基于固定导通时间的快速瞬态响应BUCK控制器的研究

摘要

目前随着现代电子与科学技术的不断发展进步，各种新型电子产品层出不穷，如触屏手机、智能手环、平板电脑等，这对开关电源提出了更高的要求，例如当电源系统从待机模式转换为活跃模式时，负载电流会经历很大幅度的瞬态跳变，此时调整器性能指标要求系统必须能立即响应。
　　针对以上要求，本文设计了一种基于固定导通时间的快速瞬态响应BUCK控制器。该控制器采用固定导通时间谷值电流控制模式，这样在实现低占空比的同时，也能够提高瞬态响应速度，并且可以工作在断续模式和强制连续模式。论文首先介绍了研究背景及意义，简单分析了国内外开关电源的研究现状以及未来发展方向；接下来对BUCK转换器的电感电流和输出电压纹波进行了分析并重点阐述了迟滞模式、固定导通时间等脉冲频率调制模式和峰值电流、平均电流等电流控制模式，然后详细分析了提高瞬态响应的的三种方法，包括对电感值和输出电容以及开关频率的优化设计、采用谷值控制模式和固定导通时间模式。随后比较了几种典型的固定导通时间模式电路优缺点并提出设计了本文的固定导通时间模式模块电路，该电路开关频率几乎固定，不随输入电压和输出电压变化，从而有利于简化电磁干扰屏蔽设备；接着对整个转换器系统中设计的模块电路功能和主要参数进行分析与仿真验证，主要包含固定导通时间模块、谷值电流模块和锁相环模块；最后对整个转换器系统应用拓扑进行性能参数的仿真与验证。
　　基于0.35μm BCD工艺，使用Cadence Spectre和Hspice软件对所设计的电路模块和系统整体进行了系统功能和参数仿真验证。仿真结果表明，各个模块电路都正常工作，BUCK控制器系统性能参数正常。输入电源电压范围为5V-28V，最大负载电流为10A，当负载电流在5A到10A跳变时，瞬态恢复时间为65μs，过冲电压为53mV，当输入电源电压在10V到20V跳变时，瞬态恢复时间约为54μs，过冲电压为10mV，整个芯片实现了预期的快速瞬态响应性能等特性，性能满足设计和应用要求。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1 论文研究背景

1. 2 国内外研究现状及发展趋势

1. 3 本论文主要工作及章节安排

第二章 BUCK系统基本原理

2.1 BUCK系统工作原理

2.2 BUCK系统工作模式

2. 3 本章小结

第三章 BUCK控制器系统设计

3. 1 提高瞬态响应的方法研究

3. 2 固定导通时间模式电路的设计

3. 3 本文设计的控制器系统结构

3. 4 本章小结

第四章 BUCK控制器电路模块设计与仿真

4. 1 固定导通时间模块

4. 2 谷值电流检测模块

4. 3 锁相环模块

4. 4 工作模式选择模块

4. 5 本章小结

第五章 BUCK控制器系统仿真

5. 1 系统仿真拓扑与外围器件参数设计

5. 2 仿真结果与分析

5. 3 本章小结

第六章 总 结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果