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随着电子产业的不断发展,电子产品对于高性能电源管理芯片的需求也越来越大。恒定导通时间(Constant On-time,COT)控制的Buck变换器凭借结构简单、效率高和响应速度快的优势而备受青睐。常用的COT控制策略包括纹波控制COT(Ripple-Based COT,RBCOT),电流模COT和V~2 COT。其中RBCOT结构最简单,速度最快,但是输出精度不高,工作频率不恒定,并且在低等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)应用下存在次谐波振荡的风险。这些问题限制了RBCOT在高性能供电系统中的应用。本文通过分析Buck变换器的基本原理和不同控制策略的环路建模,从时域和频域两个角度阐述了COT控制的优势,以及导致RBCOT稳定性问题、精度问题和变频问题的主要原因。根据推导得到的理论,本文设计的RBCOT控制Buck变换器采用内置纹波补偿确保系统稳定性,降低输出电压纹波幅值,同时使用自适应导通时间技术减少频率变化。在此基础上,直流失调消除模块利用纹波补偿信息和频率信息进行运算,消除补偿纹波中的固有失调,提高输出电压精度。上述方案基于0.35μm BCD工艺进行电路设计和仿真验证,系统开关频率为500kHz,输入电压为2.25-5.5V,负载为0-10A。所设计的Buck变换器在应用范围内能实现较高的输出精度和快速的负载响应。V~2 COT架构在RBCOT的基础上引入了运算放大器,提高了调整精度,但是V~2 COT仍然存在次谐波振荡的风险,并且环路需要频率补偿。本文对比了外置ESR补偿和内置纹波的区别,探究了补偿纹波和运算放大器对V~2 COT环路稳定性和响应速度的影响。所设计的V~2 COT控制Buck变换器的补偿参数根据小信号模型进行了优化,避免了大占空比下系统振荡的现象,提高了瞬态响应速度。为进一步实现低功耗,恒跨导运算放大器采用亚阈值设计,利用箝位电路弥补电流能力的不足。环路比较器通过动态电阻降低比较器的延时,同时采用负载检测控制偏置电流,在轻载下自动降低功耗。上述方案基于0.18μm BCD工艺完成电路设计和仿真验证,系统开关频率为2.2MHz,输入电压为2.4-5.5V,负载电流为0-2A,系统可以根据负载变化自动切换工作模式。仿真结果满足高精度和快速瞬态响应的设计目标,并且在常用负载范围内满足高效率的要求。