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随着信息技术发展,便携式电子产品越来越成为一个功能丰富的移动终端,而持续增长的功耗与电池电量的矛盾日益突出；同时产品的便携性要求其体积紧凑,重量轻巧,续航时间长。这就要求便携式产品的电源管理芯片在提高转换效率的同时减少片外元件,特别是价格相对较高的电感。单电感多输出直流-直流变换器(Single-Inductor Multiple-Output, SIMO),是利用单个电感实现多路输出的直流变换器,因其高效灵活又节约成本得到了学术界与产业界的广泛研究与关注。本论文研究了SIMO变换器的基本结构与工作特性,分析了多输出结构存在的问题,主要包括输出纹波与毛刺增大,转换范围受限,交调影响和效率降低等。相比传统的单输出变换器,SIMO变换器由于其多输出多环路而增加了系统设计的复杂度。本文提出了一种通用的开关模型,建立多输出结构的小信号模型,分析系统的环路解耦,并设计系统补偿。针对SIMO变换器存在的问题,本文提出了一种飞电容方法降低输出纹波和毛刺;同时提出了一种扩展式脉冲宽度调制(Extended Pulse Width Modulation, EPWM)方法拓宽转换范围并优化转换效率；本文还提出了一种根据各路负载关系调整反馈系数的自适应共模和差模控制的方法,优化系统响应。本论文采用0.25μm 2P4M 2.5V/5V CMOS工艺设计并测试了三个SIMO变换器芯片,分别包括：(1)一种单电感双输出降压型直流-直流变换器,输入电压2.7-5V,两路输出1.2V和1.8V,最大负载电流600mA,开关频率1MHz,峰值效率87%,输出纹波与毛刺小于40mV；(2)一种单电感双输出升降压型直流-直流变换器,输入电压2.5-5V,两路输出1-5V和1.8-5V,开关频率2MHz,峰值效率90%,每路输出都可以做灵活的升降压应用；(3)一种单电感正负电压输出直流-直流变换器。输入电压2.5-5V,两路正输出1-4V和1.8-4V,一路负输出0--2V,峰值效率90%,最大功率2.5W,变换器可以根据负载情况自动选择工作模式来优化整体效率。通过以上芯片的测试实现,验证了本文所提出的SIMO变换器的控制方法和优化策略。