COT架构同步Buck芯片的研究与设计

发布时间：2020-09-08 10:33

　　开关型功率变换器被广泛应用于消费类电子产品、工业、汽车电子等领域。近年来,整个应用系统呈现出下列趋势:体积越来越小,变换器的输出电容逐步采用更加小巧的陶瓷电容;工作电压越来越低;集成度越来越高;瞬态转换越来越频繁。在此背景下,开关变换器的输出电容采用陶瓷电容这类低等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)的电容时的稳定性,输出直流电压精度,电磁兼容特性和瞬态响应速度等特性成了限制系统性能的关键因素。因此,设计稳定性不依赖输出电容ESR、高精度、电磁兼容特性良好且瞬态响应速度快的DC-DC变换器极具理论与商业价值,这也是本文的主要目的。本文基于自适应恒定导通时间(Adaptive Constant On Time,ACOT)控制模式,设计了一款同步降压型(Buck)DC-DC变换器。在使用ACOT架构保证瞬态响应速度的前提下,通过引入纹波注入电路在片内实现了电感电流纹波补偿,保证了系统在无ESR纹波信息时仍能稳定工作;通过引入积分器电路采样反馈电压与参考电压之间的误差,显著提高了输出直流电压精度;通过引入锁相环电路调节变换器当前工作频率,使它和参考频率相等,实现了重载工作时不同输入电压下的恒定开关频率,轻载工作时可以通过MODE管脚选择芯片是否工作于强制脉冲宽度调制(Force Pulse Width Modulation,FPWM)模式,确保了变换器在任何工况下都具备良好的电磁兼容特性。本文首先比较了传统控制模式如电压模、峰值电流模、迟滞控制与ACOT控制的优劣,在确定采用ACOT控制模式后,深入分析了ACOT控制模式当前存在的缺陷,然后提出了改进措施并详细推导了ACOT控制环路的小信号模型。本文采用华润上华(CSMC)0.5um BCD工艺完成了电路设计,最后使用Cadence Spectre仿真工具对模块级电路和整体电路进行了仿真验证。结果表明,变换器在零ESR时仍能稳定工作;且在2.6V~5.5V的输入电压范围与0A~6A的负载范围内,输出直流电压误差均在0.5%以内;重载开关频率误差最大值3.4%,轻载下的FPWM功能可以维持开关频率与重载相同;负载电流在1us内从0.3A~3A转换时输出电压下冲43mV,并在8us内恢复,负载电流在1us内从3A~0.3A转换时输出电压过冲46mV,并在18us内恢复,各项性能均达到预期设计指标,应用前景广阔。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN624
【部分图文】：

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波形呈三角波，较理想的模拟了电感电流信息，峰峰值在 80mV 左右，产生的注入纹波电流为 111nA，满足设计指标。图4.2 片内纹波注入电路仿真波形(Vin= 2.6V, Temp = 25oC, Corner = ttttt)表 4.1 列出了不同 Corner 及不同 Vin下的注入纹波电流值：表4.1 不同 Corner 和 Vin下的注入纹波电流CornerVinsssssTemp = 150oCtttttTemp = 25oCfffffTemp = -40oC2.6V 84nA 111nA 154nA5V 132nA 186nA 271nA5.5V 145nA 206nA 301nA在所有极限条件下，注入纹波电流都大于 83nA，理论上可以保证即使输出电容的 ESR 为零，变换器也能稳定工作。

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FB即可得到结果。图4.4 输出直流电压误差校正电路输入对管系统失调电压仿真波形(Vin= 5V, Temp = 25oC, Corner = ttttt)

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比较器的直流增益接近 90dB，即使在开关频率 2.1MHz 附近，比较器增益也大于 80dB，满足应用需求。图4.6 求和比较器增益仿真波形图 4.7 为不同输入电压、温度、工艺角下比较器的延时特性仿真结果，对求和比较器来说仅关心下降沿延时，最恶劣情况时下降沿延时 38ns，具有较快响应速度。

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