片上动态电压缩放功率变换器环路补偿技术的研究与实现

The proposal is to research fundamental theory and implementation technique of DVS-enabled power converters. There are mainly two innovations in the study: First, Extended Pseudo Type 3 (EPT3) compensation theory is firstly proposed. The order of transfer function is reduced and the bandwidth is extended by paralleling dual signal paths: gain stage and proportional integral stage. Second, the circuit implementations of EPT3 based on full differential operational amplifier, and based on digital assistant mixed signal implementation are also proposed. Fast voltage scaling is realized without overshoot/undershoot. The EPT3 compensator and circuit implementations proposed in the proposal can solve the key problems of compensator integration and voltage scaling speed limitation, providing fast and compact DVS solution for low power SoCs. The study is comparable with state of arts. It’s about fundamental research of applications with great theoretical sense and practical value.

本项目针对动态电压缩放功率变换器，对环路补偿基础理论和实现技术进行创新性研究，提供解决关键问题的科学方法，含两项创新：1. 提出扩展伪三型（Extended Pseudo Type 3, EPT3）补偿理论，采取增益级和比例积分级并联的双信号路径，对传统三型进行降阶处理，获得了带宽的扩展，为国际首次提出；2. 提出基于全差分运放以及由数字辅助的混合信号EPT3电路实现技术，以实现快速响应、无过冲/下冲的电压缩放调节。所研究的EPT3补偿理论和电路实现方式，可解决补偿器片上集成和电压缩放速度限制的关键问题，为低功耗SoC提供快速、紧凑的动态电压缩放解决方案。本研究系与国际水平同步的应用基础性研究，具有重要的理论意义和应用价值。

为降低系统功耗，动态调压调频（Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS）技术广泛用于SoC的供电。DVFS系统对DC-DC变换器提出了输出电压动态调整的要求，从而要求DC-DC变化器可实现快速、无过冲的电压调节能力。同时，为保证负载正常工作，需要具有快速的负载阶跃响应能力。.本项目从DC-DC变换器的控制方法和电路实现着手，在动态调压变换器基础控制理论和集成电路实现技术方面进行了深入研究，具体而言：.1）提出扩展伪三型补偿技术，通过并联低通信号路径和低增益路径实现了三型补偿函数，大幅度减小了片上补偿元件面积；.2）基于DC-DC变换器小信号模型和本研究提出的扩展伪三型补偿技术，分析复极点、占空比饱和、电感电流饱和以及伪三型补偿结构对DVS响应造成的影响，同时采用积分器钳位和单位增益零点前置技术，实现快速、无过冲的电压调节效果；.3）提出了快速DVS变换器的集成电路实现。流片结果表明，本研究所实现的DC-DC变换器工作于5MHz，可实现快速DVS调节，适用于高动态DVFS系统，降低了调节过程的过冲和下冲，负载阶跃响应能力同样得到了优化；.4）提出了采用伪三型补偿的低噪声DC-DC变换器。采用DC-DC变换器与高PSR LDR（Low Dropout Regulator）串联的方法，移除输出频谱中的尖刺噪声。控制环路采用了本项目所研究的EPT3补偿方式。LDR的压差根据负载电流动态可变，实现了轻负载效率的大幅度提升。本项目同时提出了一种同时采用EPT3补偿和Delta-Sigma调制的DC-DC变换器方案，在输出频谱得到优化的同时保证了变换效率。.在国家自然科学基金支持下，本项目共发表公开论文15篇（SCI论文2篇，EI论文6篇，中文核心期刊5篇），申请中国发明专利19项，获得发明专利授权6项，培养硕士毕业生6名，博士研究生1名。.本项目所研究的功率变换器补偿理论和实现方法，可广泛应用于其它各种便携式电子产品、计算机处理器、数字电视等高端SoC芯片中进行低能耗的电源管理。随着电子技术及半导体工艺的迅猛发展，特别是随着便携式和民用电子产品的高速发展，SoC芯片首先并将快速在这些产品或行业中得到应用，而其中的电源管理问题也更加突出和亟需解决。本项目所研究的内容着眼于今后数年集成电路领域亟需解决的问题和关键技术，其市场应用前景非常广