具有改进轻负载效率的全集成DC-DC转换器

论文摘要

随着集成电路技术的发展,电子产品的小型化趋势愈发明显,高集成度的系统解决方案也越来越受到关注。在电源芯片的设计中,片外元件由于其大尺寸,而成为电源系统小型化最大的制约因素。全集成电源因为不需要外部滤波器件而更具吸引力。然而,为了将无源器件集成到片内,开关电源的工作频率一般需要达到上百兆赫兹。这会引入很大的开关损耗,降低轻负载的效率。特别是负载电路进入睡眠模式后,情况会更加严重。传统的脉冲频率调节方式可有效减小轻负载时的开关损耗,但其恶化了输出纹波,且会引入变动而不可预测的噪声频段,不利于滤波。如何有效的提升全集成DC-DC转换器在轻负载下的效率仍需进一步研究。本文针对以上问题,提出了一种混合模式控制结构。该结构可以根据负载条件自适应的选择进入开关电源模式或者是低压差线性稳压器（LDO）模式,有效解决了DC-DC转换器在轻负载条件下的效率问题。本文首先介绍了DC-DC转换器以及低压差线性稳压器的原理,比较了其各自的优缺点,从而定出系统的控制结构以及指标要求。本文设计的LDO与DC-DC转换器共用7nF负载电容。通过分析与改进,其在0-50mA负载电流下均具有很好的稳定性。本文设计的一个低功耗的模式选择电路,成功实现了DC-DC转换器与LDO之间的自动切换。最后,根据高频DC-DC转换器的参数要求,在现有的CMOS工艺条件下,本文设计实现了系统所需的片内无源滤波器件。本文设计的全集成开关电源的工作频率为250MHz,能将1.2V的输入电压降压到0.9V输出。经0.13-μm1P9M标准CMOS工艺流片验证,其峰值效率在负载电流为90mA时达到80%；当负载电流降至10mA时,效率仍然保持在70%。若芯片进入睡眠模式,相对于不采用混合控制模式时10mW的休眠功耗,混合模式控制使整个芯片的损耗降为0.84m W,仅为原来的1/12。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 电压管理电路的分类
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的主要工作和组织结构
• 第二章 DC-DC转换器系统结构研究
• 2.1 DC-DC转换器功率级电路
• 2.2 功率级传递函数
• 2.3 频率补偿器
• 2.4 反馈控制
• 2.4.1 电压模式控制
• 2.4.2 电流模式控制
• 第三章 低压差线性稳压器基础
• 3.1 低压差线性稳压基本结构
• 3.1.1 调整管的选取
• 3.1.2 负载电容的选取
• 3.2 片上LDO稳定性分析
• 3.2.1 未加补偿的片上LDO零极点分析
• 3.2.2 AC响应分析
• 第四章 电路实现
• 4.1 系统指标
• 4.2 电路框图
• 4.3 Buck转换器的设计
• 4.3.1 环路稳定性设计
• 4.3.2 误差放大器
• 4.3.3 PWM比较器电路
• 4.3.4 RAMP波发生器
• 4.3.5 功率管和驱动电路
• 4.4 LDO电路
• 4.4.1 LDO体系结构
• 4.4.2 LDO的小信号分析
• 4.5 模式转换电路
• 4.5.1 从BUCK跳变至LDO
• 4.5.2 从LDO跳变至BUCK
• 4.5.3 跳变逻辑控制
• 4.6 无源器件的设计
• 4.6.1 片上电感的设计
• 4.6.2 片上电容的设计
• 第五章 芯片测试
• 5.1 版图与封装
• 5.3 测试结果
• 5.3.1 LDO瞬态测试结果
• 5.3.2 Buck稳态响应
• 5.3.3 Buck瞬态响应
• 5.3.4 模式跳变波形
• 5.3.5 测试效率曲线
• 5.4 性能比较
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢