轻载高效Buck转换器设计及其纹波控制方案

提出了一种峰值电流模式PWM下的轻载高效Buck DC-DC控制方案。该方案根据负载大小来自适应调节开关频率和电感电流峰值,实现宽负载范围内高的转换效率和对输出纹波的控制。把误差信号与负载自适应的门限相比较,以判定转换器工作模式。在轻载模式下,通过循环开启或者关闭振荡器来降低转换器的开关频率,降低开关损耗。详细推导了在保持输出电压纹波不变的情况下,负载自适应门限与负载大小之间的关系,并在典型应用下得到二者呈线性关系的结论。采用0.5μm BCD工艺进行仿真,结果显示,在输入电压12 V,输出电压3.3 V下,轻载时最高有94.2%的转换效率,在负载从10 mA到500 mA变化时,轻载模式纹波为120~140 mV,与理论分析的控制纹波130 mV较为符合。     

一种峰值电流模两相交错Buck转换器

提出了一种降压型两相交错直流转换器。与传统单相转换器相比,该两相转换器具有输出纹波低、瞬态响应快、重载效率高等特性,适合为多核处理器供电。采用峰值电流模式,基于公共电压反馈回路及峰值电流信息,实现两相支路电流的均衡。依据负载电流范围自动选择运行支路个数,保证转换器在整个负载范围内具有高转换效率。基于TSMC 0.18 μm工艺进行设计,电源电压范围为2.7~5 V,支持330 nH~1 μH的小封装电感,最大电流驱动能力为5 A。仿真结果显示,在输入电压为4.2 V,输出电压0.9 V的条件下,整个负载范围内转换器的峰值效率为86%,最大稳态输出纹波低于2 mV,在5 A/1 μs负载瞬变条件下,负载调整率不超过28 mV/A。     

用于降压型DC-DC转换器的新颖过零检测电路

针对降压型DC-DC转换器需要工作在电感电流不连续导通模式(DCM)下的场合,设计了一个输出电压自适应的过零检测方案。该方案通过采集输出电压信息来调整检测到电感零电流后的响应时间,使其在输出电压很大时倒灌电流仍然很小。采用0.5μm BCD工艺,在8V输出电压下进行芯片级仿真,结果显示,与传统过零检测电路相比,新电路的倒灌电流减小了66%。     

采用高性能负压电荷泵的AMOLED驱动DC-DC转换器

提出了一种采用高性能负压电荷泵的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)驱动DC-DC转换器.正输出电压(VOP)由升压转换器(BOOST)和线性稳压器(LDO)级联产生,BOOST中使用前馈方法改善线性瞬态响应,LDO保证了芯片在全负载电流范围内输出电压的纹波.负输出电压(VON)由一种新颖负压电荷泵电路产生,电荷泵仅由MOSFET构成以提高效率.提出了一种新型的转换负压的电平转换电路,降低了开关管导通电阻并提高了负压效率.采用突发(BURST)控制模式提高了轻载效率.芯片采用0.18 μm BCD工艺,其VOP和VON分别为4.6V和-2.4 V,工作频率为1 MHz,正常工作时的负载电流为0～ 50 mA,最大电源效率为89.4％.VOP和VON的纹波均小于7 mV,线性瞬态响应均为5 mV,负载瞬态响应分别为5 mV和20 mV.负输出电压在-0.6～-2.4 V可调,调整步长为0.1V.     

一种高效率升压型ＤＣ－ＤＣ转换器设计

设计了一种基于PWM/PFM调制模式的全负载高效率升压型DC-DC转换器。根据负载不同,实现PWM和PFM模式的自动切换。轻载时,进入PFM模式,降低开关损耗,并加入电感峰值限流,减小输出电压纹波。在DCM状态下,利用休眠模式电路,降低静态功耗,同时提出一种抗振铃电路,进一步提升轻载转换效率。芯片实测结果表明,1mA轻载条件下,效率依然达到91.6%,输出电压纹波约为6.6 mV。全负载最高效率可以达到93.1%。     

单芯片高效率降压DC-DC芯片设计

介绍了一种单芯片DC-DC转换器IC设计与电路实现,其特点是宽负载电流条件下具有较高效率.芯片的设计和仿真基于上华0.6 μm双阱、混合信号CMOS工艺.芯片的工作电压范围为2～5 V,可以使用于一般的电池供电设备.对提高芯片效率的方法以及效果进行了详细的讨论分析.仿真结果表明,芯片可以产生稳定的1.8 V输出电压,并提供大于500mA的输出电流,而纹波电压却小于5 mV.芯片可以获得93.8%的最大转换效率,而且在5～500 mA的负载电流范围内,效率始终高于86.2%.     

采用分段式自适应PWM/PFM调制的Buck型DC-DC转换器设计北大核心

为了在轻重负载条件下获得更高的转换效率，采用分段式结构和导通电阻更小的NMOS作为输入级，并采用PWM/PFM双调制方式，设计了一种Buck型DC-DC转换器。为解决PWM/PFM调制信号切换问题，采用零电流检测方式进行切换。利用断续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)下端NMOS管导通时电感电压的不同，检测下端NMOS在导通时电感电压大于零的周期。当电感电压大于零的周期大于2时，则处于DCM模式并自动采用PFM调制模式，关闭一部分功率管以减小开关频率和功率管寄生电容，优化轻载效率；反之则处于CCM模式并采用PWM调制。仿真结果表明，在负载电流10～1 000 mA范围内，该电路可以在两种调制模式平稳切换，在800 mA时峰值效率可提升到96%以上。     

一种提高单电感双输出升/降压型转换器轻载效率的设计策略

为了提高单电感双输出升/降压型直流-直流转换器在轻载下的效率,设计实现了适用于不同转换条件的非连续导通模式(DCM)功能和脉冲频率调制(PFM)控制。前者降低了电感电流的均方根值,减少了导通损耗;后者降低了开关频率,减少了开关损耗。详细分析了在PFM控制下转换器的驱动能力、电感电流纹波和输出电压纹波之间相互制约的关系,并采取了一种可以由两路任意升/降压输出灵活复用的自适应导通时间控制方法。经0.25μm 2P4M CMOS混合信号工艺流片验证,测试结果显示DCM和PFM时序与设计方案吻合,各种转换条件下输出电压纹波在40~70 mV。通过比较发现,对轻载效率的提升可以达到30%以上。     

一种基于ACOT的Buck型开关电源设计

基于自适应恒定导通时间(ACOT)控制方式,设计了一种恒频效果良好的降压型DC-DC转换器。该转换器采用V²COT架构,兼具输出精度高和瞬态响应速度快的特点。采用一种改进的自适应导通时间控制方式,降低了负载电流对开关频率的影响,使转换器在连续导通模式(CCM)下具有良好的开关频率稳定性。基于东部高科0.15μm BCD工艺完成流片,芯片输入电压为4.5～17 V,输出电压为0.76～7 V,最大负载电流为3 A,开关频率为1 MHz。测试结果表明,在CCM下,开关频率随输入电压变化率为2.67 k Hz/V,随负载电流变化率为2.95 k Hz/A,峰值效率达96.43%,输出电压纹波为8.2 m V,负载调整率为0.93%,负载瞬态响应时间小于20μs。     

一种带纹波补偿和效率优化的1500mA，10MHz导通时间控制降压型转化器

本文叙述了一种由自适应导通时间控制的1500mA,10MHz降压型转换器。文中提出的低成本纹波补偿技术和自适应导通时间产生电路分别解决了系统稳定性和频率变化问题。同时,一种自适应功率管分段技术被用于优化整体效率,特别是重负载下的效率。该转换器电路采用2P4M 0.35微米CMOS工艺流片验证。外部使用0.47μH电感和4.7μF电容以减小转换器成本,并保证输出纹波小于10mV。测试结果显示,负载跳变时的过冲为8mV每200mA,DVS性能为16μs/V上升和20μs/V下降。由于自适应功率管分段技术和PFM作用,转换器在20mA到1500mA范围内的整体效率保持在81%以上,同时峰值效率可达88.43%。     

Buck型DC-DC电路振铃现象的抑制

Buck型DC-DC电路在负载较大时,外接电感电流在一个调制周期内会出现减小到零的情况。为了防止电路进入强制连续导通模式(FCCM),电感电流反向,导致负载电容通过续流NMOS管放电,降低DC-DC的转换效率,需要设计保护电路在电感电流减小到零时检测电感前端电压,当电压大于零时强制关断NMOS管,使电路工作于断续导通模式(DCM)。由于开关管寄生电容与外接电感LC形成振荡回路,电感残余电流产生振铃现象。为了抑制振铃现象,通过控制电路在LXC与地之间接入阻尼电阻,减小电容的等效并联电阻,加快振荡衰减。     

一种峰值电流模式下的轻载高效Buck转换器设计

提出了一种峰值电流模PWM下的轻载高效Buck DC-DC控制方案,该方案采用了峰值电流开关和采样保持电路,实现宽负载范围内很高的转换效率.其中峰值电流开关用以检测负载电流大小,作为轻载或者重载模式的判定;采样保持电路会在轻载模式下工作,通过控制误差信号的变化量来循环开启或者关闭转换器,完成对转换器的开关频率调制.采用0.5μm BCD工艺,仿真结果显示在输入电压12V,输出电压3.3V下,最高有96%的转换效率,而在10mA负载下依然能保持80.3%的转换效率.     

轻载高效BUCK转换器的负载自适应控制方案

提出一种适用于电流模式降压型DC-DC转换器的负载自适应方案(LAM).该方案在宽负载范围内具有高效率.采用误差信号与负载自适应的门限做比较,判定转换器工作模式,根据负载电流的大小使开关工作在PWM模式或轻载模式.在轻载模式下,通过循环开启或者关闭振荡器来降低转换器的开关频率,减少开关损耗和静态功耗.对负载自适应阈值,电感峰值电流和负载电流之间的关系进行了分析和推导.采用0.5μm BCD工艺,仿真结果显示在输入电压12V,输出电压3.3V,负载较轻时,转换器进入LAM模式,转换效率大大高于同样负载下的PWM模式,特别是在ILoad=10mA时,PWM模式的转换效率只有45.6%,而LAM模式的转换效率棕80.1%.     

一种分段式峰值电流斜坡补偿电路

设计了一种应用于峰值电流型控制Buck DC-DC转换器的分段式斜坡电流补偿电路,以消除峰值电流控制模式下可能产生的次谐波振荡。该电路采样峰值电流,通过采样电阻将电流转换为电压输出。当开关脉冲控制的导通时间占空比D<35%时,斜坡补偿电压的斜率为零。当占空比D>35%时,斜坡补偿电压的斜率占空比变化。斜坡补偿电路不仅消除了D>50%时次谐波振荡引起的系统不稳定现象,还提高了电源芯片的带载能力。基于0.5 μm BCD工艺进行设计,仿真结果显示,该斜坡补偿电路具有良好的补偿能力和带载能力。应用该电路的DC-DC转换器的最高负载工作电流达到7 A。     

一种宽负载范围低纹波高效率能量收集系统北大核心

针对环境能量收集系统输出电压纹波高以及效率随负载变化等缺点，提出了一种在宽负载范围内转换效率高且输出电压纹波低的能量收集系统。该系统基于最优化导通时间(OOT)控制方法对输出纹波进行调控，解决了传统控制方法在小负载电容和轻载情况下纹波较大的问题；此外，基于自适应系统时钟频率(ACF)控制方法改善了传统方法在轻载时效率大幅度下降的问题，实现系统在较宽负载范围内保持较高的效率。采用180 nm CMOS工艺对能量收集系统进行设计验证。仿真结果显示，所设计的能量收集系统在1 mA负载电流范围内峰值效率为89.75%,最低效率为83.75%,其最低效率比同类系统提高了7个百分点以上；在0.2μF负载电容下纹波从177.96 mV下降到23.56 mV。     

一种应用于OLED显示驱动芯片的CMOS升压型PFM DC-DC转换器设计

由于DC-DC芯片工作模式的多样性,电源转换器的系统结构有多种不同选择。为了电源模块的安全可靠,往往需要多种保护电路模块。文中从系统的角度,阐述了适合于OLED显示驱动电路的PFM工作模式的升压DC-DC电源转换器的原理。在此基础上,设计了一种应用于OLED驱动电路芯片的升压DC-DC电路。当输入电压为2.4～4.2V时,输出电压可以达到15V,负载电流最大可以达到50mA,纹波电压小于200mV。这个设计可以与OLED驱动芯片集成在一起,实现OLED驱动芯片和电源管理芯片的集成。     

一种新型交错并联同相降压升压DC/DC转换器

为了有效降低电流纹波和提高转换器效率,提出一种新型交错并联同相降压升压DC/DC转换器。提出的结构通过采用输入/输出（I/O）磁耦合交错并联和阻尼网络技术,降低了开关的电压应力、内部电压振荡和I/O电流纹波,并提升了转换器的效率。采用状态空间平均法,在连续导通模式下分析了提出转换器的稳态运行,从理论上证明了其优势。样机的功率设置为360W,输出电压为36 V,模拟结果以及实验结果显示,当输出电流为6A时,转换效率最高达到96%,最大输入电流纹波百分比仅为9.4%,相较于其他类似转换器,提出的转换器具有效率较高和I/O电流纹波较低的优势。     

一种用于AMOLED驱动的多模式高效电荷泵

设计了一种用于AMOLED驱动芯片的多模式高效低纹波电荷泵。该电荷泵通过模式选择,使输出电压可配置,实现多模式功能。针对电压建立和模式切换过程中电荷损耗的问题,利用初始化电路和电压检测电路来保证电荷泵中电荷单向传输,同时利用衬底选择开关来解决电荷泵的体效应问题,提高了电压转换效率。采用双边对称的泵电路结构,减小了输出电压纹波。采用UMC 80 nm CMOS工艺进行仿真。结果表明,负载电流为4 mA时,输出电压为8.4~17 V,四种工作模式下电压转换效率均在90%以上,电压纹波均小于1 mV。     

一种两象限零电压开关准谐振DC-DC转换器设计(英文)

传统的DC-DC转换器由电感、电容构成,通常电感和电容的面积很大,而且在开关导通和关断时的损耗严重。开关电感的两象限DC-DC转换器同时具有高功率密度和高转换效率,但是其开关导通和关断时的功率损耗仍然很严重。软开关技术可以实现开关导通和关断时的零功率损耗,从而大大减小了转换器的功率损耗。文章设计了一种新型的两象限零电压开关DC-DC转换器(ZVS-QRC),有效减小了功率损耗,并提高了功率密度和转换效率。     

一种多源能量收集电源管理芯片

采用高压0.6μm CMOS工艺,设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。该收集芯片由光电接口电路、压电接口电路和DC-DC电路等单元构成。光电接口电路中采用全局最大功率追踪电路,减少了阴影对太阳能板收集光能的影响,提高了最大功率追踪效率。DC-DC电路中,采用导通时间可调、频率可调的控制模式,在更宽的输入功率范围内实现更高效率的同时保持输出端较小的电压纹波。仿真结果表明,该收集芯片的整体平均动态电流为7.6μA,能量转换效率最高为91.2%。版图尺寸为9 623μm×3 655μm。