基于COT控制的降压型DC-DC转换器设计（一）

降压型 DC-DC 转换器的基本原理

电源管理芯片可以分为低压差线性稳压器（LDO）、开关电源转换器（DC-DC转换器）和电荷泵等。

DC-DC 转换器的主要功能是将输入电压转化为所需要的稳定输出电压，与 LDO 不同，DC-DC 转换器是通过方波脉冲信号快速使开关 MOS 管开启与关断，并通过 LC 滤波结构获得稳定的输出电压。

根据其所实现的功能不同，DC-DC 有着不同的拓扑结构，包括降压型(Buck)DC-DC 转 换 器 、 升压型(Boost)DC-DC 转 换 器 、 升降压型 (Buck - Boost)DC-DC 转换器。

降压型(Buck)DC-DC 转 换 器

对输入电压 进行转换，输出一个稳定的低于 的直流电压 ，从而完成降压功能。外围器件包括储能电感 L、输出电容 C，输出负载 。

在该拓扑结构中包含 M0与 M1 两个功率管，由驱动控制信号控制其开关。其中 M0 为高端管(High- Side MOSFET)，也被称为主开关管，M1 为低端管(Low-Side MOSFET)，也被称为续流管。在驱动与控制信号的控制下，在任意时刻，高端管与低端管最多只有一个开启。

Buck 型 DC-DC 转换器可以分为充电与续流两个工作阶段：

充电阶段： 由驱动与控制信号控制高端管 M0 打开，低端管 M1 关断。由于功率管电阻较小，此时可以认为 M0 处为一条导线。由输入电压源 对外围电感电容与输出负载进行充电，由于电容两端的电压不能突变，这会使得电感 L 两端的电压差恒定，从而得到具有以斜率变换的充电电流 ，当充电结束时充电电流达到最大，输出电压纹波达到最大值。

续流阶段： 驱动与控制信号控制高端管 M0关断，低端管 M1 打开。此时储能电感两端的电压方向与充电阶段时电感两端的电压方向相反，由储能电感放电，维持输出电压。此时电感电流以一固定斜率下降，输出电压纹波下降直至下一周期进入充电阶段重复以上过程。

在 Buck 型 DC-DC 转换器的工作过程中，以一固定周期 T 重复充电与放电的过程。

定义充电阶段持续时间为 ，续流阶段的持续时间为 。通过在放电阶段电感电流是否降低为 0，可以将其分为两个工作模式。

续流阶段结束后，若电感电流降低为 0，则称此时 DC-DC 转换器工作在 不连续导通(DCM)模式；续流阶段结束后，若电感电流没有降低为 0，称其此时工作在 连续导通(CCM)模式。

连续导通（CCM）模式

 

由式可得，当工作在 CCM 模式时，输出电压的大小仅与输入电压与控制信号占空比有关，与负载的大小无关。通过对控制信号占空比的设计可以得到需要的输入电压与输出电压。同时，由于占空比 D 恒小于 1，则输出电压恒小于输入电压，从而实现了降压转换 。

不连续导通(DCM)模式

可以将其分为三个阶段：

第一阶段：高端管打开，低端管关断，电感电流由零开始逐渐上升,持续时间为 ；

第二阶段：高端管关断，低端管打开，电感电流逐渐下降为零，持续时间为；

第三阶段：高端管与低端管均关断，电感电流保持为零，此阶段称为闲置阶段，设此时持续时间为 。

为保证其工作在 CCM 模式，应保证外围电感 L 大于 CCM 模式与 DCM模式的临界电感 Lmin。