【摘 要】
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在互联网科技快速发展的时代,任何信息化服务都离不开电子设备的硬件支撑。电源芯片作为电子设备的心脏不可或缺,而开关电源芯片凭借其高集成度和高效的优势在现实生活中应用广泛。为满足不断更新的现实需求,作为最主要的一类开关电源芯片,BUCK变换器在向着宽输入范围,低EMI,高功率密度,低静态电流的趋势不断发展,其中高功率密度意味着高的转换效率,传统的同步BUCK变换器在轻载时转换效率很低,如何不断提高同步
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在互联网科技快速发展的时代,任何信息化服务都离不开电子设备的硬件支撑。电源芯片作为电子设备的心脏不可或缺,而开关电源芯片凭借其高集成度和高效的优势在现实生活中应用广泛。为满足不断更新的现实需求,作为最主要的一类开关电源芯片,BUCK变换器在向着宽输入范围,低EMI,高功率密度,低静态电流的趋势不断发展,其中高功率密度意味着高的转换效率,传统的同步BUCK变换器在轻载时转换效率很低,如何不断提高同步BUCK变换器的轻载转换效率也成为近年来的研究热点。本文设计了一款基于峰值电流模控制的可单片集成的开关电源BUCK变换器,采用0.25μm BCD工艺,具备5.5V-65V的宽输入范围,最大稳定负载电流可达3.5A,工作频率200KHz-3MHz,可通过外部电阻设置工作频率或同步外部时钟,并采用扩频模式及功率管分块驱动技术来实现低EMI特性。本文研究重点为通过不同工作模式实现系统在轻载时的高转换效率,使得BUCK变换器可在系统负载降低时自动采用跳脉冲调制方式工作,也可通过外部端口选择进入突发模式,在此模式下系统轻载效率可以进一步提高,且静态功耗更小。为了实现上述设计目标,本文首先对BUCK变换器的基础理论进行了介绍,对其工作过程中可能产生的功率损耗进行了分析计算,确定了采用峰值电流模控制、PWM调制的基本结构。在此基础上引入了跳脉冲模式和突发模式,阐述了两种模式的设计原理。接着对系统部分子模块的电路设计进行了介绍,包括突发模式控制模块,包含扩频模式和频率折返功能的多模式控制模块以及电感电流的过零与过流检测模块,并结合仿真验证结果对每个模块的各个子电路进行了详细分析。最后对本文设计的BUCK变换器进行了整体仿真,包括稳态特性仿真和瞬态响应仿真,根据仿真结果计算得出系统的负载调整率与线性调整率均低于0.2%,本文还重点进行了不同负载时系统在跳脉冲模式和突发模式下的仿真并计算了转换效率,结果显示负载电流10m A-200m A时系统工作在突发模式下可以维持83%左右的转换效率,负载电流200m A-500m A时跳脉冲模式下转换效率达到80%左右,总之系统在轻载时效率较高,符合电路设计要求。
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