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双通道同步降压控制器设计

双通道同步降压控制器设计

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作者：张嘉婧北方工业大学

学位级别：硕士

近年来随着工艺技术的不断提高,同时促进了双通道同步降压控制器为笔记本电脑这类低输出电压提供电源的发展,对供电电源的速率、瞬态响应、精度有了更高的要求。在此背景下,本文设计的双通道Buck型DC-DC控制器采用了自适应导通时间的D-C... 详细信息

近年来随着工艺技术的不断提高,同时促进了双通道同步降压控制器为笔记本电脑这类低输出电压提供电源的发展,对供电电源的速率、瞬态响应、精度有了更高的要求。在此背景下,本文设计的双通道Buck型DC-DC控制器采用了自适应导通时间的D-CAP(Directly from the output capacitors)模式进行环路控制,可以实现更高效率的需求。因此双通道同步降压控制器设计具有重要的研究意义与价值。本文面向供电电源的应用设计了一款双通道同步降压控制器,实现了在轻载和重载的不同情况下均有高效率。在分析了传统的DC-DC控制器的不同拓扑结构及原理后,本文设计在控制模式上进行了创新,采用了A-COT架构和D-CAP模式,D-CAP模式效率高、响应快、控制环路简单,D-CAP模式不需要外部补偿电路,在自动跳跃模式或OOA跳跃模式下,可以实现在轻负载条件下无缝过渡到低频率的操作,从而在较宽的负载电流范围内保持高效率,简化电路提高效率的同时提高系统电路的稳定性与可靠性。另外,了解DC-DC变换器不同调制模式,以及不同模式控制的工作原理、输出纹波、电路稳定性等方面具有的优缺点;本文创新使用了PWM模式、自动跳跃(Auto skip)模式和跳频模式(PSM)三种工作模式,可以适应轻载和重载的不同应用场景。最后,分析电路版图的设计规则,研究双通道同步降压控制器的具体版图设计。此外对于电路的整体功能进行了验证,符合最初设计指标。本文基于xfab-0.18um HV SOI工艺完成电路和版图的设计,设计的自适应BUCK型双通道同步DC-DC控制器,支持5.5～28V的输入电压范围、2～5.5V的输出电压范围,本文设计的控制器输入电压为12V,输出电压5V,效率达90%,最高频率应用下,纹波小于50m V,负载瞬态响应时间小于3us。最后对整体电路仿真分析,结果达到预期指标。

关键词：双通道Buck DC-DC D-CAP 超快速响应 SOI

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D-CAP模式控制的Buck型DC-DC的研究与设计

D-CAP模式控制的Buck型DC-DC的研究与设计

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作者：李萌寒西安电子科技大学

学位级别：硕士

论文课题来源于企业承接的工程项目,项目任务为分析和设计一款Buck型DCDC转换器。本项目是为台式计算机、服务器这一类低输出电压、点负载电源设计的单通道高效同步降压转换器。通过采用混合集成的方式在封装内集成半桥电源块、控制IC... 详细信息

论文课题来源于企业承接的工程项目,项目任务为分析和设计一款Buck型DCDC转换器。本项目是为台式计算机、服务器这一类低输出电压、点负载电源设计的单通道高效同步降压转换器。通过采用混合集成的方式在封装内集成半桥电源块、控制IC。为了实现轻重负载下的工作模式转化,提高转换器的效率,本设计创造性地采用了基于自适应导通时间的D-CAP模式进行环路控制。D-CAP(Directly from the output capacitors)由TI公司提出,具有高效率、超快速响应以及环路控制简单等特点。最终设计的Buck型DC-DC转换器,包括自动跳跃(Auto skip)和强迫连续时间导通(FCCM)两种工作模式,通过使用模式选择引脚(MODE pin)来切换工作模式,可以完美解决轻负载和重负载的应用场景。在输入电压为1.5V-12V、负载电流为14A的情况下,转换器的效率可以达到91%。论文的主要工作分为三个阶段,第一阶段是对D-CAP模式工作原理、环路稳定性、传输函数的分析;第二阶段是系统与模块电路的设计仿真;第三阶段是后端设计,包括版图的电源、地网络设计,Floorplan,以及芯片组的可靠性设计和封装设计。论文的具体工作内容包括:首先分析了DC-DC转换器的控制理论和三种基本拓扑结构的工作原理;接下来采用物理分析方法推导了D-CAP模式的工作原理,并研究了D-CAP模式下的环路控制理论;由于DC-DC转换器环路为非线性系统,在分析时需要简化为线性系统,论文通过将D-CAP模式等效为带纹波注入的COT架构,针对D-CAP模式搭建了系统级高层次模型,进而通过函数运算对环路稳定条件进行了详细推导,验证了系统模型的这正确性与可靠性;在模块设计时基于标准0.18μm BCD工艺,用Cadence仿真软件对系统的重要模块进行了设计与仿真分析,包括PWM比较器、恒定导通时间产生器、频率选择模块、驱动电路、斜坡补偿电路、全局使能模块等关键组成单元,仿真结果达到设置指标;最后对系统性能、效率、纹波及环路稳定性等指标进行了整体仿真分析,结果达到预期目标,完成流片。

关键词： Buck DC-DC D-CAP 超快速响应 BCD

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