宽应用范围的BUCK变换器控制策略与电路研究

摘要

随着电子信息技术的快速发展，如何为各种电子元件提供高效、稳定的供电成为了业界共同面临的问题，DC-DC变换器凭借能量转换效率高、体积小等优点成为了业界常用的功率拓扑。由于汽车电子、工业控制等应用场景的不断涌现，Buck变换器需要在宽输入输出电压、宽频率和宽负载的应用范围内正常工作。为了满足上述需求，宽应用范围Buck变换器由此产生，设计这类Buck变换器需要选择合适的控制策略并且搭建符合要求的实现电路。 为了找出合适的控制策略，本文归纳了宽应用范围Buck变换器对控制策略的性能需求，通过对边带效应的分析确立了DC/DC环路稳定性的推导思路，对PCM（Peak Current Mode，峰值电流模）、COT（Constant On-Time，恒定导通时间）电流模、RBCOT（Ripple-Based COT，纹波控制COT）三种业界常用的控制方式进行了精确的小信号建模，基于建模结果对几种控制方式在宽应用范围下的模型参数变动和频率补偿策略进行了分析和验证。综合考虑各类因素，PCM以其抗噪声能力强、开关频率易受控制等优点，成为本文选择的控制方式。 基于PCM控制方式和相应的频率补偿策略，本文首先设计了一款高可靠性的异步整流控制器。为了实现全片内集成的内部供电，本文在电路内部设置了分离电源轨，使用多个LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）和伪LDO架构电路完成系统供电；高精度的基准偏置电路用于产生零温度系数的基准电压和偏置电流；高速SenseFET电流采样、与频率相关的斜坡补偿等电路实现了宽应用范围下的环路控制功能。上述方案基于0.35μm60VBCD工艺进行了流片，测试结果表明，本文提出的电路方案在4.5-36V，200k-1.5MHz，0-2A的应用范围内均可以实现良好的输出调整效果，满足了设计要求。 基于异步电路的研究结果，本文还设计了一款满足更宽应用范围的同步整流控制器，重点研究了该电路面临的几项关键问题。为了满足低压高频下的系统供电需求，本文提出了高能量转换效率的LDO、基于开关LDMOS的自举充电电路。此外，本文还针对高频应用提出了一种新颖的电流采样架构，设计了同步整流控制器需要的下管电流检测模块。仿真结果表明，基于上述方案搭建的控制器芯片可以在3.6-42V，200k-3MHz，0-3A的应用范围内实现对输出电压的调整。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 开关电源概述

1.1.1 开关电源简介

1.1.2 宽应用范围Buck变换器的发展现状

1.2 开关电源的建模

1.3 本文结构

第二章 Buck变换器的相关原理

2.1 Buck变换器的基本工作原理

2.1.1 Buck拓扑

2.1.2 变换器的主要性能指标

2.2 Buck变换器的控制策略

2.2.1 Buck变换器的控制策略分类

2.2.2 边带效应和建模方式

2.3 本章小结

第三章 宽应用范围Buck变换器的控制策略研究

3.1 宽应用范围下的控制策略需求

3.2 峰值电流模的控制策略研究

3.2.1 峰值电流模的边带效应分析

3.2.2 模型建立与结果验证

3.2.3 宽应用范围下的频率补偿策略

3.3 COT电流模的控制策略研究

3.3.1 COT电流模的小信号特性分析和频率补偿策略

3.3.2 锁相环控制COT的电路架构和环路特性分析

3.3.3 实验结果验证

3.4 RBCOT的控制策略研究

3.4.1 RBCOT的小信号特性分析

3.4.2 宽应用范围下的模型改进与验证

3.4.3 宽应用范围下的频率补偿策略

3.5 宽应用范围Buck变换器的控制策略选择

3.6 本章小结

第四章 高可靠性异步Buck变换器的设计与实现

4.1 系统设计指标和整体架构

4.2 供电电路设计

4.3.1 预偏置电路设计

4.3.2 环路和逻辑供电电路

4.3.3 自举充电电路

4.3 基准和偏置模块

4.4 控制环路设计

4.4.1 误差放大器和浪涌保护电路

4.4.2 峰值电流检测环路设计

4.4.3 斜坡补偿电路

4.4.4 电流采样电路

4.5 芯片后端设计与验证

4.5.1 版图设计和后仿

4.5.2 测试PCB设计

4.5.3 芯片实际测试

4.6 本章小结

第五章 高性能同步Buck控制器的设计与实现

5.1 系统设计指标和整体架构

5.2 供电和偏置电路设计

5.2.1 预偏置和基准电路

5.2.2 高能量转换效率LDO

5.2.3 基于开关MOS的自举充电电路

5.3 高速峰值电流检测和电平位移电路

5.3.1 系统控制时序和实现电路

5.3.2 环路信息参考电平转换电路

5.3.3 PWM比较器

5.3.4 电平位移电路

5.3.5 高速电流采样架构验证

5.4 下管电流检测电路

5.5 系统整仿验证

5.5.1 系统稳态特性

5.5.2 CCM下的动态特性

5.5.3 DCM下的动态特性

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果