摘 要： 采用0.35 m 18 V DPTM BCD工艺技术给出电流模降压型DC-DC转换器的功率级设计，该功率级可以输出3 A负载电流，转换效率可达到94.5%。主要针对转换器中核心部分功率级进行设计，其中包括同步开关功率晶体管设计、片上电感电流检测电路、功率晶体管驱动电路设计以及功率级的版图设计考虑，最后给出了该功率级设计的测试结果。

　　关键词： 电流模；同步DC-DC转换器；功率级；BCD

　　当前，数字多媒体、视频广播设备、个人导航设备（PND）、车载电源设备的使用越来越广泛, 为这些设备提供电源管理，常需要具有高压大电流高转换率效的DC-DC转换器。为了减小设备体积和重量，电源模块必须最小化，因此，实现转换器的高转换效率以及高集成度成为一种趋势[1-2]。考虑到电压控制模式和非同步转换器的一些缺点，更多的系统选择使用同步电流模式DC-DC转换器；图1为典型电流模同步BUCK转换器的电路框图，图中阴影部分为转换器的功率级，而电流控制模式BUCK DC-DC转换器中功率级的设计是最重要的功能模块之一，亦是转换器设计的难点所在，原因在于：功率级中作为开关的功率晶体管导通电阻会影响系统转换器的效率，在大负载电流条件下，功率开关晶体管的导通电阻还会影响芯片的热设计,一般来讲，功率开关的导通电阻与其宽长比成反比，但大尺寸器件会导致更大的芯片面积，增加芯片的成本，缺少市场的竞争力，怎样能够在减小导通电阻和芯片面积之间找到合适的折中点是功率晶体管设计的关键；其次，功率晶体管在版图设计时的寄生效应也会影响转换器的性能，功率晶体管的版图优化是功率级设计的一个重要部分；最后，电流模转换器需要对电感电流进行检测，设计合适的低功耗电感电流检测电路亦是功率级设计的难点。

　　基于上面的考虑，本文将以电流模式控制同步降压型DC-DC转换器为例，设计输入电压最大为18 V、典型输出电压为5 V、能够提供3 A负载电流的功率级。

1 同步功率晶体管设计

　　对于单片高压大电流集成DC-DC转换器，功率级设计极具挑战性，特别是高压功率开关采用LDMOS晶体管，在大电流下需要考虑以下几个方面： DMOS晶体管会寄生双极性晶体管，当晶体管流过一定的电流，晶体管的漏极和源极电压会增加到击穿电压，然后漏源电压将回跳到一定的低值[3-4]；其次，在负载电流比较大时，芯片封装时引线产生的寄生电阻[5]将不能忽略不计，如图2所示，RP1～RP4为芯片封装引线产生的寄生电阻，为了能够减小其寄生电阻，在芯片封装时，PAD与封装管脚之间引线要避免过长；图2中，RONMD1为主功率开关导通电阻，RONMD2为同步开关的导通电阻； Q1和Q2是由驱动电路控制的理想开关。

　　主开关的等效直流导通电阻RHS如下式所示：

　　RHS=RP1+RMD1+RONMD1+RMS1+RP2(1)

　　其中：RMD1和RMS1分别为主开关功率晶体管版图设计时漏极和源极金属连线产生的寄生电阻，该电阻主要由金属连线的物理设计决定。

　　同步开关的等效直流导通电阻RLS如下式所示：

　　RLS=RP3+RMD2+RONMD2+RMS2+RP4(2)

　　其中：RMD2和RMS2分别为同步开关功率晶体管版图设计时漏极和源极金属连线产生的寄生电阻，该电阻主要由晶体管的物理设计决定。

　　主功率开关和同步开关晶体管一般选用N沟道LDMOS晶体管，原因在于N沟道LDMOS晶体管的电子迁移率大于P沟道LDMOS晶体管空穴迁移率，对于相同大小的导通电阻，LDNMOS晶体管的面积仅为LDPMOS晶体管面积的1/2～1/3[3]，本文设计主开关和同步开关等效直流导通电阻RHS和RLS约为88 m?赘。

2 电感电流检测电路

　　电流模式DC-DC转换器中，电感电流的检测是智能功率芯片非常重要的功能之一，因此也衍生了多种电感电流检测的方式[6]。

　　本文对电感电流检测的方式采用间接检测方式，图3给出电路结构，当主开关功率（MD1）晶体管导通时，MD1的漏极电流等于电感流过的电流，为了避免直接检测MD1电流会导致消耗更大的功耗，不利于系统的效率提高，本设计采用等比例检测主开关MD1的漏极电流，然后通过在比例晶体管MD2的漏极连接一个较小的电阻将比例电流转换成电压VSENS，这样的优点在于：采样电流的功耗较低，由于采样电阻连接在晶体管的漏极，电流的比例系数精确。下面给出VSENS的计算公式： 大功率电感厂家 |大电流电感工厂