【摘 要】
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电源管理芯片(Power Management Intergrated Circuit,PMIC)被广泛应用于通讯设备、消费电子、汽车电子、医疗仪器等领域,是电子设备中不可或缺的关键模块。相比传统的Buck变换器,基于开关电容和开关电感的混合模式DC-DC变换器因为能更高效地实现高功率密度和高转换比而成为了当前PMIC领域的研究热点和难点。本文在混合变换器的拓扑结构和控制策略上进行了创新研究,提出
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电源管理芯片(Power Management Intergrated Circuit,PMIC)被广泛应用于通讯设备、消费电子、汽车电子、医疗仪器等领域,是电子设备中不可或缺的关键模块。相比传统的Buck变换器,基于开关电容和开关电感的混合模式DC-DC变换器因为能更高效地实现高功率密度和高转换比而成为了当前PMIC领域的研究热点和难点。本文在混合变换器的拓扑结构和控制策略上进行了创新研究,提出并设计了两种适用于不同应用的混合变换器。首先,针对传统Buck变换器在便携设备中面临的低输入、重负载变换效率降低问题,本文提出了一种适于低压应用的T4双路径降压(Dual-Path Step-Down,DPSD)变换器拓扑,并基于0.18μm BCD(Bipolar CMOS DMOS)工艺完成了电路设计。T4 DPSD变换器的输入电压范围为2.7V~4.2V,输出电压为1.2V,负载电流范围为0~4A,开关频率为1MHz。与传统Buck变换器相比,在相同占空比下T4 DPSD变换器可以实现更高的转换比,同时电感电流均值减小为ILOAD/(1+D),使得电感的DCR损耗大大降低,有效提高了重载下的效率;此外电荷共享自举驱动电路有效提升了低输入电压下的效率。仿真结果显示T4 DPSD变换器的峰值效率高达95.6%,满载效率为89.3%,满载效率与传统Buck变换器相比提高了6.40%。在宽摆幅电荷共享自举驱动电路的帮助下,输入电压低至2.7V时,T4 DPSD变换器的效率仍有1.24%的提升。其次,本文提出了恒定导通时间(Constant On-Time,COT)控制差分双降压(Differential Double Step Down,D~2SD)变换器来实现高压高转换比应用中效率和响应速度的提升。本文采用DLL环与谷值电流模COT结合的控制策略实现了均流效果提升、频率同步的效果。本文所研究的谷值电流模COT控制D~2SD变换器基于0.18μm BCD工艺设计,输入电压范围为12V~24V,输出电压范围为0.9V~5V,最大负载电流为5A,开关频率范围为800k Hz~2MHz,仿真结果显示,与DSD变换器相比,D~2SD变换器的峰值变换效率从91.51%提升到92.13%,恢复时间和下冲电压分别由10μs、324m V减小到4.5μs和136m V。
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