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手机、平板等移动智能设备飞速发展,它们的功能越来越多,体积却越来越小,致使电子系统的能耗密度大大增加;电池的性能在近年来却始终都没有出现较明显的提升。两者不同的发展状态给电子系统的续航时间带来了严峻挑战。如何有效地提高电子系统的能量利用率、延长电池寿命,成为当前的一个研究热点。电源管理芯片,是电子系统能量的转换者,提高该类芯片的能量转换效率,是提高电子系统能量利用率的有效手段。本文从节省能量的角度出发,提出并实现了一种功率管分段驱动的Buck变换器控制芯片。功率管分段驱动技术是一种改善开关电源变换器效率尤其是轻载效率的重要手段,其基本原理是:改变功率管尺寸来折衷功率管上的导通损耗和驱动损耗,使两者之和始终处于较小的水平,从而提高变换器的变换效率。本文提出的功率管具体分段方案为:在连续电感电流模式(Continuous Current Mode,CCM)下,采用SenseFET电流采样模块检测负载电流,决定功率管大段开启段数;在断续电感电流模式(Discontinuous Current Mode,DCM)下,采用时数转换模块(Time Digital Converter,TDC),检测功率管导通时间以推断负载电流,决定功率管小段开启段数;负载电流极小时,变换器环路进入PSM工作模式,只开启1小段功率管。本文先简述了课题的研究背景,然后介绍了Buck变换器和功率管分段驱动各自的基本理论;接着确定了分段方案,并完成了电流采样模块、时数转换模块、误差放大器模块等关键模块的设计和仿真;最后完成了整体芯片的功能验证、版图绘制以及PCB设计等工作。本文最终实现的芯片版图面积为1.45mm×1.28mm,在180nm标准CMOS工艺下进行了流片。芯片的仿真结果显示,本文功率管分段驱动的Buck变换器具有一定的效率提升作用,在中轻负载下,效率提升效果最为明显,在25mA时实现了5.9%的最大效率提升,成功验证了功率管分段驱动技术对DC-DC变换器的效率提升作用。