一种基于同步整流技术的降压DCDC转换器设计

第四章仿真结果与分析

图４．８是｝名。＝３．６Ｖ，贝Ｌ＝９Ｑ时的模拟曲线图。由模拟结果可得圪。平均值为１．７７４Ｖ，，像￡ｊ平均值

为１９７ｍＡ，％Ｄ为３．６Ｖ。取十二个连续的周期，算得Ⅳ％凸Ｊ的平均输入电流为１０８．５ｒｒＡ，根据ＥＦＦＩ的计

算公式，得到ＥＦＦＩ为８９．５％。

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图４．８％Ｄ＝３．６Ｖ，吼＝９Ｑ时的模拟曲线图

图４．９是ｐｒＤＤ＝３．６Ｖ，皿＝１８Ｑ时的模拟曲线图。由模拟结果可得Ｋ。，平均值为１．７７５Ｖ，，偶Ｌｊ平均

值为９８．５ｒｒＡ，Ｐ锄为３．６Ｖ。取三个连续的周期，算得盯％一的平均输入电流为５２．６ｎ１Ａ，根据ＥＦＦＩ的计算

公式，得到ＥＦＦＩ为９２

３％。

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ＰＯＤ＝３，６Ｖ，凡＝１８Ｑ时的模拟曲线图

图４．１０是％Ｄ＿３．６Ｖ，尺￡＝１８００Ｑ时的模拟曲线图。由模拟结果可得Ｐｋ，平均值为１．７７４ｖ，，豫￡，平

均值为０．９８６ｍＡ，％Ｄ为３．６Ｖ。取三个连续的周期，算得玎％ＤＪ的平均输入电流为０．５２５ｒｒＡ，根据ＥＦＦＩ

的计算公式，得到ＥＦＦＩ为９２．５％。

４７

东南大学硕士学位论文

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图４．１０％萨３．６Ｖ，噩＝１８００Ｑ时的模拟曲线图

从图４，７ｑ．１０可以看出，本文所设计的基于同步整流技术的降压Ｄｃ．Ｄｃ转换器具有很高的转换效率

可以有效的提高电源的使用时间。

电路测量条件和主要测量结果如表４．４所示

表４．４

参数

输出电压

工作电压范围

静态电流

待机电流

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效率

限制电流

输出电压

电路测量条件和主要测量结果

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从上表可以看出所设计的ＤＣ．Ｄｃ转换器具有２～６ｖ的工作电压范围，输出电压稳定，常温下典型值为

１．８Ｖ，静态电流为５６．７陋，待机电流仅为Ｏ．００３岍，输出电压温度特性为６７

ｐｐｍ／℃，最小纹波电压仅为

３

ｍｖ，转换效率高达９２５％。模拟结果表明该转换器具有较好的性能，满足实际应用的要求。

４８

第五章总结和展望

本课题是对基于同步整流技术的降压Ｄｃ－Ｄｃ转换器的研究和设计，论文首先论述了降压Ｄｃ．Ｄｃ转换

器的工作原理和系统控制方法，并对降压Ｄｃ．Ｄｃ转换器进行了稳态分析，为下面的系统设计打下理论基

础，然后深入系统的分析了转换器中的各种功率损耗源和同步整流技术，结合理论的分析，论文进行系统

级设计和实际电路的设计工作。最终设计了一个基于同步整流技术的降压Ｄｃ．Ｄｃ转换器。

论文的重点在如何提高Ｄｃ．Ｄｃ转换器的转换效率和电路设计上，采用了同步整流技术、软开关技术

和多工作模式，同时适当选取功率管尺寸，合理设置死区时间以降低功耗提高效率；在此基础上，对关键

电路进行了设计，设计出了一种新的同步整流驱动电路，实现了同步整流和软开关技术的结合，有效地减

小了转换器功率损耗，从而提高了转换器的转换效率；并且简化了死区时间控制电路；另外，还给出了一

种新的电流感应和过流保护电路，它可以及时准确的感应开关管中的电流，能够及时准确的进行过流保护。

最后，采用所设计的同步整流驱动电路结合其他电路搭建了整个系统，并进行了模拟，整个设计采用

０．５ｕｍ

ｃＭ０ｓ工艺，从模拟结果看，系统实现了高效率的电源转换，电源效率高达８８％以上，最小纹波电

压为３ｒｒｌＶ，最大纹波电压为２４ｍｖ，性能指标基本满足设计要求。

对于芯片的实现而言，本论文设计还需要大量的后续工作：

第一、进一步对模拟结果进行分析，适当调整参数或采用其他技术，将电路功耗进一步降低。同时考

虑温度和工艺变化对系统性能的影响。

第二、版图的设计，着重考虑器件的匹配性，如采用版图对称画法等。对于要求高的器件，如振荡器

中的电容，根据实际需要可考虑使用微调技术。

第三、在同一个电路中，通过某些器件的选取以实现多种工作频率、多种输出电压的要求。

技术展望：

第一、为进一步减小外围元件的尺寸，可使ＤＣ．ＤＣ转换器工作在更高的频率下，但是高的工作频率

给电路的设计带来了很大的挑战。

第二、采用多输出架构，可以有效的减少整个系统所需的ＤＣ．ＤＣ的数量。

第三、如何在更低电源电压的环境下，实现电源的有效转换。

４９

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５１

致谢

本论文所涉及的工作是在常昌远导师的悉心指导下完成的。在此我衷心地感谢常老师在

学业、科研以及个人生活上给予我的帮助、指导和关怀，正是常老师无微不至的关心与照顾，

使我克服困难，顺利完成了今天的学业，再次感谢常老师对我的谆谆教诲和辛勤培养。

我还要特别感谢东南大学微电子中心的魏同立教授。魏老师不仅在学术上给予我严谨、

科学细致而富有远见的指导和热情的鼓舞，而且他博大人格的熏陶也使我获益匪浅。

我还要感谢程剑平博士。程剑平博士在我的学习期间以及论文的研究、撰写工作中提供

了大量的帮助和细心的指导，他的博学多识和严谨治学也成为了我学习的榜样。

在设计的过程中得到了众多同学的热忱帮助，特别是谭春玲、庞坚和闰良海等，众师弟

师妹们还为我的学习和科研营造了轻松、融洽的学习氛围，在此我对所有帮助和关心过我的

人致以最衷心的感谢！

最后，我要把最诚挚的谢意献给我的家人和我的朋友，他们的辛勤培育、无私奉献和叮

咛鼓励使我不畏困难，一直向前。

邹一照

２００６．０３．０１

一种基于同步整流技术的降压DC-DC转换器设计

作者：

学位授予单位：

邹一照

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J C F N B.M.H

Voltage-driven synchronous rectification in forward

topology[会议论文] 2000

J.A la Cruz E

Design of a low output voltage DC/DC conventer for

telecom application with a new scheme for self-driven synchronous rectification 1999

J.A M Roascon M

Influence of windings coupling in low-voltage DC/DC

converters with single winding self-driven synchronous rectification 2000

y John R W Brodersen

A low-voltage CMOS de-de converter for a

portable battery-operated system

s R R Sanders

Synchronous Rectification with Adaptive Timing

Control 1995

30.陈敏.吴金

采用ZVS条件控制的DC-DC同步整流技术[期刊论文]

-

电子器件 2004(3)

Taniguchi

An On-Chip High-Efficiency DC-DC Converter with a

Compact Timing Edge Control Circuit

6120 specification Sipex TECHNOLOGY

G K an

Low-Voltage-Swing Monolithic dc-dc

Conversion 2004(05)

Fai K.T Mok

On-Chip Current Sensing Technique for CMOS Monolithic Switch-Mode

Power Converters

35.W H Ki

Current Sensing Technique Using MOS Transistors Scaling With Matched Bipolar Current

Source 1998

36.M Corsi

Current Sensing Schemes for Use in BiCMOS Intergrated Circuits 1995

1.期刊论文

陈东坡.何乐年.严晓浪.Chen Xiaolang

具有快速动态响应的高稳定性电流型

降压DC-DC转换器

-半导体学报2006,27(10)

提出了一种高稳定性的电流型DC-DC转换器.首先应用一种新型的电流型转换器的模型推导了控制环路的增益表达式,在分析其环路增益的基础上,提

出了一种新颖的控制环路频率补偿的方法,从而使转换器的稳定性不受负载电流和电源电压变化的影响.其次应用这种新的频率补偿方法,使用0.5μm-

CMOS工艺设计了一种电流模式的降压型转换器.仿真结果表明,该稳压器具有高度的稳定特性,其稳定性与负载和电源电压无关.并且由于这种新的频率补

偿为环路提供了极高的带宽,所以该转换器具有优异的动态响应.其提供的全负载瞬态响应的建立时间小于5μs,过冲电压小于30mV.

2.期刊论文

纪宗南.Ji Zongnan

具有数/模转换功能的DC-DC转换器

-国外电子元器件2000,""(10)

MAX686是一种具有数/模控制功能的新颖DC-DC转换器,它具有转换精度高、体积小、集成度高、功耗小、效率高等特点.因此,在数控电源和单片机应

用电路中获得广泛应用.

3.学位论文

曹鹏辉

基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元研究

2009

DC/DC转换器作为二次电源广泛应用于太空辐射环境下，其辐射损伤可靠性成为亟待解决的问题。传统的辐射加固设计和筛选方法存在生产周期长

，成本高，性能落后等缺点。本文探索采用ePHM方法来解决DC/DC转换器辐射损伤可靠性问题。

本文对DC/DC转换器及其内部易损单元之一—VDMOSFT的辐射损伤机理和失效模式作了深入研究。设计并完成DC/DC转换器和VDMOSFET的γ射线辐照实

验。在深入分析参数退化机理的基础上优选了敏感表征参量。然后建立基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预测模型。最后，依据此模型研制基于

VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元。

理论研究表明辐射后，VDMOSFET出现阈值电压负漂、跨导退化、噪声增大等失效模式；DC/DC转换器出现效率降低、输出电压漂移、噪声增大等失效

模式。VDMOSFET阈值电压负漂引起DC/DC转换器失效有两种模式。一是VDMOSFET阈值电压低于PWM输出电压低电位，不能脱离饱和区而失效；二是

VDMOSFET阈值电压负漂引起漏端电流增加，致使DC/DC转换器转换效率降低。

本文设计并完成VDMOSFET和DC/DC转换器辐照实验，实验结果验证了理论研究成果。对比分析电参数和噪声参数，依据辐射损伤敏感表征参量选取原

则，选取VDMOSFET的阈值电压和DC/DC转换器的输出电压、转换效率作为预兆单元用辐射损伤敏感表征参量；选取噪声幅值B为辐射损伤筛选、评价用敏

感表征参量。

在深入研究VDMOSFET辐射参数退化对DC/DC转换器影响的基础上，本文建立了基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预测模型。理论计算和实验结果

表明所建立的辐射损伤预测模型是正确的，能准确的反映DC/DC转换器的辐射损伤情况。

结合DC/DC转换器辐射损伤失效机理、失效模式与ePHM实现方法，确定采用参数监测的预兆单元方法。依据辐射损伤预测模型设计了基于VDMOSFET的

DC/DC转换器辐射损伤预兆单元电路原理图和版图，模拟和分析表明所设计的预兆单元完全满足设计要求。设计的预兆单元在特许半导体成功流片，样品

测试和辐照实验表明所设计的预兆单元成功实现了报警，达到设计要求。

4.期刊论文

李国厚.冯启高.LI Qi-gao

电荷泵DC-DC转换器及其应用

-河南职技师院学报

2000,28(2)

介绍了电荷泵DC-DC转换器的一般结构、工作原理及性能特点。详细讨论了利用DC-DC转换器进行电源系统设计的方法并给出了应用实例。这类电源

系统可广泛应用于对电源的体积及效率有较高要求的便携式仪器仪表和测控系统中。

5.期刊论文

邹连英.郑朝霞.肖靖帆.Zou Jingfan

一种用于DC-DC转换器的误差放

大器

-舰船电子工程2009,29(3)

基于一种适用于DC-DC转换器的误差放大器,提出DC-DC转换器的系统补偿方案.应用此电路设计的芯片在XFAB公司的0.6μm CMOS工艺上实现,仿真结

果表明:在2.45～16V电源电压下,该误差放大器的精度<2mV,未带载时传输延时为95ns,具有高精度和高速的性能.在几种典型应用下,DC-DC转换器系统相

位裕度大于46.1°,具有良好的稳定性.

6.学位论文

张婧婧

基于PWM的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元研究

2009

DC/DC转换器是航天电子设备辐射易损单元之一，其可靠性尤其是抗辐射性能备受关注。在目前航空、航天、军用电子系统的电子元器件趋向于选择

市售商业成品(COTS)的趋势下，国外研究人员提出了可靠性PHM方法，在COTS电路中加入状态监测模块，实时掌控其工作状态，预兆失效，既免除了器件

加固的成本，也有效降低采用市售器件的风险。

PWM控制器是PWM型DC/DC转换器反馈控制回路的核心，辐射诱发的PWM控制器的功能退化将导致DC/DC转换器输出不稳定甚至失效。本文重点关注

PWM控制器的辐射效应，研究PWM性能退化对DC/DC转换器整体性能的影响，并研制预兆单元，其功能是在PWM性能出现失效征兆而DC/DC转换器发生故障之

前给出警告。在DC/DC转换器电路中增加监控PWM的预兆单元既可以避免DC/DC转换器突发灾难性故障，同时可对退化或失效部位准确定位，便于在未来的

设计或制造中进行可靠性改进。

实验结果表明，辐照导致DC/DC转换器输出电压发生漂移。论文建立了PWM控制器传输模型和单端反激型DC/DC转换器传输函数，从电路传输的角度证

明反馈控制回路中光电耦合器和PWM集成控制器基准电压部分性能退化是导致转换器输出电压漂移的主要原因。而后，为实现DC/DC转换器状态监控和辐

照失效预兆提出了根据PWM集成控制器基准电压变化量估算DC/DC变换器输出电压漂移量的预测模型，在此模型的基础上设计并制造基于PWM的DC/DC转换

器辐照损伤预兆单元。通过模拟和实验验证，预兆单元实现了设计初衷，可提高航天DC/DC转换器的可靠性，为航天设备的可靠性保障探索一种新方法

，最后通过费效分析证明它也具有很好的经济性。

论文通过基于PWM的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元研制工作总结得出ePHM新理念实现的基本流程，论文提出的方法和研究成果为构建航天DC/DC转换

器PHM系统奠定了基础。

7.期刊论文

李清华.邵志标.耿莉.Li Li

硅基完全集成DC/DC转换器中多层平面电感

设计与建模

-西安交通大学学报2007,41(4)

为提高完全集成低压低功率DC/DC转换器转换效率与输出电流能力,提出了一种多层混联螺旋电感结构.该结构基于标准0.5 μm 2P3M CMOS工艺,将下

面较薄的两层金属线圈多点并联,再与最上层金属线圈串联.多点并联结构有效地增加了等效金属层的厚度,串联结构增加了线圈之间的互感值,从而可以

在不增加额外工艺成本的条件下显著提高平面电感的品质因数、单位面积电感值和电感线圈的电流承受能力.所提出的模型为完全集成DC/DC转换器的整

体电路模拟分析提供了便利基础.基于0.5μm 2P3M CMOS硅衬底工艺的模拟计算结果表明,在DC/DC转换器工作频段50～400 MHz,取得了预期电感的设计效

果,最大品质因数值达4.2,单位面积电感值达到83 mH/m2,可以承受的电流达90 mA.电感芯片测试结果与模型模拟结果基本吻合.

8.期刊论文

毛振峰.王继安.汪强.李威.龚敏

单片电流模式降压型DC-DC转换器的设计

-微处理机2006,27(3)

设计了一款内置功率MOSFET的电流模式降压型DC-DC转换器.该DC/DC转换器采用PWM控制,在传统的PWM结构上加入电流反馈环路,改善了传统电压模式

DC/DC的缺点,能够取代国际上流行的三端可调线性稳压器.该转换器具有瞬态响应快,启动过冲小,输出纹波小,输出电压可调等特点.正常工作情况,输入

电压5～25V,输出电流2A,工作频率400KHz.采用0.8μm BiCMOS工艺模型进行了Spectre模拟,并且制作了该芯片.经过验证,各项指标符合设计要求.

9.学位论文

曹衎

DC-DC转换器1/f噪声检测技术及噪声与辐照相关性研究

2007

DC-DC转换器是目前广泛使用的一种开关电源，它具有效率高，发热量小，体积小等众多优点。在航天领域中，DC-DC转换器是重要的星用电子器件

，其在空间辐照环境下的抗辐照损伤能力受到极大的关注。

本文研究DC-DC转换器低频1/f噪声测量技术以及1/f噪声用于DC-DC转换器抗辐照可靠性表征的可行性。本文对已有的DC-DC转换器低频噪声测量技术

做出改进，通过增加RC有源滤波器，滤除了器件内部的干扰信号，获得了较好的DC-DC转换器低频噪声测试结果。

通过对DC-DC转换器低频噪声测量技术的研究以及在γ辐照前后电性能与1/f噪声特性变化的对比分析，本文发现1/f噪声拟合幅值B及点频值等噪声

参数能灵敏反映DC-DC转换器的辐照损伤。低频噪声参量可作为DC-DC转换器的可靠性传统电学表征参量的有效补充。本文还对DC-DC转换器辐照失效的电

路模型做了初步的分析，讨论了辐照引起DC-DC转换器失效的原因，发现DC-DC转换器低频噪声参数变化与部分电参数的变化有着相同的来源。

10.期刊论文

曹鹏辉.杜磊.包军林.张婧婧.陈晓东.阎家铭.Cao Jingjing.

Chen Jiaming

VDMOS器件损伤的DC/DC转换器辐射预兆单元设计

-电子科技2009,22(9)

文中应用预警和健全管理(PHM)方法,在深入研究了辐射导致VDMOS器件和DC/DC转换器性能退化之间关系的基础上,设计了基于VDMOS器件损伤的

DC/DC转换器辐射预兆单元.经过仿真证实了所设计的预兆单元可以提前报警.

本文链接：/Thesis_

授权使用：黑龙江科技学院(hljkjxy)，授权号：1e993905-f6ff-4ab7-8ff0-9e4300eed5f9

下载时间：2010年12月5日