高速低功耗buck變換器設(shè)計(jì)

作者 / 朱榮華 周健洋 張玉浩 東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院(江蘇 南京 210096)

*第一屆(2016-2017)全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國(guó)總決賽模擬集成電路方向一等獎(jiǎng)

朱榮華(1992-)，男，碩士生，研究方向：射頻IC電路設(shè)計(jì)。

摘要：對(duì)Buck變換器主電路在CCM工作模式下進(jìn)行動(dòng)態(tài)小信號(hào)分析，推導(dǎo)狀態(tài)方程得出小信號(hào)模型，并設(shè)計(jì)PID閉環(huán)控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)保證環(huán)路穩(wěn)定。采用輸出電壓給控制環(huán)路供電的低功耗結(jié)構(gòu)，以及采用加大系統(tǒng)環(huán)路帶寬的方案來(lái)優(yōu)化輸出電壓的過(guò)沖，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的高速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和控制電路低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)帶寬達(dá)到1.136 MHz，相位裕度為47.49°，并且在600 mA負(fù)載電流突變下，電壓過(guò)沖小于7 mV，響應(yīng)時(shí)間小于4 μs，并且功耗降低了一半。

0 引言

　　隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，各種電子設(shè)備要求更高效和便攜。開關(guān)電源以其效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。為了滿足智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端產(chǎn)品對(duì)響應(yīng)速度要求越來(lái)越高、電池續(xù)航時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)的需求，高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和低功耗設(shè)計(jì)成為下一代移動(dòng)智能終端的必然趨勢(shì)。因此研究降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和低功耗特性至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含以下模塊：振蕩器、鋸齒波產(chǎn)生電路、PWM比較器電路、誤差放大器模塊、LDO電路、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生模塊、高速高精度電流檢測(cè)模塊、軟啟動(dòng)模塊、電源切換模塊和功率驅(qū)動(dòng)模塊。

2 小信號(hào)分析及PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

2.1 控制級(jí)小信號(hào)模型分析

　　基本的電壓模式控制的buck變換器的電路框圖如圖2(a)所示，其環(huán)路的基本模型包含功率級(jí)、具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大器和PWM調(diào)制器。圖2(b)給出了開關(guān)變換器的小信號(hào)框圖。

2.1.1 輸出濾波器

　　輸出濾波器主要包含輸出電感和電容。其中電感的直流電阻以及電容的等效串聯(lián)電阻，都必須考慮在建模分析中。傳遞函數(shù)可以表示為：

　　其中：

　　E=Vin                                                      (2)

2.1.2 PWM調(diào)制器

　　調(diào)制器包含了振蕩器、PWM比較器、驅(qū)動(dòng)電路以及功率MOS管。主要是誤差放大器的輸出與振蕩器信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生所需要的占空比信號(hào)。傳遞函數(shù)可以表示為：

(5)

2.1.3 開環(huán)系統(tǒng)分析

　　結(jié)合PWM調(diào)制器和輸出濾波就構(gòu)成了電壓模式的開環(huán)系統(tǒng)，傳輸函數(shù)可以表示為：

(6)

2.2 PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析

　　加入PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

         (12)