一款峰值电流控制模式的Buck型DC-DC变换器设计及稳定性分析

摘要

随着各种电源技术的发展，开关电源作为一种新型的绿色电源，其具有效率高、体积小的特点，同时由于其具有的多种拓扑结构，使其能满足各种不同的工作要求，是得其在实际生活中应用的越来越广泛。作为开关电源的重要特性，其稳定的工作特性是其应对各种复杂工作情况的保证。因此，对开关电源稳定性的研究凸显出越来越重要的特性。
　　本文设计了一款峰值电流控制模式的单片式Buck型DC-DC变换器，其输入电压范围可从6 V变化到32 V，最大的负载电流可以达到4.5 A，稳定5 V的输出电压，其工作频率为500 kHz，同时具有同步功能，能够通过外部时钟改变系统的工作频率，最高可以达到1 MHz。
　　为开关电源的工作特性建模是研究其稳定性的重要基础。本文首先研究了开关电源的主要建模方法，这其中包括基本建模法、状态空间平均法和开关平均法。在这些基本建模方法的基础上，本文针对峰值电流控制模式的开关电源模型进行了详细的阐述，介绍了三种常用的峰值电流控制模式的开关电源等效模型，其中有Ridley的模型，科罗拉多大学电力电子中心（CoPEC）的模型和Bryant的模型，并对各种模型的建模思想、建模过程及最终具体的模型进行了详细的介绍，为设计BUCK型DC-DC变换器奠定理论基础。本文详细介绍了整体系统的拓扑结构和工作原理及外围元器件的选择原则，并完成了系统中一些关键模块的设计，包括电感电流采样电路、误差放大器、振荡器、同步模块和功率管驱动电路的设计，详细分析了电路的工作原理，并在所选取的工艺的基础上进行了仿真验证。同时，针对本文的设计，通过采用 Ridley的模型，对本设计的稳定性进行了分析，得到系统重要的环路传递函数，分析其零极点特性并进行了环路补偿，保证了系统环路的稳定性。
　　最后，基于 BJT工艺，对本设计的系统进行了总体仿真，验证了其在各种输入电压及负载情况下的系统工作特性，并对仿真结果进行了分析，最终系统能够满足设计指标要求。

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第一章 绪 论

1.1 开关电源简介

1.2 开关电源的发展

1.3 开关电源的前景与发展趋势

1.4 本论文的主要工作

第二章 开关电源建模方法的研究

2.1开关电源的建模

2.2基本建模法[8-9]

2.3电流控制模式开关电源建模方法

2.4 本章小结

第三章 BUCK型DC-DC变换器系统设计

3.1 系统整体结构图

3.2 系统外围参数设计

3.3 系统设计指标

3.4 BUCK型DC-DC变换器控制IC结构图

3.5 本章小结

第四章 DC-DC变换器控制IC子模块设计与仿真

4.1 电流采样电路

4.2 误差放大器

4.3 振荡器设计

4.4 同步电路

4.5 功率管驱动电路

4.6 本章小节

第五章 系统稳定性分析与整体仿真

5.1 系统环路稳定性分析

5.2 系统总体仿真

5.3 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果