High-Efficiency Low-Voltage DC-DC Conversion for Portable Applications

2023-11-10 01:30

本文主要是介绍High-Efficiency Low-Voltage DC-DC Conversion for Portable Applications,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

参考原书:Chapter12 High-Efficiency Low-Voltage DC-DC Conversion for Portable Applications(英文原著《Low-Voltage/Low-Power Integrated Circuits and Systems: Low-Voltage Mixed-Signal Circuits》的第12章)
本文内容:12.1引入;12.2讲DC-DC转换器的基本原理,总结了效率限制因素;12.3讲BUCK转换器中常用的小型化、低成本化的设计方法;12.4讲高转换效率的设计方法;12.5给了一个具体设计实例;12.6讲物理实现,包括版图和电容、电感元件实现;12.7讲开关电源转换器的其他类型(线性稳压源,开关电容转换器);12.8是总结。这里对引入部分和12.2的基本原理和效率限制因素做了总结,以及详细翻译了12.7节对开关电容转换器的叙述

12.1 引入:

应用场景:为了降低系统功耗,需要将每个子系统在各自功耗最优的电源电压下工作。(然后通过并联和流水线等技术对这个过程性能的损失进行弥补)然后,便携式设备通常只有一个电池电源,因此需要进行DC-DC转换,给每个子模块提供合适的电源电压。
本文内容:CMOS 电源系统和DC转换器的设计

12.2 PWM调制的DC-DC转换器

在这里插入图片描述

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12.3 BUCK转换器的效率影响因素:

本文详细总结了在CMOS BUCK转换器中影响功率转换效率的影响因素,其具体解决方法是在本文的12.4节中给出得。总结如下:
①导通损耗:电流流经器件时因为非理想的导通电阻产生的功耗损失。用P_q=i_rms^2✖R表示,其中rms电流是均方根电流(即正弦波的有效值)。
②滤波元件损耗:滤波元件的电容和电感都存在实部阻抗,因此也会产生功耗;同时由于趋肤效应等非理想因素,这些非理想效应还会在高频的情况下恶化。
③栅极驱动损耗:功率MOS管通常具有较大面积的栅极,由于栅极控制电压的变化导致电荷充放,就发生了电荷的泄露,从而影响效率。
④容性开关损耗:开关功率MOSFET的非理想电容(结电容C_gd,交叠电容C_db)被充放电损耗的功率。
⑤短路损耗:理想的MOS反相器开关等,认为上拉和下拉网络不会同时导通,但实际存在短暂的短路情况,从而耗费较大能量。
⑥体二极管导通功耗:在MOS管模型中存在体二极管(衬底和源极、漏极之间),而在反向器的死区(即P管和N管都不导通的时间),NMOS会被强迫流过电流到GND(衬底),二极管就会被导通,如果二极管导通电压和输出电压量级相同,则这个损耗就必须被考虑。
⑦开关杂散感性损耗:电路总是具有非理想的杂散电感效应(来自电容、晶体管等的耦合电荷效应),可以等效为一个直接串联在回路中电感Ls,从而噪声功耗的损失。
⑧静态的控制损耗:PWM和其他控制电路也会损耗电能,在电路不工作时,这部分电路包括其他控制电路,会损耗大量的电能。

12.7.2开关电容转换器:

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