如今，我們正處于一個被無處不在的數(shù)據(jù)及高耗電應用所驅(qū)動的信息計算世界中，使得電源管理成為了不同系統(tǒng)、網(wǎng)絡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、邊緣計算和云處理都對高效的電力傳輸有特別的要求，在提高產(chǎn)品性價比和降低功耗的目標下，實現(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(xù)改進至關(guān)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(zhuǎn)換器，是一個有30多年歷史架構(gòu)的設(shè)計。為了滿足如今的需求，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須達到接近完美的效率，在極短的時間內(nèi)來調(diào)制電壓，在嚴格的瞬態(tài)下保持負載調(diào)節(jié)，并且以更高的速度去開關(guān)，以此來減少無源組件的尺寸和數(shù)量，這是當前行業(yè)所面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。

所以如何來應對這個挑戰(zhàn)，就必須要綜合考慮架構(gòu)、系統(tǒng)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(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制程，而且可以支持更快的開關(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：

1. 高頻開關(guān)和動態(tài)電壓控制(DVC)的無條件穩(wěn)定性。

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

3. 在高開關(guān)頻率下穩(wěn)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(guān)損耗。

4. 快速數(shù)字負載電流監(jiān)測，可提供：

數(shù)字切腳和數(shù)字切相技術(shù);

專有負載感知的DVFS (LA-DVFS?);

旁路雙占空比控制技術(shù) (BDDC?)

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

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

圖1：簡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。隨著負載的增加，PFM會變得趨近于連續(xù)，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(tǒng)在 PWMbase 和 PWMadj 之間來回振蕩，其中PWMadj 按照最大負載被設(shè)置。

圖 2：BDDC? 啟動和負載瞬態(tài)調(diào)節(jié)

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(shè)備自動進入DCM，內(nèi)部旁路開關(guān)將外部電感(L)短路;然后，電感在一個自由旋轉(zhuǎn)的循環(huán)中消散其電流，沒有額外的電流流向負載。

旁路模式的優(yōu)點是：

消除DCM中的振鈴;

防止負載從高到低時的瞬態(tài)過沖;

這種旁路開關(guān)也消除了共振，允許系統(tǒng)高速的運行的同時，無條件地保持穩(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，而且沒有振鈴;如圖3所示。

無縫PFM-PWM過渡

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

傳統(tǒng)的方法依賴于電流監(jiān)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(xù)。

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

圖 4：寬負載電流范圍內(nèi)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(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)的無條件穩(wěn)定性。

此交流調(diào)節(jié)可防止負載瞬變時的下降和過沖。圖5顯示了在高電壓轉(zhuǎn)換速率下在不同負載瞬態(tài)下的單相BUCK調(diào)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(diào)節(jié)范圍在 +/- 2.5%，F(xiàn)s=10MHz, L=60nH, Cout=20uF，單相BDDCTM 0到5A的偽隨機負載瞬態(tài)為7A/us。設(shè)備在4us中從0上升到1.1V。它可以從PFM模式無縫地過渡到PWM模式，反之亦然。

數(shù)字負載監(jiān)測(DLM)

在CCM中，PWMadj和PWMbase之間的占空比與負載電流呈線性相關(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(diào)整時，8位比較器的平均輸出為零，表明設(shè)備處于輕負載狀態(tài)。當系統(tǒng)不斷調(diào)整時，比較器的平均輸出為256位，表明負載處于可調(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，它在提高效率和擴大負載范圍的同時，實現(xiàn)了完美的切腳和切相技術(shù)。

接下來，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。

負載感知DVFS操作

現(xiàn)代電子設(shè)備可以動態(tài)的實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(chǎn)品的設(shè)計需求。

動態(tài)調(diào)整數(shù)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(shù)字化的負載信息，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)實時“負載感知”，這加快了通過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)可以在非常高的開關(guān)速度下運行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(可能更快)的LA-DVFS? 系統(tǒng)成為可能，同時也可以在不同的操作系統(tǒng)中通過軟件的方式來實現(xiàn)快速LA-DVFS?。

關(guān)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(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，應用涵蓋移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、個人計算機和云服務器。

超旸的專利技術(shù)提供了國際標準的超快開關(guān)調(diào)節(jié)器，通過一流的效率實現(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)建了一個融合產(chǎn)品和服務的生態(tài)系統(tǒng)，共同提供增強的定制用戶體驗，實現(xiàn)低功耗和低延遲的前沿智能科技。