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新創業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小信號分析，推導狀態方程得出小信號模型，并設計PID閉環控制補償網絡保證環路穩定。采用輸出電壓給控制環路供電的低功耗結構，以及采用加大系統環路帶寬的方案來優化輸出電壓的過沖，實現了輸出電壓的高速動態調節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

　　隨著電子信息產業的迅猛發展，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、電池續航時間越來越長的需求，高速動態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，系統的開環傳遞函數如下：

         (12)