用于移动终端设备的高效率高速Buck-Boost电源管理电路的研究

Highly efficient power management circuit has always been an intensive research area in integrated power management field. High efficiency and fast transient response are key design techniques in achieving dynamic voltage scaling, power optimization from application level, and battery life extension for mobile devices. This project proposes Buck + Boost hybrid control using pulse frequency modulation, thus avoiding the low-efficient buck-boost switching operation and leading to significantly improved overall and light-load efficiency. In addition, this project applies, for the first time, current mode hysteretic control to buck-boost converter, making it possible to achieve an ultra-fast buck-boost power converter. By focusing on the efficiency and transient response, this project targets at high efficiency fast transient response next generation buck-boost integrated power management unit. The expected peak efficiency is higher than 98% and the 1% settling time when output voltage scales between 2.5V and 3.3V is shorter than 3μs.

高效率电源管理电路一直是国际集成电源管理领域的研究热点。同时实现高效率与高速瞬态响应是实现动态电压调整、从应用层优化系统功耗、提升移动终端续航能力的核心技术。本项目从Buck-Boost拓扑的理论效率瓶颈出发，提出新型的利用PFM方式实现Buck + Boost混合拓扑控制、规避低效Buck-Boost拓扑的控制思路，实现整体效率与轻载效率最优化。其次本项目首次提出应用电流模迟滞（Current Mode Hysteretic）控制于Buck-Boost电源的设计思路，使高速迟滞控制Buck-Boost电源成为可能，显著改善现有Buck-Boost电源架构的瞬态响应速度。通过对效率与响应速度两大核心问题的科学研究，实现适用于移动终端设备的新一代高效率高速Buck-Boost电源管理电路。拟实现Buck-Boost峰值效率高于98%，动态电压调整(2.5V至3.3V)1%稳定时间少于3μs。

本项目针对应用于移动终端的电源管理电路展开研究，重点研究可用于Buck/ Boost/Buck-Boost的电流模迟滞型控制方式，实现低静态误差、高速瞬态响应等性能。本项目提出一种基于比较器的交流耦合迟滞型控制方式，仅用2个晶体管、2个电阻及一个电容实现电感电流模拟电路，并基于交流耦合解决了基于比较器控制的静态误差问题，实验结果表明，该技术仅利用一个比较器即可同时实现低静态误差（5mV/A）及高速动态响应（0-300mA切载下电压变化小于+38mV/-42mV），相关结果发表于2019年欧洲固态电路会议（ESSCIRC）。在高速瞬态响应方面，本项目提出一种动态斜坡控制的高速响应控制方式，实现了在100-500mA负载切换下实现+9.3mV/-12.7mV电压变化，在输入电压12V15V12V切换情况下实现+5.2mV/-3.8mV电压变化等优异的瞬态响应性能，相关结果发表于2020年定制集成电路会议（CICC）。在高密度电源转换器领域，本项目提出一种12级开关电容-开关电感架构，并首次提出基于片上功率管与氮化镓功率管混合能量转换，实现998A/inch3功率密度，该技术方式收到广泛关注，相关结果发表于2021国际固态电路会议（ISSCC），获评ISSCC 2021丝绸之路奖并受邀发表于及固态电路期刊（JSSC）。本项目研究完成的三大技术作为高性能开关电源基础共性技术，对高速、高精度、高效率开关电源转换器的研究具有积极地支撑作用。