全集成六相并联Buck电路的研究与设计

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随着现代系统芯片(SOC)的发展,特别是在微处理器应用领域,对高集成度、微型化、片上电源的需求越来越迫切。然而传统DCDC电源所使用的电感电容数值较大,为片上集成带来困难,只能使用片外的电感电容元件,降低了系统的集成度,增大了电源体积。多相交错并联结构的开关电源,能够降低电流纹波,与此同时通过增加电路的开关频率,能够大大减小所需的无源器件的面积,从而达到全集成的目的。
  本文从六相交错并联Buck电路的工作原理入手,分析了其相对于单相Buck电路的优势,接着提出一种基于电流模滞环控制以及主从控制均流方案的新型电路结构,能够提高系统的稳定性、瞬态响应速度以及电流均衡性。接下来对功率级与反馈模块、延迟锁相环模块、数模转换器模块以及启动与基准模块等等核心关键电路进行设计,采用高速比较器结构解决了环路的延时问题,采用逻辑电路检测并调节延时线长度的方式解决了锁相环的锁定周期问题。采用上述电路拓扑结构和低延时电路,能够将开关频率提升至30MHz,从而将电感减小到192nH、输出电容减小至1.5uF,因此电感电容可以封装集成到芯片管壳中,为Buck变换器的单片全集成提供了基础。
  本文的电路设计基于TSMC0.18umBCD工艺,通过Cadence软件对全集成六相交错并联Buck电路进行了仿真验证。从仿真结果可以看出,该电路结构能在4V~5.5V的输入电压下实现1.5V~2.2V的可调输出,在5A的最大输出电流下可以达到70mA的低输出电流纹波值,稳定时的工作频率在30MHz,最高可以达到80.7%的效率,具有高稳定性,快速负载响应能力和良好的均流效果。
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