适用于移动终端SoC的高频高可靠数字控制SIMO DC-DC 转换器的设计理论研究与芯片实现

Increasing function-rich system-on-chip (SoC) applications in modern mobile applications requires a multiple level voltage and dynamic voltage scaling power supply systems, in order to extend their battery life. Meanwhile, to satisfy the requirement of much higher quality of power supply, power management circuits have a trend to operate in a higher switching frequency to improve the performance of loading response. This project will target on providing a high reliability and high frequency digital control solution to the SIMO dc-dc converter by the extended research and theoretical analysis. The advantage of digital circuit will be utilized to implement a more specified algorithm to provide a more robust cross-regulation suppression and self-regulation improvement. Moreover, to realize the SIMO dc-dc converter with the proposed control algorithm for advanced SoC application, the problems which put digital implementation away from the high frequency operation such as high speed ADC, DPWM, current sensor and processing delay of controller will be also researched and solved.

为获得更好的系统效率、隔离度和续航能力，移动终端SoC芯片要求开关电源（DC-DC转换器）多通道动态供电；为缩小尺寸，减少电感数量，单电感多输出（SIMO）技术得到了应用；在此基础上，为满足SoC系统对供电质量，特别是负载响应不断提升的要求，开关电源技术正朝着向更高开关频率的趋势发展。本项目围绕高开关频率下的单电感多输出SIMO DC-DC转换器在SoC应用上的技术难点展开研究工作，对互扰抑制、可靠性、负载响应速度等关键性能指标进行理论分析；并结合数字电路在实现控制算法的优势，探索和提出可靠性强的高互扰抑制控制方案。同时对工作在高开关频率下的DC-DC转换器遇到的诸多问题，如接口电路、ADC、DPWM、电流传感器、控制器延时等寻求解决方案。通过上述研究，提炼出数字控制高频高可靠的SIMO DC-DC转换器的设计理论及芯片实现方法。

为获得更好的系统效率、隔离度和续航能力，移动终端SoC芯片要求开关电源（DC-DC转换器）多通道动态供电；为缩小尺寸，减少电感数量，单电感多输出（SIMO）技术得到了应用；在此基础上，为满足SoC系统对供电质量，特别是负载响应不断提升的要求，开关电源技术正朝着向更高开关频率的趋势发展。本项目围绕高开关频率下的单电感多输出SIMO DC-DC转换器在SoC应用上的技术难点展开研究工作，对互扰抑制、可靠性、负载响应速度等关键性能指标进行理论分析，提出了4种SIMO电压转化器的控制结构，包括有基于占空比、控制电流前馈及右半平面零点抑制方案；基于受限占空比的数字控制方案；基于滞回电流和电荷控制的升/降压控制方案；基于主从并行输出结构的控制方案。部分方案经过流片测试验证，其互扰抑制可以低至0.02V/A。同时对工作在高开关频率下的DC-DC转换器遇到的诸多问题，如ADC、电流传感器、电流过零检测，LDO等子模块进行了研究及性能改善。项目主要在改善SIMO转换器动态特性，提升电感电流传感器工作频率上面取得了较大的进展。