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【6h】

一种高效率低纹波全集成降压型开关电容电源系统设计

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随着CMOS深亚微米和纳米级工艺的普遍应用以及SoC、无线传感技术的发展，电源管理芯片的研究和应用呈现出新的特点。全集成降压型开关电容电源管理芯片克服了电感带来的体积大、EMI噪声强、电感片内集成难度大的缺点，同时保持了开关电源效率高的优点，更适合系统集成，逐渐成为电源芯片设计领域的研究热点。但电荷泵的输入-输出主要受功率级非连续增益模式与开关频率的调节，带载能力弱、纹波较大，限制了电荷泵开关电源的广泛应用。
　　传统电荷泵电源稳压器通常采用单一固定的增益模式，当输出与输入电压之比偏离设定值时，电荷再分配将导致转换器效率降低。为了适应输入电压大范围的变化同时使输出电压稳定，需要增益模式可重构的功率级。传电荷泵转换器使用一对互补时钟信号作为充电与放电阶段的控制信号，由于充电与放电路径相隔离，充电与放电电流不连续，将引起较大的输入过冲和输出纹波。若在充电相位负载突变，转换器直到放电相位到来才会做出响应，负载瞬态响应速度降低将进一步引起纹波的增大。为降低系统纹波，最简单直接的办法就是增大输出电容，但这种方法不利于实现系统的全集成。时钟交叠多相位技术的应用，理论上可以将输出纹波降低N倍并提高瞬态响应速度而不增加输出电容值。论文从电荷泵工作原理入手，对电荷泵电源转换器的控制方式进行重点分析和研究，提出了基于多相位时钟交错、可重构、连续变频控制的技术方案，提升了系统的平均效率和峰值效率，进一步提出了振荡器中频切换技术拓展了振荡器的线性范围，解决了在输入或负载宽范围变化时由于电荷泵增益模式不匹配导致的输出电压漂移、纹波变大的问题。
　　对本文提出的高效率低纹波全集成降压型开关电容DC-DC控制结构在SMIC65nm CMOS工艺下进行仿真验证，并完成了系统版图设计和流片测试。仿真结果表明，论文提出的控制技术提升了系统的平均效率，峰值效率超过85％，稳定了系统的输出电压，系统最大纹波低于25mV，最小纹波低于2 mV。输出电压和纹波的测试结果与仿真结果基本处于同一量级，效率测试结果偏低，将对测试结果进行深入的分析与探讨。

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