COT架构的过流保护电路设计

摘要

一切用电设备都离不开电源。开关电源以转换效率高，拓扑结构丰富，可实现多种变换而广泛应用。恒定导通时间(Constant On-time，COT)的控制模式，以其简单的控制环路，与传统电流模式相比，响应速度快，随负载情况及时改变工作频率，可实现轻载高效，而成为开关电源控制模式中的研究热点。过流保护是电源管理芯片的重要组成部分，其作用是防止在输出短路，或者输出过载等异常情况下输出电流过大，烧坏功率开关管，烧坏负载。
　　本文的主要研究工作就是COT架构Buck变换器的过流保护电路，设计了一种具有温度补偿过流门限、定时调整门限的过流保护电路。
　　首先，简单介绍了三种常见的电源技术，论文研究的背景和意义，国内外的研究情况，以及开关电源的发展趋势。总结并分析了降压转换器的基本原理和控制方式，并详细分析了COT架构的Buck变换器的工作原理和控制方式。
　　然后，介绍了过流保护的种类和基本方法，总结了输出电流采样的几种常用方法，并分析各个方法的优劣;详细分析了传统的COT架构Buck型，通过功率管导通压降进行电流采样的方案，以及过流保护电路的实现方式，分析其优缺点，分析了COT架构的Buck型变换器过流保护的基本需求，针对功率管导通压降进行电流采样具有较大温度系数，大电流恒定输出的问题，设计了一种具有温度补偿过流门限、定时调整门限的过流保护电路。
　　最后，采用0.5μmBiCMOS工艺设计整个电路，设计了适合此过流保护电路的子模块，包括高稳定性、低失调电压的高速比较器，温度补偿电路，运算放大器，定时电路，以及两种温度系数的电流偏置。通过NPN跟随器对门限电压进行温度补偿，利用电压转电流的方式消除接合线对电流检测的影响，采用一种简单的电流温度补偿方式消除电流的温度系数，利用PNP跟随级抬高输入电压，实现共模输入电压可到零，三级预放大，两种温度系数电流偏置分别提供给不同的差分式放大级，实现在-40℃～125℃下最大延时偏差2nS的高速高稳定的比较器。将所设计的过流保护电路，加入到COT架构的Buck变换器中，通过Hspice进行系统验证，实现了对过流门限的温度补偿，让输出电流在第一个过流门限5.1A，第二个过流门限4.3A恒流输出，定时切换过流门限的功能，达到系统要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 电源简介

1．2 研究背景与研究意义

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．4 本论文的工作及意义

第2章 Buck变换器的基本原理

2．1 Buck变换器基本结构

2．2 Buck变换器的基本控制方式

2．2．1 电压控制模式

2．2．2 电流控制模式

2．2．3 迟滞控制模式

2．3 COT控制的Buck变换器基本结构

2．4 AOT控制的Buck变换器基本结构

第3章 过流保护电路系统设计

3．1 过流保护的方法

3．2 过流保护电路实现

3．2．1 直接电流采样

3．2．2 间接电流采样

3．3 COT架构的Buck变换器过流保护

3．3．1 传统的COT过流保护电路

3．3．2 COT过流保护电路系统需求

3．3．3 带温度补偿的双门限COT过流保护电路

本章小结

第4章 过流保护系统子模块设计

4．1 定时器

4．1．1 数字定时器电路设计

4．1．2 模拟定时器电路设计

4．1．3 定时器电路仿真

4．2 高速高精度比较器

4．2．1 高速比较器电路设计

4．2．2 比较器电路仿真

4．3 电流偏置

4．3．1 电流偏置设计

4．3．2 电流偏置仿真

4．4 运算放大器

4．4．1 运算放大器设计

4．4．2 运算放大器仿真

4．5 温度补偿电路

4．5．1 温度补偿电路设计

4．5．2 温度补偿电路仿真

本章小结

第5章 过流保护系统仿真验证

5．1 过流保护系统仿真条件

5．2 过流保护系统仿真结果

本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文