嵌入式BUCK变换器带隙基准源设计

北方工业大学电子信息工程学院 李宇昂 黄 双 谢贤秋 徐 港 李义东

0 引言

随着物联网，人工智能，可穿戴式设备等产品的快速发展，作为其核心的数模混合式集成电路规模越来越大，性能要求越来越高。芯片内部需要多种电源进行供电，例如核心数字电路为了降低功耗需要工作在较低电压，IO接口为了增加驱动能力需要工作在较高电压，而用于信号处理的模拟电路需要非常精确不随环境变化的稳定电压。传统的做法是由外部的多个专用电源芯片进行供电，这就造成电路系统复杂，体积大，可靠性低。越来越多的厂家将这些外围电源变换芯片嵌入到系统芯片内部，外部采用单一电源供电，如图1所示。数字电路部分功耗大精度要求低，采用BUCK降压式变换器供电，模拟电路部分电压精度要求高，采用低压差线性稳压器LDO供电，这两部分都需要不随温度和电压变化的基准电压，一般采用带隙基准电压电路。

作为嵌入式BUCK变换器的核心模块，基准电压电路与传统的设计方法有所不同。因为是数模混合电路，因此可以采用一些数字方式进行电路设计，本文采用数字斩波和数字校准技术，简化了电路结构，提高的电路性能。

1 斩波式带隙基准电路设计

在传统的带隙基准电路中，工艺偏差会使输出电压有很大的离散性一般采用斩波调制技术消除晶体管不匹配引起的失调电压，提高输出电压精度[1]。这对于数模混合集成电路来说，要得到斩波技术所需要的时钟信号是十分方便的，不需额外电路。

图1 数模混合集成电路电源系统结构图

带隙基准电压有很多种形式[2]，传统的带隙基准电压1.2V左右，对于供电电压越来越低的现代超大规模集成电路芯片来说这个电压有些偏大，本文采用低压带隙基准电路结构[3]，如图2所示。其中CLK为数字时钟信号，电阻R4和MOS电容M4组成滤波器，减小斩波调制形成的纹波。CLK信号频率越大，输出电压纹波越小，但太高的速度会增加功耗，电路也越复杂，一般几百kHz左右即可。这个电路的另外一个好处是可以通过改变R3电阻的大小调节输出电压，而不影响温度特性。

图2 低压带隙基准电路结构图

图3 斩波式运放电路图

电路中的运放采用斩波式运放，由斩波开关和二级运放组成，电路如图3所示。

2 数字修调技术

虽然采用斩波技术可以减小输出电压的离散性，但工艺偏差不能完全避免。为了得到更加精确的输出电压，一般在设计时需要添加熔丝和额外的引脚，在中测时根据测试结果通过这些额外的引脚对熔丝进行熔断处理，从而改变电路中电阻的大小，改变输出电压，这种技术称为修调（Trimming）[4][5]。这种技术无法消除电路失配的影响，并且会增加芯片的面积，成本也很高。对于数模混合电路，采用数字修调技术，更加灵活，占用面积更小，精度更高。

将图2中的R3用图4所代替，其中MX81为八选一开关，根据控制信号S0S1S2选择不同的电压输出。可以在整个芯片封装完成后根据测试结果决定控制信号的值，存入芯片内部的存储器中，或者根据需要在应用时改变控制信号，对输出电压进行微调。

图4 数字修调结构

3 电路仿真结果

采用SMIC0.13μm CMOS工艺对图2的电路进行设计仿真，并对非斩波结构和斩波结构进行对比。为了验证工艺偏差和失配对电路性能的影响，采用蒙特·卡罗（Monte Carlo）仿真分析，仿真次数100次，结果如图5所示。从结果看出，未使用斩波技术时基准电压平均值（mu）为507.931mV，标准差（sd）为22.7405mV，在使用斩波技术后基准电压平均值为508.777mV，标准差为2.05923mV，精度有极大的提升。

表1为数字修调电路仿真结果，可以看出，通过数字修调，可以使输出电压覆盖由于工艺偏差和失配造成的离散，从而达到精确控制输出电压的目的。

表1 数字修调仿真结果

图5 带隙基准电路Monte Carlo仿真结果

4 结论

本文基于SMIC0.13μm CMOS工艺设计了一种用于嵌入式BUCK转换器的带隙基准电路，采用斩波调制和数字修调技术消除工艺偏差及失配造成的影响，经过仿真对比，输出电压精度提高了近10倍。该电路用于于数模混合的集成电路，结构简单、精度较高、可控性好。

[1]刘家楠,黄鲁.一种采用斩波调制技术的高精度带隙基准源[J].微电子学与计算机,2016,33(12):161-164.

[2]林一超,张晓波,陈小鸥,等.同步降压式转换器芯片带隙基准源的设计[J].电子世界,2014(17):143-144.

[3]WillyM.C.Sansen.模拟集成电路设计精粹[M].清华大学出版社,2008.

[4]王文建.一种高精度低温度系数带隙基准源[J].电子器件,2017,40(5).

[5]曹金英,伊力哈木,邹世凯,等.基准参考源的设计[J].电子世界,2012(1):103-104.