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随着半导体集成电路的迅速发展,除了传统的汽车、通信、计算、消费类以及工业这几个主要市场外,电源管理类芯片在移动智能、物联网、云计算、大数据等新兴产业也具有广阔的应用前景。其中开关电源类芯片因其具有效率高、发热量低、性能稳定、体积小、重量轻等优点被广泛采用。作为开关电源主要部分的变换器具有多种控制技术,例如:电压模、电流模、迟滞模及固定导通时间/关断时间模式等。在目前的移动应用市场上,减小输出电容以降低成本的情况下,快速响应成为最为关键的设计参数之一;而由电池供电的小型电子设备,尤其是便携式设备及可穿戴式电子设备中,为了延长电池的使用寿命,轻载高效是另一个非常重要的要求。由于固定导通时间(COT)控制的变换器具有快速响应、轻载高效的特点使得其在电池供电的移动应用市场及小型电子设备中备受青睐。本文紧跟市场发展动向,以固定导通时间(COT)控制的Buck型DC-DC变换器为研究对象,着力于对其稳定性、建模、轻载高效相关的问题进行分析研究,提出解决方法和相应的具体电路。主要研究成果如下。1.从环路稳定性和抖动性两个方面研究分析了COT控制Buck型DC-DC变换器的稳定性。得出了这种变换器的环路不发生次谐波振荡、能够稳定工作应满足的条件。对于电压模COT,芯片引脚FB耦合进去的噪声会影响主开关管从关断到导通的时刻,从而导致抖动发生;通过分析计算可以得出结论,抖动大小与输出电压纹波幅值的大小无关,与FB端电压的下降斜率有关;因此在FB端叠加一定斜率的斜坡补偿信号可以改善抖动特性。对于电流模COT,本文采用类似的分析,提出了一种补偿方法,通过在芯片引脚COMP端叠加斜坡补偿信号来减小开关管导通时刻的抖动。2.研究了几种流行的针对电流模控制开关变换器的建模方法:状态空间平均法、Ridley模型及基于描述函数法。采用适合于固定导通时间控制的基于描述函数法,对带有斜坡补偿的电流模COT控制的Buck型DC-DC变换器进行建模,该模型通过将电感、开关、脉冲宽度调制器PWM看作一个整体来基于描述函数法而建立,从而可以获得非常精确的结果,能够很好地预测电流模COT控制的系统响应。利用该模型分析了斜坡补偿信号对电路的影响,确定了其斜率的取值范围,并给出了便于理解和仿真分析的等效电路。3.基于前面抖动特性改善方法的研究和对斜坡补偿信号斜率的确定,提出了一种适用于电流模COT控制的Buck型DC-DC变换器的斜坡补偿电路。该电路结构简单、器件数量少、且易于实现,采用与控制变换器开关信号同相位的控制信号,通过电容充放电及线性放大器来获得斜率变化很小的斜坡信号,叠加至COMP端来改善变换器的抖动特性。4.提出了负载变化情况下的一种自适应电流阈值确定方法,并设计了一个适用于固定导通时间控制的Buck型DC-DC变换器的电流检测电路。其目的是为了在轻负载工作的情况下,减小输出电压纹波的同时,降低由电感纹波电流引起的与功率管导通电阻、电感和电容串联等效电阻有关的导通损耗,提高轻负载时的工作效率,从而满足移动及便携式设备对电池使用时间的需求。固定导通时间控制的变换器由于其自身的调制原理,在轻载时本来就工作在脉冲频率调制模式,相比于脉冲宽度调制模式具有更高的工作效率;但是在开关频率引起的损耗和导通损耗之间有一个折衷关系。本文通过对开关频率、各种损耗及效率的计算与分析,求出最大效率对应的最佳电感峰值电流,并设计了一种自适应电流检测电路;该电路监测电感峰值电流与负载电流的关系,当负载电流小于某一阈值时,减小电感峰值电流,从而减小输出电压纹波,并提高工作效率。