低噪声DC-DC变换器设计❋

杨东杰，邰 锋，王 骥，曹灿华，甄少伟，罗 萍，张 波

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家实验室，成都610054）

·大规模集成电路设计、制造与应用·

低噪声DC-DC变换器设计❋

杨东杰，邰 锋，王 骥，曹灿华，甄少伟，罗 萍，张 波

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家实验室，成都610054）

提出了一种基于Sigma-Delta调制原理的低噪声DC-DC变换器。首先对比了传统PWM调制器型DC-DC变换器及传统Sigma-Delta调制器型DC-DC变换器；从它们各自的优缺点出发，基于改进的一阶Sigma-Delta调制器，构建了新型的DC-DC变换器架构。传统的PWM调制器被去除，由钟控量化器实现了调制功能。环路补偿被简化，将片外电容及电感组成积分功能模块，直接用于环路的构成。整体电路基于40nm Mixed-Signal CMOS工艺进行设计，仿真结果表明，该结构相比传统固定频率PWM调制DC-DC变换器，输出电压频谱中的谐波尖峰能够得到有效抑制。在2MHz开关频率处，频谱尖峰减小了40dB，同时具有良好的瞬态响应特性，快速响应时间及较小的上下过冲。

DC-DC变换器；PWM调制；Sigma-Delta调制；低噪声；频谱抑制；架构简化

1 引 言

电源和衬底噪声对敏感射频SoC影响巨大，往往会严重制约射频电路的性能。传统的射频电路供电一般采用低噪声、高电源抑制比的低压差线性稳压器（LDO，Low Dropout Regulator）供电，其具有输出电压稳定，纹波小，稳态误差小等特点。但是LDO的效率较低，不利于便携设备的长时间待机要求。开关变换器具有较高的变换效率，但其固定频率的PWM（PulseWidth Modulation，脉宽调制）调制方式会不可避免地引入谐波噪声，对射频电路十分不利［1］。Sigma-Delta调制DC-DC变换器采用Sigma-Delta调制器替换PWM调制器，产生不固定频率的调制信号输出，使得以开关频率为基波的谐波噪声得到抑制，输出电压频谱更加平缓，适用于射频电路的供电，但其调制器结构复杂，整体功耗增大［2-3］。

基于Sigma-Delta调制器的基本原理，提出了一种新型的DC-DC调制器结构，相比较采用传统PWM调制器的DC-DC变换器，具有输出频谱平滑、结构简单、面积省、功耗小等优点。

2 DC-DC变换器调制器

2.1 PWM调制Buck变换器

脉宽调制模式是指DC-DC变换器保持工作频率恒定，即工作周期不变，通过改变功率开关的开启（或关闭）时间来改变占空比，从而实现输出电压的稳定，是目前使用最广泛的一种调制模式。

如图1（a）所示为常规电压控制PWM模式DC-DC变换器。首先对输出电压（或经过衰减的输出电压）和参考电压进行求差，并将差值传递给环路补偿器；补偿器输出的补偿信号再经过比较器与一个固定频率的锯齿波信号相比较，进而产生方波信号；此方波信号的占空比会随着补偿器信号而变化，从而实现脉宽调制。

PWM模式DC-DC变换器具有输出电压纹波小、变换效率高等优点。但是，PWM模式的工作频率固定，具有周期性的电感电流纹波和输出电压纹波，其输出频谱具有较高幅度以开关频率为基频的谐波分量，很容易对敏感的模拟或射频电路形成干扰。不仅如此，这些谐波甚至还可能会通过混频的方式，将高频干扰信号调制到低频信号上，严重影响电路性能［4］。而且，在高集成度的射频SoC中，由于各子模块共享低阻衬底，高谐波分量将极大影响接收机灵敏度，甚至造成系统失效［5-6］。

2.2 传统Sigma-Delta调制Buck变换器

Sigma-Delta调制技术凭借其特有的噪声整形功能，己被广泛应用于数据变换器（ADC／DAC）以及频率综合器（PLL）的设计中。

传统Sigma-Delta控制Buck DC-DC的系统结构如图1（b）所示［7］，其与PWM控制Buck DCDC系统的差别在于用单比特Sigma-Delta调制器代替了PWM调制器。Sigma-Delta调制器的工作原理与PWM调制器完全不同，但是它们的目标是一致的，即产生具有相同平均值的占空比信号。只不过PWM调制器产生的占空比信号具有固定周期，而Sigma-Delta调制器产生的占空比信号具有随机周期。

图1 系统结构图

一阶Sigma-Delta调制器由减法器、积分器和量化器组成，如图1（b）中的Sigma-Delta调制器结构所示。它实现了将连续模拟信号量化为离散数字信号的功能，其核心思想是噪声整形，利用了负反馈结构，抑制了量化过程中产生的带内量化噪声，提高信噪比。从时域上看，Sigma-Delta调制器将输入连续信号调制成一系列高低电平。在一个时钟周期内，调制器要么输出高电平，要么输出低电平。当输入信号较低时，输出会是较多的低电平，当输入信号较高时，输出会是较多的高电平。这样输出信号就没有固定的时钟周期，从而不会产生与时钟有关的谐波成分。相比传统的PWM调制DC-DC变换器固定调制周期的方法［8］，Sigma-Delta调制DCDC的输出含有的时钟谐波噪声要少很多，所以其输出频谱更加干净［9］。但图1（b）所示Σ-Δ调制Buck变换器，其Σ-Δ调制实现方式为简单替换PWM调制器，系统较为复杂，且大幅度增加了静态功耗和片上面积，不利于在低功耗应用中使用［10］。

3 新型Σ-Δ调制DC-DC变换器结构

整体电路结构框图如图2所示，其基本结构是一个Buck型DC-DC电路。对比一阶Sigma-Delta调制器的基本结构。电感L和电容C共同组成了积分器结构，与比例放大器模块共同构成了一阶Sigma-Delta调制的基本结构。这样将Sigma-Delta调制器的结构嵌入了整体DC-DC环路，而不是采用Σ-Δ调制器简单替换PWM调制器。由于电感L和电容C构成的积分电路具有二阶低通特性，其具有二阶共轭极点，在频谱上会带来180度的相位移动，这样会使整个环路不稳定，所以需要加入相位超前补偿模块，进行频率补偿，使得积分电路具有一阶低通特性。同时积分器与量化器的位置相对于一阶Sigma-Delta调制器的结构中二者的位置进行了互换，这样使得原本输出为离散信号的Sigma-Delta调制器结构输出变为了连续的模拟信号。这也是整个环路与一阶Sigma-Delta调制器结构的不同之处。

图2 本设计DC-DC变换器整体电路结构框图

所设计的DC-DC结构既具有了Sigma-Delta调制抑制输出频谱噪声的特点，又大大简化了传统Sigma-Delta调制DC-DC变换器的结构，减小了功耗和面积。

如图3所示，为本设计中相位超前补偿模块的电路结构图。运放采用两级结构，提供更高增益的同时，能有效降低非线性引起的带内噪声。根据环路需求，将相位超前补偿的低频零点放在与功率LC谐振点相同的位置。

图3 本设计中相位超前补偿电路图

如图4所示，本设计中1bit量化器采用离散比较器结构实现。当CLK为低时，MN1和MN2对输入信号的差值进行检测，以产生不同的阻抗；当CLK翻为高后，MN1和MN2的不同阻抗与正反馈回路MN3，MN4，MP2及MP3共同作用，经过一级锁存后产生所需的输出方波信号。

图4 本设计中量化器电路图

4 结果与讨论

新型低噪声DC-DC电路在40nm CMOS工艺下进行搭建。在典型供电电压（VDD＝3.3V）和负载（ILoad＝0.3A）的情况下进行仿真。在本设计中，量化器采用了10MHz的采样时钟，5倍于变换器开关频率（2MHz）。

DC-DC变换器稳态工作的仿真结果如图5所示。输出电压纹波在18mV以内。功率管开关信号没有明显规律性，即开关频率不固定。

图6为负载阶跃仿真结果。负载电流在100mA和600mA之间变化。本设计DC-DC输出电压的瞬态下、上过冲分别为43mv和28mV。

图5 瞬态仿真输出结果

图6 负载阶跃仿真结果

图7给出了本设计结构的输出频谱特性图。这里去除了直流DC部分，进行FFT运算，查看输出电压的频谱特性（黑色实曲线图）。与之对比是传统PWM调制DC-DC变换器的频谱特性（灰色虚曲线图）。可以看出，本发明结构的输出频谱没有较高的尖峰噪声，而传统PWM调制DC-DC变换器的输出存在较高的尖峰噪声。相比PWM模式DCDC，输出频谱在2MHz处对谐波的抑制达到了-40dB。由此看出，本发明DC-DC结构的输出频谱相对于传统的PWM调制DC-DC更加平滑，消除了高能量的尖峰噪声。

图7 输出电压频谱特性结果

5 结束语

新型的DC-DC变换器结构在实现传统DCDC变换器直流电压变换功能的同时，改善了PWM调制DC-DC输出电压频谱噪声大的缺点，平滑了输出频谱特性，抑制了输出频谱尖峰噪声。将Sigma-Delta调制DC-DC变换器的基本原理嵌入整个DC-DC环路之中，具备了Sigma-Delta调制DC-DC输出噪声小的特点，同时大大简化了电路结构，减小了面积及功耗。

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Design of Low-Noise DC-DC Converter

Yang Dongjie，Tai Feng，Wang Yi，Cao Canhua，Zhen Shaowei，Luo Ping，Zhang Bo
（State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

A low-noise DC-DC converter based on Sigma-Delta modulation is proposed.The conventional PWM modulated DC-DC is compared with the conventional Sigma-Deltamodulated DCDC firstly.Improved first-order Sigma-Deltamodulation structure is adopted to build the new DC-DC converter.The conventional PWM modulator is replaced by the clock-controlled quantizer.The loop compensation is simplified.The integrated block which consists of off-chip capacitor and inductor is adopted to form the whole loop.The whole circuit is designed and simulated in a 40nm mixed-signal standard CMOS process and the results show that the frequency harmonic spurs of the output voltage are effectively suppressed comparing to the conventional PWM modulation DC-DC converter.The spurious noise is reduced by 40dB at the switching frequency of 2MHz.Meanwhile，a good transient response characteristic with fast response time and small overshoot is simulated.

DC-DC converter；PWM modulator；Sigma-Delta modulator；Low-noise；Frequency spectrum suppress；Structure simplified

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.001

TN4

A

1002-2279（2016）06-0001-04

❋申请专利：《一种DC-DC转换器》，中国发明专利，申请号：201510522230.9《一种具有抑制输出频谱谐波噪声特性的DC-DC转换器》，中国发明专利，申请号：201510522511.4

国家自然科学基金青年科学基金（61404025）；中央高校基本科研业务费项目（ZYGX2014J024）

杨东杰（1991-），男，四川省乐至县人，硕士研究生，主研方向：功率模拟集成电路设计。

2016-01-14