高速低功耗buck变换器设计

作者 / 朱荣华 周健洋 张玉浩 东南大学 电子科学与工程学院(江苏 南京 210096)

*第一届(2016-2017)全国大学生集成电路创新创业大赛全国总决赛模拟集成电路方向一等奖

朱荣华(1992-)，男，硕士生，研究方向：射频IC电路设计。

摘要：对Buck变换器主电路在CCM工作模式下进行动态小信号分析，推导状态方程得出小信号模型，并设计PID闭环控制补偿网络保证环路稳定。采用输出电压给控制环路供电的低功耗结构，以及采用加大系统环路带宽的方案来优化输出电压的过冲，实现了输出电压的高速动态调节和控制电路低功耗的设计目标。仿真结果表明，系统带宽达到1.136 MHz，相位裕度为47.49°，并且在600 mA负载电流突变下，电压过冲小于7 mV，响应时间小于4 μs，并且功耗降低了一半。

0 引言

　　随着电子信息产业的迅猛发展，各种电子设备要求更高效和便携。开关电源以其效率高、体积小等优点，得到广泛应用。为了满足智能手机等移动智能终端产品对响应速度要求越来越高、电池续航时间越来越长的需求，高速动态响应特性和低功耗设计成为下一代移动智能终端的必然趋势。因此研究降压型 DC/DC 转换器的高速动态响应和低功耗特性至关重要。

1 系统架构

　　本系统架构如图1所示，主要包含以下模块：振荡器、锯齿波产生电路、PWM比较器电路、误差放大器模块、LDO电路、死区时间产生模块、高速高精度电流检测模块、软启动模块、电源切换模块和功率驱动模块。

2 小信号分析及PID补偿网络

2.1 控制级小信号模型分析

　　基本的电压模式控制的buck变换器的电路框图如图2(a)所示，其环路的基本模型包含功率级、具有补偿网络的误差放大器和PWM调制器。图2(b)给出了开关变换器的小信号框图。

2.1.1 输出滤波器

　　输出滤波器主要包含输出电感和电容。其中电感的直流电阻以及电容的等效串联电阻，都必须考虑在建模分析中。传递函数可以表示为：

　　其中：

　　E=Vin                                                      (2)

2.1.2 PWM调制器

　　调制器包含了振荡器、PWM比较器、驱动电路以及功率MOS管。主要是误差放大器的输出与振荡器信号进行比较，产生所需要的占空比信号。传递函数可以表示为：

(5)

2.1.3 开环系统分析

　　结合PWM调制器和输出滤波就构成了电压模式的开环系统，传输函数可以表示为：

(6)

2.2 PID补偿网络分析

　　加入PID补偿网络后，系统的开环传递函数如下：

         (12)