基于BiCMOS工艺的2/3相PWM控制芯片的设计

论文摘要

随着CPU在速度和集成度上的飞速发展,相应的电源管理系统也需要同步地改进。电源设计面临的最大挑战是如何满足更大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态响应。新一代的CPU需要采用多相电压调节器,因此多相控制芯片随之发展。多相电源管理系统有很多优点:功率平均分配在各通道中,散热性能更优;输出电流可大于100A,工作电压可低至1V以下;由于各个通道的输出电流相互叠加,减小了输出电流的纹波,降低了电磁干扰;可以使用更小的输出电容和电感。论文设计了一款可以2相或3相工作的PWM控制芯片,该芯片具有灵活、电压调节范围宽等特点,可以作为多种高密度供电电源的控制芯片。芯片使用了电压和电流反馈环,可以更好地调整输出电压,并且电流反馈环路可以保证各相电流的均衡。通过外接DAC,可以使输出电压范围从1.08V～1.93V可调。通过内部相位选择电路,可以使芯片工作在2相或3相状态下。采用先进的BiCMOS工艺,误差放大器的增益能够达到80dB。论文中合理设计了各个子电路,其中包括:带隙基准源、误差放大器、振荡器、斜坡发生器、PWM比较器、数字选择电路、输出级电路、过流保护电路和低压保护电路等。由于论文对误差放大器、跨导放大器、基准电路等模块中双极器件的性能要求较高,所以采用了先进的0.6μm BiCMOS工艺,使芯片中模拟电路获得了良好的性能。BiCMOS是一种结合CMOS与双极型器件结构在单一集成电路内的技术。它即保持了CMOS电路在功耗、噪声容限和封装密度上的优势,又获得了与双极电路相媲美的高开关速度、强电流驱动能力和较佳的模拟电路性能。论文中详细介绍了BiCMOS工艺设计要点。作者在Cadence工作站上采用先进的0.6μm BiCMOS工艺模型,使用SpectureS和Hspice等EDA仿真工具对其各个模块进行功能仿真验证,并对关键模块进行了具体参数的仿真验证。论文对设计进行了仿真模拟,仿真结果验证了设计的正确性。最后还完成了该芯片的版图设计,并使用Dracula软件对版图设计规则与电气规则进行了检查,达到了可以进入代工流片的水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 多相控制芯片的研究背景及现状
• 1.2 BiCMOS工艺的发展历史和现状
• 1.3 多相控制芯片研究的意义
• 1.4 本文的主要工作以及论文的结构
• 2 芯片的整体设计
• 2.1 设计要求
• 2.2 顶层结构的搭建
• 2.2.1 芯片结构图以及引脚介绍
• 2.2.2 芯片模块的简述
• 2.3 芯片的控制模式
• 2.3.1 电压控制模式
• 2.3.2 电流控制模式
• 2.4 电流检测模式
• 3 BiCMOS工艺介绍
• 3.1 BiCMOS工艺的优势
• 3.2 CMOS工艺的介绍
• 3.3 基于CMOS工艺的BiCMOS工艺的介绍
• 3.4 基于双极工艺的BiCMOS工艺
• 4 各个子模块电路的设计与仿真
• 4.1 PTAT电流的产生
• 4.1.1 电路的基本原理
• 4.1.2 基准电流的仿真结果
• 4.2 基准电压的产生
• 4.2.1 带隙基准的原理
• 4.2.2 基准电压实际电路的实现原理与分析
• 4.2.3 基准电压的仿真波形图
• 4.3 基准电压范围调节
• 4.3.1 电路基本原理
• 4.3.2 具体的实现电路图以及仿真
• 4.4 振荡器模块
• 4.4.1 Oscillator的基本原理
• 4.4.2 Oscillator电路的具体实现
• 4.4.3 振荡器的仿真
• 4.5 数字电路部分的设计
• 4.5.1 相位选择电路
• 4.5.2 分频电路的生成
• 4.5.3 数字选择器的实现
• 4.6 误差放大器的设计
• 4.6.1 误差放大器的性能指标
• 4.6.2 误差放大器的结构分析
• 4.6.3 误差放大器的仿真
• 4.7 电感电流检测放大器
• 4.7.1 电感电流检测的基本原理
• 4.7.2 跨导放大器的具体实现
• 4.8 斜波补偿电路
• 4.8.1 斜波补偿原理及设计问题
• 4.8.2 斜波补偿电路的实现与仿真
• 4.9 PWM比较器的设计
• 4.9.1 PWM比较器的电路设计
• 4.9.2 电路的仿真
• 4.10 保护电路的设计
• 4.10.1 UVLO欠压封锁保护模块的设计
• 4.10.2 过流保护电路模块
• 5 整体电路仿真与版图设计
• 5.1 系统仿真
• 5.2 版图设计
• 5.2.1 版图的设计与考虑
• 5.2.2 芯片版图验证
• 5.3 测试电路的设计
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢