具有快速瞬态响应的电压模式Buck变换器设计

摘要

随着手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子产品的更新换代与发展，对它们的“心脏”电源管理芯片的要求也越来越高。传统的线性稳压器由于压差大时所表现出的功耗问题已无法满足高效系统的需求。开关变换器由于效率高，并且输出电压可升降的优点，正逐步应用于低功率领域并取代线性稳压器的市场地位。　　为了改善负载快速变换对电源系统所带来的影响，本文设计了一款具有快速瞬态响应的电压模式Buck变换器。针对电压控制Buck变换器提出了一种参考电压可选择的设计方案，通过参考电压选择电路和阈值电压控制电路来选择不同的参考电压，实现了Buck变换器的快速瞬态响应。设计采用0.18μm CMOS工艺，仿真结果表明，该变换器能在负载瞬态变化的情况下实现输出过冲电压小于100mV，并且瞬态恢复时间小于13μs，与传统的电压控制模式相比，具有更好的瞬态响应性能。　　为了消除电源上电启动阶段时由于误差放大器工作于非平衡状态所带来的浪涌电流与过冲电压，本文还设计一种新颖的软启动电路。软启动电路采用了斜坡发生器产生的间歇式脉冲VPL作为电容充电的控制信号。一方面，VPL在低电平时为软启动电容充电，在高电平时则保持软启动电压值不变，使软启动电压线性阶梯上升。另一方面，该软启动电路还通过两个电流源I1及I2相减，获得一个较小的软启动充电电流I1-I2。通过两者的共同作用，有效延长了软启动的时间。仿真结果表明，该软启动电路的启动时间为324μs。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电源管理技术的分类

1．3 开关电源的发展历史

1．4 开关变换器的发展趋势

1．5 本文主要工作安排

第二章 DC-DC开关变换器基础

2．1 基本的开关变换器的拓扑结构

2．1．1 Buck变换器

2．1．2 Boost变换器

2．1．3 Buck-Boost变换器

2．2 DC-DC开关变换器的定频控制方式

2．2．1 电压控制模式PWM

2．2．2 峰值电流控制模式PWM

2．2．3 平均电流控制模式PWM

2．3 变频控制方式

2．3．1 迟滞控制模式

2．3．2 跳脉冲调制模式(PSM)

2．3．3 恒定导通时间控制模式

2．4 Buck变换器的环路建模

2．4．1 负反馈电路稳定性

2．4．2 电压控制模式的传递函数

2．5 电压控制模式的补偿结构与设计

2．5．1 超前(PD)补偿

2．5．2 滞后(PI)补偿

2．5．3 超前滞后(PID)补偿

2．5．4 环路补偿设计

第三章 开关变换器的的主要性能指标及设计方案

3．1 开关电源的主要性能参数

3．2 快速瞬态响应开关变换器设计方案

3．3 新颖的软启动电路

第四章 主要电路模块的设计与仿真

4．1 参考电压选择电路

4．2 阈值电压比较电路

4．3 误差放大器

4．3．1 误差放大器电路设计

4．3．2 仿真结果分析

4．4 斜坡发生器

4．4．1 斜坡发生器电路设计

4．4．2 斜坡发生器的仿真

4．5 软启动电路

4．5．1 软启动电路设计

4．5．2 软启动电路仿真

4．6 PWM比较器

4．6．1 PWM比较器电路设计

4．6．2 PWM比较器电路的仿真

4．7 带死区时间控制的驱动

4．7．1 带死区时间控制的驱动电路设计

4．7．2 带死区时间控制的驱动电路仿真

第五章 整体电路仿真

5．1 快速瞬态响应方案的仿真

5．2 软启动阶段电压波形的仿真

5．3 输出电压精度、输出电压纹波的仿真

5．4 线性调整率仿真

5．5 负载调整率仿真

5．6 转换效率仿真

5．7 总体性能总结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况