变导通时间控制Buck变换器分析与设计

发布时间：2020-07-13 16:42

【摘要】：恒定导通时间(Constan On Time,COT)控制方式,本质为变频调制,可以大幅度提升响应速度,并且其轻载自动降频可以发挥轻负载下的高效率性能,因此被广泛应用于低功耗快速瞬态响应的Buck变换器。但是COT控制Buck变换器存在几个固有的缺陷,限制了其性能的进一步提升:1)导通时间固定且无法避免T_(OFF,MIN),所以最大占空比受限,尤其是在T_(ON)较小的情况下存在瞬态响应速度的瓶颈;2)此外,PLL通过控制导通时间,实现COT控制Buck变换器的频率同步,频率稳定效果优于通过输入电压和输出电压控制T_(ON)的AOT控制模式,但目前尚未有完整的小信号模型可以描述PLL同步COT控制模式,并且Buck变换器中的PLL带宽设计缺乏理论指导。针对上述现状,本文的主要工作及创新点可以分为以下几点:1.本文提出了变导通时间(VOT,Variable On-Time)控制模式:其基于COT的控制原理,针对瞬态响应的瓶颈进行了结构改进。按照受调节的OST模块内部信号分类,本文共设计了两种VOT控制Buck变换器—电压增强模式和电流增强模式。其本质都是将V_(REF)-V_(FB)在瞬态响应时的差值反馈到OST模块中调节导通时间T_(ON),使得变换器在瞬态时导通时间T_(ON)可变,改善等效占空比的自由度,实现瞬态增强。2.建立了T_(ON)受控的COT控制Buck变换器小信号模型:采用描述函数法(DF,Describe Function)对电压增强模式的VOT控制Buck变换器进行建模,引入V_(on)扰动量,计算新增的第三条环路的闭环传递函数。并且讨论VOT控制Buck变换器的稳定性,指出电流内环与T_(ON)内环天然稳定,电压外环的稳定性会受到两个内环传递函数影响。3.给出了采用PLL进行COT控制Buck变换器频率同步的设计准则:PLL调制的Buck变换器从调制信号角度分类属于变导通时间(VOT)控制,沿用相同建模思路,构建了完整的PLL和Buck的双环系统模型,分别研究两个环路的交互影响。通过小信号模型,比较GBW_(PLL)与GBW_(BUCK)、2/T_(off)之间的关系,从理论上解释了PLL的带宽对系统稳定性的影响。基于小信号模型,用于变换器频率同步的PLL环路带宽设计将首次得到理论支撑,能够在快速频率锁定、片内补偿和系统稳定性之间找到设计窗口,同时量化PLL带宽对系统相位裕度造成的影响。基于0.35μm BCD工艺,本文共设计了两款芯片。第一款芯片为可COT/VOT模式切换的Buck变换器,第二款芯片为PLL调制的Buck变换器。前者仿真验证VOT的瞬态优势,有效地实现了快速瞬态响应,并减小了输出电压过冲/下冲。后者成功流片,并测试验证双环模型,Buck变换器可以实现稳态下的频率锁定,瞬态下快速响应,频率同步功能稳定性良好。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：

变导通时间控制Buck变换器分析与设计

D-CAP3TM控制模式结构框图

【参考文献】