[发明专利]一种单片集成的高频降压型直流－直流转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种为超大规模集成电路系统提供稳定电源的、单片集成的、高频降压型直流-直流转换器，属于集成电路领域。

背景技术

随着便携式电子产品的体积与重量不断减小，电源管理芯片的内部集成的趋势也越来越明显。传统的电源管理电路内部集成了功率开关和控制电路，而功率电感和滤波电容却由于占用过大的面积，一般都采用外接的方式，严重制约了电源管理电路的单片集成。同时，以微处理器为代表的电路工作速度不断提高，使得电源管理电路的负载变化加快，传统的低频电源管理电路已经很难满足快速负载变化响应的要求。

为了减小功率元件的尺寸，直流-直流转换器的开关频率提高到百兆赫兹以上，可以使得所需的功率电感感值下降到10nH的量级，滤波电容下降到3nF的量级，而这样大小的电感电容值就可以在硅片上集成。这样，整个直流-直流转换器所需的所有元件，包括功率开关、控制电路、驱动电路、功率电感和滤波电容，就能够全部集成在同一个硅片上。同时，百兆赫兹的开关频率，使得直流-直流转换器的环路带宽达到十兆赫兹以上，大大加快了电源管理电路对负载变化的响应时间。

发明内容

本发明旨在针对电源管理电路的系统集成和快速负载响应的要求，提出一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器。

本发明的技术方案是：一种单片集成的高频降压型直流-直流转换器，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。

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。

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。

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。