论文题目：谷值电流模COT控制自适应斜坡补偿技术研究
摘要：近年来COT控制的变换器因其瞬态响应快速、轻负载效率较高、控制结构简单等优点而广受青睐。本文的研究以谷值电流模COT控制Buck变换器为例,解决电流模COT控制变换器在多相并联或者大电流应用时由于电流采样纹波变小而容易出现稳定性的问题。本文设计了两相独立采样的变换器来避免波纹抵消效应和引入自适应斜坡补偿改善采样电感电流变小时的抖动问题。本文基于0.18μm BCD工艺设计了一款双通道独立采样的谷值电流模COT控制的Buck变换器。独立采样设计避免了脉冲分发式多相电源存在的波纹抵消问题。本文设计的变换器采用双通道集成而具有较高功率密度,并且根据应用需求可以进一步并联扩流。本文完成芯片系统架构设计,并介绍系统构成和基本工作逻辑。接着给出了变换器的环路补偿方案,然后对子电路进行设计和仿真。最后对芯片版图进行布局并对功率管进行R3D仿真确定布线电阻。仿真结果表明,芯片单路最高支持3A负载电流,支持双路并联到6A输出。变换器可以通过外部时钟同步并且最大工作频率可到4MHz。芯片具有较好的瞬态响应能力,1.8V输出下,负载电流由100mA向3A阶跃时,输出电压的过冲和和恢复时间分别为62mV和15μs。负载电流由3A向100mA阶跃时,输出电压的过冲和和恢复时间分别为60mV和12μs。芯片具备过流、过压等保护功能。本文在谷值电流模COT控制Buck变换器的基础上进一步加入自适应斜坡补偿电路来改善采样电感电流变小时的抖动问题。小信号模型显示固定补偿斜坡会引入一个固定零点和可移动的极点而在部分工作条件下存在过补偿的问题。本文针对过补偿问题提出了两种自适应斜坡补偿方案,第一种电感电流下降沿斜率跟踪（Falling Slope Tracking,FST）方案采用跟踪电感电流下降斜率的方法来固定极点,从而可以更方便地进行环路补偿设计。并通过引入瞬态增强电路来改善负载阶跃响应。仿真结果表明补偿斜坡可以较好跟踪电感电流斜坡,并且加入的瞬态增强电路可以进一步改善负载阶跃响应。5V输出下负载由3A到100mA跳变时,输出电压上冲减少150mV,恢复时间缩短10μs。负载由100mA到3A跳变时,输出电压下冲减少130mV,恢复时间缩短12μs。第二种延迟斜坡补偿（Delay-Slope Compensation,DSC）方案在第一种方案的基础上引入延时控制电路达到了无斜坡时的控制波形,在引入斜坡补偿提升稳定性的同时也提高了环路裕度。在相同补偿网络与5V输出电压条件下,负载电流由100mA到3A阶跃时,输出电压下冲减小47mV,恢复时间减小9μs;负载电流由3A到100mA阶跃时,输出电压上冲减小58mV,恢复时间减小12μs。DSC自适应斜坡补偿方案仿真结果表明在相同补偿条件下该控制方法具有更快的响应速度,拥有更大的环路带宽和相位裕度。
关键词：恒定导通时间;电流模;斜坡补偿;Buck变换器
学科专业：集成电路工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 恒定导通时间控制变换器研究现状
1.2.2 斜坡补偿研究现状
1.3 主要工作与结构安排
第二章 Buck变换器基本理论
2.1 Buck变换器的工作原理
2.1.1 连续导通模式
2.1.2 断续导通模式
2.2 Buck变换器控制模式与调制方法
2.2.1 恒频电压模PWM控制
2.2.2 恒频峰值电流模PWM控制
2.2.3 迟滞控制
2.2.4 恒定导通时间控制
2.3 电流模控制Buck变换器建模方法
2.3.1 平均开关模型
2.3.2 离散时间模型与数据采样模型
2.3.3 改进的平均模型
2.3.4 描述函数法
2.4 本章小结
第三章 双通道谷值电流模COT控制Buck变换器设计
3.1 系统整体设计
3.1.1 变换器系统构成
3.1.2 Buck环路补偿设计
3.2 核心子模块设计与仿真
3.2.1 软启动模块
3.2.2 误差放大器模块
3.2.3 电流比较器模块
3.2.4 输出电压正常指示模块
3.3 芯片整体仿真
3.3.1 芯片外围参数选择
3.3.2 仿真结果
3.4 芯片版图设计
3.5 本章小结
第四章 自适应斜坡补偿技术分析与研究
4.1 斜坡补偿的作用和意义
4.2 带斜坡补偿COT Buck变换器建模
4.3 固定斜坡补偿分析
4.4 带自适应斜坡补偿变换器设计
4.4.1 追踪电感电流斜率的自适应斜坡补偿
4.4.2 带延时控制的自适应斜坡补偿
4.5 自适应斜坡补偿环路子电路设计与仿真
4.5.1 采样保持电路
4.5.2 斜坡产生与运算跨导电路
4.5.3 比例模块K
4.5.4 延时计时模块
4.6 斜坡补偿方案仿真验证
4.7 本章小结
第五章 总结与展望
致谢
参考文献