多相交错直流转换技术在近年来成为开关电源模块的热点,得益于其错相位分支路控制、易于数字化,等效的倍频特性使其具有快速的瞬态响应能力,以及极低的输出电压纹波和全负载范围内的高效率。目前国内没有用于移动智能终端大电流多相直流转换器芯片的技术,国产多核心处理器的配套供电芯片需要依赖欧美等企业提供。本课题依托于国家重大专项“基于国产先进工艺平台的移动终端芯片设计及产业化”,对移动终端先进SOC基带处理器配套供电的大电流多相交错直流供电关键技术以及芯片实现进行研究开发,打破了国内该类芯片研制方面的技术空白。论文以阐述传统单相BUCK转换器的局限性开篇,详细对比了基于目前主流开关控制技术的多相扩展策略,得出基于不同控制模式进行多相拓扑设计的优缺点和可行性。论文创造性的从支路相位干涉角度,完成多相交错BUCK的输出电压纹波与相位数及占空比的稳态等效关系的理论推导。详细推导出多相BUCK大信号瞬态响应与元器件参数和电路参数的函数关系,并针对多相BUCK的效率,提出了优化设计方法。以此理论分析为基础,应用于设计一款用于智能手机的多核CPU和GPU供电的大电流双路三相输出的BUCK转换器。从需求、系统定义,到不同负载阶段的运行模式切换,包括重载全相位支路PWM、轻载PFM及低功耗模式。论文着重讲述多相BUCK关键模块的设计开发,涉及交错时钟产生电路、电流采样及均流、双环路小信号分析与主运放,以及相位个数自动调整单元与远端差分反馈电路的分析设计和前仿真。利用上下边管的电流双采样技术来克服极低占空比条件上边管采样面临的速度难题,是本文在电路实现上的创新点之一。在此基础上,论文独创性的提出了相位个数自动切换策略,无需引入平均电流采样电阻和额外的采样引脚,并分别完成一篇学术论文(已录用)和一篇国内专利的申请提交。论文还从工程实现角度,阐述了该多相BUCK芯片的实际版图布局和ESD问题,以及开关电源芯片经常遇到的瞬态闩锁造成的器件失效问题。论文也侧重记录分析了表征多相BUCK关键性能指标的整体电路后仿真数据。最后,作为工程技术方面的前沿开发以及国家重大专项的配套支撑项目 ,完成了围内首颗应用于多核处理器移动终端的大电流多相供电芯片,芯片在0.18um国产工艺投片并采用晶圆级WLCSP封装,面积3.2*3.2mm2,每路最大输出能力不低于6A,输出电压支持0.65V到1.4V可编程,功率电感可采用低至330nH的小型电感,根据负载运行分段式开启1到3相支路,轻载运行于PFM和低功耗模式。实测结果显示关键指标不低于国外商用芯片水平,在4A以内的重载范围内效率保持不低于80%,满载运行时输出纹波不超过10mV, 3A/us的瞬态负载跳变对应的电压瞬变值小于50mV。验证了前半部分对多相BUCK进行的理论分析,该论文和芯片开发中的经验总结也可以作为同类研究的设计参考和重要借鉴。。