[发明专利]一种高频率稳定度的Buck变换器

说明书

一种高频率稳定度的Buck变换器，属于模拟集成电路技术领域。本发明基于单周期输出电压预测技术，根据单周期占空比预测输出电压信息，通过采样前一个周期信息去预测下一个周期等效的输出电压，从而决定下个周期的导通时间，并根据预测的输出电压和负载电流补偿导通时间T_ON，本发明提出的Buck变换器的开关频率只取决于第三电阻和第一电容决定的时间常数，实现了Buck变换器的频率稳定；本发明提出的变换器可以在输入输出电压和负载变化时实现频率恒定，并可通过调节外部电阻使Buck变换器在高开关频率下工作，在瞬态响应时具有较快频率稳定速度。

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种高频率稳定度的Buck变换器，基于单周期输出电压预测技术，属于恒定导通时间（Constant on time，COT）控制的Buck变换器。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，无论是消费级的可穿戴便携设备，还是工业级的汽车电子，这些电子应用都对DC-DC变换器提出了更高的要求。恒定导通时间COT 控制的Buck变换器以其结构简单、轻载效率高和瞬态响应速度快等优点广泛应用便携设备中。

但是传统的COT控制Buck变换器存在两个问题。

第一，COT控制方式属于脉冲频率调制（Pulse frequency modulation，PFM），变换器的导通时间T_ON恒定，开关频率f_SW随着输入电压和输出电压的变化而变化。如图1所示，采用COT控制中的自适应恒定导通时间（Adaptive on time，AOT）控制的Buck变换器，其中单脉冲计时器（One-Shot Timer，OST）通过设定导通时间T_ON与输出电压成正比，与输入电压成反比，在不同的占空比下变换器的开关频率f_SW近似恒定。但是功率管的导通电阻R_ON、电感的等效串联电阻R_DCR、比较器延迟、封装寄生电阻等在负载I_LOAD变化时会使Buck产生频率漂移。采用PLL调制的COT控制Buck变换器可以实现开关频率的锁定，并支持多变换器之间频率同步与分相工作。但是，在Buck和PLL构成的双环系统中，为了同时维持Buck系统和PLL系统的稳定，PLL的带宽需要远低于Buck的带宽，这降低了系统在瞬态响应时的频率恢复速度，增加了芯片的面积和变换器复杂程度。

第二，如图2所示，传统COT架构在一些高频应用中会受到限制。传统的COT控制Buck变换器通过电阻R_ON和电容C_ON设置Buck的工作频率，但由于寄生电阻和控制电路延迟的存在，开关频率f_SW在高频下偏离了预设值1/R_ONC_ON，不利于芯片外围元器件的缩小和功率密度的进一步提高。

发明内容

针对上述传统COT控制的Buck变换器存在的频率漂移和高频受限问题，本发明提出了一种COT控制的Buck变换器，基于单周期输出电压预测技术（Single Cycle OutputVoltage Prediction，SCOVP），通过单周期占空比预测输出电压信息，并根据预测的输出电压和负载电流补偿导通时间T_ON，实现了Buck的频率稳定；本发明提出的变换器可以在输入输出电压和负载变化时实现频率恒定，并可通过调节外部电阻使Buck变换器在高开关频率下工作，在瞬态响应时具有较快频率稳定速度。

本发明的技术方案为：

一种高频率稳定度的Buck变换器，包括功率级和环路控制级，所述功率级包括第一开关管、第二开关管、功率电感和输出电容，

第一开关管的栅极连接第二开关管的栅极并连接所述环路控制级的输出端，其漏极连接所述Buck变换器的输入电压，其源极连接第二开关管的漏极并通过功率电感后连接所述Buck变换器的输出端；

第二开关管的源极连接功率地；