臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一個新型的雙濾波電感之降壓型DC-DC轉換器，以降低轉換器操作於輕載時的功率損失。此轉換器操作在不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode)，以脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation)技術作為控制方式。本電路藉由電流檢測電路以及取樣(Sample and Hold)電路之訊號，來選擇所要切換的電感值。經HSPICE電路軟體模擬，此轉換器與單濾波電感型之降壓型DC-DC轉換器做比較，可有效降低功率損失，改善在輕載時所造成的能耗。此外，本論文採用閒置控制電路(Dead Time Buffer)的延遲時間來當作取樣電路的控制信號，可達到此控制信號能夠與電感電流檢測電路的感應電壓之最大峰值電壓作取樣。本電路採用台積電CMOS 0.35 微米製程，經由HSPICE 電路模擬軟體，成功整合為一具雙濾波電感切換功能之降壓型DC-DC轉換器。

This thesis proposes a novel DC-DC buck converter with dual filtering inductors to reduce the converter power consumption when the converter is operated at light loading. The converter operates in discontinuous conduction mode. Pulse frequency modulation is used as a control mechanism. Based on the loading status, this circuit will automatically switch to select the desired inductor. Comparison with single filter inductor DC-DC buck converter, the converter can effectively reduce power conduction loss. In addition, a block of dead time buffer is designed as the control signal of sample-and-hold circuit. Based on the control signal, the maximum peak voltage of the inductor can be sampled by the sample-and-hold circuit.
In this thesis, we have integrated a dc-dc buck converter successfully with dual filtering inductors by using TSMC 0.35-um technology. Using HSPICE simulation, the performance of whole circuit has been verified.

目錄
中文摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 背景簡介 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究目的與方法 2
1.4 論文架構 2
第二章切換式直流對直流轉換器介紹 3
2.1 線性電壓轉換器 3
2.2 轉換器之規格考量 4
2.2.1 線性電壓調整率 4
2.2.2 負載電壓調整率 4
2.2.3 轉換器之轉換效率 5
2.3 基本切換式轉換器之分析 6
2.4 切換式直流對直流轉換器之種類與架構 7
2.4.1 切換式降壓型轉換器之分析 7
2.4.2 切換式昇壓型轉換器之分析 12
2.4.3 切換式降昇壓型轉換器之分析 16
2.5 轉換器非理想元件之考量 21
2.5.1 電晶體與二極體之壓降 21
2.5.2 電容器之等效串聯電阻 22
2.5.3 電感器之等效串聯電阻 24
第三章降壓型轉換器電流導通模式之分析 27
3.1 切換式降壓型轉換器電流導通模式之分析 27
3.1.1 切換式降壓型轉換器連續導通模式之分析 27
3.1.2 切換式降壓型轉換器不連續導通模式之分析 29
3.1.3 降壓轉換器連續與不連續導通模式之邊界條件分析 32
3.2 轉換器之調變模式 33
3.2.1 脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation)： 33
3.2.2 脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation)： 34
3.3 同步整流切換技術 38
第四章雙濾波電感之降壓型轉換器架構與設計 41
4.1 整體電路架構分析 41
4.2 具有啟動電路之偏壓電路 42
4.3 遲滯比較器電路 (Hysteresis comparator) 44
4.4 振盪器電路 (Oscillator) 46
4.5 電感電流檢測電路 (Current sensing circuit) 47
4.6 零電流檢測電路 (Zero current detection) 48
4.7 延遲時間緩衝器 (Dead time buffer) 50
4.8 取樣—保持電路 (Sample and hold) 51
4.9 R.S正反器 53
4.10 1對2解多工器 53
第五章整體電路模擬結果 55
5.1 具有啟動電路之偏壓電路 55
5.2 遲滯比較器電路 55
5.3 振盪器電路 56
5.4 零電流檢測電路 57
5.5 延遲時間緩衝器 58
5.6 取樣-保持電路 59
5.7 完整電路模擬 60
5.8 電路效率 63
5.9 晶片佈局圖 65
第六章結論與未來研究方向 67
6.1 結論 67
6.2 未來研究方向 67
參考文獻 68
表目錄
表1R.S正反器真值表 53
表21對2解多工器真值表 54
表3規格比較表 65
圖目錄
圖1線性電壓轉換器示意圖 3
圖2基本切換式轉換器 7
圖3基本切換式轉換器之輸出電壓 7
圖4切換式降壓型轉換器電路圖 8
圖5 (a)電晶體導通之等效電路；(b)電晶體截止之等效電路 8
圖6切換式降壓型轉換器之電感電流與電壓波形圖 11
圖7切換式昇壓型轉換器電路圖 13
圖8 (a)電晶體導通之等效電路；(b) 電晶體截止之等效電路 13
圖9切換式昇壓型轉換器之電感電流與電壓波形圖 15
圖10切換式降昇壓型轉換器電路圖 17
圖11 (a)電晶體導通之等效電路；(b) 電晶體截止之等效電路 17
圖12切換式降昇壓型轉換器之電感電流與電壓波形圖 19
圖13 (a)切換式降壓型轉換器電容電流波形；(b)電容器之漣波電壓 23
圖14連續導通模式之電感電流與電壓波形 28
圖15不連續導通模式之電感電流與電壓波形 30
圖16導通模式邊界之電感電流與電壓波形 32
圖17脈衝寬度調變之架構圖 34
圖18脈衝寬度調變之示意圖 34
圖19脈衝頻率調變之架構圖 35
圖20脈衝頻率調變之示意圖 35
圖21非導通時間調變模式之示意圖 36
圖22脈衝省略模式之示意圖 37
圖23突波模式之示意圖 38
圖24切換式降壓型轉換器電路圖 39
圖25切換式降壓型轉換器電路圖 40
圖26雙濾波電感之降壓型轉換器架構圖 41
圖27偏壓電路架構圖 44
圖28遲滯比較器電路圖 45
圖29振盪器電路架構[19] 46
圖30電感電流檢測電路[20] 48
圖31非同步式降壓型轉換器 49
圖32同步式降壓型轉換器 49
圖33零電流檢測電路[22] 49
圖34延遲時間緩衝器 51
圖35取樣—保持電路 52
圖36取樣—保持電路波形圖 52
圖37 R.S正反器電路架構 53
圖38 1對2解多工器電路架構 54
圖39具有啟動電路之偏壓電路波形圖 55
圖40遲滯比較器輸出波形 56
圖41遲滯比較器遲滯曲線圖 56
圖42震盪器脈波圖 57
圖43零電流檢測電路波形 58
圖44延遲時間緩衝器波形 58
圖45延遲時間緩衝器之VS信號 59
圖46取樣-保持電路輸出波形 60
圖47整體電路之功能波形圖(負載電流30 mA) 61
圖48整體電路之功能波形圖(負載電流40 mA) 62
圖49整體電路之功能波形圖(負載電流大於100mA) 62
圖50整體電路之功能波形圖(負載電流變化) 63
圖51效率比較圖 64
圖52佈局圖 66

[1] A. I. Pressman, Switching Power Supply design, New York: McGraw-Hill,1991.
[2] 簡峯偉，“高效率且廣範圍之雙模式降壓轉換器,”，國立中興大學電機所論文，中華民國九十五年六月。
[3] Daniel W.Hart，王順忠譯，“電力電子學” 東華書局印行，2001.
[4] Barry Arbetter, Robert Erickson, Dragan Maksimovic, “DC-DC converter design for battery-operated systems,”IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 1, pp.103-109,Jun. 1995.
[5] Siyua Zhou, G.A. Rincon-Mora, “A high efficiency, soft switching DC-DC converter with adaptive current-ripple control for portable applications,”IEEETransactions on Circuit and Systems II, vol. 53, pp.319-323, Apr. 2006.
[6] T.A. Smith, S. Dimitrijev, and H. Barry Harrison, “Controlling a DC-DC converter by using the power MOSFET as a voltage controlled resistor,”IEEE Transactions on Circuits and Systems I, vol. 47, pp.357-362,March 2003.
[7] H. W. Whittington, B. W. Flynn, and D. E. Macpherson, Switched Mode Power Supply: Design and Construction 2nd edition, Research Studies Press Ltd. , 1997.
[8] N. Mohan,T.M. Undeladn, W.P. Robbins, “Power Electronics,” Third Edition, John Willey &; Sons, 2003.
[9] Rober W. Erickson, Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics. Norwell, MA: Kluwer, 2001.
[10] 王昱權，“Design of PWM/PFM Design of PWM/PFM Dual-Mode Scheduled Li-Ion Charger Controller,”，私立朝陽科技大學資訊工程系碩士論文，民國九十七年七月。
[11] Toru Ogawa, Shingo Hatanaka, Kenji Taniguchi, “An on-Chip High-Efficiency DC-DC Converter with a Compact Timing Edge Control Circuit,”VLSI Circuit Digest of Technical Papers, pp.278-279,Jun. 2002.
[12] 洪溪憲，“寬範圍且高效率脈波頻率調變降壓轉換器” 國立中興大學電機所論文，中華民國九十八年一月。
[13] Brian Acker, Charles R. Sullivan, Seth R. Sanders, “Synchronous Rectification with Adaptive Timing,” Power Electronics Specialists Conference, vol.1, pp.88-95, Jun. 1995.
[14] D. A. Johns and K. Martin, “Analog Integrated Circuit Design,” John Wiley &; Sons,New York,1997.
[15] T. W. Chang. “CMOS Current Reference and Voltage Reference Design,” Master thesis of Technology and Science Institute of Northern Taiwan, 2006.
[16] C. F. Lee and Philip K. T. Mok, “A Monolithic Current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip Current-Sensaing Techniques,”IEEE J.Solid-State Circuits, vol.39, pp.3-14, Jan. 2004.
[17] B. Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits,” McGraw-Hill, Inc., 1997.
[18] P. E. Allen and D. R. Holberg “CMOS Analog Circuit Design,” New York:720Xford, 2002.
[19] 張肇忠，“The design of single phase full wave fan motor driver IC”，國立中山大學電機工程系碩士論文，民國九十四年七月。
[20] Chi Yat Leung, P.K.T. Mok, Ka Nang Leung, M. Chan, “An integrated CMOS current-sensing circuit for low-Voltage current-mode buck regulator,” IEEE Transactions on Circuit and Systems II, vol. 52, pp.394-397, July 2005.
[21] Y. H. Lam, W. H. Ki, C.T. Tsui and P. K. T. Mok, “Single-Inductor Dual-input Dual-output Swiching Converter For Integrated Battery Charging and Power Regulation,”ISCAS ’03. Proceedings of the 2003 International Symposium on Circuits and Systems, vol. 3,pp.III-447-III-450, May 2003.
[22] W. R. Liou, M. L. Yeh, and Y. L. Lung, “A high efficiency dual-mode buck converter IC for portable applications,” IEEE Trans. Power Electron, vol.23, no. 2, pp.667-677, March 2008.
[23] Changsik Yoo, “A CMOS buffer without short-circuit power consumption,” IEEE Transactions on Circuit and Systems II, vol. 47, pp.935-937, Sept. 2000.
[24] S. Zhou and G. A. Rincon-Mora, “A high efficiency, soft-switching DC-DC converter with adaptive current-ripple control for portable applications,” IEEE Transactions on Circuit and Systems II, vol. 53, no. 4, pp. 319-323, Apr. 2006.