高頻開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)電壓控制(DVC)的無(wú)條件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

如今，我們正處于一個(gè)被無(wú)處不在的數(shù)據(jù)及高耗電應(yīng)用所驅(qū)動(dòng)的信息計(jì)算世界中，使得電源管理成為了不同系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和軟件所面臨多方面挑戰(zhàn)中的不可忽視的一環(huán)。智能設(shè)備、邊緣計(jì)算和云處理都對(duì)高效的電力傳輸有特別的要求，在提高產(chǎn)品性價(jià)比和降低功耗的目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)低延遲和高處理能力。

為了滿足這些需求，電源管理解決方案必須提供可由系統(tǒng)控制的超高速能量輸送，以更小的尺寸來(lái)滿足整體電源需求。電源管理和計(jì)算平臺(tái)的集成和耦合對(duì)于在速度、效率、成本和尺寸方面的持續(xù)改進(jìn)至關(guān)重要。

本文主要來(lái)介紹下超旸如何使用我們的專利和方案，來(lái)滿足上述日益增長(zhǎng)的需求。

如今很多的電源管理集成電路(PMIC)里所集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)有30多年歷史架構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了滿足如今的需求，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須達(dá)到接近完美的效率，在極短的時(shí)間內(nèi)來(lái)調(diào)制電壓，在嚴(yán)格的瞬態(tài)下保持負(fù)載調(diào)節(jié)，并且以更高的速度去開(kāi)關(guān)，以此來(lái)減少無(wú)源組件的尺寸和數(shù)量，這是當(dāng)前行業(yè)所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

所以如何來(lái)應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，就必須要綜合考慮架構(gòu)、系統(tǒng)和半導(dǎo)體解決方案等各種因素才能得以解決。

一直以來(lái)，電源管理集成電路(PMIC)沿用的是傳統(tǒng)制程配合不同的Bipolar CMOS DMOS(BCD)工藝。但如今，晶圓廠已經(jīng)可以提供各種高耐壓的先進(jìn)制程，而且可以支持更快的開(kāi)關(guān)速度，而且還能保持極低的效率變化率。這就成為了能夠定義一個(gè)新架構(gòu)的關(guān)鍵因素。

超旸最新的DC-DC架構(gòu)(超旸專利)，旁路雙占空比控制 (BDDC?)，主要具備以下特點(diǎn)：

1. 高頻開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)電壓控制(DVC)的無(wú)條件穩(wěn)定性。

2. 通過(guò)從連續(xù)電流模式(CCM)和不連續(xù)電流模式(DCM)的無(wú)縫過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)平坦化的效率。

3. 在高開(kāi)關(guān)頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，不依賴于電流檢測(cè)或過(guò)零比較器;最高頻率受限于工藝和開(kāi)關(guān)損耗。

4. 快速數(shù)字負(fù)載電流監(jiān)測(cè)，可提供：

數(shù)字切腳和數(shù)字切相技術(shù);

專有負(fù)載感知的DVFS (LA-DVFS?);

旁路雙占空比控制技術(shù) (BDDC?)

參考圖1，兩個(gè)獨(dú)立的脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)占空比，PWMbase 和 PWMadj.

在輕載條件下，只有PWMbase用于讓設(shè)備處于DCM模式。當(dāng) Vout 低于某個(gè)閾值，就產(chǎn)生一個(gè)PWM脈沖來(lái)打開(kāi)功率級(jí)并調(diào)節(jié)輸出電壓，否則在負(fù)載增加前不會(huì)發(fā)送電流到Cout。

圖1：簡(jiǎn)化的旁路雙占空比控制 (BDDC?) 架構(gòu)

在DCM中，使用脈沖調(diào)頻(PFM)操作。隨著負(fù)載的增加，PFM會(huì)變得趨近于連續(xù)，輸出也會(huì)無(wú)縫地過(guò)渡到CCM和PWM操作，如圖2所示。

在CCM中，系統(tǒng)在 PWMbase 和 PWMadj 之間來(lái)回振蕩，其中PWMadj 按照最大負(fù)載被設(shè)置。

圖 2：BDDC? 啟動(dòng)和負(fù)載瞬態(tài)調(diào)節(jié)

旁路模式

旁路模式僅在DCM和CCM過(guò)沖條件下激活。

在CCM中過(guò)沖超過(guò)一定閾值，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入DCM，內(nèi)部旁路開(kāi)關(guān)將外部電感(L)短路;然后，電感在一個(gè)自由旋轉(zhuǎn)的循環(huán)中消散其電流，沒(méi)有額外的電流流向負(fù)載。

旁路模式的優(yōu)點(diǎn)是：

消除DCM中的振鈴;

防止負(fù)載從高到低時(shí)的瞬態(tài)過(guò)沖;

這種旁路開(kāi)關(guān)也消除了共振，允許系統(tǒng)高速的運(yùn)行的同時(shí)，無(wú)條件地保持穩(wěn)定。

圖 3：BDDC? 旁路模式在高速電壓轉(zhuǎn)化率下最小化振鈴

使Vout在DVC模式下以最高的電壓轉(zhuǎn)換率爬坡，而且沒(méi)有振鈴;如圖3所示。

無(wú)縫PFM-PWM過(guò)渡

根據(jù)圖2，在輕載條件下，DCM(PFM模式)將隨著負(fù)載的增加而自動(dòng)轉(zhuǎn)換到CCM(PWM模式)。相反，當(dāng)負(fù)載降低到某個(gè)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)將自動(dòng)接合并過(guò)渡到具有PFM脈沖調(diào)節(jié)輕負(fù)荷條件的DCM，直到負(fù)載增加并自動(dòng)過(guò)渡到CCM。

傳統(tǒng)的方法依賴于電流監(jiān)測(cè)來(lái)在PFM和PWM模式之間切換，并需要遲滯來(lái)減少因不準(zhǔn)確性和延遲帶來(lái)的效率不連續(xù)。

BDDC? 不需要電流檢測(cè)或者過(guò)零檢測(cè)，這允許基于工藝節(jié)點(diǎn)的最大開(kāi)關(guān)速度無(wú)縫地進(jìn)行PFM-PWM操作。如圖4所示，在PFM-PWM轉(zhuǎn)換期間，在一個(gè)較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)，效率依然保持不變。

圖 4：寬負(fù)載電流范圍內(nèi)的平坦效率(雙相顯示，Vin在=3.6V)和競(jìng)品對(duì)比(Fsw=3MHz)

在極端瞬態(tài)下的交流調(diào)節(jié)

為了減輕Vout上的次諧波紋波，超旸研發(fā)了一項(xiàng)具有專利的交流調(diào)節(jié)技術(shù)，使紋波保持在毫伏范圍內(nèi)，并不影響系統(tǒng)的無(wú)條件穩(wěn)定性。

此交流調(diào)節(jié)可防止負(fù)載瞬變時(shí)的下降和過(guò)沖。圖5顯示了在高電壓轉(zhuǎn)換速率下在不同負(fù)載瞬態(tài)下的單相BUCK調(diào)制。

在整個(gè)ACR過(guò)程中，依然不影響PFM-to-PWM的無(wú)縫切換。

圖 5：交流調(diào)節(jié)范圍在 +/- 2.5%，F(xiàn)s=10MHz, L=60nH, Cout=20uF，單相BDDCTM 0到5A的偽隨機(jī)負(fù)載瞬態(tài)為7A/us。設(shè)備在4us中從0上升到1.1V。它可以從PFM模式無(wú)縫地過(guò)渡到PWM模式，反之亦然。

數(shù)字負(fù)載監(jiān)測(cè)(DLM)

在CCM中，PWMadj和PWMbase之間的占空比與負(fù)載電流呈線性相關(guān)。將比較器的比特流平均后可以得到數(shù)字化的負(fù)載電流，如圖6所示。

圖 6：Fs=20MHz, L=36nH, Cout=10uF，單相BDDC?報(bào)告<2us中的電流階躍

當(dāng)不調(diào)整時(shí)，8位比較器的平均輸出為零，表明設(shè)備處于輕負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)不斷調(diào)整時(shí)，比較器的平均輸出為256位，表明負(fù)載處于可調(diào)節(jié)的最大電流.

在DCM(PFM)中，電流脈沖的密度與負(fù)載電流成正比。同樣的，將旁路比較器的輸出平均可以提供數(shù)字化的輕載電流。

DLM允許在多相操作中實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)字切腳和切相技術(shù)，與超旸的交流調(diào)節(jié)技術(shù)結(jié)合使用，它在提高效率和擴(kuò)大負(fù)載范圍的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了完美的切腳和切相技術(shù)。

接下來(lái)，我們將討論如何將DLM和LA-DVFS?用于提高相關(guān)的SoC的系統(tǒng)效率。

負(fù)載感知DVFS操作

現(xiàn)代電子設(shè)備可以動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算需求,但與此同時(shí)也要消耗一定的能量。這也使得降低延時(shí)，提升性能，降低功耗成為不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。

動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字時(shí)鐘頻率和電源電壓并不是什么新鮮事了。我們要做的是減少響應(yīng)延遲，使能量只在被需要時(shí)消耗，這就是快速DVC。

通過(guò)DLM實(shí)時(shí)提供數(shù)字化的負(fù)載信息，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)“負(fù)載感知”，這加快了通過(guò)硬件以及軟件在系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整頻率和電壓的能力。

硬件解決方案的一部分是BDDC? 技術(shù)可以在非常高的開(kāi)關(guān)速度下運(yùn)行PMIC DC-DC轉(zhuǎn)換器。超旸已經(jīng)可以成功演示多相150MHz(1V)嵌入式電壓調(diào)節(jié)器(eVR?)。我們還開(kāi)發(fā)了另外一款20MHz，5V DC-DC轉(zhuǎn)換器，DLM為<2us延遲。這使得基于硬件的微秒級(jí)(可能更快)的LA-DVFS? 系統(tǒng)成為可能，同時(shí)也可以在不同的操作系統(tǒng)中通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)快速LA-DVFS?。

關(guān)于超旸半導(dǎo)體

超旸公司是一家無(wú)晶圓廠的半導(dǎo)體公司，提供行業(yè)領(lǐng)先且具有顛覆性的電源管理和智能傳感器芯片組解決方案，應(yīng)用涵蓋移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和云服務(wù)器。

超旸的專利技術(shù)提供了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的超快開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，通過(guò)一流的效率實(shí)現(xiàn)高性能和超低功率。超旸專有的低功耗和小尺寸人工智能(AI)實(shí)現(xiàn)與其創(chuàng)新的模擬前端(AFE)相結(jié)合，為智能物聯(lián)網(wǎng)、智能音頻和其他應(yīng)用提供了最佳信噪比和AOP的解決方案。

我們的技術(shù)組合創(chuàng)建了一個(gè)融合產(chǎn)品和服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)，共同提供增強(qiáng)的定制用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)低功耗和低延遲的前沿智能科技。