Введение к работе
Актуальность работы. К первичным источникам электропитания относятся электросеть переменного тока, аккумуляторы, батареи, и т.д. Для функционирования большинства интегральных схем (ИС) требуются напряжения питания, номинальные значения и стабильность которых отличаются от представляемых первичными источниками. В этом случае применяются источники вторичного электропитания (ИВЭП), которые преобразуют выходное напряжение первичных источников электропитания к виду, пригодному для использования в ИС.
Существующая тенденция повышения точности основных параметров микросхем в расширенном температурном диапазоне предъявляет повышенные требования к стабильности выходного напряжения ИВЭП.
Характеристики ИВЭП определяются параметрами основных функциональных узлов специализированных контроллеров. В настоящее время методы построения функциональных узлов, которые дают качественное улучшение стабильности выходного напряжения в широком диапазоне температур, исследованы недостаточно полно.
В связи с этим, исследование и разработка функциональных узлов интегральных контроллеров ИВЭП с высокой стабильностью выходного напряжения является актуальной задачей.
Размер цифровых элементов полупроводникового кристалла с развитием микроэлектроники существенно уменьшается, в то время как размер аналоговых элементов сокращается незначительно.
Поэтому актуальной также является разработка функциональных узлов ИВЭП с высокой стабильностью выходного напряжения, в основе которых лежит преимущественное использование цифровых схем.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования, анализе и схемотехнической реализации функциональных узлов интегральных контроллеров источников вторичного электропитания с высокой стабильностью выходного напряжения.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ контроллеров ИВЭП различных типов с целью выявления функциональных узлов, определяющих стабильность выходного напряжения.
-
Разработать метод построения источников опорного напряжения (ИОН) с высокой стабильностью выходного напряжения в. расширенном диапазоне температур.
-
Разработать метод настройки предложенных источников опорного напряжения с высокой стабильностью выходного напряжения применимый в условиях массового производства.
-
Разработать методику проектирования времязадающих цепей высокой точности для контроллеров ИВЭП с множеством состояний и сложной временной диаграммой.
-
Разработать метод построения контроллера импульсного преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающий повышенную частоту переключения при высокой стабильности выходного напряжения.
-
Разработать метод построения высокоточного компаратора с возможностью детектирования отрицательных уровней напряжения.
-
Провести экспериментальную проверку разработанных методов и решений на примере проектирования, изготовления и исследования полученных характеристик ряда микросхем контроллеров источников вторичного электропитания.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
На основе исследования температурной зависимости выходного напряжения источников опорного напряжения первого порядка разработан метод построения ИОН с использованием кусочной аппроксимации.
-
Разработан метод настройки такого источника опорного напряжения, основанный на последовательном вычислении коэффициентов усиления.
-
Установлены и исследованы зависимости нестабильности времязадающих цепей контроллеров ИВЭП от их параметров, на базе зависимостей разработана методика проектирования контроллеров ИВЭП с множеством состояний и сложной временной диаграммой, которая основана на использовании связанных линий задержки.
-
На основе предложенной модели анализа дискретных сигналов в индуктивной цепи разработан метод построения контроллера импульсного преобразователя постоянного напряжения с применением последовательного кода максимальной частоты.
-
Разработан метод построения высокоточного компаратора с возможностью сравнения отрицательных уровней входных напряжений, основанный на сравнении токов, соответствующих разнице входных и опорных напряжений.
Практическая ценность работы.
1. На основе анализа функциональных узлов интегральных контроллеров ИВЭП выявлены две группы узлов, которые влияют на стабильность выходного напряжения. Показано, что повышение стабильности выходного напряжения узлов первой группы может быть достигнуто путем совершенствования проектирования топологии и относительного увеличения топологических размеров элементов. Повышение стабильности выходного напряжения узлов второй группы можно достичь за счет
новых схемотехнических и конструктивных решений, которые рассмотрены в диссертационной работе.
-
Метод построения источника опорного напряжения, основанный на кусочной аппроксимации, позволяет повышать стабильность выходного напряжения ИВЭП в расширенном температурном диапазоне.
-
Метод настройки источника опорного напряжения, основанного на кусочной аппроксимации, позволяет настраивать такой ИОН, в том числе в условиях массового производства, посредством последовательного вычисления коэффициентов усиления.
-
Методика проектирования контроллеров ИВЭП с множеством состояний и сложной временной диаграммой на основе использования связанных линий задержки позволяет проектировать времязадающие цепи в источниках вторичного электропитания с повышением стабильности выходного напряжения ИВЭП.
-
Метод построения контроллера импульсного преобразователя постоянного напряжения на основе применения последовательного кода максимальной частоты обеспечивает повышение частоты переключения и высокую стабильность выходного напряжения. Повышение частоты переключения позволяет уменьшать габариты индуктивных элементов, что делает возможным интеграцию этих элементов в одном корпусе.
-
Метод построения высокоточного компаратора с возможностью детектирования отрицательных напряжений позволяет достигать высокой стабильности выходного напряжения компаратора при отрицательных уровнях входных напряжений.
-
Внедрение разработанной серии источников вторичного электропитания позволяет снизить себестоимость и улучшить эксплуатационные характеристики широкого спектра интегральных контроллеров ИВЭП бытового, промышленного и военного назначения.
Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем защиты литиевых аккумуляторов КБ1446ВГЗ, КБ1446ВГ6, что подтверждено актом о внедрении.
Достоверность результатов. Достоверность
разработанных методов и решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов различных источников вторичного электропитания и серийных микросхем защиты литиевых аккумуляторов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Проектирование источника опорного напряжения с использованием кусочной аппроксимации позволяет создавать ИОН с высокой стабильностью выходного напряжения в расширенном температурном диапазоне.
-
Метод настройки ИОН с кусочной аппроксимацией на основе последовательного вычисления коэффициентов усиления позволяет настраивать такой источник опорного напряжения посредством измерения источника при одной температуре.
-
Методика проектирования контроллеров ИВЭП, основанная на использовании связанных линий задержки, позволяет сделать выбор способа построения времязадающих цепей, что повышает стабильность выходного напряжения контроллеров источников вторичного электропитания с множеством состояний и сложной временной диаграммой.
-
Метод построения контроллеров ИВЭП, основанный на использовании последовательного кода максимальной частоты, позволяет проектировать контроллеры импульсных преобразователей постоянного напряжения с увеличенной частотой переключения управляющего ключа и повышенной стабильностью выходного
напряжения. 5. Метод построения компараторов, основанный на сравнении токов, соответствующих разнице входных и опорных напряжений, позволяет проектировать интегральные компараторы с повышенной точностью сравнения отрицательных уровней входных напряжений при использовании только положительных источников напряжения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, в том числе на международной научно-технической конференции «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы» в 2010 году и на 18-ой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011».
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 3 статьях и тезисах б докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 128 листах основного текста, содержит 83 рисунка и И таблиц к основному тексту, списка литературы из 104 наименований.
