[发明专利]一种单片集成的高频降压型直流－直流转换器

权利要求书

1.一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，其特征在于：在同一个硅片上集成了功率开关、控制电路、驱动电路、功率电感L和滤波电容C；所述控制电路包括了分压电阻R_f1和R_f2、参考电压电路、软启动电路、三角波发生器、误差放大器、补偿网络、脉冲宽度调制电路和死区控制电路；分压电阻R_f1和R_f2串联后与外部负载并联，所得到的反馈电压V_fb，接到误差放大器的一个输入端；由软启动电路取得的参考电压V_ref接到误差放大器的另一个输入端；补偿网络跨接在误差放大器的输入和输出端之间；误差放大器将反馈电压V_fb和参考电压V_ref的差值进行放大，得到误差电压V_c；误差电压V_c和三角波发生器产生的高频三角波信号，共同连接到脉冲宽度调制电路，产生一个占空比和误差电压V_c大小相关的方波信号PWM；方波信号PWM经死区控制模块处理得到两相控制信号，再经过驱动电路，控制功率开关PM和NM的开启和关闭；输入电压V_i连接在功率开关PM的源极，功率开关NM的源极接地；功率开关PM和NM的漏极连接到片上集成的功率电感的一端；功率电感的另一端和片上集成的输出电压滤波电容相连，构成片上LC低通滤波器；功率开关的高频输出电压经过LC低通滤波器，得到了最后的直流输出电压V_o。

2.根据权利要求1所述的一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，其特征在于：所述集成的功率电感L为平面绕线电感，采用了0.35um最小沟道长度、一层多晶硅、八层金属的CMOS混合信号工艺条件下提供的铜材料金属线，其金属线圈由第8层金属、第7层金属和第6层金属并联环绕2.75圈而成，只在两个端口处用密集的通孔将这三层金属相连；每层金属线圈都由同一层上的4条相同宽度的平行金属条并联而成；功率电感的端口1为最外圈端口的第8层金属，端口2通过低层桥接线和最里圈端口的第6层金属相连；低层桥接线由第4层金属、第3层金属和第2层金属并联而成，桥接线的两端用密集的通孔将这三层金属相连；低层桥接线和功率电感最里圈端口的连接采用密集的通孔将第6层金属和第4层金属相连；所述功率电感没有用到第5层金属和第1层金属。

3.根据权利要求2所述的一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，其特征在于：在集成功率电感下部的P型衬底上，设置了具有反相偏置电压的N阱。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，其特征在于：所述集成的滤波电容包括输入电压端的滤波电容和输出电压端的滤波电容；所述滤波电容具有两种形式：一种滤波电容是MOS(金属氧化物半导体)管的栅极电容，即多晶硅栅极与衬底之间的电容，中间介质材料为栅氧化层，MOS管的源极、漏极和衬底电压都接地，栅极接输出电压或输入电压；另一种滤波电容是由第1层金属到第8层金属组成的金属-金属间梳状电容，每层金属被制成两个梳状极板，梳齿相向对插，极性相间，极间形成横向电容串；相邻两层相对的梳齿，极性相反，极间形成纵向电容串；每个金属极板梳齿都用工艺条件允许的最小线宽的金属条实现，金属条之间的距离为工艺条件允许的最小间距，金属条之间的介质材料为金属间氧化层，形成电容两个极板之间的横向和纵向交叠；最厚的顶层金属(第8层金属)分为两个极板，分别与多个相同极性单元互连；金属-金属间梳状电容放置在MOS管的栅极电容正上方，并用通孔实现互连。

5.根据权利要求4所述的一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，其特征在于：所述补偿网络由一个电阻和一个电容串联构成一个零点；所述三角波发生器包括了一个环形振荡器和一个积分器；所述脉冲宽度调制电路是一个高速电压比较器。