本文轉載自： 超旸半導體微信公眾號

如今，我們正處于一個被無處不在的數據及高耗電應用所驅動的信息計算世界中，使得電源管理成為了不同系統、網絡和軟件所面臨多方面挑戰中的不可忽視的一環。智能設備、邊緣計算和云處理都對高效的電力傳輸有特別的要求，在提高產品性價比和降低功耗的目標下，實現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控制的超高速能量輸送，以更小的尺寸來滿足整體電源需求。電源管理和計算平臺的集成和耦合對于在速度、效率、成本和尺寸方面的持續改進至關重要。

本文主要來介紹下超旸如何使用我們的專利和方案，來滿足上述日益增長的需求。

如今很多的電源管理集成電路(PMIC)里所集成的DC-DC轉換器，是一個有30多年歷史架構的設計。為了滿足如今的需求，DC-DC轉換器必須達到接近完美的效率，在極短的時間內來調制電壓，在嚴格的瞬態下保持負載調節，并且以更高的速度去開關，以此來減少無源組件的尺寸和數量，這是當前行業所面臨的一個巨大挑戰。

所以如何來應對這個挑戰，就必須要綜合考慮架構、系統和半導體解決方案等各種因素才能得以解決。

一直以來，電源管理集成電路（PMIC）沿用的是傳統制程配合不同的Bipolar CMOS DMOS(BCD)工藝。但如今，晶圓廠已經可以提供各種高耐壓的先進制程，而且可以支持更快的開關速度，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新架構的關鍵因素。

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

1. 高頻開關和動態電壓控制(DVC)的無條件穩定性。

2. 通過從連續電流模式(CCM)和不連續電流模式(DCM)的無縫過渡，實現平坦化的效率。

3. 在高開關頻率下穩定運行，不依賴于電流檢測或過零比較器；最高頻率受限于工藝和開關損耗。

4. 快速數字負載電流監測，可提供：

數字切腳和數字切相技術；

專有負載感知的DVFS (LA-DVFS?)；

旁路雙占空比控制技術 (BDDC?)

參考圖1，兩個獨立的脈寬調制(PWM)發生器產生兩個占空比，PWMbase 和 PWMadj.

在輕載條件下，只有PWMbase用于讓設備處于DCM模式。當 Vout 低于某個閾值，就產生一個PWM脈沖來打開功率級并調節輸出電壓，否則在負載增加前不會發送電流到Cout。

圖1：簡化的旁路雙占空比控制 (BDDC?) 架構

在DCM中，使用脈沖調頻(PFM)操作。隨著負載的增加，PFM會變得趨近于連續，輸出也會無縫地過渡到CCM和PWM操作，如圖2所示。

在CCM中，系統在 PWMbase 和 PWMadj 之間來回振蕩，其中PWMadj 按照最大負載被設置。

圖 2：BDDC? 啟動和負載瞬態調節

旁路模式

旁路模式僅在DCM和CCM過沖條件下激活。

在CCM中過沖超過一定閾值，設備自動進入DCM，內部旁路開關將外部電感(L)短路；然后，電感在一個自由旋轉的循環中消散其電流，沒有額外的電流流向負載。

旁路模式的優點是：

消除DCM中的振鈴；

防止負載從高到低時的瞬態過沖；

這種旁路開關也消除了共振，允許系統高速的運行的同時，無條件地保持穩定。

圖 3：BDDC? 旁路模式在高速電壓轉化率下最小化振鈴

使Vout在DVC模式下以最高的電壓轉換率爬坡，而且沒有振鈴；如圖3所示。

無縫PFM-PWM過渡

根據圖2，在輕載條件下，DCM(PFM模式)將隨著負載的增加而自動轉換到CCM(PWM模式)。相反，當負載降低到某個設定點時，旁路開關將自動接合并過渡到具有PFM脈沖調節輕負荷條件的DCM，直到負載增加并自動過渡到CCM。

傳統的方法依賴于電流監測來在PFM和PWM模式之間切換，并需要遲滯來減少因不準確性和延遲帶來的效率不連續。

BDDC? 不需要電流檢測或者過零檢測，這允許基于工藝節點的最大開關速度無縫地進行PFM-PWM操作。如圖4所示，在PFM-PWM轉換期間，在一個較寬的負載電流范圍內，效率依然保持不變。

圖 4：寬負載電流范圍內的平坦效率（雙相顯示，Vin在=3.6V)和競品對比（Fsw=3MHz)

在極端瞬態下的交流調節

為了減輕Vout上的次諧波紋波，超旸研發了一項具有專利的交流調節技術，使紋波保持在毫伏范圍內，并不影響系統的無條件穩定性。

此交流調節可防止負載瞬變時的下降和過沖。圖5顯示了在高電壓轉換速率下在不同負載瞬態下的單相BUCK調制。

在整個ACR過程中，依然不影響PFM-to-PWM的無縫切換。

圖 5：交流調節范圍在 +/- 2.5%，Fs=10MHz, L=60nH, Cout=20uF，單相BDDCTM 0到5A的偽隨機負載瞬態為7A/us。設備在4us中從0上升到1.1V。它可以從PFM模式無縫地過渡到PWM模式，反之亦然。

數字負載監測(DLM)

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

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

當不調整時，8位比較器的平均輸出為零，表明設備處于輕負載狀態。當系統不斷調整時，比較器的平均輸出為256位，表明負載處于可調節的最大電流.

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

DLM允許在多相操作中實現有效的數字切腳和切相技術，與超旸的交流調節技術結合使用，它在提高效率和擴大負載范圍的同時，實現了完美的切腳和切相技術。

接下來，我們將討論如何將DLM和LA-DVFS?用于提高相關的SoC的系統效率。

負載感知DVFS操作

現代電子設備可以動態的實現數據傳輸和計算需求,但與此同時也要消耗一定的能量。這也使得降低延時，提升性能，降低功耗成為不同產品的設計需求。

動態調整數字時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延遲，使能量只在被需要時消耗，這就是快速DVC。

通過DLM實時提供數字化的負載信息，系統還可以實現實時“負載感知”，這加快了通過硬件以及軟件在系統內調整頻率和電壓的能力。

硬件解決方案的一部分是BDDC? 技術可以在非常高的開關速度下運行PMIC DC-DC轉換器。超旸已經可以成功演示多相150MHz（1V）嵌入式電壓調節器(eVR?)。我們還開發了另外一款20MHz，5V DC-DC轉換器，DLM為<2us延遲。這使得基于硬件的微秒級（可能更快）的LA-DVFS? 系統成為可能，同時也可以在不同的操作系統中通過軟件的方式來實現快速LA-DVFS?。

關于超旸半導體

超旸公司是一家無晶圓廠的半導體公司，提供行業領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，應用涵蓋移動設備、物聯網、個人計算機和云服務器。

超旸的專利技術提供了國際標準的超快開關調節器，通過一流的效率實現高性能和超低功率。超旸專有的低功耗和小尺寸人工智能(AI)實現與其創新的模擬前端(AFE)相結合，為智能物聯網、智能音頻和其他應用提供了最佳信噪比和AOP的解決方案。

我們的技術組合創建了一個融合產品和服務的生態系統，共同提供增強的定制用戶體驗，實現低功耗和低延遲的前沿智能科技。

審核編輯 黃宇