《开关电感电源IC设计(Switched Inductor Power IC Design)》

《开关电感电源IC设计》

本教科书使用设计见解、现实生活中的示例、说明性数字、易于遵循的方程和简单的 SPICE 代码来展示半导体器件（二极管、双极结晶体管 （BJT） 和金属氧化物半导体 （MOS） 场效应晶体管 （FET） ）如何在开关电感电源中独立或者集体工作的;这些电源如何传输功率、消耗功率以及跨频率的反应和响应;反馈回路如何切换、控制和稳定它们;以及如何实施和设计构成它们的构建块。

本书重点突出，内容完整，对从半导体器件到全封闭反馈系统的功率IC设计进行了全面的研究和视角。读者将获得解释、评估和设计开关电感电源IC所需的洞察力，几乎所有电子系统都需要这些，但没有其他书籍以这种方式进行讨论。

《开关电感电源IC设计》的内容介绍

本教科书的目的是通过洞察力、分析、示例和模拟来展示和说明如何设计开关电感器直流-直流（DC-DC）电源。 本书采用从头开始的方法，从器件到系统。本书的 第 1 章和第 2 章是关于二极管和晶体管的。 第 3 和第 4 节关于功率生成和传输。 第 5 章和第 6 章关于频率响应和反馈控制。 关于系统组成和体系结构是第 7 章和第 8 章。 贯穿始终的重点是设计。

第 1 章回顾了 PN、齐纳和肖特基二极管以及双极结晶体管 (BJT) 如何阻断和传导电流。 它从固体和半导体的行为方式以及添加杂质掺杂剂原子如何改变它们的行为开始。 掌握了这些概念后，该章节详细介绍了 PN 和金属-半导体结二极管和 BJT 的工作模式、特性和响应，包括静电行为、能带图、电流-电压转换、电容、恢复时间、击穿机制、结构 变化等等。

第 2 章回顾结型和金属氧化物半导体 (MOS) 场效应晶体管 (FET) 如何阻断和传导电流。 它描述了 MOSFET 如何积累、耗尽和反转其通道，以及它们如何在截止、亚阈值和反转时使电流饱和。本章节还讨论了体效应、弱反转、栅极-沟道氧化物电容如何跨操作区域分布，以及短沟道效应，如漏极诱导势垒降低 (DIBL)、表面散射、热电子注入、氧化物表面喷射、速度 饱和、碰撞电离和雪崩。 然后这些讨论扩展到变容二极管、MOS 二极管、轻掺杂漏极 (LDD)、扩散沟道 MOSFET (DMOS)、结隔离、衬底 MOSFET、阱 MOSFET 以及电子和系统噪声耦合和注入。

第 3 章解释了电感器和变压器的工作原理以及开关电源如何使用它们来传输功率。 它讨论了需要这些开关电感器的应用，以及使用互补 MOS (CMOS) 集成电路 (IC) 实现它们时采取的步骤和预防措施。 它还描述了理想、异步和同步降压-升压、降压、升压和反激式 DC-DC 转换器的工作方式，以及它们的电压、电流、占空比和导通模式之间的关系。

第 4 章详细介绍了开关电感器电源如何消耗本应用于输出的功率。 它讨论了稳压器、电池充电器和能量收集器中这些功率损耗的重要性以及控制它们的机制。 这个章节的材料解释并量化了电阻、二极管、晶体管和栅极驱动器如何在连续和不连续传导中消耗功率、死区时间、电流-电压重叠和栅极电荷功率。 讨论的概念包括功率转换效率、部分损耗、最大功率点、功率定理、反向恢复、软开关等。 本章还展示了如何使用这些概念来设计电源开关和栅极驱动器，以及损耗是如何最终改变、支配和达到峰值转换效率的。

第 5 章描述了开关电感器电源如何在整个频率范围内对动态波动做出反应和响应的。 它解释了管理双端口模型的指导原则，最终展示了开关电感器如何简化为简单的电流和电压源网络。 本章还展示了耦合、分流和旁路电容器和电感器如何在有和没有限流和限压电阻的情况下单独和共同响应。 有了这种洞察力，推导出连续和不连续传导中加载降压、升压、降压-升压和反激式的频率响应就更有洞察力，也更容易理解和应用。 在此过程中，本章介绍并解释了电容器和电感器极点、同相和异相左半平面和右半平面零点、反转极点和零点、过渡 LC 频率、LC 品质因子和增益、峰化和阻尼效应 ，以及其他有助于描述交换式 LC 网络的相关概念。

第 6 章介绍如何控制和稳定开关电感电源。 它解释了反相反馈环路如何在环路中混合、采样和转换信号，它们如何跨频率响应，以及前置放大器、并行路径和嵌入式环路如何改变它们的响应。 本章还讨论了电源系统如何使用运算放大器 (op amps) 和运算跨导放大器 (OTA) 来稳定反馈系统。 有了这种理解和洞察力，本章解释了模拟和数字、电压和电流模式以及电压和电流控制器如何在连续和不连续导通中管理和稳定开关电感器。 在此过程中，它介绍并回顾了相位和增益裕度、增益-带宽积、单位增益预测、稳定策略（类型 I、II 和 III：主极点、极点-零对和极点-零-零三重态） 、同相和反相反馈以及混合运算放大器转换、固有稳定性、数字增益和带宽、极限循环以及其他有助于描述、量化和评估反馈控制器的相关概念。

第 7 章解释了反馈回路如何控制开关电感器电源。 它描述了脉宽调制 (PWM)、迟滞和恒定时间峰/谷环路如何切换电感器、偏移它们控制的电流或电压，以及如何响应快速输入或输出变化。 它还说明了求和比较器如何收缩控制环路并消除电流模式电压环路通常表现出的负载效应。 本章以紧凑、快速、低成本的阻性、滤波和电压模式电压环路 (voltagesquared) 降压转换器作为结尾。 在此过程中，本章材料介绍并回顾了比较器、迟滞比较器、求和比较器、脉宽调制器、置位-复位 (SR) 触发器、脉冲发生器、次谐波振荡和斜率补偿。

开关电源是具有模拟、模拟-数字和数字功能的微电子系统，可以设置、管理和控制其输出。 第 8 章展示了如何实现和设计此功能所需的构建功能模块。 涵盖的部分模块包括电流传感器和反馈转换、迟滞和求和比较器、锯齿波和单脉冲发生器/振荡器、栅极驱动器和死区时间逻辑、零电流检测器、振铃抑制器、开关二极管以及关断和启动功能 . 本章材料还回顾了用于实现其中一些模块的电路，例如低侧和高侧电源感应比较器、推挽逻辑、A 类反相器、SR 触发器等。

附录是有关 SPICE 仿真的简短参考指南。 它涉及融合、模型和结构。 它还列出了模拟开关电感器电源时常用的设备、源和命令。 它以本教科书中使用的通用数字模块和比较器的行为模型以及未包含在第6章中的稳定器的 SPICE 代码作为结尾。