Ⅲ.控制回路子电路之分析与模拟-电力电子与运动控制实验室-交通大学.docVIP

單石CMOS降壓型DC-DC電源IC的設計與模擬 and Simulation of a Monolithic CMOS Buck DC-DC Power IC 蘇韋吉 鄒應嶼 Wei-Chi Su 　　 Ying-Yu Tzou 電力電子晶片設計與DSP控制實驗室 國立交通大學 電機與控制工程學系 Department of Electrical and Control Engineering, National Chiao Tung UniversityPower Electronics IC Design and DSP Control Lab., 摘 要 本?m製程模擬，模擬結果將顯示控制迴路中各個子電路與整體電路之效能，並驗證輸出電壓經由控制後所展現之穩定度。 Ⅰ. 簡介 近年來電子業的進步一日千里，各種電子產品漸漸地成為一般人生活中不可或缺的工具，其中又以可攜式的3C產品(computer電腦、communication通訊、consumer electronics消費性電子之合稱)最為熱門，如筆記型電腦、手機、數位相機等。這些可攜式電子產品除了朝向多功能及人性化操作的方向發展之外，也希望在外形上能做到輕薄短小，而電源供應器常常佔據這些電子產品可觀的體積：在使用時間的考量上，電池的體積無法縮小；電子產品需要穩定的電源供電，電源控制電路的設計顯得格外重要。 以往在電源控制上，各控制元件分別IC化，以致於得將時脈產生器、補償器、比較器等電路所適用的IC在另一電路板上重新組合，如此將佔去相當的體積，若能將控制電路整合成單一IC，除了可以免除不同IC之間適用性的問題之外，電源控制電路的體積亦能大幅縮小。互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)製程具備體積小與低能量損耗的特性，適合製作電源控制IC。 若是以高效率、體積小、價格便宜為訴求，以下有三種適合的電路架構：低壓降穩壓器(low drop-out, LDO)、切換式電容(switching capacitor)轉換器、脈寬調變切換式轉換器(pulse-width modulation switching converter)。三者之間的優劣點如表1所列[1]：低降壓穩壓器之電路如圖1所示，由於採用線性穩壓機制，輸出電壓幾乎沒有漣波成份，其雜訊最低，但效率較為低落是其缺點，輸出電容較大，且無法做升壓式的轉換[2]；切換電容式轉換器之電路如圖2所示，電路本身沒有使用到電感，製作成IC較為容易，主要缺點在其高頻率切換造成的雜訊較大，且相較於脈寬調變切換式轉換器，其開關切換頻率更高，而開關切換操作造成明顯的雜訊影響[3]；脈寬調變切換式轉換器則有三者中最高的效率表現，理論值可達到100%，實際上亦能達到90%~95%，但缺點為電感在IC製程上的技術目前還不夠成熟，電感值的大小還無法精確地掌控，電感體積也是考量因素之一，且由於有開關切換操作，與切換式電容轉換器同樣具有雜訊的問題[4]。本文將以脈寬調變切換式轉換器為探討重點。 圖1 低壓降穩壓器之電路示意圖 圖2 切換電容式轉換器(降壓型)之電路圖 目前脈寬調變式降壓型電源轉換IC，能提供一定範圍的輸入電壓，輸出一低於輸入電壓值的穩定電壓。其發展的方向有二：一為走向高開關切換頻率、低功率的設計，目前開關切換頻率已可達到100MHz以上，輸出功率在500mW左右，但是電路操作在高頻時，因接線產生的寄生電容與寄生電感對電路整體的影響漸漸趨於明顯，因此在效率上較為低落，約為75%到85%[5-6]；另一為走向高效率、高輸出功率的設計，其開關切換頻率在1MHz以下，輸出電流可達到1安培以上，且高頻寄生電容與電感影響較低，故效率可以達到95%以上[7]。表2為目前各IC製造廠所生產降壓式電源IC之規格。 表1 直流對直流轉換器電路架構比較表 優　點 缺　點 低壓降 穩壓器 電路架構簡單 低雜訊 無磁性元件 效率較低 僅限於降壓式轉換 輸出電容較大 切換電容式轉換器 可做升壓或降壓設計 無磁性元件 效率較低 開關切換頻率較高 雜訊較大 脈寬調變切換式轉換器 效率高 開關切換頻率較低 可做升壓或降壓設計 電感不易製作在IC裡面 雜訊較大 表2 各IC製造廠降壓式電源IC之規格 製造商 Analogic Tech AnaChip Vishay 系列型號 AAT1154 AP1501 FX5545G001 輸入電壓(V) 2.7-5.5 3.3、5、12 2.7-6.0 輸出電壓(V) 1.0-4.2 自訂 1.35-4.5 開