面向车载应用的Buck-Boost变换器控制器芯片设计

作     者：李柯宇 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：甄少伟

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：Buck-Boost变换器 伪随机展频调制 控制器 芯片设计 频谱幅值 

摘      要：随着汽车电子产业的发展、新能源汽车产业在近年来有着显著的增长势头，进一步带动了功率半导体技术的突飞猛进。车载应用的DC-DC变换器产品在新能源汽车中更是扮演着重要的角色。针对车用DC-DC变换器的高功率密度、高可靠性、低EMI的设计趋势，四开关Buck-Boost变换器凭借着宽输入范围，非常适合应用于汽车电池输出稳压应用与电池管理应用。 本文对四开关Buck-Boost变换器的多模式工作与模式切换进行了研究。基于低EMI设计与高瞬态响应要求，采用峰值电流模PWM控制的方案。多模式切换采用了Peak-BuckPeak-Boost控制。降压工作在Buck模式，升压工作在Boost模式。而对于输入输出接近的Buck-Boost模式，采用了Buck-BoostonBuck(B2Buck)与Buck-BoostonBoost(B2Boost)两个子模式控制，可以实现全范围无缝模式切换。并基于经典的Ridley模型对各个工作模式下进行了小信号建模，给出了各个模式下的环路小信号传递函数。提出一种恒定品质因数的斜坡补偿策略，实现了全范围内环路稳定，保证可靠性。 由于车用DC-DC变换器系统对效率与低EMI的要求，本文提出了Buck-Boost变换器控制器芯片设计中需要的关键技术。本文简单调研了伪随机展频调制(Pseudo-randomSSFM)技术，分析了Up-spread型三角波调制的频谱特点。阐述了跳周期模式在低EMI设计与轻载效率优化的优势;针对定频上电软启动电感电流浪涌问题，设计了基于跳周期模式的降频软启动技术予以优化。 基于上述研究，在0.18μmBCD工艺平台，设计了一款输入范围高开关频率的Buck-Boost变换器控制器芯片。使用Spectre仿真工具完成了各个子模块的设计与仿真。仿真结果表明，从Buck模式切换到B2Buck模式，从B2Buck到B2Boost模式，从B2Boost到Boost模式，输出电压超调量分别为177mV、48mV、136mV;在展频后，开关节点的频谱幅值在谐波附近的峰值下降12.53dB;在固定输出12V，不同输入与负载电流的条件下，峰值效率达到91.36%。