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微电子技术的迅速发展激发了集成电源管理芯片的研究热潮,其中DC/DC开关电源以其高效率、宽输入电压及输出稳定等优点得到了广泛的使用。控制电路是DC/DC开关电源的关键部分,它决定了开关电源性能的好坏,然而控制电路种类多样、性能各异,如脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制的转换器的开关频率固定,使系统避免了电磁干扰问题,但会使轻载时的效率大大降低;脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)控制的转换器虽然可保证轻载时的高效率,但由于开关频率频繁变化,极易引起电磁干扰问题。而基于PWM和PFM双模调制的控制技术,不仅固定了重载时的频率,还可以改善轻载时的转换效率,这种控制技术可通过定时器自适应计时时间控制来实现。本文着眼于降压型DC/DC开关转换器,对单环自适应导通时间(Adaptive On-time,AOT)控制的降压型DC/DC转换器的稳定性条件及两种补偿方法展开了研究。本文主要的研究内容和取得的研究成果包括如下几个方面:1.从拓扑结构和工作原理上对几种控制技术进行了分析,推导了单环AOT控制、电感直流电阻采样补偿(Inductor Direct Current Resistance Sampling Compensation,IDSC)控制、电流型AOT控制及电流型自适应关断时间(Adaptive Off-Time,AFT)控制的降压型转换器在轻、重载时的开关频率估算模型。研究表明,单环AOT控制、IDSC控制和电流型AOT控制是基于纹波谷值比较的控制技术,三者的导通时间和开关频率估算模型相同。电流型AOT控制与电流型AFT控制的定时器计时的对象分别为导通时间和关断时间,重载时的开关频率几乎恒定,但轻载时二者的开关频率会表现出相反的变化趋势。2.采用状态空间平均法,建立了单环AOT控制的降压型转换器的环路增益数学模型,并分析了影响系统稳定性的因素及其原理。此外,在时域上建立了使系统稳定的ESR最小临界值与输入电压的数学模型,揭示了ESR最小临界值和输入电压负相关。采用状态空间平均法对IDSC控制的系统环路增益进行了分析和推导,研究表明IDSC控制的降压型转换器的相位裕度有了明显改善,从而降低了对输出电容的ESR限制。3.采用Simulink仿真工具,基于Simscape-powerlib实现了单环AOT控制及IDSC控制的降压型转换器的系统行为模型。利用Virtuoso仿真工具,基于东部0.18μm BCD工艺库,搭建了单环AOT控制及IDSC控制的降压型转换器的电路结构。行为级和电路级时域仿真结果表明所搭建的单环AOT控制的降压型转换器可正常工作,能在CCM下基本保持恒频并自适应调节导通时间、可自然过渡至DCM并自动降频、全负载可达较高转换效率。而IDSC控制技术可以解决单环AOT控制时由于输出电容ESR不足引起的不稳定问题。此外还比较了行为级和电路级IDSC控制的降压型转换器在开关频率、转换效率、输出电压纹波、电感电流纹波、输出电压最小值、瞬态性能及负载调整率和线性调整率等方面的仿真情况,结果表明所搭建的电路物理模型和系统物理模型在各方面性能的变化趋势上具有高度一致性,从而进一步验证了本文所搭建的电路结构的有效性。4.分别搭建了电流型AOT控制和电流型AFT控制的降压型转换器电路模型,并分别对这两个电路模型进行了电路级时域仿真。结果表明,本文所设计的电流型AOT控制和电流型AFT控制的降压型转换器都能稳定输出,并实现基本设计目标。在相同的电路参数及各自最佳的补偿条件下,比较了IDSC控制、电流型AOT控制和电流型AFT控制三种双环控制的降压型转换器的性能指标。结果表明,三种双环控制技术在性能上各有优劣,IDSC控制和电流型AOT控制的降压型转换器的大部分性能比较一致,但在瞬态响应时间这一性能指标上IDSC控制技术明显优于电流型AOT控制技术;而电流型AFT控制的降压型转换器在轻载时的开关频率是增大的,不利于轻载时的转换效率;此外IDSC控制技术可承受10 A的超高电流负载。在结构上,IDSC控制的降压型转换器只需简单的RC补偿网络便可实现稳定,而电流型AOT控制和电流型AFT控制的降压型转换器需要电流采样电路模块及带有二型补偿网络的误差放大器等模块才能实现稳定。本文所设计的IDSC控制的降压型转换器的结构简单,能够不依赖ESR保证稳定,其输入电压范围为3.3~6.1 V,输出电压范围为1~3.93 V,负载电流范围为5mA~9.99A,最大转换效率可达96.43%,开关频率偏差率为-0.27%~4.5%,负载调整率为0.19%,线性调整率为0.12%,瞬态响应速度很快,过冲量小,轻载时的转换效率高。本文的研究工作对高性能降压型转换器的开发和应用有一定的参考价值。