宽输入范围的高精度Buck变换器的研究与设计

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近年来,随着通信、物联网、嵌入式电子的高速发展,高可靠性、宽应用范围的高性能电源需求越来越大。宽输入范围的Buck变换器能够更好地适应严苛复杂的工作环境。同时,为保证供电的优质性,对开关电源的输出精度要求也逐渐提升。在Buck变换器的多种控制模式之中,滞回控制模式与恒定导通时间(Constant on Time,COT)控制模式适用于宽输入范围应用。本文通过对基本Buck变换器稳态特性和环路稳定性的分析,深入分析了影响Buck变换器输出精度的因素。从线性调整率、环路稳定性、基准电压精度等多角度入手,找到为宽输入电压范围Buck变换器提升输出精度的关键点,进而针对这些关键点提出了多种技术,并经过仿真与测试验证,证明这些技术对精度提升是有效的。本文设计了两款宽输入电压范围的单片集成式Buck变换器:第一款为滞回控制的Buck变换器,含有电流内环和电压外环两个控制环路。芯片采用猝发(Burst)工作模式,由电压外环控制芯片在工作模式(Active)与休眠模式(Sleep)之间周期性跳转。电流内环则在Active模式下启用,控制功率管的交替导通,将电感电流控制在一定范围之内。第二款为谷值电流模COT控制的Buck变换器,并使用锁相环与自适应恒定导通时间(Adaptive Constant on Time,ACOT)技术稳定工作频率。该芯片通过谷值电流反馈形成电流内环,稳定电感电流值,再通过电压反馈形成外环,调节电感电流的输出值,从而稳定输出电压。本文所设计的滞回控制的Buck变换器基于0.35μm BCD工艺设计。输入电压范围6~45V,固定输出电压5V,最大输出电流100m A。该芯片通过了前仿与后仿验证,在全温度、全工艺角、全输入电压范围、100m A重载的情况下,达到了±0.8%的输出电压精度。在常态环境下达到了0.0039%的线性调整率与较低的负载调整率。本文所设计的COT控制的Buck变换器基于0.18μm BCD工艺设计。输入电压范围6~40V,输出电压可调,最大输出电流2A。该芯片通过了前仿、后仿验证,并完成了流片实测。成品芯片在全输入电压、输出电压、负载范围内,达到了±5%的输出电压精度,并具有极低的线性调整率与负载调整率。
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