论文总字数：40891字

摘 要

伴随着科技的飞速发展，人们对于各式各样的便携式电子设备的需求迅速增长，开关电源以其转换效率高、体积小而便捷等优点，得到了广泛应用。为满足实际应用中需要多个工作电压给不同的子电路供电的要求，单电感多输出（Single Inductor Multiple Output, SIMO）电源管理技术应运而生。随着对SIMO研究的深入，如何提高转换效率越来越成为研究的重点，功率管驱动电路的设计成为提高效率的关键，死区时间自适应控制的驱动电路因能显著降低死区时间损耗而成为研究的热点。

本文首先介绍了DC-DC变换器中驱动电路的研究背景以及死区时间优化的研究现状；接着对同步整流型DC-DC降压变换器的功率级电路进行损耗分析，建立了包含传导损耗、开关损耗、死区时间损耗在内的损耗模型，获得了各项损耗与其影响因素间的函数关系；随后基于推导的损耗模型，进行优化设计：依据传导损耗与开关损耗的折衷关系，确定功率管的最优尺寸；针对死区时间损耗，提出了一种新颖的死区时间自适应控制方法，并基于此方法设计了死区时间自适应控制的驱动电路，该电路包括死区固定电路、反相器链驱动电路、检测与采样保持电路、误差比较电路、控制电流产生电路、死区产生及驱动电路六个模块。最后基于Chart 0.18 μm CMOS工艺，在Cadence平台下对整体电路进行了功能验证与效率仿真，设计了驱动电路的版图并进行了后仿真验证。

论文通过前仿真和后仿真结果验证了所设计的死区时间自适应控制的驱动电路能够正常工作，驱动电路得到的栅极控制信号上升沿均小于3ns，下降沿均小于4ns，下降死区时间后仿真结果为2.2ns，上升死区时间可以随负载电流的变化而自适应改变，达成设计指标。所设计的同步整流型DC-DC降压变换器的转换效率在宽负载电流范围内（40mA~370mA）转换效率相较优化前提高约0.5%，效率最高可提高1%以上；宽负载范围内转换效率达到96%以上，转换效率峰值超过98%。

关键词：损耗模型、最优死区时间、自适应控制、驱动电路、转换效率

Abstract

With the great development of electronic industry, the demand for a variety of portable electronic devices increases rapidly. Switching power supply is widely used for its high efficiency, small size and convenience. To meet the requirement of different voltages for different sub-circuits, Single Inductor Multiple Output (SIMO) switching power supply is introduced. How to improve the conversion efficiency becomes the focus of attention increasingly. As the study goes further, the design of driving circuit becomes the key to improving the efficiency. Adaptive dead-time control method becomes a hotspot for it can significantly reduce the dead-time loss.

Firstly, the background of DC-DC converter’s driving circuit and the research status of the dead-time optimization are introduced. Then the losses of synchronous rectification DC-DC buck converter are analyzed, including conduction loss, switching loss and dead-time loss. The models of these losses are established. Based on these models, a series of technologies are used to optimize the design for higher conversion efficiency. According to the trade-off relationship between conduction loss and switching loss, the optimal gate-width of the power MOS has been calculated. Aiming at reducing dead-time loss, a novel adaptive dead-time control method is proposed and a driving circuit based on this method is designed, which includes the dead-fixing circuit, inverter chain driving circuit, testing and sample holding circuit, error comparator, control current generating circuit and the dead-time generating and driving circuit. The whole design is based on Chart 0.18 μm CMOS technology and simulated with the help of Cadence platform. What’s more, the layout of the drive circuit is designed and the post-layout simulation is tested.

Both the pre-layout simulation and the post-layout simulation results verify that the driving circuit with adaptive dead-time control works properly. The rising time of the gate control signal is less than 3ns and the falling time is less than 4ns. Besides, the dropping dead-time is 2.2ns while rising dead-time can change with different load current adaptively. The conversion efficiency of synchronous rectification DC-DC buck converter can be improved about 0.5% compared with converter without dead-time optimization over a wide load current range (40mA~370mA). In some cases the efficiency can be improved up to 1% and the peak conversion efficiency is more than 98% while the efficiency is over 96% in a wide load range.

Keywords: Loss Model, Dead-time Optimization, Adaptive Control, Driving Circuit, Conversion Efficiency

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 死区时间优化研究现状 1

1.3 本文主要工作 3

第二章 损耗模型分析 5

2.1 传导损耗 5

2.2 开关损耗 7

2.3 死区时间损耗 8

2.3.1 死区时间损耗产生过程 8

2.3.2 死区时间损耗模型 10

2.4 本章小结 11

第三章 驱动电路设计 13

3.1 功率开关管尺寸设计 13

3.2 反相器链设计 14

3.3 死区时间自适应控制驱动电路设计 16

3.3.1 死区时间自适应控制方法 16

3.3.2 检测及采样保持电路实现 17

3.3.3 误差比较电路 20

3.3.4 控制电流产生电路 21

3.3.5 死区产生及驱动电路 21

3.3.6 PG信号产生电路 23

3.4 本章小结 24

第四章 系统实现与仿真 25

4.1 DC-DC电路参数确定 25

4.1.1 占空比确定 26

4.1.2 滤波电感值确定 26

4.1.3 滤波电容值确定 27

4.2 死区时间自适应控制驱动电路仿真 28

4.3 DC-DC降压变换器效率仿真 31

4.4 本章小结 32

第五章 版图设计与后仿真 33

5.1 版图设计 33

5.1.1 大尺寸MOS管版图设计 34

5.1.2 版图匹配设计 35

5.1.3 整体版图设计 35

5.2 驱动电路后仿真 36

5.3 本章小结 39

第六章 总结与展望 41

6.1 总结 41

6.2 展望 41

致谢 43

参考文献 44

绪论

• 1. 研究背景

近年来，人们对于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子产品的需求迅速增长，电源管理技术成为了重要的设计挑战。电感型DC-DC变换器由于其具有效率高、稳定性好、功率密度高、成本易于控制等优点，得到了广泛的应用。同时研究结果表明，对设备的不同模块采用多电源供电能够降低设备的功耗，并且能够保证系统的性能。实际应用中往往需要多个输出电压给不同的子电路供电，多输出电源管理技术受到人们越来越多的关注。传统的DC-DC变换器使用单个电感实现单路电压输出, 然而为了得到双路甚至是多路输出, 则需要采用多个电感，这造成了电源成本和体积的增加；目前许多实现了多路输出电压的产品大都采用DC-DC与低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator, LDO）混合的解决方案，转换效率较低。因此，随着人们对单电感多输出（Single Inductor Multiple Output, SIMO）电源管理技术研究的深入，出现了许多单电感多输出转换器结构。目前SIMO具有向着高频率、高效率、高集成度等方向发展的趋势^[1]，尤其是对系统转换效率的要求越来越高，其中功率管驱动电路的设计成为提高效率、降低成本的关键^[2]。

对于DC-DC变换器中功率管的驱动电路的设计来说，驱动能力与功耗是十分重要的指标。驱动能力主要表现为从发出控制信号到功率MOS管完成开关转换所需要的延迟时间，延迟时间越小表明驱动电路驱动能力越强^[3]。目前开关电源的开关频率呈现高频化的趋势, 这就要求驱动电路能提供更强的驱动能力。同时, 在保证获得足够的驱动能力的前提下，如何降低驱动电路的功耗也是驱动电路设计时必须着重考虑的问题。研究表明优化死区时间可以显著降低死区时间损耗，因而目前驱动电路设计中的死区时间控制技术备受关注，优化死区时间从而提高系统转换效率成为研究的热点。

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