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随着工艺节点的向前推进,芯片的供电电压呈现不断下降的趋势,降压芯片的市场需求量越来越高。相比于其他类型的降压芯片,Buck芯片具有高转换效率、大负载电流等优势,在消费类电子、通信、工业电子等领域得到了广泛的应用。未来随着新能源汽车、5G网络、人工智能物联网的持续发展,下游应用市场对Buck芯片的需求量将不断增加。随着电子产品小型化程度的提高,内部芯片间距的减小使得电磁干扰更容易对芯片的正常工作造成影响。另外,消费类电子作为Buck芯片最大的下游市场,对Buck芯片提出了高转换效率的要求以延长续航时间。针对以上市场需求,本论文基于90 nm BCD工艺设计了一款转换效率高、输出电压精度高、开关频率稳定性较好的Buck变换器。论文的主要内容如下:1、对Buck变换器进行了系统设计。选用了电流模恒定导通时间（CMCOT）控制作为负反馈回路的控制方式,这种控制方式兼具了恒定导通时间（COT）控制和电流模的特点,具有瞬态响应性能良好,轻载下可以实现高转换效率,输出电压精度高,电流环路稳定性好,环路补偿方式简单等优点。针对CMCOT控制的Buck变换器中开关频率存在波动的问题,使用自适应导通时间（AOT）控制,使得Buck变换器的开关频率不随输入电压、输出电压的变化而变化。Buck变换器的功率级设计为双N管的同步降压结构,以实现高转换效率。在完成Buck变换器系统设计后,利用描述函数法对环路进行了小信号建模,分析了环路中零极点的分布情况。基于OPA型误差放大器设计了Type-Ⅱ补偿网络,使得环路零极点得到了重新排布,保证了环路在穿越频率处具有足够的相位裕度。2、对Buck变换器的电路模块进行了设计。采用电流倍增结构降低了对软启动电容容值的要求,实现了内部软启动。误差放大器设计为折叠共源共栅结构,低频增益为87.55 dB。使用MOSFET-RON采样法实现了电感电流的无损采样。将PWM比较器设计为级联结构降低了延时时间。使用VSM信号控制自适应导通时间的产生,缓解了负载电流变化时损耗导致的开关频率波动。设计了VBST、VSM压差检测电路,对自举电容两端的电压差进行实时检测,保证了上功率管的正常导通、关断。完成电路模块设计后,基于Spectre仿真器对各电路模块进行仿真,仿真结果与理论分析和设计指标一致。3、对设计的Buck变换器进行了整体仿真。Buck变换器能够正常启动,启动时间为1.506 ms,软启动时间约为1.367 ms。分别在高、中等、低占空比下对Buck变换器的稳态性能进行仿真,变换器工作正常,没有出现不稳定现象。在4.5 V-18 V输入电压范围内,Buck变换器可实现降压功能,输出电压值由外围反馈电阻的比例决定,最大负载电流为2 A。在12 V输入电压,3.3 V输出电压的情况下,负载电流在0.6 A-2 A间变化时,Δfs、Δfs/fs、Δfs/ΔILOAD分别为35.7982 k Hz、4.21%、25.57 k Hz/A,设计的自适应导通时间产生电路能够较好地抑制负载电流变化引起的开关频率变化。在12 V输入电压,3.3 V输出电压的情况下,负载电流在1 A、2 A间跳变时,输出电压下冲恢复时间为70.25μs,过冲恢复时间为65.32μs,没有出现振铃现象。各种仿真条件下,负载调整率不超过3.7889 mV/A,线性调整率不超过0.1462 mV/V。6 V输入电压降压至5 V的情况下,Buck变换器的转换效率可达97.5614%。对设计的Buck变换器进行了版图绘制,版图面积为740μm×970μm。4、对Buck芯片进行测试。Buck芯片可以正常启动、关断,软启动时间为1.372 ms。Buck芯片在稳态下能够正常工作。Buck芯片的静态电流为73μA。负载电流在1 A、2 A间跳变时,输出电压下冲、过冲恢复时间分别为90μs、72μs。Buck芯片的负载调整率和线性调整率分别为9.2462 mV/A、0.5407 mV/V。输入电压为5 V,输出电压为1.8 V情况下,Buck芯片的转换效率可达92.72%。