具有准定频控制功能的迟滞模式Buck变换器研究与设计

摘要

现代电子信息技术的飞速发展使得电子产品的市场需求增长迅速，也使电源管理电路的研究与设计受到了高度重视。由于开关电源具有可高达90％以上的转换效率，应用于便携式电子产品可提高其电池利用率，延长电池的供电时间和使用寿命，符合当前节能环保的发展方向。
　　 本文对高性能开关电源进行了研究。Buck变换器是一种能够将高输入电压转换为低输出电压的直流／直流开关电源。在Buck变换器中，相对于电压模式和电流模式，迟滞模式被认为是系统结构最简单和瞬态响应最快速的控制方法。它无需设计补偿网络，并且能够对同一开关周期内的负载跳变做出响应。但是，开关频率严重受系统参数的影响，特别是输入电压。开关频率的较大变化将会引起潜在的电磁干扰(EMI)问题，这使得迟滞模式不适合应用于一些对EMI要求比较严格的场合。本文将迟滞控制模式的改善选作研究课题。通过对现有的抑制迟滞模式控制中开关频率波动问题方案的分析，提出了一种新型的自适应迟滞窗口控制技术。该控制技术能够使Buck变换器根据输入电压自适应地调节迟滞窗口的大小，维持开关频率的相对稳定，从而在保持迟滞模式控制结构简单和快速瞬态响应等优点的同时，消除输入电压对开关频率的影响，实现准定频控制。并且，通过设计迟滞边带周期刷新机制，对迟滞窗口进行周期性的刷新，避免了输入电压变化和内部开关的泄露电流对迟滞窗口造成的影响。设计的迟滞模式Buck变换器控制芯片采用TSMC0.35μm混合信号CMOS工艺设计完成，并利用Cadence Spectre仿真器进行设计仿真。对控制芯片进行系统仿真验证的结果显示，Buck变换器对于输入电压跳变和负载电流跳变均能使输出电压快速的回到稳态，并且开关频率也能够随着输入电压的变化保持相对稳定，实现了准定频控制，预期的设计目标和功能基本实现，为流片并最终形成实用化的芯片奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

第一章 绪论

1.1 电源管理的产业背景

1.2 DC/DC变换器概述

1.3 电源管理IC的发展趋势

1.4 论文的主要工作和结构

第二章 BUCK变换器的基本理论

2.1 Buck变换器工作原理

2.1.1 电路拓扑

2.1.2 稳压原理

2.3 同步整流技术

2.4 脉冲调制方式

2.4.1 PWM调制方式

2.4.2 PFM调制方式

2.5 Buck变换器控制模式

2.5.1 电压模式控制

2.5.2 峰值电流模式控制

2.5.3 平均电流模式控制

本章小结

第三章 新型准定频迟滞模式控制技术

3.1 传统迟滞模式控制

3.1.1 典型控制结构

3.1.2 改进型控制结构

3.2 恒定导通时间控制技术

3.3 自适应迟滞窗口控制技术

3.3.1 控制芯片的电路拓扑

3.3.2 AHWC控制电路实现

3.3.3 迟滞边带周期刷新机制

本章小结

第四章 系统主要电路模块设计

4.1 精确电流偏置电路

4.1.1 电路设计与原理分析

4.1.2 电路仿真与分析

4.2 基准电压产生电路

4.2.1 电路设计与原理分析

4.2.2 电路仿真与分析

4.3 迟滞PWM比较电路

4.4 AHWC控制电路

4.5 死区时间控制电路

4.5.1 电路设计与原理分析

4.5.2 电路仿真与分析

4.6 软启动电路

4.7 零电流检测电路

4.8 过流保护电路

本章小结

第五章 系统仿真结果与分析

5.1 系统软启动仿真

5.2 DCM工作模式仿真

5.3 过流保护仿真

5.4 快速响应仿真

5.5 系统准定频验证

第六章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表或录用的学术论文