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随着大量便携式电子产品的使用,对电池电源的管理及使用寿命提出了很高的要求。Boost DC/DC开关电源管理芯片可以及时有效地将电池的低电压提高到所需的较高电压,以延长电池的使用寿命。本文基于开关电源变换器的原理,独立设计了一款便携式应用的Boost DC/DC转换器控制芯片。它采用ASMC0.35μm的工艺,输入电压范围为2.4 V~3.3V,输出电压为3.3V~5V;采用脉冲宽度调制和脉冲频率调制方式相结合的控制方式,具有关闭控制功能,在关闭状态消耗的电流小于0.5μA;工作温度范围为-40℃~125℃。
本文首先介绍了升压型DC/DC变换器的拓扑结构和基本原理设计,然后在脉冲宽度调制的基础上引入了脉冲频率调制方式,并将两种控制方式结合起来,在此基础上进行控制电路的设计和子电路模块的设计。本文设计芯片其主要特点是:(i)将功率开关管集成到芯片内部,开关管的开关频率为1.5MHz;(ii)外部电容电感等常规大体积的元件可以选用小容量的表面贴器件,极大地减小了电源系统的体积;(iii)电源芯片采用电压控制模式的PWM与PFM相结合的工作方式,有效地减小了电子设备的待机功耗,进一步提高电池的使用效率。电压控制模式保证了开关电源较好的动态响应和较高的灵敏度,可调性好,减小了输出电压的波动;(iv)采用低导通阻抗的功率PMOS管代替肖特基二极管起整流管作用,极大地降低了整流管上的损耗,并实现了同步整流;(v)在不连续工作(DCM)模式下,采用零电流比较器可以有效防止电感电流为零时立即变至负值而使输出信号产生振铃,从而减小由负电感电流引起的损耗。
在完成电路原理分析与电路设计的基础之上,应用仿真软件Cadence Spectre对各模块电路及整体电路进行了功能仿真和量化模拟,仿真结果均达到或优于预定目标,很好地验证了本文设计芯片的工作原理,为今后设计性能更优越的升压型DC/DC变换器打下了基础。