高效双模降压型开关电容DC-DC转换器设计

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1、硕士学位论文＿修Ｉ高效双模降压型开关电容ＤＣ－ＤＣ转换器设计作者姓名浩学校导师姓名、职称刘帘曦教授企业导师姓名、职称刘洪涛高工申请学位类别工程硕士Ｉ学校代码10701学号1511122703分类号TN4密级公开西安电子科技大学硕士学位论文高效双模降压型开关电容DC-DC转换器设计作者姓名：陈浩领域：集成电路工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：刘帘曦教授企业导师姓名、职称：刘洪涛高工学院：微电子学院提交日期：2018年4月DesignofaHighEfficiencyandDualModeStepDownSwitched-capaci

2、torDC-DCConverterAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinIntegratedCircuitEngineeringByChenHaoSupervisor:LiuLianxiTitle:ProfessorSupervisor:LiuHongtaoTitle:SeniorEngineerApril2018摘要摘要无线体域网（WirelessBodyAreaNetworks,WBAN）被广泛应用于无线医疗、身体检测、

3、移动控制和体感游戏等多方面，为生活生产带来诸多的便利。无线体域网的发展对可便携、可穿戴和可植入设备提出更高的要求，因此信息检测的持续性、通信的时效性以及使用的安全性成为研究的重点。基于无线体域网的需求，可便携设备对电源管理模块也提出更高的要求，低功耗、高效率和小体积是目前电源管理模块的研究重点，这也是本文研究设计的主要内容。本文以实现电源管理模块的全集成为切入点，考虑到传统电感型DC-DC转换器不易集成和电磁串扰（ElectromagneticInterfence，EMI）的问题，本文将设计一款开关电容DC-DC转换器作为可便携式的电源管理模块。通过开关电容DC-DC转

4、换器及其设计关键技术作深入研究后，本文对目前设计研究中存在的不足提出优化，针对转换器电源纹波、瞬态响应和功率转换效率等方面性能提出改进，提出一款应用于毫瓦量级功耗的可便携设备的高性能开关电容DC-DC转换器。本设计提出一种高效双模降压型开关电容DC-DC转换器，负载管理用脉冲频率调制（PhaseFrequencyModulation，PFM）和Burst模式协调合作的双模式控制，重载下使用PFM控制管理输出电压，转换器输出电压纹波小，精度高；轻载下使用Burst模式反馈控制，转换器功率转换效率和瞬态响应都得到提高；另外，本文将给出PFM下环路稳定性问题的详细分析。为了进

5、一步提高功率转换效率，本设计还提出自适应开关管宽度调制技术，栅驱动损耗在低频下得到优化，整个负载范围内功率转换效率得到提升。本设计在标准180nmCMOS工艺下验证，测试结果表明：功率级电路采用四变压比（2/3，3/5，1/2，2/5）开关电容阵列，输入电压2.0V-3.6V，输出电压稳定在1.2V。转换器在双模式切换时正常工作，在功率飞电容500pF的条件下输出电流范围是0-2mA；输出电容值为5nF，PFM控制的重载条件下的平均电压纹波是30mV；轻载下，通过对比PFM和Burst模式，Burst模式在60μA的条件下实现了11%的最大功率转换效率提升；自适应开关管

6、宽度调制实现了6%的平均功率转换效率提升。开关电容DC-DC转换器在输入电压2.7V，负载电流2mA的条件下，获得最大的功率转换效率84.2%。为了降低开关电容DC-DC转换器的输出电压纹波，本设计还提出一款模拟辅助三级数字LDO。三级逐步调制的策略提高了输出电压精度，模拟辅助方案消除了数字LDO电压纹波，可变步长计数器提高数字LDO瞬态响应。仿真结果表明：数字LDO的输出电流范围是0-10mA，输入电压不低于1.2V，输出电压稳定在1V。当负载跳变5mA以下时，输出电压过冲或下冲不超过100mV。仿真结果同样显示出整个I西安电子科技大学硕士学位论文系统正常工作。关键词

7、:开关电容，直流-直流转换器，PFM，Burst模式，自适应开关管宽度调制，模拟辅助数字LDOIIABSTRACTABSTRACTWirelessbodyareanetworks(WBAN)iswidelyusedinwirelessmedicaltreatment,physicaldetection,mobilecontrolandsomatosensorygames,whichbringsalotofconveniencesfortheliveandtheproduction.ThedevelopmentoftheWBANdemand