全集成高效降压型开关电容电源的设计

摘要

随着现代集成电路的飞速发展，便携式电子设备市场也在快速成长，而电路系统的结构创新和性能提升都离不开高性能电源管理系统的支持，因此对电源管理系统的设计提出了新的挑战。降压型开关电容电源以其高效率，低纹波，全集成等优点逐渐成为便携式设备的主流电源方案。
　　开关电容电源的转换效率直接受增益模式影响，当输入和输出电压偏离系统固定增益时，效率将受到严重影响，尤其当输入范围较大时，单一增益模式的缺点将更加明显。本文采用了多增益模式功率级，将宽范围的输入电压分为三段，根据不同的输入电压值选择相应的增益模式，实现了系统的高增益匹配度，并提高了转换效率。多相位交错时钟控制技术能够在不增加系统功耗的前提下，降低输出纹波以及输出电容值，本文采用32相位交错时钟控制技术，该技术在保持功耗不变的情况下，将系统的充放电频率提高了32倍，因此将纹波降低到原来的1/32。为了弥补系统增益模式的有限性和离散性，增加了PFM调制方式，提高了系统对电源电压，负载电流变化的调节能力，增强了系统的稳定性有效解决了压控振荡器线性度和变频范围之间的矛盾。
　　本文采用SMIC65nm CMOS工艺对系统进行了仿真和验证，最终完成系统版图设计，并对电路中关键模块进行了后仿。仿真结果表明，论文提出的控制技术提升了系统的转换效率:峰值效率大于86％，平均效率高于70％，稳定了系统的输出电压:最大纹波低于25mV，最小纹波小于2mV，其余设计参数均满足设计指标的要求，验证了本设计的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 研究现状及发展趋势

1．3 研究内容和项目指标

1．4 论文组织结构

第二章 开关电容电荷泵功率级分析与建模

2．1 电荷泵功率级设计中的基本问题

2．1．1 电压增益比

2．1．2 功率级损耗分析

2．1．3 电能转换效率

2．2 多模式增益功率级

2．2．1 增益模式的理想效率模型

2．2．2 多增益模式功率级的选取

2．2．3 功率级负载能力分析

2．3 本章小结

第三章 开关电容电源的系统设计

3．1 常见电荷泵系统控制技术

3．1．1 多增益模式调制技术

3．1．2 Interleaving时钟控制技术

3．1．3 环路调制模式

3．2 指标分析与系统架构设计

3．2．1 指标间权衡和设计方案选取

3．2．2 PFM控制技术和中频切换

3．2．3 开关电容电源系统框架

3．3 系统关键参数的设计

3．3．1 交错时钟相位数

3．3．2 开关频率的确定

3．3．3 电容的选取

3．4 本章小结

第四章 开关电容电源的电路设计与仿真

4．1 增益模式选择电路

4．1．1 电压检测模块

4．1．2 开关逻辑控制的电路

4．2 中频切换压控振荡器

4．2．1 环形压控振荡器的原理

4．2．2 中频切换压控振荡器的设计与前、后仿真

4．3 时钟与相位产生电路

4．3．1 分频与相移电路

4．3．2 死区控制电路

4．4 误差放大器

4．5 基准电路

4．6 过温保护电路

4．7 系统仿真验证

4．7．1 不同输入电压下的输出特性

4．7．2 系统瞬态特性仿真

4．7．3 系统效率仿真

4．7．4 系统仿真结果与设计指标对比

4．8 本章小结

第五章 版图设计与部分电路后仿

5．1 版图设计注意事项

5．1．1 版图的匹配性

5．1．2 版图布局规划

5．1．3 版图设计一般规则

5．1．4 DRC和LVS的注意事项

5．2 系统版图

5．3 部分电路后仿

5．3．1 比较器后仿

5．3．2 压控振荡器后仿

5．3．3 基准电路的后仿

5．3．4 误差放大器的后仿

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文