随着智能可穿戴设备和各种便携式电子设备的普及,更小的体积和更长的续航时间是现在工业界普遍追求的目标之一。作为电子设备中参与电能转换不可或缺的DC-DC变换器之一的Buck变换器需要更大的功率密度来适应人们的需求,于是,提升Buck变换器芯片的功率密度是电源管理芯片设计者的重大挑战。为了提升Buck变换器的功率密度,在高压大电流的基础上,保持Buck变换器的开关频率足够高能够大幅缩小芯片外围器件的面积,所以,高开关频率是提高Buck变换器功率密度的基础。使用传统谷值电流模COT控制模式的Buck变换器一般使用Ⅱ型补偿,为了满足采样定理,环路的带宽是以最低开关频率为参考设置的,这就导致在高频时瞬态响应速度变慢。为了解决这个问题,本文提出采用开关电流型误差放大器的谷值电流模COT结构无需额外的补偿网络,在节省芯片面积的同时实现自适应带宽,提升Buck变换器在高频时的瞬态响应速度。另外,传统谷值电流模COT控制模式的Buck变换器在重载情况下开关频率会发生偏移,对此,本文使用频率稳定技术,保证Buck变换器在大电流下实现频率稳定。本文首先设计了一款基于PLL调制的谷值电流模COT型Buck变换器,采用双路输出结构来提升芯片功率密度,支持180°错相工作,片内集成功率开关管,开关频率可以通过调整外接电阻来改变,也可以使用外接时钟同步。输入电压3.6～20V,输出电压0.6～6V,开关频率支持0.5～4MHz,单路最大负载电流为3A,支持输入电压过压保护、输出电压过压欠压保护、过温保护和Burst工作模式等功能。本文对该芯片的核心子模块进行介绍,并给出了每个子模块的仿真波形,基本符合设计要求,还对整个开关频率同步模块进行了环路理论建模并给出补偿方法。然后对芯片整体架构做了简单介绍,展示了芯片启动、工作效率、负载阶跃以及保护功能的整体仿真波形,保证芯片在各种情况下能保持正常工作。最后,还对芯片的版图进行了介绍。为了进一步提升芯片的功率密度,本文还提出一款采用开关电流型误差放大器的高功率密度Buck变换器设计,这种误差放大器在Buck结构中无需片外补偿即可使系统保持稳定,节省了芯片面积,具有更高的功率密度;同时误差放大器的带宽随开关频率改变而自适应变化,在高频时仍具有较好的稳定性和瞬态响应速度。相比于RBCOT和传统谷值电流模COT控制模式,使用开关电流型误差放大器的谷值电流模COT结构实现了片上频率补偿,省掉了片外元件,可实现多路并联均流,且具有较快的瞬态响应速度。本文采用0.18μm BCD工艺进行电路设计,仿真结果表明,在6MHz和1MHz的开关频率下,对应选用10μF和70μF的输出电容即可达到环路稳定,实现自适应带宽。在6MHz开关频率下,上下阶跃瞬态响应时间分别为6.3μs、5.5μs;在1MHz开关频率下,上下阶跃瞬态响应时间分别为27.7μs、28.4μs。