随着半导体工艺不断迭代更新及第五代通信技术与人工智能飞速发展,各种各样的便携式电子产品蓬勃发展,能够为这些电子产品如手机、手表、手环等提供稳定、高效电压的电源管理芯片受到人们的重视。而锂电池技术却发展缓慢,难以跟上便携式电子产品发展的步伐。因此,为了维持较长的电池续航时间,使用能量转换效率比较高的变换器成了人们的必然选择,推动研究人员不断进行深入探索新的效率更高的电路结构。但是,设计电路往往需要对电路的性能进行折衷,虽然BUCK转换器的效率较高,但是其瞬态响应却较差,不适用于对瞬态响应有特殊要求的场景,因此,为了拓宽BUCK转换器的使用场景,研究具有快速瞬态响应的高效率BUCK转换器具有重大现实意义。针对以上问题,本设计内容及成果如下。就电路效率而言,早期非同步Buck转换器使用二极管做整流管,由于二极管单向导通,因此不会有电流的反向导通,同时控制电路的设计也较为简单,然而,当使用二极管续流时二极管会有较大压降,这大大降低了电路的效率,无法满足电子产品对效率的要求,后来人们提出了使用场效应晶体管做整流管的同步BUCK转换器,场效应晶体管在导通时压降极小,可以减小导通损耗,提高了电路的整体效率,因此得到广泛使用而成为经典结构。为了进一步提升效率,研究人员提出了很多优秀的电路结构。在前人提出的开关电感电容(Switched-Inductor-Capacitor,SIC)电路结构的基础上设计了一个新的功率级电路。电路SIC本身具有很多优点,例如输出滤波电感转移到输出端会带来诸多好处,在芯片的实际应用中输入端一般都会添加一个滤波电容来滤除输入噪声,这个输入电容也会占用一定的面积,因为电感也具备滤波功能,因此当把位于输出端的滤波电感放置于输入端时,输入端无需再放置一个输入电容,而且开关频率为10M左右的BUCK转换器的滤波电感大小一般为500n H左右,这个与输入端直接相连的电感具有良好的滤波效果,即放置于输入端的电感可以起到替代输入滤波电容滤波的效果,这样会节省一定的面积,节省开支,降低设计成本。在本设计中,为了提高效率,首先使用制造工艺简单、导通电阻更小的NMOS晶体管取代导通电阻较大、面积较大、价格较高且种类较少的PMOS晶体管,这样可使功率级晶体管的导通损耗进一步减小,提升电路整体效率,同时也可以减小电路的面积。此外,由于电路中需要使用电荷泵来提供一个高于输入电压的直流电压,因此电荷泵也会带来一定损耗,尤其是电荷泵四个开关管开关频率高达10MHz,将会产生较大的开关损耗,此外,其控制信号与输出级功率管控制信号来源相同,容易受占空比的影响。因此为了降低电荷泵的开关损耗并提高电荷泵输出电压稳定性,选择使用频率较低的独立信号作为电荷泵的控制信号,首先选择内部斜坡与时钟产生器生成的时钟信号作为电荷泵控制信号来源,然后使用由上升沿触发的D触发器搭建的二分频器来对时钟信号进行降频,然后使用降频后生成的频率为5MHz、占空比恒定为50%的信号控制电荷泵的开关管,因此,电路的稳定性与效率得到进一步提升。就控制电路而言,除了对电荷泵进行独立信号降频控制外,本文采用结构简单、设计成本较低的脉冲宽度调制(PWM)技术,并采用电压模式(Voltage Control Mode)环路控制技术,因此无需设计采样速度快且精准的电流采样电路,另外也不需要对斜坡信号进行补偿,电路噪声较小,电路较为简单,降低了电路的设计难度。为了锁定电路频率并避免出现逻辑错误,文中使用了一个由或非门组成的并且由S主导输出的SDR锁存器,此锁存器在S与R同时为1时输出结果为1,避免了出现逻辑错误。就瞬态响应提升方面而言,传统BUCK转换器本身具有瞬态响应速度较慢的特点,从控制环路出发来提高瞬态响应速度往往使环路的设计变得复杂,且容易导致损耗的增加。通过外加电荷注入与泄放通路的方式则不会影响电路控制环路的设计。因此,本文设计了一个新的瞬态响应提升辅助电路模块(Digital Hybrid Scheme,DHS)。DHS电路模块基于输出电压(1,因此电路在进行负载电流切换时可更快地做出响应,由于电路的负载电流切换时输出电压大小变化迅速,所以DHS电路模块中的比较器只需要使用慢速比较器即可,如此可进一步减小电路损耗。此外,因为该模块并不是基于误差放大器的输出电压来改善电路的瞬态响应特性,所以该模块对电路斜坡与时钟信号产生器没有具体要求,即使在占空比较小时同样可以正常工作并对电路瞬态响应有较大改善。另外,对电路的工作频率也没有限制,这就意味着使用该模块的电路可以在较高的频率下工作,因此,使用该模块的电路完全可以做到片上集成,使片上集成的高效率BUCK转换器同样可以在无片外大电容、大电感的情况下具有良好的瞬态响应特性。为了保证DHS电路模块在改善电路瞬态响应的同时不会引起输出电压震荡,所以为该模块设计了严密的控制逻辑,控制逻辑可以严格保证电荷注入通路与电荷泄放通路不会同时开启,此外,该模块带有使能端,可随时开启与断开,因此,该模块在改善电路瞬态响应的同时不会影响主体电路的正常工作。本设计基于TSMC 0.18um CMOS工艺,芯片面积为0.627mm2,开关频率为10MHz,输入电压为1.8V,输出电压为0.9-1.5V,最大负载电流为500mA。仿真结果表明负载电流为500mA、输出电压为1.5V时,输出电压纹波为13m V,纹波率为0.87%;输出电压为1V时,输出电压纹波为26m V,纹波率为2.6%。接下来对电路的瞬态响应进行了仿真。在输出端仅有一个大小为1u F的滤波电容的情况下,当输出电压为1.5V时,负载电流在2ns内从10mA跳变到500mA时,输出电压下冲电压为19m V,1%建立时间为0ns,上冲电压为26.6m V,1%建立时间为1.52us;当输出电压为1V时,负载电流在2ns内从10mA跳变到500mA时,输出电压下冲电压为41.4m V,1%建立时间为2.91us,上冲电压为32.3m V,1%建立时间为2.96us。最后就效率而言,当输出电压为1.5V,即占空比为80%时,对于50至500 mA的负载电流,效率超过95%,负载电流在100mA左右时取得峰值效率为97.6%;当输出电压为1V,即占空比为20%时,对于50至500 mA的负载电流,效率超过90%,负载电流在50mA左右时取得峰值效率为96.3%。