高频开关和动态电压控制(DVC)的无条件稳定性设计

如今，我们正处于一个被无处不在的数据及高耗电应用所驱动的信息计算世界中，使得电源管理成为了不同系统、网络和软件所面临多方面挑战中的不可忽视的一环。智能设备、边缘计算和云处理都对高效的电力传输有特别的要求，在提高产品性价比和降低功耗的目标下，实现低延迟和高处理能力。

为了满足这些需求，电源管理解决方案必须提供可由系统控制的超高速能量输送，以更小的尺寸来满足整体电源需求。电源管理和计算平台的集成和耦合对于在速度、效率、成本和尺寸方面的持续改进至关重要。

本文主要来介绍下超旸如何使用我们的专利和方案，来满足上述日益增长的需求。

如今很多的电源管理集成电路(PMIC)里所集成的DC-DC转换器，是一个有30多年历史架构的设计。为了满足如今的需求，DC-DC转换器必须达到接近完美的效率，在极短的时间内来调制电压，在严格的瞬态下保持负载调节，并且以更高的速度去开关，以此来减少无源组件的尺寸和数量，这是当前行业所面临的一个巨大挑战。

所以如何来应对这个挑战，就必须要综合考虑架构、系统和半导体解决方案等各种因素才能得以解决。

一直以来，电源管理集成电路(PMIC)沿用的是传统制程配合不同的Bipolar CMOS DMOS(BCD)工艺。但如今，晶圆厂已经可以提供各种高耐压的先进制程，而且可以支持更快的开关速度，而且还能保持极低的效率变化率。这就成为了能够定义一个新架构的关键因素。

超旸最新的DC-DC架构(超旸专利)，旁路双占空比控制 (BDDC™)，主要具备以下特点：

1. 高频开关和动态电压控制(DVC)的无条件稳定性。

2. 通过从连续电流模式(CCM)和不连续电流模式(DCM)的无缝过渡，实现平坦化的效率。

3. 在高开关频率下稳定运行，不依赖于电流检测或过零比较器;最高频率受限于工艺和开关损耗。

4. 快速数字负载电流监测，可提供：

数字切脚和数字切相技术;

专有负载感知的DVFS (LA-DVFS™);

旁路双占空比控制技术 (BDDC™)

参考图1，两个独立的脉宽调制(PWM)发生器产生两个占空比，PWMbase 和 PWMadj.

在轻载条件下，只有PWMbase用于让设备处于DCM模式。当 Vout 低于某个阈值，就产生一个PWM脉冲来打开功率级并调节输出电压，否则在负载增加前不会发送电流到Cout。

图1：简化的旁路双占空比控制 (BDDC™) 架构

在DCM中，使用脉冲调频(PFM)操作。随着负载的增加，PFM会变得趋近于连续，输出也会无缝地过渡到CCM和PWM操作，如图2所示。

在CCM中，系统在 PWMbase 和 PWMadj 之间来回振荡，其中PWMadj 按照最大负载被设置。

图 2：BDDC™ 启动和负载瞬态调节

旁路模式

旁路模式仅在DCM和CCM过冲条件下激活。

在CCM中过冲超过一定阈值，设备自动进入DCM，内部旁路开关将外部电感(L)短路;然后，电感在一个自由旋转的循环中消散其电流，没有额外的电流流向负载。

旁路模式的优点是：

消除DCM中的振铃;

防止负载从高到低时的瞬态过冲;

这种旁路开关也消除了共振，允许系统高速的运行的同时，无条件地保持稳定。

图 3：BDDC™ 旁路模式在高速电压转化率下最小化振铃

使Vout在DVC模式下以最高的电压转换率爬坡，而且没有振铃;如图3所示。

无缝PFM-PWM过渡

根据图2，在轻载条件下，DCM(PFM模式)将随着负载的增加而自动转换到CCM(PWM模式)。相反，当负载降低到某个设定点时，旁路开关将自动接合并过渡到具有PFM脉冲调节轻负荷条件的DCM，直到负载增加并自动过渡到CCM。

传统的方法依赖于电流监测来在PFM和PWM模式之间切换，并需要迟滞来减少因不准确性和延迟带来的效率不连续。

BDDC™ 不需要电流检测或者过零检测，这允许基于工艺节点的最大开关速度无缝地进行PFM-PWM操作。如图4所示，在PFM-PWM转换期间，在一个较宽的负载电流范围内，效率依然保持不变。

图 4：宽负载电流范围内的平坦效率(双相显示，Vin在=3.6V)和竞品对比(Fsw=3MHz)

在极端瞬态下的交流调节

为了减轻Vout上的次谐波纹波，超旸研发了一项具有专利的交流调节技术，使纹波保持在毫伏范围内，并不影响系统的无条件稳定性。

此交流调节可防止负载瞬变时的下降和过冲。图5显示了在高电压转换速率下在不同负载瞬态下的单相BUCK调制。

在整个ACR过程中，依然不影响PFM-to-PWM的无缝切换。

图 5：交流调节范围在 +/- 2.5%，Fs=10MHz, L=60nH, Cout=20uF，单相BDDCTM 0到5A的伪随机负载瞬态为7A/us。设备在4us中从0上升到1.1V。它可以从PFM模式无缝地过渡到PWM模式，反之亦然。

数字负载监测(DLM)

在CCM中，PWMadj和PWMbase之间的占空比与负载电流呈线性相关。将比较器的比特流平均后可以得到数字化的负载电流，如图6所示。

图 6：Fs=20MHz, L=36nH, Cout=10uF，单相BDDC™报告<2us中的电流阶跃

当不调整时，8位比较器的平均输出为零，表明设备处于轻负载状态。当系统不断调整时，比较器的平均输出为256位，表明负载处于可调节的最大电流.

在DCM(PFM)中，电流脉冲的密度与负载电流成正比。同样的，将旁路比较器的输出平均可以提供数字化的轻载电流。

DLM允许在多相操作中实现有效的数字切脚和切相技术，与超旸的交流调节技术结合使用，它在提高效率和扩大负载范围的同时，实现了完美的切脚和切相技术。

接下来，我们将讨论如何将DLM和LA-DVFS™用于提高相关的SoC的系统效率。

负载感知DVFS操作

现代电子设备可以动态的实现数据传输和计算需求,但与此同时也要消耗一定的能量。这也使得降低延时，提升性能，降低功耗成为不同产品的设计需求。

动态调整数字时钟频率和电源电压并不是什么新鲜事了。我们要做的是减少响应延迟，使能量只在被需要时消耗，这就是快速DVC。

通过DLM实时提供数字化的负载信息，系统还可以实现实时“负载感知”，这加快了通过硬件以及软件在系统内调整频率和电压的能力。

硬件解决方案的一部分是BDDC™ 技术可以在非常高的开关速度下运行PMIC DC-DC转换器。超旸已经可以成功演示多相150MHz(1V)嵌入式电压调节器(eVR™)。我们还开发了另外一款20MHz，5V DC-DC转换器，DLM为<2us延迟。这使得基于硬件的微秒级(可能更快)的LA-DVFS™ 系统成为可能，同时也可以在不同的操作系统中通过软件的方式来实现快速LA-DVFS™。

关于超旸半导体

超旸公司是一家无晶圆厂的半导体公司，提供行业领先且具有颠覆性的电源管理和智能传感器芯片组解决方案，应用涵盖移动设备、物联网、个人计算机和云服务器。

超旸的专利技术提供了国际标准的超快开关调节器，通过一流的效率实现高性能和超低功率。超旸专有的低功耗和小尺寸人工智能(AI)实现与其创新的模拟前端(AFE)相结合，为智能物联网、智能音频和其他应用提供了最佳信噪比和AOP的解决方案。

我们的技术组合创建了一个融合产品和服务的生态系统，共同提供增强的定制用户体验，实现低功耗和低延迟的前沿智能科技。