智能終端多相交錯直流轉(zhuǎn)換芯片的研究與設計.pdf

1、多相交錯直流轉(zhuǎn)換技術(shù)在近年來成為開關電源模塊的熱點，得益于其錯相位分支路控制、易于數(shù)字化，等效的倍頻特性使其具有快速的瞬態(tài)響應能力，以及極低的輸出電壓紋波和全負載范圍內(nèi)的高效率。目前國內(nèi)沒有用于移動智能終端大電流多相直流轉(zhuǎn)換器芯片的技術(shù)，國產(chǎn)多核心處理器的配套供電芯片需要依賴歐美等企業(yè)提供。本課題依托于國家重大專項“基于國產(chǎn)先進工藝平臺的移動終端芯片設計及產(chǎn)業(yè)化”，對移動終端先進SOC基帶處理器配套供電的大電流多相交錯直流供電關鍵技術(shù)以

2、及芯片實現(xiàn)進行研究開發(fā)，打破了國內(nèi)該類芯片研制方面的技術(shù)空白。
　　論文以闡述傳統(tǒng)單相BUCK轉(zhuǎn)換器的局限性開篇，詳細對比了基于目前主流開關控制技術(shù)的多相擴展策略，得出基于不同控制模式進行多相拓撲設計的優(yōu)缺點和可行性。論文創(chuàng)造性的從支路相位干涉角度，完成多相交錯BUCK的輸出電壓紋波與相位數(shù)及占空比的穩(wěn)態(tài)等效關系的理論推導。詳細推導出多相BUCK大信號瞬態(tài)響應與元器件參數(shù)和電路參數(shù)的函數(shù)關系，并針對多相BUCK的效率，提出了優(yōu)化設

3、計方法。
　　以此理論分析為基礎，應用于設計一款用于智能手機的多核CPU和GPU供電的大電流雙路三相輸出的BUCK轉(zhuǎn)換器。從需求、系統(tǒng)定義，到不同負載階段的運行模式切換，包括重載全相位支路PWM、輕載PFM及低功耗模式。論文著重講述多相BUCK關鍵模塊的設計開發(fā)，涉及交錯時鐘產(chǎn)生電路、電流采樣及均流、雙環(huán)路小信號分析與主運放，以及相位個數(shù)自動調(diào)整單元與遠端差分反饋電路的分析設計和前仿真。利用上下邊管的電流雙采樣技術(shù)來克服極低占空比

4、條件上邊管采樣面臨的速度難題，是本文在電路實現(xiàn)上的創(chuàng)新點之一。在此基礎上，論文獨創(chuàng)性的提出了相位個數(shù)自動切換策略，無需引入平均電流采樣電阻和額外的采樣引腳，并分別完成一篇學術(shù)論文（已錄用）和一篇國內(nèi)專利的申請?zhí)峤弧?br>　　論文還從工程實現(xiàn)角度，闡述了該多相BUCK芯片的實際版圖布局和ESD問題，以及開關電源芯片經(jīng)常遇到的瞬態(tài)閂鎖造成的器件失效問題。論文也側(cè)重記錄分析了表征多相BUCK關鍵性能指標的整體電路后仿真數(shù)據(jù)。最后，作為工程技

5、術(shù)方面的前沿開發(fā)以及國家重大專項的配套支撐項目，完成了國內(nèi)首顆應用于多核處理器移動終端的大電流多相供電芯片，芯片在0.18um國產(chǎn)工藝投片并采用晶圓級WLCSP封裝，面積3.2*3.2mm2，每路最大輸出能力不低于6A，輸出電壓支持0.65V到1.4V可編程，功率電感可采用低至330nH的小型電感，根據(jù)負載運行分段式開啟1到3相支路，輕載運行于PFM和低功耗模式。實測結(jié)果顯示關鍵指標不低于國外商用芯片水平，在4A以內(nèi)的重載范圍內(nèi)效率保持