【摘 要】
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随着模拟集成电路技术的发展,便携式电子设备和新能源汽车在日常生活中越来越普遍,提高电能利用率能有效延长设备工作时间。BUCK DC/DC变换器芯片不仅能为设备提供稳定电压,还具有较高的电能转换效率。随着设备使用场景复杂度增加,对BUCK变换器的转换效率、输入电压范围、输出电流能力要求也越来越高,因此选择合适控制和调制模式是BUCK变换器设计的重要步骤。通过分析变换器的使用场合和多种控制方式的优缺点
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随着模拟集成电路技术的发展,便携式电子设备和新能源汽车在日常生活中越来越普遍,提高电能利用率能有效延长设备工作时间。BUCK DC/DC变换器芯片不仅能为设备提供稳定电压,还具有较高的电能转换效率。随着设备使用场景复杂度增加,对BUCK变换器的转换效率、输入电压范围、输出电流能力要求也越来越高,因此选择合适控制和调制模式是BUCK变换器设计的重要步骤。通过分析变换器的使用场合和多种控制方式的优缺点,本设计采用了峰值电流控制方式。针对宽输入电压范围,本文采用BCD工艺进行电路设计,采用描述函数法对变换器进行小信号建模,并设计了频率补偿电路;针对变换器转换效率问题,本设计采用电荷泵和自举电路的浮动电源轨作为驱动电压,典型环境下功率管导通电阻可达到0.04 Ω,功率管的开关频率为330 kHz,同时采用BUCK变换器输出电压作为内部电路工作电压,降低了电路的静态功损耗;针对输入电压过低的情况,设计了欠压检测电路,提高了变换器的可靠性;根据输入电压和负载电流,设计了芯片外围电路,有效地减小了输出电压纹波。本文还设计了以下关键子电路:基准电路,该电路能够在全输入电压范围下工作,且具有良好的线性调整率;电荷泵电路,该电路能够输出稳定驱动电压,保证了功率管工作在深线性区,降低了导通电阻;振荡器电路,该电路输出频率具有对温度和电源电压不敏感特性,为反馈回路提供稳定频率信号并参与斜坡补偿;电压调整电路,该电路具有输出电压切换功能和过流保护功能,能自由切换2.6 V/3.3 V输出电压,过流保护电路能限制最大输出功率,实现了短路保护功能。本文基于0.25 μm BCD工艺进行电路设计,采用Spectre软件平台对电路进行性能仿真和功能验证。前仿真结果表明,本文的BUCK变换器输出电压纹波为4.4 mV;在典型情况下变换器转换效率能够达到90%,在6.5 V～60 V电压范围内转换效率最低为77%,变换器性能达到了指标要求。
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