高速低功耗buck變換器設計

作者 / 朱榮華 周健洋 張玉浩 東南大學 電子科學與工程學院(江蘇 南京 210096)

*第一屆(2016-2017)全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽模擬集成電路方向一等獎

朱榮華(1992-)，男，碩士生，研究方向：射頻IC電路設計。

摘要：對Buck變換器主電路在CCM工作模式下進行動態(tài)小信號分析，推導狀態(tài)方程得出小信號模型，并設計PID閉環(huán)控制補償網絡保證環(huán)路穩(wěn)定。采用輸出電壓給控制環(huán)路供電的低功耗結構，以及采用加大系統環(huán)路帶寬的方案來優(yōu)化輸出電壓的過沖，實現了輸出電壓的高速動態(tài)調節(jié)和控制電路低功耗的設計目標。仿真結果表明，系統帶寬達到1.136 MHz，相位裕度為47.49°，并且在600 mA負載電流突變下，電壓過沖小于7 mV，響應時間小于4 μs，并且功耗降低了一半。

0 引言

　　隨著電子信息產業(yè)的迅猛發(fā)展，各種電子設備要求更高效和便攜。開關電源以其效率高、體積小等優(yōu)點，得到廣泛應用。為了滿足智能手機等移動智能終端產品對響應速度要求越來越高、電池續(xù)航時間越來越長的需求，高速動態(tài)響應特性和低功耗設計成為下一代移動智能終端的必然趨勢。因此研究降壓型 DC/DC 轉換器的高速動態(tài)響應和低功耗特性至關重要。

1 系統架構

　　本系統架構如圖1所示，主要包含以下模塊：振蕩器、鋸齒波產生電路、PWM比較器電路、誤差放大器模塊、LDO電路、死區(qū)時間產生模塊、高速高精度電流檢測模塊、軟啟動模塊、電源切換模塊和功率驅動模塊。

2 小信號分析及PID補償網絡

2.1 控制級小信號模型分析

　　基本的電壓模式控制的buck變換器的電路框圖如圖2(a)所示，其環(huán)路的基本模型包含功率級、具有補償網絡的誤差放大器和PWM調制器。圖2(b)給出了開關變換器的小信號框圖。

2.1.1 輸出濾波器

　　輸出濾波器主要包含輸出電感和電容。其中電感的直流電阻以及電容的等效串聯電阻，都必須考慮在建模分析中。傳遞函數可以表示為：

　　其中：

　　E=Vin                                                      (2)

2.1.2 PWM調制器

　　調制器包含了振蕩器、PWM比較器、驅動電路以及功率MOS管。主要是誤差放大器的輸出與振蕩器信號進行比較，產生所需要的占空比信號。傳遞函數可以表示為：

(5)

2.1.3 開環(huán)系統分析

　　結合PWM調制器和輸出濾波就構成了電壓模式的開環(huán)系統，傳輸函數可以表示為：

(6)

2.2 PID補償網絡分析

　　加入PID補償網絡后，系統的開環(huán)傳遞函數如下：

         (12)