發(fā)布時(shí)間：2020-05-13 02:30

【摘要】：隨著智能手機(jī)、平板、筆記本等現(xiàn)代便攜式設(shè)備的不斷發(fā)展,內(nèi)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(yīng)對(duì)更復(fù)雜的供電需求。本文以便攜式設(shè)備的中央處理器供電為切入點(diǎn),對(duì)不同電壓輸入/輸出范圍的多相DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)平板、智能手機(jī)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(zhuǎn)換器的含失調(diào)校正功能的增強(qiáng)型電流均衡技術(shù),其僅需采樣各相的上邊功率管的電感電流,便能同時(shí)在電感電流連續(xù)導(dǎo)通和斷續(xù)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)相間的電流平均分配;同時(shí)針對(duì)兩相Buck轉(zhuǎn)換器輸出紋波的產(chǎn)生機(jī)理,提出基于交錯(cuò)同步時(shí)鐘和自校準(zhǔn)交錯(cuò)時(shí)間發(fā)生器的紋波消除技術(shù),使轉(zhuǎn)換器的各相在全負(fù)載范圍內(nèi)均精確地錯(cuò)開,繼而減小輸出紋波幅值;最終基于上述技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高性能兩相Buck轉(zhuǎn)換器芯片,其中包含基于紋波反饋的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制邏輯、自校準(zhǔn)零電流關(guān)斷電路、魯棒的功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)邏輯等。芯片采用0.18μm BCD工藝流片驗(yàn)證,其滿載電流達(dá)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(shè)計(jì)顯示出更好的綜合性能。針對(duì)便攜設(shè)備高性能供電和低待機(jī)功耗的需求,將轉(zhuǎn)換器相數(shù)拓展至四相以提高負(fù)載能力,且提出專門的靜態(tài)功耗優(yōu)化技術(shù),為極輕負(fù)載時(shí)的四相Buck轉(zhuǎn)換器提供了低功耗運(yùn)行模式,并通過滯回邏輯保證平穩(wěn)的模式切換;同時(shí)提出改進(jìn)的高精度電流鏡采樣技術(shù),并結(jié)合自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制、“主-從”電流均衡機(jī)制、電感電流谷值過欠流保護(hù)以及內(nèi)置高頻同步時(shí)鐘等,保障了性能和安全性;最后,設(shè)計(jì)并流片測試了滿載12A的全集成四相Buck轉(zhuǎn)換器芯片。在達(dá)到同類研究相似性能的同時(shí),轉(zhuǎn)換器僅消耗7 μA的靜態(tài)電流。針對(duì)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(zhuǎn)換器拓?fù)渌�具有的占空比加倍、功率管電壓�?yīng)力減半等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),將轉(zhuǎn)換器的相數(shù)拓展至四相以提高電流負(fù)載能力;進(jìn)而提出了配套的基于自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間的四相電流均衡技術(shù),降低了電感飽和的風(fēng)險(xiǎn),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(shí)結(jié)合柵極保護(hù)、以及帶有浮動(dòng)電源和零靜態(tài)功耗快速電平轉(zhuǎn)換的高壓側(cè)功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng),使用氮化鎵功率器件優(yōu)化了能量轉(zhuǎn)換效率和電流密度;最終,采用0.35μm高壓工藝設(shè)計(jì)了 12V-1.2V降壓比四相串聯(lián)電容式Buck轉(zhuǎn)換器芯片。每相2.5MHz的開關(guān)頻率下,轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了 92.5%的峰值效率和10A的滿載電流,且外圍關(guān)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(guān)管同時(shí)關(guān)斷。那么電感電流ＩＩ可以經(jīng)由下邊功率開關(guān)管的寄生二極產(chǎn)生續(xù)流［胃４９］。逡逑如果Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定階段，那么由電感電流在每個(gè)時(shí)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(guān)管每周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間，�。甘窍逻吂β书_關(guān)管每周期內(nèi)通時(shí)間，設(shè)Ｄｕｔｙ占空比為Ｄ，邋Ｔ為時(shí)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(dǎo)通模式下，Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的降壓比恰好等于占空比。逡逑

邐ｊ邋ｉ邋｜逡逑｜ｔａ邋ｔｂ邋ｊ逡逑ｒ４￣￣ｆ￣￣＾：逡逑圖２．７邋Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器在電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式下的波形逡逑功率開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷。那么電感電流ＩＩ可以經(jīng)由下邊功率開關(guān)管的寄生二極管逡逑產(chǎn)生續(xù)流［胃４９］。逡逑如果Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定階段，那么由電感電流在每個(gè)時(shí)鐘周期逡逑的伏秒平衡可得，逡逑＾＾Ｔａ－＾Ｔｂ＝０邐（２．３）逡逑其中１＼是上邊功率開關(guān)管每周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間，�。甘窍逻吂β书_關(guān)管每周期內(nèi)導(dǎo)逡逑通時(shí)間，設(shè)Ｄｕｔｙ占空比為Ｄ，邋Ｔ為時(shí)鐘周期，則有：逡逑ｔ邋＝邋Ｉ±邋＝邋Ｊａ＾邐（２．４）逡逑Ｄ邋１－Ｚ）逡逑則由式（２．３）、（２．４）可得：逡逑Ｄ邋＝邋—邐（２邋５）逡逑ｖｍ邐１邋Ｊ逡逑即電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式下，Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的降壓比恰好等于占空比。逡逑１６逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM46

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本文編號(hào)：2661227