基于片上纹波补偿的AOT控制Buck变换器的研究与设计

摘要

随着无线传感网络及消费类电子产品（如可穿戴设备）等各种无线物联网应用的兴起，如何延长设备的待机时长成了一大难题。同时无线传感器网络、监控安防等系统还要求电源管理芯片有快速的负载瞬态响应。这都要求采用新的电源架构。
　　针对上述问题，考虑到基于纹波的控制模式具有快速的负载瞬态响应，本文提出了一种新的Buck变换器，该变换器结合了COT(Constant On Time，恒定导通时间)控制和V2控制，包含一个由误差放大器和补偿网络组成的高增益ECP(Error Correction Path，误差校正通路)和一个由RC纹波补偿网络构成的高速FFP(Feed-Forward Path，前馈通路)，在保证系统具有快速负载响应的同时，提高了电压的输出精度。除此之外，系统采用AOT(Adaptive On Time，自适应导通时间)的控制策略，使系统的开关频率在不同输入条件下维持恒定，降低了EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)的影响并能自动变频进入轻载模式，有效地提高了系统全负载的效率。同时，为了减少变换器功耗，进一步延长电池的使用时间，对芯片的各模块进行了低功耗设计。针对常用的外接低ESR陶瓷电容会带来系统稳定性的问题，提出了利用RC滤波网络进行片上纹波补偿的方法，解决了变换器在占空比大于50％时出现次谐波振荡的问题，且电路结构简单，易于设计。设计的Buck变换器应用电路简单。
　　本论文使用Cadence/Spectre软件，采用Global Foundry0.18μm CMOS工艺对系统及其各个子模块进行设计和仿真验证。仿真结果表明，在低ESR情况下，系统具有良好的稳定性;在输入电压为2.5～5.5V的范围内，输出电压恒为1.8V，开关频率为1MHz，并且具有良好的输出精度和快速的瞬态响应;控制环路静态电流低至1.14μA;系统最大输出电流为600mA;在10～600mA负载范围内，其效率最高可达92.03％。

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 电源管理芯片的概述

1．2 课题研究的意义

1．3 论文的主要研究内容

1．4 论文的结构安排

2 基本原理

2．1 基于输出纹波控制的Buck变换器控制模式

2．1．1 迟滞控制

2．1．2 COT控制

2．1．3 V2控制

2．2 低ESR下系统稳定性分析

2．3 纹波补偿

2．3．1 纹波补偿原理

2．3．2 纹波补偿方式

2．4 本章小结

3 系统结构及顶层设计

3．1 系统设计指标

3．2 系统控制架构的研究与设计

3．2．1 改进型片上纹波补偿方法

3．2．2 系统框图及其工作原理

3．3 系统小信号建模

3．4 本章小结

4 关键电路模块的设计与验证

4．1 软启动电路

4．1．1 电路结构与原理

4．1．2 电路验证与仿真

4．2 电压基准源产生电路

4．2．1 电路结构与原理

4．2．2 电路仿真与验证

4．3 纹波补偿电路

4．3．1 电路结构与原理

4．3．2 电路仿真与验证

4．4 PWM比较器电路

4．4．1 电路结构与原理

4．4．2 电路仿真与验证

4．5 自适应导通时间模块

4．5．1 电路结构与原理

4．5．2 电路仿真与验证

4．6 零电流关断电路

4．6．1 电路结构与原理

4．6．2 电路验证与仿真

4．7 抗振铃电路

4．7．1 电路结构与原理

4．7．2 电路验证与仿真

4．8 死区时间控制电路

4．8．1 电路结构与原理

4．8．2 电路验证与仿真

4．9 本章小结

5 系统整体仿真与验证

5．1 系统纹波特性与输出精度

5．2 系统瞬态响应特性

5．2．1 负载瞬态响应

5．2．2 线性瞬态响应

5．3 系统静态电流与工作效率

5．4 系统开关频率

5．5 系统各项指标总结

5．6 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读学位期间科研成果