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系統識別號 U0002-1802201100405900
中文論文名稱 電流模式同步整流降壓轉換器-使用新型死區控制電路
英文論文名稱 Current mode Synchronism Buck Converter with a New Non-overlap Circuit
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 王偉
研究生英文姓名 Wang, Wei
學號 795440048
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-10
論文頁數 159頁
口試委員 指導教授-郭建宏
委員-宋國明
委員-楊淳良
委員-楊維斌
中文關鍵字 降壓  同步整流  死區  切換式電源  交換式電源 
英文關鍵字 DC/DC  Buck  Synchronism  Dead-time  PWM  Current-mode 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文之內容為設計及實現一個高頻切換的直流對直流同步整流降壓轉換器,其中高速切換的特性能縮小電源轉換器的輸出端濾波電感及電容的大小,能迎合現代科技講究的輕薄短小可攜性趨勢而訂定。非常適合用在MP3、PDA及手機等可攜式電子產品上。
高速切換雖然能縮小電源轉換器的輸出端濾波電感及電容的大小,但相對的每單位時間內死區發生的次數也增加。從另一角度分析,當每一週期時間縮短而死區長度不變,也代表死區時間所佔整個週期時間比例變大,這對於整體效率有某種程度的影響,而且隨著切換頻率繼續提升,此一影響也會越來越大。針對此一問題,論文裡提出一個可以偵測死區發生的偵測電路,當死區發生時能傳送出訊號並結束死區狀態。但若轉換器工作在非連續導通模式時,上述方式就不能正常工作,所以提出一個新型死區控制電路,結合新型及傳統的工作方式,使的轉換器能在連續導通模式及非連續導通模式狀態下都能正常動作。
此新型死區偵測電路及新型死區控制電路將透過CIC,使用台灣積體電路(TSMC)的CMOS 0.35um 2P4M 3.3V/5V mixed-mode製程投片驗證,此佈局面積約為1.46mm x 1.46mm,工作電壓範圍為2.4V至3.6V固定輸出1.8V,設計最大輸出電流為600mA。
英文摘要 The content of this paper is to design and implement a high-frequency switching DC-DC synchronous rectifier buck converter, which features that high-speed switching power converters can reduce the output filter inductor and capacitor size and that can pay attention to the light of modern technology to meet portability trend short set. Very suitable for MP3, PDA and mobile phones and other portable electronic products.

Although high-speed switching power converters can reduce the output filter inductor and capacitor size, the relative dead zone per unit time also increases the frequency of occurrence. From another perspective, if each cycle the length of time by the same die area, also on behalf of the dead time percentage share of the larger cycle time, which for the overall efficiency of a certain degree of impact, and continue with the switching frequency upgrade, this impact will grow. For this problem, the thesis proposes a place that can detect dead zone detection circuit when the death occurred can transmit a signal and end when the dead state. However, if the converter operates in discontinuous conduction mode, the method will not work. It presents a new dead zone control circuit, with new and traditional ways of working to make the conversion device in a continuous conduction mode and discontinuous conduction mode state can both operate normally.

The new dead zone detection circuit and the new dead-time control circuit through the CIC, using Taiwan Semiconductor (TSMC) in CMOS 0.35um 2P4M 3.3V5V mixed-mode chip verification process to vote, this layout area of about 1.46mm x 1.46mm, operating voltage range of 2.4V to 3.6V fixed output of 1.8V, maximum output current of the design 600mA.
論文目次 中文摘要......................................... I
英文摘要......................................... II
目錄............................................. III
圖目錄........................................... V

第一章 緒論...................................... 1

1.1 電源轉換器產業分析及前景..................... 1
1.2 研究動機..................................... 2
1.3 論文架構..................................... 3

第二章 切換式電源轉換器基本架構、原理及定義...... 5

2.1 切換式電源轉換器的基本架構................... 5
2.1.1 降壓轉換器................................. 5
2.1.2 升壓轉換器 ................................ 5
2.1.3 升降壓轉換器............................... 7
2.2 切換式電源轉換器的原理與工作模式............. 8
2.2.1 同步整流降壓轉換器之工作原理............... 8
2.2.2 連續導通模式............................... 9
2.2.3 不連續導通模式............................. 11
2.3 切換式電源轉換器各項規格..................... 14
2.3.1 切換式電源轉換器重要規格................... 14
2.4 切換式電源轉換器的效率分析................... 17
2.4.1 切換式電源轉換器之效率定義............. 17
2.4.2 切換式電源轉換器各項損失分析........... 18
2.5 切換式電源轉換器的控制方式................... 20
2.5.1 電壓模式脈波寬度調變................... 20
2.5.2 電流模式脈波寬度調變................... 22
2.5.3 脈波頻率調變........................... 26
2.5.4 脈波寬度/脈波頻率調變.................. 28

第三章 切換式電源轉換器系統架構及穩定度分析...... 30

3.1 切換式電源轉換器系統架構..................... 30
3.2 電壓模式脈波寬度調變之小訊號及穩定度分析..... 30
3.2.1 電壓模式脈波寬度調變電路架構............... 30
3.2.2 電壓模式脈波寬度調變電路小訊號分析......... 31
3.2.3 電壓模式脈波寬度調變電路輸出級的轉移函數推導... 35
3.2.4 脈波寬度調變器與回授網路的轉移函數推導.................... 45
3.2.5 誤差放大器的轉移函數推導及電源轉換器補償設計.............. 47
3.3 電流模式脈波寬度調變之小訊號及穩定度分析................... 51
3.3.1 電流模式脈波寬度調變電路架構............................... 51
3.3.2 電流模式脈波寬度調變電路小訊號分析.......................... 52
3.3.3 脈波寬度調變器的轉移函數推導.............................. 52
3.3.4 電流偵測器的轉移函數推導.................................. 55
3.3.5 前饋增益Kr與Kf轉移函數推導................................. 60
3.3.6 Control to output Gain推導.................................... 64
3.3.7 誤差放大器的轉移函數推導及電源轉換器補償設計.............. 69

第四章 電流模式PWM/PFM降壓轉換器電路設計.............. 73

4.1 電流模式PWM/PFM降壓轉換器電路簡介.................. 73
4.2 能隙電壓參考電路...................................... 74
4.3 鋸齒波產生電路......................................... 78
4.4 電流偵測電路........................................... 81
4.5 斜率補償電路........................................... 83
4.6 軟啟動電路............................................. 85
4.7 零電流偵測電路......................................... 88
4.8 誤差放大電路........................................... 89
4.9 電容放大電路........................................... 90
4.10 功率級................................................ 92
4.11 死區控制電路.......................................... 93
4.12 死區偵測電路.......................................... 96
4.13 脈波寬度調變器....................................... 98
4.14 比較器................................................ 99
4.15 工作模式選擇器....................................... 101
4.16 脈波頻率調變器....................................... 102
4.17 切換頻率展頻電路..................................... 103
4.18 全電路模擬............................................ 108

第五章 電路佈局及靜電保護................................. 114

5.1 電路佈局技巧及注意事項..................................... 114
5.1.1 電流複製電路佈局.......................................... 114
5.1.2 電阻佈局.................................................. 118
5.1.3 電容佈局.................................................. 121
5.1.4 功率晶體佈局.............................................. 124
5.1.5 邏輯元件佈局.............................................. 129
5.2 電路靜電保護方式及注意事項 131
5.2.1 靜電防護規格.............................................. 131
5.2.2 靜電防護測試方式.......................................... 133
5.2.3 靜電防護保護電路.......................................... 135
5.3 Latch-up形成原因及預防方式.................................. 141
5.3.1 Latch-up形成原因........................................... 141
5.3.2 Latch-up測試方式........................................... 142
5.3.3 Latch-up預防方式........................................... 143

第六章電流模式切換式降壓轉換器量測與結論.................. 145

6.1 切換式降壓轉換器測試............................................... 145
6.1.1 切換式電源轉換器周邊零件............... 145
6.1.2 切換式電源轉換器量測....................... 148
6.2 切換式電源轉換器量測結果及檢討................152
6.3 結論與未來展望............................... 152

參考文獻......................................... 158

圖目錄
圖2.1 降壓轉換器基本架構....................................... 6
圖2.2 升壓轉換器基本架構....................................... 7
圖2.3 升降壓轉換器基本架構..................................... 7
圖2.4 同步整流降壓轉換器的架構及控制號......................... 8
圖2.5 電感電流IL及電感電壓VL的波形變化......................... 9
圖2.6 降壓轉換器在T1區間內的簡化電路........................... 10
圖2.7 降壓轉換器在T2區間內的簡化電路........................... 10
圖2.8 電感電流IL及電感電壓VL的波形變化......................... 12
圖2.9 降壓轉換器在T1區間內的簡化電路........................... 12
圖2.10 降壓轉換器在T2區間內的簡化電路........................... 12
圖2.11 降壓轉換器在T3區間內的簡化電路........................... 13
圖2.12 降壓轉換器的負載電流及輸出電壓變化.............. 16
圖2.13 電源轉換器的切換損失..................................... 18
圖2.14a 電壓模式脈波寬度調變基本架構............................. 21
圖2.14b 電壓模式脈波寬度調變波形................................. 21
圖2.15a 電流模式脈波寬度調變基本架構............................. 22
圖2.15b 電流模式脈波寬度調變波形................................. 23
圖2.16a 電流模式次諧波振盪分析................................... 24
圖2.16b 電流模式次諧波振盪....................................... 24
圖2.17a 加入斜率補償............................................. 25
圖2.17b 加入斜率補償後次諧波振盪................................. 25
圖2.18a 脈波頻率調變基本架構..................................... 27
圖2.18b 脈波頻率調變波形......................................... 27
圖2.19 脈波寬度/脈波頻率調變基本架構............................ 28
圖2.20 輸出電流與功率損失比較圖................................. 29
圖3.1 電壓模式脈波寬度調變電路................................. 30
圖3.2 電壓模式脈波寬度調變的系統方圖.......................... 31
圖3.3a 降壓轉換器電路結構....................................... 32
圖3.3b PWM開關................................................ 32
圖3.4 PWM開關的端點電壓電流波形.............................. 33
圖3.5 功率級的小訊號等效模型................................... 34
圖3.6 Line to output transfer function的小訊號等效模型型........ 35
圖3.7 Line to output transfer function SIMULINK模型.................. 36
圖3.8 SIMULINK模擬line to output transfer function波德圖............ 37
圖3.9 SIMPLIS模擬line to output transfer function電路............... 37
圖3.10 SIMPLIS模擬line to output transfer function波德圖.............. 38
圖3.11 Output impedance的小訊號等效模型.......................... 38
圖3.12 Output impedance transfer function SIMULINK模型.............. 39
圖3.13 SIMULINK模擬output impedance transfer function波德圖......... 40
圖3.14 SIMPLIS模擬output impedance transfer function電路............ 40
圖3.15 SIMPLIS模擬output impedance transfer function波德圖.......... 41
圖3.16 Control-to-output transfer function的小訊號等效模型............ 41
圖3.17 Control-to-output transfer function SIMULINK模型.............. 42
圖3.18 SIMULINK模擬Control-to-output transfer function波德圖........ 43
圖3.19 SIMPLIS模擬Control-to-output transfer function電路圖.......... 43
圖3.20 SIMPLIS模擬Control-to-output transfer function波德圖.......... 44
圖3.21 電壓模式轉換器系統方塊................................... 45
圖3.22 脈波寬度調變器工作波形................................... 45
圖3.23 脈波寬度調變器的SIMULINK模型........................... 46
圖3.24 回授網路的SIMULINK模型................................. 46
圖3.25 電壓模式轉換器系統迴路轉移函數模型....................... 47
圖3.26 SIMULINK模擬電壓模式轉換器迴路轉移函數波德圖........... 47
圖3.27 電壓模式迴路增益補償波德圖............................... 48
圖3.28 TypeⅢ補償方式........................................... 49
圖3.29 誤差放大器與輸出回授網路增益及相位....................... 49
圖3.30 電流模式脈波寬度調變電路................................. 51
圖3.31 電流模式脈波寬度調變的系統方塊圖......................... 52
圖3.32 電壓模式脈波寬度調變器................................... 53
圖3.33 電壓模式脈波寬度調變器波形............................... 53
圖3.34 電流模式脈波寬度調變器................................... 54
圖3.35 電流模式脈波寬度調變器波形............................... 54
圖3.36 電流模式脈波寬度調變閉迴路系統........................... 55
圖3.37 電流模式脈波寬度調變電路系統方愧圖....................... 56
圖3.38 電感電流擾動波形圖....................................... 57
圖3.39 VC電壓擾動波形圖......................................... 58
圖3.40 完整的電流模式降壓轉換器的小信號分析模型................. 60
圖3.41 電感兩端電壓對工作週期的反饋控制模型..................... 60
圖3.42 電感電流斜率與輸入輸出電壓關係圖......................... 61
圖3.43 推導Kr轉移函數.......................................... 62
圖3.44 電流模式脈波寬度調變電路波形............................. 63
圖3.45 Ridley電流模式小訊號模型................................. 64
圖3.46 推導Control to output Gain系統方塊圖........................ 65
圖3.47 Control to output Gain數學模型.............................. 68
圖3.48 Control to output Gain波德圖................................ 68
圖3.49 完整的電源轉換器系統方塊圖............................... 69
圖3.50 誤差放大器小訊號模型..................................... 69
圖3.51 誤差放大器數學模型....................................... 70
圖3.52 電流模式迴路增益補償波德圖............................... 71
圖3.53 加入補償機制的電源轉換器數學模型......................... 72
圖3.54 加入補償機制的電源轉換器波德圖........................... 72
圖4.1 電流模式脈波寬度調變/脈波頻率調變降壓轉換器電路.......... 73
圖4.2 電流模式能隙電壓參考電路................................. 74
圖4.3 電流模式能隙電壓參考電路啟動模擬......................... 75
圖4.4 電流模式能隙電壓參考電路原理............................. 75
圖4.5 電流模式能隙電壓參考電路原理............................. 76
圖4.6 零溫度係數電壓........................................... 77
圖4.7 電源電壓與能隙參考電壓................................... 78
圖4.8 鋸齒波產生電路........................................... 78
圖4.9 鋸齒波產生電路輸出波形................................... 79
圖4.10 振盪頻率與溫度關係圖..................................... 80
圖4.11 振盪頻率與電源電壓關係圖................................. 80
圖4.12 電流偵測電路............................................. 81
圖4.13 電流偵測電路輸出波形..................................... 82
圖4.14 斜率補償電路示意圖....................................... 83
圖4.15 電壓轉電流電路圖......................................... 83
圖4.16 斜率補償電路圖........................................... 85
圖4.17 斜率補償波形圖........................................... 85
圖4.18 軟啟動電路............................................... 86
圖4.19 參考電壓步階上升模擬..................................... 87
圖4.20 軟啟動電路模擬波形....................................... 87
圖4.21 零電流偵測電路..................... 88
圖4.22 零電流偵測電路模擬................. 89
圖4.23 GM-C誤差放大電路....................................... 90
圖4.24 小訊號模型路分析......................................... 90
圖4.25 電容放大電路............................................. 91
圖4.26 電容放大電路原理......................................... 91
圖4.27 功率級電路............................................... 92
圖4.28 邏輯控制方式的死區控制電路............................... 94
圖4.29 新型死區控制電路......................................... 94
圖4.30 CCM/DCM死區長度比較................................... 96
圖4.31 死區偵測電路............................................. 96
圖4.32 死區偵測電路輸出波形及死區長度........................... 97
圖4.33 脈波寬度調變器........................................... 98
圖4.34 脈波寬度調變器的電壓比較波形............................. 99
圖4.35 比較器................................................... 100
圖4.36 比較器增益與頻寬......................................... 100
圖4.37 工作模式選擇器........................................... 101
圖4.38 脈波頻率調變器........................................... 102
圖4.39 切換頻率展頻電路......................................... 103
圖4.40 三角波................................................... 1047
圖4.41 三角波波型............................................... 105
圖4.42 電流控制振盪電路......................................... 105
圖4.43 充電電流與頻率關係圖..................................... 106
圖4.44 三角波與切換頻率關係圖................................... 107
圖4.45 降壓轉換器輸出電壓漣波................................... 107
圖4.46 降壓轉換器輸出電壓頻譜分析............................... 108
圖4.47 開機軟啟動模擬........................................... 109
圖4.48 穩態時的輸出端電壓波..................................... 110
圖4.49 線上穩壓模擬............................................. 111
圖4.50 負載穩壓模擬............................................. 112
圖4.51 效率與輸出電流關係圖..................................... 113
圖5.1 電流鏡基本架構....................................... 115
圖5.2 電流鏡佈局方式........................................... 115
圖5.3 電流鏡偏壓電路........................................... 116
圖5.4 電流鏡傳遞電壓的佈局方式................................. 116
圖5.5 雜訊干擾電流鏡傳遞電壓佈局方式........................... 117
圖5.6 電流鏡傳遞電流佈局方式................................... 118
圖5.7 雜訊干擾電流鏡傳遞電流佈局方式........................... 118
圖5.8 電阻準確值圖表........................................... 119
圖5.9 電阻濃度梯度............................................. 119
圖5.10 電阻串並聯............................................... 120
圖5.11 電阻匹配佈局方式......................................... 121
圖5.12 PIP電容佈局方式......................................... 122
圖5.13 PIP電容佈局方式......................................... 123
圖5.14 電流鏡MOS電容穩壓...................................... 123
圖5.15 MOS電容疊接PIP電容.................................... 124
圖5.16 電源轉換器導通阻抗....................................... 125
圖5.17 電流密度示意圖........................................... 126
圖5.18 指插式佈局法............................................. 126
圖5.19 不同密度的接觸點分散電流................................. 127
圖5.20 圍繞ㄧ圈Grard-ring方式................................... 127
圖5.21 MOS的基底電位不同...................................... 128
圖5.22 功率晶體分組圍Gurard-ring................................ 128
圖5.23 功率晶體Bonding方式佈局................................. 129
圖5.24a 兩個反向器佈局........................................... 130
圖5.24b 兩個反向器佈局共用源極方式............................... 130
圖5.25 人體放電模式的測試模型................................... 131
圖5.26 機械放電模式的測試模型................................... 132
圖5.27 元件充電模式的測試模型................................... 133
圖5.28 I/O腳位的靜電放電測試... ................................ 134
圖5.29 PIN-to-PIN的靜電放電測試................................ 134
圖5.30 VDD-to-VSS的靜電放電測試................................ 135
圖5.31 靜電保護電路配置......................................... 135
圖5.32a I/O to VSS................................................ 136
圖5.32b I/O to VDD............................................... 136
圖5.33 VDD to VSS................. ............................. 137
圖5.34 I/O to I/O的靜電放電路徑.................................. 137
圖5.35 靜電防護電路............................................. 138
圖5.36 常見的Power-clamp架構................................... 139
圖5.37 Gate-couple的Power-clamp架構............................. 139
圖5.38a 限流電阻................................................. 140
圖5.38b 增加RD或RS.............................................. 140
圖5.39 PMOS及NMOS結構....................................... 141
圖5.40 栓鎖效應形成原因......................................... 141
圖5.41 Latch-up測試............................................. 142
圖5.42 CMOS架構............................................... 143
圖6.1 降壓轉換器架構.............
145
圖6.2a 測試板佈局圖(正面) ...................................... 146
圖6.2b 測試板佈局圖(反面) ...................................... 147
圖6.3 電源轉換器軟啟動波形..................................... 148
圖6.4 電源轉換器輸出電壓波形(CCM) ............................. 149
圖6.5 電源轉換器輸出電壓波形(DCM) .........
150
圖6.6 死區偵測器輸出訊號與轉換器輸出端波形圖................... 151
圖6.7 電源轉換器輸出電壓波形(DCM) ............................. 151
圖6.8 完整的佈局圖............................................. 153
圖6.9 能隙電壓參考電路佈局圖................................... 154
圖6.10 鋸齒波產生電路佈局圖..................................... 154
圖6.11 死區偵測電路佈局圖....................................... 155
圖6.12 誤差放大電路佈局圖....................................... 155
圖6.13 斜率補償電路佈局圖....................................... 156
圖6.14 邏輯電路佈局圖........................................... 156
圖6.15 緩衝電路佈局圖........................................... 156
圖6.16 回授電阻網路佈局圖....................................... 157
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