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研究生:郭峻廷
研究生(外文):Chun-Ting Kuo
論文名稱:高效率雙調變切換式昇壓穩壓器設計
論文名稱(外文):A High Efficiency Dual-Mode Boost Regulator
指導教授:劉萬榮吳渝
指導教授(外文):Wan-Rone LiouYu Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:昇壓雙調變脈衝寬度調變脈衝頻率調變
外文關鍵詞:boostdual-modePWMPFM
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摘要

本論文提出一個新穎的雙調變切換式昇壓穩壓器,使穩壓器操作於輕載與重載時皆能有相當高的效率。此穩壓器可以操作在脈衝寬度調變與脈衝頻率調變,當穩壓器在輸出為重載的情況下,穩壓器操作於脈衝寬度調變,而當穩壓器在輸出為輕載時,穩壓器則操作於脈衝頻率調變,此穩壓器之功率轉換效率最高可以達到96%。當輸出負載電流小於100mA時,穩壓器切換至脈衝頻率調變,以提昇脈衝寬度調變於輕載時之功率轉換效率,甚至當負載電流為10mA時,其功率轉換效率提昇了約15%,這大幅地改善了輕載時的功率轉換效率。另外,本論文也加入了軟啟動電路,避免當電路啟動時會造成的過大切換電流。最後,本論文設計了一個電流抑制電路,此電路可以將操作於脈衝頻率調變下的切換電流限制在400mA以下,以確保穩壓器之安全操作。實際量測穩壓器晶片之結果,操作於脈衝寬度調變之切換頻率為500KHz,當輸入電壓為3.3V,輸出電壓可達5.12V。本論文設計之晶片使用TSMC 0.35 m 2P4M 3.3V/5V Mixed Signal CMOS製程實現。
Abstract

A novel dual-mode boost regulator is proposed in this thesis. This regulator can operate with high power conversion efficiency for both light and heavy loads. The regulator operates in pulse width modulation mode at heavy load and in pulse frequency modulation mode at light load. The maximum power conversion efficiency of the regulator can reach 96%. When the load current is below 100mA, it switches to pulse frequency modulation mode to improve the power conversion efficiency for light load. The power conversion efficiency raises about 15% at load current of 10mA. It substantially improves the power conversion efficiency for light load. Furthermore, a soft start circuit is designed to avoid the excess large switching current at the start up of the regulator. A current-limiting circuit is also designed to limit the switching current below 400mA when operating in pulse frequency modulation mode. Thus the regulator can operate safely. The measurement result shows the regulator can reach output voltage of 5.12V in pulse width modulation mode with switching frequency of 500KHz when input voltage is 3.3V. This regulator IC is fabricated with TSMC 0.35 m 2P4M 3.3V/5V Mixed Signal CMOS technology.
目 錄

摘要 I
目 錄 III
圖目錄 V
表目錄 IX

第一章 緒論 1
1.1 背景簡介 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 切換式直流對直流穩壓器概念 4
2.1 線性穩壓器 7
2.2 切換式降壓穩壓器 9
2.3 切換式昇壓穩壓器 11
2.4 切換式昇降壓穩壓器 13
2.5 切換式電容穩壓器 15
2.6 切換式穩壓器之功率轉換效率 16
2.7 切換式穩壓器之暫態響應 18
第三章 切換式昇壓穩壓器基本架構設計 22
3.1 切換式昇壓穩壓器之基本原理與穩態分析 22
3.1.1 連續導通模式下之穩態分析 24
3.1.2 連續導通模式與不連續導通模式之邊界條件 27
3.1.3 不連續導通模式下之穩態分析 28
3.2 系統迴路穩定度分析 33
3.3 軟啟動 39
3.4 穩壓器之調變模式 40
3.4.1 脈衝寬度調變 40
3.4.2 脈衝頻率調變 41
3.5 頻率擾動技術 45
第四章 整體架構與電路實現 47
4.1 軟啟動電路 49
4.2 含啟動電路之偏壓電路 51
4.3 能隙參考電壓源 53
4.4 誤差放大器 55
4.5 磁滯比較器 57
4.6 鋸齒波產生器 58
4.7 PWM調變電路 60
4.8 電感電流偵測電路 60
4.9 PFM調變電路 61
4.10 模式選擇電路 62
4.11 功率電晶體 63
第五章 模擬結果、晶片佈局與晶片測試 65
5.1 昇壓穩壓器晶片之電路模擬 65
5.2 晶片佈局 75
5.3 晶片測試 77
5.4 效能總結 80
第六章 結論與未來展望 82
參考文獻 84

圖目錄

圖2.1常見之電源轉換器 5
圖2.2線性穩壓器架構 8
圖2.3切換式降壓穩壓器架構 10
圖2.4切換式降壓穩壓器輸出、輸入電壓比例與工作週期之關係 10
圖2.5切換式昇壓穩壓器架構 12
圖2.6切換式昇壓穩壓器輸出、輸入電壓比例與工作週期之關係 12
圖2.7切換式昇降壓穩壓器架構 14
圖2.8切換式昇降壓穩壓器輸出、輸入電壓比例與工作週期之關係 14
圖2.9切換式電容穩壓器架構 15
圖2.10切換式昇壓穩壓器電流示意圖 18
圖2.11負載電流變動之暫態響應示意圖 20
圖3.1切換式昇壓穩壓器於連續導通模式下之操作 23
圖3.2連續導通模式之電感兩端電壓及電感電流之波形 26
圖3.3切換式昇壓穩壓器CCM/DCM之邊界情形 28
圖3.4切換式昇壓穩壓器於不連續導通模式下之操作 30
圖3.5不連續導通模式之電感兩端電壓及電感電流之波形 32
圖3.6穩壓器迴路示意圖 33
圖3.7穩壓器之回授控制網路方塊圖 34
圖3.8 TYPE3補償之誤差放大器 37
圖3.9 TYPE3之頻率響應補償 37
圖3.10 脈衝寬度調變示意圖 40
圖3.11 脈衝頻率調變示意圖 41
圖3.12 脈衝省略技術示意圖 42
圖3.13 Burst模式示意圖 43
圖3.14非導通時間調變示意圖 44
圖4.1切換式穩壓器系統架構方塊圖 48
圖4.2軟啟動電路架構 50
圖4.3軟啟動之波形 50
圖4.4含啟動電路之偏壓電路 52
圖4.5偏壓電路於啟動時之電流波形 52
圖4.6不同供應電壓下之偏壓電流 53
圖4.7含啟動電路之低電壓能隙參考電壓源 54
圖4.8當溫度由0℃到100℃,能隙參考電壓源之變動情形 54
圖4.9溫度由0℃到100℃,同時掃描VDD由2.7V到5V之參考電壓源變動情形 55
圖4.10兩級式誤差放大器 56
圖4.11誤差放大器之波德圖 56
圖4.12具有輸出緩衝之磁滯比較器 57
圖4.13磁滯比較器之輸出電壓曲線 58
圖4.14鋸齒波產生器電路架構 59
圖4.15鋸齒波之模擬波形 59
圖4.16脈衝寬度調變電路 60
圖4.17電感電流偵測電路 61
圖4.18脈衝頻率調變電路 62
圖4.19模式選擇電路 63
圖5.1穩壓器操作於PWM調變模式之輸出電壓波形 65
圖5.2穩壓器操作於PWM調變模式之輸出電壓漣波 66
圖5.3穩壓器操作於PWM調變模式之電感電流 66
圖5.4穩壓器操作於PFM模式下之輸出電壓波形 67
圖5.5穩壓器操作於PFM模式下之輸出電壓漣波 67
圖5.6穩壓器操作於PFM模式下之電感電流 67
圖5.7輸入電壓由3.3V下降至3.0V之輸出電壓波形 68
圖5.8輸入電壓由3.0V下降至2.8V之輸出電壓波形 68
圖5.9負載電流由120mA下降至110mA 70
圖5.10負載電流由110mA下降至83mA 70
圖5.11負載電流由50mA下降至33mA 71
圖5.12負載電流由50mA切換至33mA,切換電流限制在400mA以下 71
圖5.13 負載電流由33mA下降至25mA 71
圖5.14負載電流由33mA切換至25mA,切換電流限制在400mA以下 72
圖5.15未加入擾動電路之穩壓器切換訊號頻譜分析 73
圖5.16加入23KHz擾動頻率之穩壓器切換訊號頻譜分析 73
圖5-17加入23KHz擾動頻率之穩壓器輸出電壓漣波 73
圖5.18昇壓穩壓器晶片佈局圖 76
圖5.19昇壓穩壓器晶片之佈局照片 76
圖5.20昇壓穩壓器晶片之量測示意圖 78
圖5.21能隙參考電壓源之電壓為0.9V 78
圖5.22穩壓器切換頻率為500KHz 79
圖5.23穩壓器之LX切換波形 79
圖5.24穩壓器之輸出電壓為5.12V與所對應之PWM訊號 79
圖5.25昇壓穩壓器之整體效率 80


表目錄

表2-1電源轉換器之比較 6
表5-1昇壓穩壓器之效能總結 74
表5-2 穩壓器模擬與量測結果之比較 81
參考文獻
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