基于可穿戴应用的多通道高效率DC/DC芯片设计

摘要

随着便携式可穿戴设备市场占有率的日渐提高，市场对电源管理类芯片特别是开关电源芯片的需求量也迅速增长，与此同时因为便携式产品正向着多功能、小型化和低功耗的方向前进，所以人们对具有面积小与转换效率高等优点的开关电源芯片越发期待。由于便携式设备的功能越来越多样化，所以整个SOC对供电电压的要求不再仅限于单一一种，而传统的DC/DC变换器一般都是单电感单路输出型，无法满足SOC对多值电压供电的要求，若增加变换器的数量明显会增大整个芯片面积，并且还会带来严重的电磁干扰问题。基于此种情况，近年来许多文献设计单电感多输出DC/DC变换器以解决以上问题，本文设计了一款降压型DC/DC变换器，其采用单电感实现了双路稳定输出，并且采用双NMOS结构来实现同步整流，提高了变换器的输出效率。 本文首先对电感型开关电源的拓扑结构进行介绍，以降压型变换器为例分析了开关电源中常用的控制模式，并在此基础上进一步分析了单电感双路输出变换器的工作原理，设计了本文所说的降压型单电感双路输出变换器的架构与控制策略。然后对单电感双路输出变换器进行了环路建模以及补偿电路的设计，并对其中的关键电路模块进行讨论，包括振荡器模块，电流检测电路，前沿消隐电路以及带隙基准电路等。另外，本文所采用的控制策略能够在一定程度上改善有序功率分配模式双路输出变换器存在的交叉调节严重的问题。 最后，采用SMIC0.18μm CMOS工艺平台，对本文所设计的降压型单电感双路输出变换器进行了仿真验证。仿真结果显示，在3V输入电压且变换器在两路不同负载条件下可以正常启动，除此之外，变换器通过交叉调节抑制结构将两路交调电压调整率分别降低到了0.16mV/mA和0.147mV/mA，满足设计要求，同时在两路负载都为140mA时，变换器的转换效率达到了93%左右。仿真结果表明，本文设计的降压型单电感双路输出变换器达到了预期的指标，适用于要求低交调互扰的情况。

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