一种高效低功耗的自适应恒定导通时间Buck DC-DC转换器设计

作     者：姜澳 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：康博南

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：降压型DC-DC转换器 ACOT控制模式 低功耗 高效率 

摘      要：随着电子行业的不断发展,各种电子器件和芯片都朝着小型化发展,伴随着尺寸的减小,各种电子器件的功耗不断上升,对于电源管理芯片同样意味着将朝着更高的效率、更低的功耗以及更小的尺寸发展。在不同的领域中对于电源管理芯片的性能要求也有所不同,航天航空领域对于开关电源的可靠性和稳定性要求十分严格,便携式设备的需求则是低功耗。本文的主要目的是设计一个高效率、低功耗的Buck转换器芯片。 DC-DC转换器作为直流输入直流输出的电源电路,能为电子设备提供稳定的输出。为DC-DC选择不同的控制模式,可以使其正常工作在不同场合下。一般常用的控制模式是电压模式控制和电流模式控制,但这两种控制方式存在电路复杂、系统稳定性差的问题。因此我们找到了一种COT的控制模式,其结构简单,可通过固定导通时间实现快速瞬态响应。不过COT控制模式也存在不足,由于它的导通时间固定,使其开关频率不稳定;另外,它需要较大的输出电容,考虑到尺寸和成本,COT控制模式并不适合在市面上推广。最终,在众多控制模式中选择了ACOT控制模式——自适应恒定导通时间控制模式,其导通时间随输入输出的变化自行调节,开关频率恒定,解决了COT控制模式的不足,并具有良好的瞬态响应和更高的转换效率。 本文首先介绍了DC-DC的三种拓扑结构,详细研究了同步降压型DC-DC转换器的基本原理和工作模式等,并对其功耗来源和提升效率的参数选型进行了分析。对所采用的ACOT控制模式进行了介绍,并对其稳定性和直流失调问题进行分析。基于预期的设计要求,对转换器的关键子模块进行了详细的分析、设计,并进行了仿真验证。经过验证,各个子模块性能均能满足设计需求。 最后,本文采用0.18μm BCD工艺,对电路的整体性能进行仿真验证。验证结果表明,该转换器具有1.8V-4V的输入电压范围,输出范围为0.6V-2V,开关频率约为1MHz,最大负载电流为2A,Buck的静态电流约为4.15μA,并且在最小输出电压也有80%以上的转换效率,该转换器实现了低功耗高效率的设计目标。