DC-DC變換器驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計與穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)以及半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展，電源管理類芯片已廣泛應(yīng)用于計算機、通信網(wǎng)絡(luò)以及汽車電子等諸多產(chǎn)品領(lǐng)域。近年來，電流模DC-DC變換器因其轉(zhuǎn)換效率高、瞬態(tài)響應(yīng)好和帶載能力強等特點使其應(yīng)用前景非常廣闊。隨著設(shè)備功能模塊的日益復(fù)雜化，推升了更大輸入電流的需求，而對于寬負載范圍所引發(fā)的穩(wěn)定性問題以及如何實現(xiàn)寬負載范圍內(nèi)的高效率，已成為DC-DC設(shè)計工作的重點。
　　本文基于峰值電流模降壓型DC-DC變換器為研究對象，系統(tǒng)研究了DC

2、-DC變換器的基本理論及其關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計、電流環(huán)的穩(wěn)定性及電壓環(huán)路頻率補償?shù)确矫孢M行了深入的分析與研究，提出了相應(yīng)的技術(shù)方法和實現(xiàn)電路。研究成果包括:
　　1.針對降壓型DC-DC變換器采用NMOSFET功率管而導(dǎo)致驅(qū)動電壓不足的問題，提出了一種改進的自舉升壓驅(qū)動電路。該電路利用負反饋環(huán)路實現(xiàn)驅(qū)動電壓的精準控制，并采用片內(nèi)集成高壓PMOS管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)架構(gòu)的二極管，最大限度地提高驅(qū)動電壓擺幅，降低功率

3、管的導(dǎo)通電阻;提出的觸發(fā)式電平轉(zhuǎn)移電路，不僅實現(xiàn)了低壓控制信號向高壓驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)變，而且具有較高的輸出驅(qū)動能力和較低的靜態(tài)功耗;同時通過引入過零檢測機制，動態(tài)調(diào)節(jié)自舉電壓在連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式兩種狀態(tài)下的電壓擺幅，以降低不同負載下的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的高效率。
　　2.針對電流模DC-DC變換器電流環(huán)路的次諧波振蕩問題，提出了一種改進的自適應(yīng)斜坡補償電路?；谛逼卵a償理論，通過引入功率管與整流管導(dǎo)通電阻對占

4、空比的影響，建立了最優(yōu)補償?shù)臄?shù)學關(guān)系，同時給出了Buck、Boost、Buck-Boost三種拓撲的斜坡補償關(guān)系式。測試結(jié)果表明，該電路能在不同占空比和不同負載下保證電流環(huán)的穩(wěn)定。同時針對芯片帶載能力受斜坡補償影響的問題，提出了一種集成斜坡與采樣的求和電路。該電路基于電容的電荷轉(zhuǎn)移特性，將電流采樣信號加在電容的下極板，在上極板實現(xiàn)了斜坡信號與電流采樣信號的疊加。通過直接限制電感電流采樣信號的峰值，消除了斜坡補償對電感電流的影響，保證了不

5、同占空比時帶載能力的穩(wěn)定。同時結(jié)合電流限制的方法，提出了一種新穎的基于電荷泵架構(gòu)的快速恒流啟動電路，有效地保證了啟動過程中的帶載能力。最后針對多相并聯(lián)應(yīng)用中，寬范圍的同步時鐘頻率影響電流環(huán)穩(wěn)定性的問題，提出了一種新穎的自適應(yīng)斜坡補償電路。該電路基于偽鎖相環(huán)架構(gòu)實現(xiàn)了斜坡補償值跟隨時鐘頻率的變化，從而保證了在寬頻率范圍內(nèi)電流環(huán)的穩(wěn)定。該電路結(jié)構(gòu)簡單，可集成于任何具有同步時鐘功能的變換器中。
　　3.針對負載變化導(dǎo)致輸出極點頻率跳變而

6、引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，提出了一種新穎的適用于電流模降壓型DC-DC變換器的片內(nèi)動態(tài)零點補償結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過實時監(jiān)測負載電流的變化而動態(tài)調(diào)整補償電阻值，使得補償零點和環(huán)路的交越頻率跟隨輸出極點的變化而變化，保證了系統(tǒng)在不同輸出負載下足夠的相位裕度，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和良好的響應(yīng)能力。該電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，減少了芯片引腳，節(jié)省了PCB面積，對其它DC-DC的設(shè)計具有借鑒作用。同時通過進一步改進補償電阻的設(shè)計，減少工藝、溫度和電源電壓等