可外同步固定导通时间控制的降压型DC-DC转换器设计研究

摘要

近些年，电子信息产业发展快速，随着各式各样的电子产品的普遍使用，市场对电源的要求也日益提高。市场要求开关电源芯片向低压大电流、快速瞬态响应、高转换效率等方向发展。在市场驱动下，固定导通时间控制的BUCK型DC-DC转换器因其快速的瞬态响应，架构简单且易于补偿，轻载转换率高等优点而受到青睐，受到国内外的广泛关注。
　　本文在对电源芯片充分研究的基础上设计了一款可外同步固定导通时间控制的BUCK型DC-DC转换器芯片。芯片内部集成了固定导通时间产生电路，每个周期内计时器开启时功率管导通，计时器计时结束时关掉功率管，保证了功率管导通时间为定值。因此不需要用振荡器产生固定时钟,上一个周期产生的误差信号带不到下一个周期，克服了电流模控制电源占空比大于50％时需要斜坡补偿的缺陷。芯片采用谷值电流检测，上管关闭下管导通时开始采样，提高了瞬态响应速度。内部集成了过零比较器，有效减小系统延时，防止电流倒灌，提高轻载转换效率。芯片的工作频率通过锁相环与外部参考时钟同步，避免了芯片内部其他模块和负载对工作频率的影响，可两相并联输出20A大电流。芯片还集成了过流保护、过压保护、欠压锁定、过温保护等保护电路，保证了芯片能够安全可靠的工作。
　　该芯片采用标准0.35μmBCD工艺，基于Cadence软件平台，使用Spectre仿真软件对误差放大器、带隙基准电路、固定导通时间产生电路、锁相环、过零检测模块等进行模拟仿真，并对芯片在不同温度不同工艺角下的工作情况进行仿真验证，还对芯片进行瞬态特性仿真，以及系统在不同应用条件下进行仿真。仿真结果表明，芯片具有快速瞬态响应，负载跳变恢复时间仅为40μs;高稳态精度，输出电压纹波仅为2mV,稳态精度为0.083%。

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第一章 绪论

1.1背景和选题意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3电源管理芯片的介绍

1.4本论文的主要工作和内容安排

第二章 COT控制的BUCK型DC-DC转换器设计基础

2.1降压型DC-DC转换器的基本工作原理

2.2 DC-DC常见的调制方式

2.3 DC-DC基本的控制方式介绍

2.4 COT控制方式

2.5本章小结

第三章 基于谷值电流检测的COT控制系统设计

3.1系统架构分析与设计

3.2芯片基本功能及电特性参数

3.3芯片环路稳定性分析

3.4芯片外围器件的选取

3.5系统功耗分析

3.6本章小结

第四章 芯片部分子模块的设计与仿真

4.1误差放大器和软启动模块

4.2电压基准模块

4.3固定导通时间产生模块

4.4锁相环模块

4.5过零比较器

4.6本章小结

第五章 芯片整体性能仿真与分析

5.1芯片DCM模式下仿真

5.2芯片FCCM模式下仿真

5.3锁相环锁频仿真

5.4跟踪功能仿真

5.5双相并联输出20A仿真

5.6过流保护仿真

5.7负载调节精度仿真

5.8效率分析仿真

5.9本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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