片上纹波补偿高精度AOT控制Buck变换器的研究与设计

摘要

随着新型电子设备的性能日益提高,对供电电源的性能要求也变得逐渐苛刻。高效、安全、灵活的开关变换器技术已经被广泛应用于通讯、汽车以及工业领域等各种电子设备的供电电源。高精度、快速响应、高集成度以及优良的电磁兼容性是未来高性能开关变换器的设计目标。而开关变换器的性能主要取决于其控制策略,所以为了实现高性能开关变换器,必须不断优化和改进传统控制策略。近年来,基于恒定导通时间(Constant On-Time,COT)控制的降压型(Buck)DC-DC变换器因其简单的控制机理和快速的响应特性而被广泛应用,但该控制技术本身特性决定了其存在诸多缺陷,例如输出直流失调、对输出电容寄生电阻(ESR)存在依赖性和工作频率随输入输出电压而变化等问题。为了解决上述问题,本文将针对具有高精度、低ESR时稳定性、电磁兼容以及快速响应等特性的高性能DC-DC变换器控制策略以及实现方法进行深入研究。
　　在现有变换器控制策略的理论基础上,本文提出了一种具有远程差分探测功能的基于自适应导通时间(Adaptive-COT,AOT/ACOT)的改进型V2控制Buck变换器(AOT-based Enhanced-V2 Control Buck Convertor with RDS)。该控制架构通过引入远程差分探测功能(RDS),有效改善了远程负载端的输出精度;采用片上纹波补偿技术,对传统V2控制方法进行改进,在实现高输出精度特性的同时解决了采用低ESR输出电容时的连续多脉冲问题;采用自适应导通时间调制方式实现了开关频率的近似恒定,通过改变外置电阻即可将开关频率设定成与应用系统相兼容,优化了电磁兼容特性;另外,该控制架构中还包含有一种瞬态响应增强电路,用来加快系统的瞬态响应速度。
　　本文首先对DC-DC变换器的研究动态和理论基础进行了简述,然后详细剖析了影响变换器性能的关键因素以及解决方案,随后对所提出的改进型系统控制架构进行了理论推导,并完成了相应模块的电路设计工作,最后借助Cadence、Hspice等电路设计仿真软件,基于0.6um CD工艺对子电路和整体系统进行了仿真与验证。结果表明系统具有高精度、低ESR时稳定、恒频、快速响应等预期性能。

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第一章 绪 论

1.1 开关变换器的背景与意义

1.2 开关变换器的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 DC-DC变换器的基本原理

2.1 DC-DC变换器的分类

2.2 DC-DC变换器的理论基础

2.3基于输出纹波控制的Buck型变换器

2.4 本章小结

第三章 高性能变换器控制架构的研究与设计

3.1 系统设计目标

3.2 关键技术问题的研究与分析

3.3 系统架构的分析与设计

3.4 本章小结

第四章 关键模块的设计与验证

4.1 远程差分探测电路

4.2 误差放大器电路

4.3 纹波补偿电路

4.4 自适应导通时间产生电路

4.5 瞬态响应辅助电路

4.6 本章小结

第五章 系统整体仿真与验证

5.1 输出精度特性

5.2 系统稳定工作特性

5.3 工作频率恒定特性

5.4 瞬态响应特性

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果