CCM模式下BUCK型SIDO变换器的建模及优化

摘要

随着手持智能设备的广泛应用，对提供多路电压输出的电源管理芯片的需求越来越高。而单电感多输出技术，可以有效减少电感个数、功率管个数、引脚个数，节省空间和成本，成为国内外研究的热点。但是目前对单电感多输出的研究基本是关于控制结构的行为描述，对系统的小信号模型分析较少，且不够精确。本文以双路输出的单电感多输出即SIDO(SingleInductorDualOutput)为例，对单电感多输出进行研究，考虑寄生参数，建立精确的稳态模型和小信号模型，从理论上指导芯片设计。
　　本论文选择共模峰值电流控制主级环路，差模纹波比较控制次级环路的BUCK型SIDO变换器为研究对象，首先介绍了其工作原理，对环路占空比、输出电压稳态误差、输出电压纹波等建立稳态模型，并对稳态特性进行了分析及优化设计。其次，利用开关元件平均法，在考虑功率管导通电阻、输出电感及输出电容寄生电阻等参数的条件下，建立了SIDO变换器功率级的精确小信号模型。并根据峰值电流模式、纹波比较模式的工作原理，建立了SIDO变换器控制环路的精确小信号模型，最终得到整个系统的小信号模型。基于所建模型，对SIDO系统进行了稳定性、瞬态响应及交叉耦合的性能分析，推导出数学表达式并阐述了其物理意义。最后，在模型分析的基础上，结合AVP(AdaptiveVoltagePosition)技术和提出的自适应斜波补偿方案，对系统进行了优化设计，得出了误差放大器、电流采样、斜波补偿等模块的最佳参数。
　　根据SIDO变换器的模型得出的电路模块的参数，在Chartered0.18μm2P6M1.8V/3.3VCMOS工艺下完成设计及流片。利用PAC(PeriodicAC)分析对主级环路和次级环路的小信号模型进行了仿真，结果验证了SIDO变换器的小信号模型的误差存10％之内。芯片测试的输出电压V1=1.8V±2％，V2=1.2V±5％，纹波均小于50mV，满足稳态性能的设计指标；自适应斜波补偿方案也可以有效提高SIDO变换器的瞬态响应；但交叉耦合和瞬态响应性能的测试结果与设计指标存在一些偏差，并对其进行了分析。