一种基于PCM控制的多模式宽输入buck转换器的研究与设计

作     者：阮贵林 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张国俊

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：PCM控制 多模式 宽输入 LDO 软启动 

摘      要：随着新能源和通讯设备的发展,在工业和汽车应用中,电力供电系统要求的电压应用范围通常比便携式设备的供电系统要求的电压范围宽很多,且电力供电系统均存在多种输入电压要求,这要求电源芯片需要有着较宽的输入范围,而它的实现主要得益于耐高压的BCD工艺的发展。此外对于电源芯片的转换效率和低EMI的要求也在不断提高,一些应用场合需要更精确的开关频率避免频率的干扰,或在相同的PCB电路上多个电源IC使用相同的开关频率,使它们有相同的EMI特性,提高应用的灵活性,多种工作模式的设计使电源芯片能显著提高其适用范围。因此本文设计了一款峰值电流模式(Peak Current Mode,PCM)控制环路且具有多工作模式的宽输入buck转换器。该转换器使用最高耐压为80V的0.25μm BCD工艺,最大平均负载电流为3.5A,输入范围为4V到65V。四种工作模式均通过一个外部引脚SYNC/MODE信号实现切换,分别为跳脉冲模式(PSM)、带有跳脉冲的展频模式和外部时钟同步模式,以及用于低功耗的突发模式(Burst Mode)。通过使用高耐压的NJFET,设计的带隙基准电路具有宽输入范围和高电源抑制比等特点。考虑到在高输入的情况下,给内部子模块供电的LDO损耗将很大,最终会影响buck转换器的整体转换效率,本文设计了供电引脚切换策略的LDO,在高输入电压下,可通过外部引脚将供电电压切换至低输入电压供电,或者直接接buck输出Vout,从而有效提高Buck在高输入电压时的转换效率。最后,对所设计的芯片进行宽输入、轻载效率以及瞬态响应等整体仿真验证,在频率为1MHz下,系统对5.5V输入5V输出和65V输入5V输出,即接近最大和最小导通时间下,均能通过软启动电路缓慢启动,在5.5V～65V输入电压变化范围内,线性调整率为0.26mV/V。且在12V输入5V输出和频率为1MHz下,LDO的BIAS接Vout时,效率可达95.3%。对于瞬态响应,输入从12V跳变到5.5V再跳变到20V时,输出下冲和上冲大小分别为32mV和38mV,恢复时间为57μs和65μs,负载在1μs内上下跳变1A时,Vout下冲和上冲分别为43mV和45mV,恢复时间为55.8μs和51.8μs。仿真结果均能满足设计要求。