanchangetheinputvoltageproperlytofittheUVPmoduledemandandprotecttheinternalcontrolcircuit．IntheOVPmoduleaproperdelayhasbeendesignedtopreventthefalseturn—offoccurrencewhichiscausedbytheoutputvoltageglitch。Thisdissertationisacombinationofcircuitprinciplesandsimulationpractice．Basedontheanalysisofthecircuitprinciple，thesimulationoftheprotectioncircuits

西南交通大学硕士研究生学位论文第lIl页andthesubblockcircuitsis‘donebyapplyingtheEDAtoolsHSPICE．Thekeyparametersoftheprotectioncircuitaleverifiedbythesimulationresults．KeywordsDC·DCconverter；protectioncircuit；UVP：OVP

西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：本文基于0．6umHV-BCD工艺，设计了一种应用于降压型直流开关电源的保护电路，保护电路包括以下两个电路子模块：欠压保护电路、过压保护电路。由于开关电源的应用输入范围较宽，所以在电路中采用了新型的内部稳压接口电路，对电平进行了适当的转换，从而使其既能够满足内部控制模块的低压应用需要，同时兼顾保护电路的设计需求。在过压保护电路中，通过设置延时电路，解决了输出电压所引入得电压毛刺所造成的芯片误关断问题。学位论文作者签名：纠孚竖日期：口岁．乒·罗

西南交通大学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，同意学校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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保翻彩使用本授权书。(请在以上方框内打“扩)学位论文作者签名：吾1字星指导老师签名：溯全澎分日期：矽，‘岁日期：矽．二-夕

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章引言作为各种电子设备中不可缺少的重要组成部分，电源的性能优劣与电子设备的各项技术指标和可靠性息息相关。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源【l】。保护电路则是开关电源中的一个不可或缺的重要组成部分，它可以提高产品的可靠性，使电源在恶劣的条件下正常工作，对保障整个电子设备的系统安全起着至关重要的作用。有关统计数据表明，模块电源在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件所导致的损坏，正常使用失效的几率很低【2J。因此延长模块电源寿命、提高系统可靠性的重要环节是选择保护功能完善的产品，即在模块电源外部电路出现故障时，模块电源能够自动进入保护状态而不至于永久失效，外部故障消失后应能自动恢复正常。模块电源的保护功能主要包括欠压保护、过压保护、过温保护、软启动等等【3J。1．1课题的背景和研究意义随着电子技术的飞速发展，便携式设备功能日趋完善，相应的设备功耗也越来越大，而电池的发展速度明显不能满足日益增长的功耗需求。为了延长这些设备中电池的工作时间，许多国家的专家都在致力于电源管理技术的研究工作，到目前为止已经取得了许多重大成果14j。目前，电源管理技术已经成为便携式电子产品中必不可少的技术。正是由于采用了先进的电源管理技术，便携式电子产品才得以广泛应用。同时，便携式电子产品的迅速增长也反过来促进了电源管理技术的快速发展。各种各样的便携式电子产品迫切的需求具有更小体积(高功率密度)、高可靠性、高效率和更低成本的电源模块。显然，传统的线性电源系统无论从体积、效率、性能以及可靠性等各方面均已无法达到要求。现在世界各国都在大力研发新型的开关电源，它具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、应用范围广等特点，正渐取代传统的线性电源，成为电子设备电源中的主流产品【引。从国际开关电源市场的情况可以很清楚的看到这一点。1999年，全球开关电源市场的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元，平均年增长率为

西南交通大学硕士研究生学位论文第2页10％【6】。2004年全球半导体市场全面复苏。电源管理占到整个模拟IC市场31．2％的份额【_71。2005年，全球电源管理芯片市场发展趋缓，但国内市场需求旺盛，中国电源管理芯片市场仍然保持较快速度发展，2005年市场规模达210．6亿元，全年实现27．5％的销售额增长率，明显高于全球8．9％的增长水平。2006年我国大陆电源管理芯片市场销售额己达到34亿美元，同比增长30．8％，这个数字大大高于全球12．9％的增长速度，已经占据全球电源管理芯片市场份额的13．7％。随着手机、数码相机、PC电脑以及LCD显示器的普及，2007年继续成为电源管理芯片高速增长的一年。2008年，伴随着奥运会的召开，各类通信应用产品将催生更大的市场商机，预计电源管理芯片市场规模将达到54亿美元，占据全球市场规模的18．3％。目前，中国电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位。其中德州仪器(TI)是最大的供应商，2005年TI公司的电源管理芯片的销售额达到21．8亿元，其市场占有率为10．4％，美国国家半导体科S)、飞兆半导体(Fairchild)、意法半导体(ST)矛fl凌特(Linear)分列市场排名的第二至五位。此外，安森美(OnSemiconductor)、美信(Maxim)、国际整流器(IR)、Intersil以及PowerIntegration也是目前市场中的重要厂商。作为电源管理的一个重要组成部分，保护电路已经受到人们越来越多的重视。安森美公司在近期推出了新型的过压保护集成电路NCP345，美信公司则推出了同类型的MAX4843系列产品博J。随着许多高新技术的发展，包括高频开关技术、软启动技术、同步整流等等，开关电源技术在不断的创新pJ。由此不可避免的对保护电路在原有的性能基础上提出了许多新的要求，比如说根据不同的应用环境和低功耗的要求，结合芯片的内部控制策略，在某些特定的系统要求下，关断芯片的部分电路以降低芯片的内部功耗或者调低芯片的输出电压以降低系统的整体功耗[10i1M1。浙江大学的大规模集成电路设计中心在2007年提出一种新的功率控制策略，在轻载和重载的不同情况下分别使芯片中不同的电路模块工作，以得到更高的芯片效率，并根据这种控制策略，设计了一种新颖的欠压保护电路【l51。所以针对不同应用环境的不同需求，对芯片的保护电路进行分析和设计是非常有意义和价值的。

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