用于便携式设备的电源管理芯片关键技术研究与设计

作     者：闫妮晓 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张润曦;石春琦

授予年度：2023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] 

主      题：便携式 电源管理 高集成度 低功耗 瞬态响应 

摘      要：随着半导体技术的不断发展,便携式设备在消费电子和无线电子市场上迅速发展。对于电池供电的便携式电子设备,电源管理芯片必须能够根据广泛变化的输入电源电压调节其输出电压,并且在低电压转换比下依然保持高效率的电压调节,对电源管理芯片提出了高集成度、高效率、高降压比、高功率密度、低功耗、快瞬态响应等要求。常见的电源管理芯片包括开关电感型DC-DC变换器、开关电容型DC-DC变换器和低压差线性稳压器LDO,各有其优缺点,本文针对便携式设备对电源管理芯片的不同需求,对三种不同类型的电源管理芯片进行了研究和设计,主要内容如下:(一)针对高集成度、高效率的应用需求,完成了多相可重构开关电容降压DC-DC的设计。该设计采用可重构的开关电容单元实现了1/2和2/3两种电压转换比,在宽输入输出电压范围内获得更平坦的效率曲线;采用环形振荡器输出十三相位时钟交错控制开关电容单元,通过多相交错技术获得了更小的输出电压纹波;采用内置的双电源轨和电平移位电路来减小开关动作产生的并联损耗,大幅提升了功率转换效率。芯片采用40 nm CMOS工艺,测试结果显示,输入电压范围为1.4-1.98 V,输出电压范围为0.5-1.16 V,最大负载电流为30 m A,在负载电流为10 m A时峰值转换效率为71.86%,纹波为32 m V。(二)针对高降压比、高效率的应用需求,完成了混合型三路径降压DC-DC的设计。混合型三路径降压的拓扑结构与Buck拓扑结构相比增加了两个飞电容,也就是增加了两条能量传输的路径,比混合双路径降压变换器多一条传输路径,储能电感上的平均电流值比Buck拓扑结构减小50%,从而降低储能电感的DCR电阻带来的寄生电阻导通损耗,其电压转换比为更低的D(1+2D)。通过状态空间平均法对该拓扑结构进行小信号建模得到等效的数学模型,最终完成了整体PWM环路的设计。在TT工艺角,25℃下,后仿真结果显示,输入电压范围为3-4 V,输出电压范围为0.5-1 V,在负载电流为10 m A时峰值转换效率为81%,加入软启动电路后则几乎不存在过冲电压。(三)针对高集成度、低功耗的应用需求,完成了超低功耗快瞬态响应CLLDO(Capacitor-Less LDO,无片外电容LDO)的设计。LDO主体电路采用双模式切换的设计,根据自适应偏置的原理,使电路能够跟踪监测负载电流,实现了空载时的静态电流仅为12 n A;将推挽结构与双模式切换融合构成共增强瞬态电路,在负载跳变时产生较大的转换电流为功率管的栅电容充放电,当负载在200μA-20 m A变化时,恢复时间仅为12.3 ns;分别在重载和轻载下对稳定性进行了分析。此外完成了超低功耗高鲁棒性带隙基准,过温、过流保护等辅助电路设计。在多种PVT条件下进行后仿真,电路均能正常稳定工作,实现了较好的鲁棒性。最后,总结了本论文所有的研究工作,讨论了本论文三种电源管理芯片设计中的不足,并对未来研究工作的改进方向进行了展望。