集成片上电感高效率降压型直流-直流电压转换器的研究

摘要

在目前的半导体行业中，正如摩尔定律所描述，半导体工艺越来越先进，器件的尺寸越来越小，除了追求速度，另外一个重要方面就是小型化，即单片集成。单片集成的开关电源，符合当下消费电子行业的主流发展趋势，而且可以将内部系统与由封装寄生参数引起的外部谐振电压相隔离，降低芯片外部干扰对内部系统的影响。电感型开关电源中，片外电感占据了PCB的很大一部分空间，此外在开关电源中，高效率也是学者们一直追求和研究的非常重要的性能参数，所以，对于集成片上电感高效率开关电源的研究就变得非常具有吸引力。
　　本文主要提出一种片上集成电感高效率降压型直流-直流转换器换器(BuckDC-DC Converter)。转换器在1.8V输入电压下得到0.9V输出电压，开关频率提高到了50MHz，最大负载电流可达500mA，输出电压最大纹波小于100mV。本文采用一种新颖的封装电感来实现电感的片上集成，封装电感利用焊线(Bond-Wire)和封装引线(Lead Frame)的寄生电感构成所需的功率级电感，这种电感既可以节省芯片面积，同时具有较高的Q值，可提高变换器的转换效率;另外，本文采用了双模式控制策略:PWM&PSM，使转换器在整个负载范围内都有较高的转换效率。按照设计要求，完成了各个小模块的设计，同时还提出了一些新颖的电路模块，例如过零检测模块和PSM控制模块等。本文基于SMIC0.18μm混合信号工艺库，使用Cadence Spectre软件对各个小模块和整个环路进行仿真验证。仿真结果显示本文设计的电路符合设计要求，最后对设计的芯片进行了测试，峰值效率为71％，在负载电流为10mA的情况下，仍然有57％的转换效率。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 电源管理芯片研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作和整体结构

第二章 DC-DC转换器的基础原理和关键参数

2．1 DC-DC转换器的拓扑结构

2．1．1 Buck DC-DC转换器

2．1．2 Boost DC-DC转换器

2．1．3 Buck-Boost DC-DC转换器

2．1．4 Cuk DC-DC转换器

2．2 DC-DC转换器的调制模式

2．2．1 PWM调制模式

2．2．2 PFM调制模式

2．2．3 PSM调制模式

2．2．4 混合调制模式

2．2．5 PWM反馈控制模式

2．3 DC-DC转换器小信号模型分析

2．3．1 功率级传递函数

2．3．2 电压控制模式传递函数

2．3．3 电流控制模式传递函数

2．4 Buck型DC-DC转换器的关键参数

2．5 本章小结

第三章 集成电感实现方法以及系统级设计

3．1 集成电感实现方法

3．2 转换器系统分析和设计

3．3 本章小结

第四章 关键模块电路设计与仿真

4．1 振荡器电路设计与仿真

4．2 误差放大器与补偿网络的设计与仿真

4．3 PWM比较器的设计与仿真

4．4 模式切换电路的设计与仿真

4．5 过零比较器的设计与仿真

4．6 PSM逻辑控制模块的设计与仿真

4．7 本章小结

第五章 芯片系统仿真与测试结果

5．1 芯片系统仿真

5．2 芯片测试结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况