单电感多输出开关稳压电源芯片设计

作     者：李翠雯 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑彦祺;林晓玲

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：单电感多输出 升降压 双极性 电荷平衡控制 比较器控制 占空比受限 稳定性分析 

摘      要：随着商用便携式电子设备的发展,体积小,重量轻和使用时间长已成为消费者的迫切要求。单电感多输出(SIMO,Single Inductor Multiple Output)直流变换器利用单个电感实现多路稳压输出,减小了PCB面积,降低生产成本,引起商业界与学术界广泛的关注与研究。本论文总结了SIMO变换器的设计目标,包括减少交叉串扰,提高输出功率,提高工作效率,降低输出纹波等。与传统单输出结构相比,单电感多输出变换器有多个控制环路,增加了分析的复杂性与难度。本文对基于电荷平衡控制的降压式SIMO变换器展开稳定性分析,建立频域模型并指导设计系统补偿,建立时域开关模型验证控制器的功能与性能,并指出电荷平衡控制存在的稳定性问题。本文提出多种实现升降压特性及双极性输出的拓扑结构,对比多种结构的优劣选定其中一种结构展开稳定性分析,并设计补偿;其中,模型推导指出负压输出通道存在稳定性问题。本文还提出了占空比受限的基于比较器控制的单电感器多输出自动升降压直流变换器,所提出的占空比分配算法优化系统瞬态响应,提高串扰抑制性能。本论文使用GF 1P6M 0.18μm CMOS工艺进行电路设计并进行仿真,包括:(1)基于电荷控制的单电感多输出降压式直流变换器,输入电压3.6-4.5V,三路输出1.1V、1.8V和2.8V,最大负载电流1A,开关频率为1MHz,瞬态响应时交叉串扰最大值为0.069mV/mA,最大输出功率为4W,峰值效率91.6%;(2)基于电荷控制的单电感双输出双极性直流变换器,输入电压V=3.3V,通道一是灵活的升降压输出V=(0.8-5.5)V,通道二是负压输出V=-4.8V,开关频率1MHz,峰值效率94.7%,最大输出功率为6.5W,瞬态响应时交叉串扰最大值为0.235mV/mA;(3)占空比受限的基于比较器控制的单电感器多输出自动升降压直流变换器,输入电压V=3.3V,四路输出电压分别是V=1.8V,V=2.5V,V=3V,V=5V,峰值效率89.5%,最大功率5W,瞬态响应时交叉串扰最大值为0.038mV/mA。通过仿真,验证本文提出的优化策略的可行性;验证了稳定性分析指出的问题,说明了稳定性分析在SIMO设计过程中的必要性。