基于數(shù)字輔助及時(shí)的SoC功率集成研究.pdf

1、當(dāng)今SoC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)芯片）在個(gè)人移動(dòng)信息終端中扮演著重要的角色。隨著集成度的提高，外圍的功率集成電路逐漸向片內(nèi)集成。功率集成電路中傳統(tǒng)的模擬控制方式，在先進(jìn)工藝下集成于 SoC時(shí)面臨著諸多挑戰(zhàn)。相比之下，數(shù)字電路有著更好的工藝兼容性和更強(qiáng)的信號(hào)處理能力。因此，本文從多個(gè)方面對(duì)數(shù)字輔助功率集成（Digital Assistant Power Integration，DAPI）技術(shù)進(jìn)行了研究，包括數(shù)字輔助DC-D

2、C變換器、數(shù)字控制DC-DC變換器、PMU（Power Management Unit，電源管理單元）以及PMU在SoC中的集成幾個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了SoC中的高精度、高變換效率和高集成度的功率集成。本文的主要研究工作和創(chuàng)新包括：
　?。?）提出DC-DC變換器的數(shù)字誤差校準(zhǔn)方法：針對(duì)相位超前補(bǔ)償方式環(huán)路增益較低、調(diào)整率較差的情況，在誤差放大器的輸出疊加補(bǔ)償電流。通過復(fù)用誤差放大器的差分電流輸出，構(gòu)建比較器用以檢測輸出電壓是否在容差范圍

3、內(nèi)，并通過有限狀態(tài)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)整疊加的補(bǔ)償電流，從而大幅度提高了變換器的調(diào)整率和輸出電壓精度?；诖朔椒ㄑ兄频木哂袛?shù)字誤差校準(zhǔn)器的DC-DC變換器，很好地結(jié)合了數(shù)字控制方式和模擬控制方式的優(yōu)點(diǎn)，具有高調(diào)整率、低誤差、良好的瞬態(tài)響應(yīng)等特性，非常適用于DVS（Dynamic Voltage Scaling）系統(tǒng)。在負(fù)載范圍和以25mV為步進(jìn)的DVS范圍內(nèi)，電壓誤差在±10mV以內(nèi)。在負(fù)載電流為250mA時(shí)，輸出電壓在1.20V和0.85V之間變

4、化，實(shí)現(xiàn)了上調(diào)壓時(shí)間30μs，下調(diào)壓時(shí)間32μs。由于相位超前補(bǔ)償方式具有較小的無源器件，變換器實(shí)現(xiàn)了單片集成，并可在PMU中實(shí)現(xiàn)較高的集成度。
　?。?）提出了一種數(shù)字脈寬調(diào)制器（Digital Pulse Width Modulator，DPWM）的自校準(zhǔn)方法：通過分析使得DPWM線性度降低的因素，在限制各個(gè)延遲單元控制碼之間偏差的基礎(chǔ)上，通過組合不同延遲時(shí)間的延遲單元，實(shí)現(xiàn)了線性度的提高?；诖朔椒ㄑ兄频目删C合2MHz10b

5、it數(shù)字脈寬調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了較高的線性度。其中，INL由校準(zhǔn)前的-5.1，在完成自校準(zhǔn)后降低到1.3；DNL由校準(zhǔn)前的5.1，在完成自校準(zhǔn)后降低到0.4。全數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的DPWM有良好的工藝兼容性和實(shí)現(xiàn)便捷性，為數(shù)字控制DC-DC變換器技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高精度的輸出提供了更好的選擇。
　?。?）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多種方式的變換效率提升方法：為提升變換器變換效率，采用多種數(shù)字手段對(duì)變換器的工作進(jìn)行增強(qiáng)，包括雙模式工作、功率管自適應(yīng)尺寸控制和數(shù)字式自適應(yīng)

6、死區(qū)時(shí)間控制。通過綜合應(yīng)用多種方法，降低了輕負(fù)載時(shí)的電流消耗，提升了變換器寬負(fù)載范圍內(nèi)的變換效率。本文提出的死區(qū)時(shí)間檢測電路，通過檢測功率管體二極管的開通情況，通過翻轉(zhuǎn)邊沿觸發(fā)邏輯，從而及時(shí)打開 N型功率管，達(dá)到了最短的死區(qū)時(shí)間。同其他形式的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法相比，具有更快的響應(yīng)速度和更好的魯棒性。在開關(guān)頻率為2MHz的DC-DC變換器中綜合應(yīng)用以上效率提升方法，實(shí)現(xiàn)了最高91％，輕負(fù)載下維持80%以上的變換效率。
　?。?）設(shè)

7、計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款數(shù)字控制雙模式 DC-DC變換器：通過在頻率域處理ADC的差分輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了小面積、高精度和具有良好工藝和溫度穩(wěn)定性的差分環(huán)形振蕩器ADC；在z域構(gòu)建IIR（Infinite Impulse Response，無限沖激響應(yīng)）濾波器，補(bǔ)償整個(gè)變換器環(huán)路；變換器在較重負(fù)載情況下工作于PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制模式）模式，在較輕負(fù)載下工作于PSM（Pulse Skipping Modulat

8、ion，脈沖跳躍模式）模式，可在較寬負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的變換效率。
　?。?）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了帶有雙 DVS功能的電源管理單元：采用時(shí)鐘分相控制和地噪聲隔離技術(shù)，提升了 PMU中集成多個(gè)開關(guān)變換器的穩(wěn)定性和兼容性。針對(duì)DVS速度的需求，發(fā)展了最大充電電流和PSM工作模式相結(jié)合的DVS策略，實(shí)現(xiàn)了高效、快速的DVS響應(yīng)。
　?。?）將本文所研究的PMU在一款低功耗SoC芯片中進(jìn)行集成。針對(duì)DVFS系統(tǒng)的不足，提出一種全新的AVS（