【摘 要】
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包括新能源汽车、5G通讯、云计算、物联网等在内的数字经济产业的不断发展,为集成电路电源管理芯片创造了巨大的市场空间。作为DC-DC变换器,四开关Buck-Boost变换器由于其输入输出电压极性相同,结构较为简单,体积较小,开关管应力较低,能在较宽的输入电压范围内实现升降压功能,得到了广泛的应用。本文主要针对四开关Buck-Boost变换器的多模式工作和模式切换问题进行了研究。首先确定采用脉冲宽度调
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包括新能源汽车、5G通讯、云计算、物联网等在内的数字经济产业的不断发展,为集成电路电源管理芯片创造了巨大的市场空间。作为DC-DC变换器,四开关Buck-Boost变换器由于其输入输出电压极性相同,结构较为简单,体积较小,开关管应力较低,能在较宽的输入电压范围内实现升降压功能,得到了广泛的应用。本文主要针对四开关Buck-Boost变换器的多模式工作和模式切换问题进行了研究。首先确定采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）谷值/峰值电流模控制,以提升变换器的抗EMI能力,在降压时采用Buck模式,在升压时采用Boost模式,以降低开关损耗,提高变换效率。其次对比两开两关的标准Buck-Boost模式,提出了单周期Valley-Buck和Peak-Boost分离（Valley-Buck and Peak-Boost Splitting,VBPBS）的工作模式,以降低过渡状态的损耗和实现模式之间的平滑切换,结合开关管的占空比信息设计谷值/峰值电流限和模式切换方式。由于在不同输入输出条件下存在不同工作模式,本文基于Ridley模型分别对Buck模式和Boost模式进行环路的小信号建模,得出在Boost模式下环路稳定性最差的结论,由此选定并优化补偿网络,并加入斜坡补偿,以满足不同工作情况下环路稳定性的要求。本文基于上述研究,采用0.18μm BCD工艺,设计了一款高变换效率四开关Buck-Boost变换器芯片,利用Spectre完成了变换器各子电路的设计仿真,包括针对四开关Buck-Boost变换器存在的自举电容漏电问题设计的自举电容刷新电路,针对模式切换问题设计的占空比检测和切换电路,针对芯片性能优化问题设计的修调电路。本文利用HSPICE完成了变换器的整体仿真。仿真结果表明,芯片最大可支持5A负载电流,开关频率200k Hz、输出电压24V时,从Buck模式和Boost模式分别切换到VBPBS工作模式时,输出电压分别变化9.2m V和92m V,电感电流分别变化0.31A和0.28A;从VBPBS工作模式分别切换到Buck模式和Boost模式时,输出电压分别变化24.2m V和110m V,电感电流分别变化0.38A和0.33A,减小了模式切换时的电压和电感电流波动,模式切换较为平滑。芯片在不同输入输出条件下,效率均在94%以上,Buck模式下有峰值效率98.16%。最后,本文完成了四开关Buck-Boost变换器芯片的版图设计,版图面积为1.57mm×2.47mm。
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