适用于移动设备处理器的高频大电流降压型直流变换器的研究与设计

摘要

在巨大的市场需求推动下，现代移动便携设备的性能不断提高，对处理器电源的瞬态响应速度和负载能力都提出了更高的要求。论文对此开展研究，以开关频率2.5MHz，最大输出电流为6A的高频大电流降压型DC-DC变换器为设计目标，提出并完成了单相和两相两个设计方案。
　　根据处理器负载跳变快的特点，论文采用基于恒定导通时间的纹波控制方式，并提出一种伪三角波的补偿方式，在节省芯片面积的同时大大增强了系统的稳定性。此外，还引入稳频电路，通过导通时间的动态调整稳定开关频率，消除输入/输出电压和负载电流变化的影响。论文提出一种新颖的零电流关断方案，能消除工艺偏差的影响，并实现了功率器件的全集成。芯片在GlobalFoundries0.18μmCMOS5V工艺下完成。测试结果表明，其瞬态响应等性能指标与预期相符，最高效率达85％，且具有结构简单的优点。
　　为进一步提高瞬态响应速度和负载能力，论文提出一个采用两相结构的设计方案。同样采用基于恒定导通时间的纹波控制，通过引入若干功能模块，特别是均流模块，使得瞬态响应速度和输出负载能力得到了进一步提升。由于采用了阻容结构的纹波补偿方案，可以免受负载电流变化的影响，保证了系统的稳定性，所提出的新颖电流均衡环路能克服各种不对称因素，保持两个支路的电感电流基本相等。同时，将系统的静态待机电流降至5μA。从仿真结果可以明显看到，相比单相系统，两相系统具有更快的瞬态响应速度，最高效率可达88％。

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致谢

摘要

插图目录

第一章 绪论

1．1 电源管理芯片的概述

1．2 课题研究的意义

1．3 论文的主要研究内容

1．4 论文的主要安排

第二章 基本原理

2．1 降压型直流变换器的基本工作原理

2．2 平均开关模型

2．3 恒定导通时间控制方式的离散开关模型

第三章 单相高频、大电流降压型直流变换器的研究和设计

3．1 系统架构

3．2 具体模块电路

3．2．1 纹波补偿电路

3．2．2 电压外环

3．2．3 变导通时间产生电路

3．2．3 零电流关断电路

3．2．3 过流保护电路

3．3 测试结果

3．3．1 稳态工作波形

3．3．2 零电流关断测试

3．3．3 稳态开关频率测试

3．3．4 瞬态响应

3．3．5 电源调整率和负载调整率

3．3．6 效率测试

3．3．7 测试结果小结

3．4 本章小结

第四章 两相高频、大电流降压型直流交换器的研究和设计

4．1 系统架构

4．2 具体模块电路

4．2．1 纹波补偿电路

4．2．2 低功耗控削模式

4．2．3 电流检测电路

4．2．4 电流均衡

4．2．4 时钟产生电路

4．3 仿真结果

4．3．1 均流特性

4．3．2 瞬态响应

4．3．3 时钟产生电路

4．3．4 电源调整率和负载调整率

4．3．5 仿真效率

4．3．6 仿真结果小结

4．4 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 工作总结

5．2 未来工作的展望

参考文献

攻读学位期间科研成果