【摘 要】
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轻量级免维护的低功耗物联网微控制器要求一颗电池能连续工作数年,为了延长电池供电时间,一方面采用容量较大的锂电池,另一方面需要高效率的电压转换器,针对以上应用需求,本文基于TSMC 40nm CMOS工艺设计了支持锂电池直接供电的高效率降压型DC-DC（BUCK）转换器。锂电池输出电压范围一般为2.8-4.2V,而TSMC 40nm CMOS工艺MOS管最高工作电压为3.3V,针对工艺耐压不足的问题
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轻量级免维护的低功耗物联网微控制器要求一颗电池能连续工作数年,为了延长电池供电时间,一方面采用容量较大的锂电池,另一方面需要高效率的电压转换器,针对以上应用需求,本文基于TSMC 40nm CMOS工艺设计了支持锂电池直接供电的高效率降压型DC-DC（BUCK）转换器。锂电池输出电压范围一般为2.8-4.2V,而TSMC 40nm CMOS工艺MOS管最高工作电压为3.3V,针对工艺耐压不足的问题,本文设计了一种新型输出级堆叠结构支持宽电压输入范围。为了在10μA-10m A负载范围实现BUCK转换器的高效率,本文设计的BUCK转换器支持跨周期调制（Pulse Skip Modulation,PSM）与脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）两种调制方式,分别对应10μA-1m A和1m A-10m A的负载范围。PSM模式采用低功耗迟滞比较器来减少BUCK转换器静态电流,实现轻载高效。PFM模式采用具有零电流检测自校准的自适应导通时间控制。自适应导通时间控制根据输入输出电压设置导通时间,使电感峰值电流恒定,因此功率管尺寸始终在最佳值附近,进而使BUCK转换器保持高效率;零电流检测自校准控制通过负反馈机制提高零电流检测比较器的准确度,减小振铃幅度,因此提高转换效率。本文设计的BUCK转换器支持输入电压2.8-4.2V,输出电压为0.7-0.9V,调节步长50m V。后仿真结果显示,PSM模式纹波小于30m V,PFM模式小于12m V。在典型（TT 27℃）仿真条件下,当输入电压为3V且输出电压为0.9V时,10m A负载效率为89.4%,10μA负载效率为78.6%。
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