用于现代便携式设备的高性能多相DC-DC转换器关键设计技术研究

发布时间：2020-05-13 02:30

【摘要】：随着智能手机、平板、笔记本等现代便携式设备的不断发展,内部最核心的中央处理器的性能不断提高,电源管理芯片亦需要应对更复杂的供电需求。本文以便携式设备的中央处理器供电为切入点,对不同电压输入/输出范围的多相DC-DC转换器芯片的若干关键技术进行研究。针对平板、智能手机处理器的低压大电流供电需求,论文提出一种适用于两相Buck转换器的含失调校正功能的增强型电流均衡技术,其仅需采样各相的上边功率管的电感电流,便能同时在电感电流连续导通和断续状态下实现相间的电流平均分配;同时针对两相Buck转换器输出纹波的产生机理,提出基于交错同步时钟和自校准交错时间发生器的纹波消除技术,使转换器的各相在全负载范围内均精确地错开,继而减小输出纹波幅值;最终基于上述技术,设计并实现了高性能两相Buck转换器芯片,其中包含基于纹波反馈的自适应导通时间控制逻辑、自校准零电流关断电路、鲁棒的功率开关管驱动逻辑等。芯片采用0.18μm BCD工艺流片验证,其满载电流达6A,峰值效率91%,相间电流误差0.6%,输出纹波9mV。与同类研究相比,本设计显示出更好的综合性能。针对便携设备高性能供电和低待机功耗的需求,将转换器相数拓展至四相以提高负载能力,且提出专门的静态功耗优化技术,为极轻负载时的四相Buck转换器提供了低功耗运行模式,并通过滞回逻辑保证平稳的模式切换;同时提出改进的高精度电流镜采样技术,并结合自适应导通时间控制、“主-从”电流均衡机制、电感电流谷值过欠流保护以及内置高频同步时钟等,保障了性能和安全性;最后,设计并流片测试了满载12A的全集成四相Buck转换器芯片。在达到同类研究相似性能的同时,转换器仅消耗7 μA的静态电流。针对笔记本电脑处理器典型的12 V-1.xV高降压比、大电流供电需求,在保留串联电容式Buck转换器拓扑所具有的占空比加倍、功率管电压应力减半等优点的同时,将转换器的相数拓展至四相以提高电流负载能力;进而提出了配套的基于自适应导通时间的四相电流均衡技术,降低了电感饱和的风险,节省了半数的电流采样传感器,大幅缩小了系统体积;同时结合栅极保护、以及带有浮动电源和零静态功耗快速电平转换的高压侧功率开关管驱动,使用氮化镓功率器件优化了能量转换效率和电流密度;最终,采用0.35μm高压工艺设计了 12V-1.2V降压比四相串联电容式Buck转换器芯片。每相2.5MHz的开关频率下,转换器实现了 92.5%的峰值效率和10A的满载电流,且外围关键器件总体积低至21.7mm3,电流密度高至460.8A/cm3,均在同类中占优。
【图文】：

波形,连续导通模式,电感电流,转换器

功率开关管同时关断。那么电感电流ＩＩ可以经由下边功率开关管的寄生二极产生续流［胃４９］。逡逑如果Ｂｕｃｋ转换器工作状态进入稳定阶段，那么由电感电流在每个时钟周的伏秒平衡可得，逡逑＾＾Ｔａ－＾Ｔｂ＝０逦（２．３）其中１＼是上边功率开关管每周期内导通时间，丁８是下边功率开关管每周期内通时间，设Ｄｕｔｙ占空比为Ｄ，邋Ｔ为时钟周期，则有：逡逑ｔ邋＝邋Ｉ±邋＝邋Ｊａ＾逦（２．４）Ｄ邋１－Ｚ）逡逑则由式（２．３）、（２．４）可得：逡逑Ｄ邋＝邋—逦（２邋５ｖｍ逦１即电感电流连续导通模式下，Ｂｕｃｋ转换器的降压比恰好等于占空比。逡逑

波形,电感电流,转换器,负载电流

逦ｊ邋ｉ邋｜逡逑｜ｔａ邋ｔｂ邋ｊ逡逑ｒ４￣￣ｆ￣￣＾：逡逑图２．７邋Ｂｕｃｋ转换器在电感电流连续导通模式下的波形逡逑功率开关管同时关断。那么电感电流ＩＩ可以经由下边功率开关管的寄生二极管逡逑产生续流［胃４９］。逡逑如果Ｂｕｃｋ转换器工作状态进入稳定阶段，那么由电感电流在每个时钟周期逡逑的伏秒平衡可得，逡逑＾＾Ｔａ－＾Ｔｂ＝０逦（２．３）逡逑其中１＼是上边功率开关管每周期内导通时间，丁８是下边功率开关管每周期内导逡逑通时间，设Ｄｕｔｙ占空比为Ｄ，邋Ｔ为时钟周期，则有：逡逑ｔ邋＝邋Ｉ±邋＝邋Ｊａ＾逦（２．４）逡逑Ｄ邋１－Ｚ）逡逑则由式（２．３）、（２．４）可得：逡逑Ｄ邋＝邋—逦（２邋５）逡逑ｖｍ逦１邋Ｊ逡逑即电感电流连续导通模式下，Ｂｕｃｋ转换器的降压比恰好等于占空比。逡逑１６逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46

【相似文献】