一种全集成单电感双输出降压型直流-直流变换器的设计与实现

摘要

随着科技的发展，特别是便携式设备的小型化发展，高密度的系统布局已经成为一种需要，使用少的引脚数目，减少片外元器件在芯片设计中变得越来越重要，在提高便携式设备电池使用时间的技术上，高效率的开关电源转换一直扮演着十分重要的角色。随着变换器开关频率的提高，电感的尺寸不断减小，但是大体积的功率电感一直占据着直流-直流变换器大部分的PCB空间，利用一种全集成的单片电感来得到两路或者多路输出变得十分有吸引力。
　　本论文主要介绍一种能够全集成的单电感双输出降压型直流-直流变换器。在3.6V输入电压下得到1.8V(负载300mA)和1.2V（负载400mA）两路输出，整个回路采取电压控制模式。为了实现芯片的全集成，本文的开关频率为50MHz，采用了一种全集成型的焊线电感，通过焊线连接成的电感不仅利于封装集成，而且焊线电感具有较高的Q值和较小的寄生电阻，有利于效率的提高。论文根据设计要求进行了总体电路设计，完成了各个子模块的设计与仿真，而且提出了一些创新性的小模块，例如软启动电路和功率级驱动电路。最后基于SMIC0.18μm CMOS工艺，借助于EDA软件Cadence Spectre对整体电路的功能进行了仿真验证。仿真结果显示，本文设计的电路达到指标要求。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 引言

1．1 电源管理芯片的简介

1．2 课题研究的意义

1．3 论文的整体框架结构

第二章 直流-直流变换器的基础

2．1 电感型直流-直流变换器的功率级拓扑结构

2．2 电感型直流-直流变换器的主要性能指标

2．2．1 转换效率

2．2．2 输出电压纹波

2．2．3 负载调整率

2．2．4 线性调整率

2．2．5 输出输入电压范围

2．2．6 变换器的带载能力

2．3 电感型直流-直流变换器的调制方式

2．3．1 脉冲频率调制(PFM)

2．3．2 脉冲宽度调制(PWM)

2．3．3 混合调制模式(PWM／PFM)

2．4 电感型直流-直流变换器功率级传递函数的推导

2．5 控制级回路的反馈方法

2．5．1 电压控制模式

2．5．2 电流控制模式

2．5．3 电压迟滞控制模式

2．6 本章小结

第三章 单电感双输出直流-直流变换器结构分析

3．1 单电感双输出的功率级拓扑结构

3．2 单电感双输出的控制时序

3．2．1 单次充电控制

3．2．2 时分复用控制

3．3 单电感双输出结构的稳态分析

3．4 反馈控制设计

3．5 本章小结

第四章 封装焊线电感的实现及电路模块的设计

4．1 变换器的系统指标

4．2 全集成封装焊线电感的实现

4．3 带隙基准的设计与仿真

4．3．1 带隙基准的基本原理

4．3．2 带隙基准的电路设计

4．3．3 带隙基准的仿真结果分析

4．4 软启动电路的设计

4．4．1 软启动电路原理分析

4．4．2 软启动电路设计

4．4．3 软启动电路的仿真波形和测试波形

4．4．4 软启动电路在DC-DC变换器中的应用

4．5 时钟发生器的设计与仿真

4．6 误差放大器的设计与补偿电路

4．6．1 误差放大器原理分析与设计

4．6．2 补偿电路的设计

4．7 PWM比较器的设计与仿真

4．8 驱动级电路的设计

4．9 衬底偏置电路的设计

4．10 本章小结

第五章 环路的仿真结果与分析

5．1 变换器的系统仿真结果分析

5．1．1 变换器时序仿真图

5．1．2 变换器输出电压和负载电流波形

5．1．3 变换器的负载调整率

5．1．4 变换器的线性调整率

5．2 变换器的版图绘制

5．3 变换器的转换效率的仿真

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

攻读硕士学位期间学术活动及成果情况