【摘要】：隨著智能手機、平板、筆記本等現(xiàn)代便攜式設備的不斷發(fā)展,內部最核心的中央處理器的性能不斷提高,電源管理芯片亦需要應對更復雜的供電需求。本文以便攜式設備的中央處理器供電為切入點,對不同電壓輸入/輸出范圍的多相DC-DC轉換器芯片的若干關鍵技術進行研究。針對平板、智能手機處理器的低壓大電流供電需求,論文提出一種適用于兩相Buck轉換器的含失調校正功能的增強型電流均衡技術,其僅需采樣各相的上邊功率管的電感電流,便能同時在電感電流連續(xù)導通和斷續(xù)狀態(tài)下實現(xiàn)相間的電流平均分配;同時針對兩相Buck轉換器輸出紋波的產(chǎn)生機理,提出基于交錯同步時鐘和自校準交錯時間發(fā)生器的紋波消除技術,使轉換器的各相在全負載范圍內均精確地錯開,繼而減小輸出紋波幅值;最終基于上述技術,設計并實現(xiàn)了高性能兩相Buck轉換器芯片,其中包含基于紋波反饋的自適應導通時間控制邏輯、自校準零電流關斷電路、魯棒的功率開關管驅動邏輯等。芯片采用0.18μm BCD工藝流片驗證,其滿載電流達6A,峰值效率91%,相間電流誤差0.6%,輸出紋波9mV。與同類研究相比,本設計顯示出更好的綜合性能。針對便攜設備高性能供電和低待機功耗的需求,將轉換器相數(shù)拓展至四相以提高負載能力,且提出專門的靜態(tài)功耗優(yōu)化技術,為極輕負載時的四相Buck轉換器提供了低功耗運行模式,并通過滯回邏輯保證平穩(wěn)的模式切換;同時提出改進的高精度電流鏡采樣技術,并結合自適應導通時間控制、“主-從”電流均衡機制、電感電流谷值過欠流保護以及內置高頻同步時鐘等,保障了性能和安全性;最后,設計并流片測試了滿載12A的全集成四相Buck轉換器芯片。在達到同類研究相似性能的同時,轉換器僅消耗7 μA的靜態(tài)電流。針對筆記本電腦處理器典型的12 V-1.xV高降壓比、大電流供電需求,在保留串聯(lián)電容式Buck轉換器拓撲所具有的占空比加倍、功率管電壓應力減半等優(yōu)點的同時,將轉換器的相數(shù)拓展至四相以提高電流負載能力;進而提出了配套的基于自適應導通時間的四相電流均衡技術,降低了電感飽和的風險,節(jié)省了半數(shù)的電流采樣傳感器,大幅縮小了系統(tǒng)體積;同時結合柵極保護、以及帶有浮動電源和零靜態(tài)功耗快速電平轉換的高壓側功率開關管驅動,使用氮化鎵功率器件優(yōu)化了能量轉換效率和電流密度;最終,采用0.35μm高壓工藝設計了 12V-1.2V降壓比四相串聯(lián)電容式Buck轉換器芯片。每相2.5MHz的開關頻率下,轉換器實現(xiàn)了 92.5%的峰值效率和10A的滿載電流,且外圍關鍵器件總體積低至21.7mm3,電流密度高至460.8A/cm3,均在同類中占優(yōu)。
【圖文】：

功率開關管同時關斷。那么電感電流ＩＩ可以經(jīng)由下邊功率開關管的寄生二極產(chǎn)生續(xù)流［胃４９］。逡逑如果Ｂｕｃｋ轉換器工作狀態(tài)進入穩(wěn)定階段，那么由電感電流在每個時鐘周的伏秒平衡可得，逡逑＾＾Ｔａ－＾Ｔｂ＝０邐（２．３）其中１＼是上邊功率開關管每周期內導通時間，�。甘窍逻吂β书_關管每周期內通時間，設Ｄｕｔｙ占空比為Ｄ，邋Ｔ為時鐘周期，則有：逡逑ｔ邋＝邋Ｉ±邋＝邋Ｊａ＾邐（２．４）Ｄ邋１－Ｚ）逡逑則由式（２．３）、（２．４）可得：逡逑Ｄ邋＝邋—邐（２邋５ｖｍ邐１即電感電流連續(xù)導通模式下，Ｂｕｃｋ轉換器的降壓比恰好等于占空比。逡逑

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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM46

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本文編號：2661227