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随着系统芯片(Soc)和工艺的发展,开关电源在各种便携式电子产品中得到了越来越广泛的应用。但是传统的模拟电源具有设计效率低、设计周期长、设计成本高、许多先进的控制算法(如非线性、自适应补偿)无法实现等缺点,而数字控制电源具有设计效率高、生产成本低、方便系统集成、可实施高性能的控制算法、优异的同外界的交互能力等优势,因此数字电源技术引起了人们越来越广泛的关注。另一方面,开关电源所面临的高性能与低功耗的矛盾也越来越突出。DPWM／DPFM模式切换控制技术能够提高DC-DC变换器的全载效率,是降低功耗延长电池使用寿命的有效途径。因此研究设计可以实现DPWM／DPFM模式切换功能的数字控制DC-DC变换器,具有重要的学术意义与广阔的应用前景。
本文首先分析了DC-DC变换器的基本原理,对其进行了建模分析,对其不同的工作模式、控制方法以及功耗进行了详细的阐述；分别设计了DPWM模块和DPFM模块,其中DPFM模块的设计是在分析比较了现有两种DPFM结构的基础上提出的一种新型结构;并且设计了两种控制模式的切换电路,在重载下使DPWM模块控制DC-DC变换器工作,在轻载下使DPFM模块工作,进而使全载效率保持较高的水平；通过对两种控制模式下的全载效率进行分析,以提高全载效率为出发点,选取了两种控制模式的切换点。
论文基于SMIC0.13μm CMOS混合工艺,对数字控制DC-DC变换器系统进行了仿真验证和版图设计。仿真结果表明:系统可以稳定输出,DPWM模式下输出电压纹波小于30mV,DPFM模式下输出电压纹波小于85mV,全载效率始终保持75％以上(轻载最小负载电流2.5mA)。芯片测试结果表明,采用DPFM模式控制的DC-DC变换器可以稳定工作,轻载转换效率达到70％。结果达到设计要求。