發(fā)布時間：2020-09-08 10:33

　　 開關(guān)型功率變換器被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)、汽車電子等領(lǐng)域。近年來,整個應(yīng)用系統(tǒng)呈現(xiàn)出下列趨勢:體積越來越小,變換器的輸出電容逐步采用更加小巧的陶瓷電容;工作電壓越來越低;集成度越來越高;瞬態(tài)轉(zhuǎn)換越來越頻繁。在此背景下,開關(guān)變換器的輸出電容采用陶瓷電容這類低等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance,ESR)的電容時的穩(wěn)定性,輸出直流電壓精度,電磁兼容特性和瞬態(tài)響應(yīng)速度等特性成了限制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。因此,設(shè)計穩(wěn)定性不依賴輸出電容ESR、高精度、電磁兼容特性良好且瞬態(tài)響應(yīng)速度快的DC-DC變換器極具理論與商業(yè)價值,這也是本文的主要目的。本文基于自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時間(Adaptive Constant On Time,ACOT)控制模式,設(shè)計了一款同步降壓型(Buck)DC-DC變換器。在使用ACOT架構(gòu)保證瞬態(tài)響應(yīng)速度的前提下,通過引入紋波注入電路在片內(nèi)實現(xiàn)了電感電流紋波補償,保證了系統(tǒng)在無ESR紋波信息時仍能穩(wěn)定工作;通過引入積分器電路采樣反饋電壓與參考電壓之間的誤差,顯著提高了輸出直流電壓精度;通過引入鎖相環(huán)電路調(diào)節(jié)變換器當前工作頻率,使它和參考頻率相等,實現(xiàn)了重載工作時不同輸入電壓下的恒定開關(guān)頻率,輕載工作時可以通過MODE管腳選擇芯片是否工作于強制脈沖寬度調(diào)制(Force Pulse Width Modulation,FPWM)模式,確保了變換器在任何工況下都具備良好的電磁兼容特性。本文首先比較了傳統(tǒng)控制模式如電壓模、峰值電流模、遲滯控制與ACOT控制的優(yōu)劣,在確定采用ACOT控制模式后,深入分析了ACOT控制模式當前存在的缺陷,然后提出了改進措施并詳細推導(dǎo)了ACOT控制環(huán)路的小信號模型。本文采用華潤上華(CSMC)0.5um BCD工藝完成了電路設(shè)計,最后使用Cadence Spectre仿真工具對模塊級電路和整體電路進行了仿真驗證。結(jié)果表明,變換器在零ESR時仍能穩(wěn)定工作;且在2.6V~5.5V的輸入電壓范圍與0A~6A的負載范圍內(nèi),輸出直流電壓誤差均在0.5%以內(nèi);重載開關(guān)頻率誤差最大值3.4%,輕載下的FPWM功能可以維持開關(guān)頻率與重載相同;負載電流在1us內(nèi)從0.3A~3A轉(zhuǎn)換時輸出電壓下沖43mV,并在8us內(nèi)恢復(fù),負載電流在1us內(nèi)從3A~0.3A轉(zhuǎn)換時輸出電壓過沖46mV,并在18us內(nèi)恢復(fù),各項性能均達到預(yù)期設(shè)計指標,應(yīng)用前景廣闊。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN624
【部分圖文】：

波形呈三角波，較理想的模擬了電感電流信息，峰峰值在 80mV 左右，產(chǎn)生的注入紋波電流為 111nA，滿足設(shè)計指標。圖4.2 片內(nèi)紋波注入電路仿真波形(Vin= 2.6V, Temp = 25oC, Corner = ttttt)表 4.1 列出了不同 Corner 及不同 Vin下的注入紋波電流值：表4.1 不同 Corner 和 Vin下的注入紋波電流CornerVinsssssTemp = 150oCtttttTemp = 25oCfffffTemp = -40oC2.6V 84nA 111nA 154nA5V 132nA 186nA 271nA5.5V 145nA 206nA 301nA在所有極限條件下，注入紋波電流都大于 83nA，理論上可以保證即使輸出電容的 ESR 為零，變換器也能穩(wěn)定工作。

FB即可得到結(jié)果。圖4.4 輸出直流電壓誤差校正電路輸入對管系統(tǒng)失調(diào)電壓仿真波形(Vin= 5V, Temp = 25oC, Corner = ttttt)

比較器的直流增益接近 90dB，即使在開關(guān)頻率 2.1MHz 附近，比較器增益也大于 80dB，滿足應(yīng)用需求。圖4.6 求和比較器增益仿真波形圖 4.7 為不同輸入電壓、溫度、工藝角下比較器的延時特性仿真結(jié)果，對求和比較器來說僅關(guān)心下降沿延時，最惡劣情況時下降沿延時 38ns，具有較快響應(yīng)速度。

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