一款可多路并联输出buck DC-DC控制器的研究与设计

发布时间：2020-11-17 16:23

　　 电源管理芯片是支撑当前便携式电子产品、精密工业设备正常运行的基础。而电流模式BUCK(降压型)开关控制器高输入低输出、效率优良、响应速度快等特点迎合了当前市场的许多应用场景。然而,在当前低压、大负载电流的发展趋势下,传统的单芯片工作会导致芯片面积过大、发热严重、封装困难、器件应力过高等问题,市场的需要导致了多路并联输出技术的产生。该技术具有降低器件应力、良好的驱动大电流负载能力、方便的可扩展性等特点,因此逐渐成为研究热点。论文首先分析了当前国内外作为集成电路领域重要一环的开关电源芯片发展的现状,凝练出市场的发展趋势。为解决当前低压、大电流矛盾,设计了一款可多路并联输出的芯片。全文首先分析了BUCK控制器的工作原理、调制方式、控制模式,并在仔细比较下,选择了具有良好电压线性度和环路响应的电流模式。然后详细研究了多路并联输出的核心技术,即多相交错并联技术、负载均流技术和并联芯片捕捉跟踪外部多相信号的锁相环技术。其中多相交错并联技术可以使输出电流纹波显著减小,而且在充分比较了主流的负载均流技术后,本文采用了主从负载均流的方式。同时,利用控制理论中的二阶系统响应分析了二阶、三阶电荷泵锁相环的动态特性,由于其锁相范围宽、相位差可达到零等优异性能而被本芯片设计采用。之后,利用之前的理论研究进行具体的芯片模块设计,包括为整颗芯片提供电流偏置的基准电流源,能多路并联时锁相工作又能单片工作时频率可调的锁相环。模块设计完成后,基于0.35微米的BCD工艺库,先对输出电压1.8V,输出电流7A的单芯片工作进行了验证,结果发现无论是电流纹波,还是负载调整率等各项指标均满足预期。然后以两路并联输出14A电流为例搭建系统架构,仿真结果与单芯片对比发现,两路交错并联输出的设计使输出电容的频率加倍,电流、电压纹波显著减小,极大地降低了对储能元件的应力,符合最初的设计目标。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：

图 2-1 BUCK DC-DC控制器拓扑结构UCK DC-DC 变换器工作的核心是电感的无损限流正好能抑制电容的者形成互补，同时电感、电容充当了功率滤波器的作用，滤除高频载上较平滑的恒压输出。由于变换器工作时负载、输入网压等会发高系统的环路或交流响应，需要在输出采样信号，经变换器输出一比信号，驱动功率管的开关，这样形成了负反馈调节。环路响应一响应与电网暂态响应的叠加[7]。 BUCK拓扑的工作模式上节可知，在变换器开关周期中，电感电流要经过先线性上升再下要电流回到周期的初始值，系统就处于稳定状态。稳定状态仅涉及相同，并未要求开关周期起始与结束时的电流绝对值大小。因此 变换器稳压过程中电感是否持续有正值电流，可以将变换器的工作 续 导 通 模 式 （Continuous Conduction Mode，CCM） 和 断 续 导 通

图 2-2 CCM工作模式下的关键信号波形现在电感电流每周期能够复位，可以得到：ON ON OFF OFF|V t |=|V t|下标 ON 表示每周期内功率管导通时间，下标 OFF 表示每，式（2-1）即为开关电源的伏秒积相等法则[7]。通过该法通、关断时间内电感两端电压对时间的积分面积的绝对值由图 2-1中的电路结构可得到：ON IN SW OV =V -V -V OFF O DV = -V -V K 变换器在 CCM 工作模式下占空比为：ON O D OIN D SW INt +=T + -V V VDV V V V

2(1 )8OVV DLCf 可以看出，Co 上纹波与 Vo 成正比，与频率的平方通模式（DCM）个工作模式，取决于电路的输入电压和带载情况，当负载电流小到一定程度，系统会自发地进入 DC波形如图 2-3 所示。电感电流在功率管关断器件本，由于峰值电流比较小，在关断时间未结束时，电点电压应该等于-VD，但由于 A 节点上有寄生参数电感电流从峰值降到零的时间为 TOFF，注意此时 间 T，由伏秒积相等法则得：ON OFF I I I
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本文编号：2887695