基于数字辅助及时的SoC功率集成研究.pdf

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1、万方数据万方数据REASEARCHOFPOWERINTEGRATIONINSOCBASEDONDIGITALASSISTANTTECHNOLOGYADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MicroelectronicsandSolidStateElectronicsAuthor:ZhenShaoweiAdvisor:ProfessorZhangBoSchool:SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics万方数据

2、万方数据摘要摘要当今SoC（SystemonChip，系统级芯片）在个人移动信息终端中扮演着重要的角色。随着集成度的提高，外围的功率集成电路逐渐向片内集成。功率集成电路中传统的模拟控制方式，在先进工艺下集成于SoC时面临着诸多挑战。相比之下，数字电路有着更好的工艺兼容性和更强的信号处理能力。因此，本文从多个方面对数字辅助功率集成（DigitalAssistantPowerIntegration，DAPI）技术进行了研究，包括数字辅助DC-DC变换器、数字控制DC-DC变换器、PMU（PowerManagementUnit，电源管理单元）以及PMU在SoC中的集成几个方面，实现了SoC中的高精度

3、、高变换效率和高集成度的功率集成。本文的主要研究工作和创新包括：（1）提出DC-DC变换器的数字误差校准方法：针对相位超前补偿方式环路增益较低、调整率较差的情况，在误差放大器的输出叠加补偿电流。通过复用误差放大器的差分电流输出，构建比较器用以检测输出电压是否在容差范围内，并通过有限状态机动态调整叠加的补偿电流，从而大幅度提高了变换器的调整率和输出电压精度。基于此方法研制的具有数字误差校准器的DC-DC变换器，很好地结合了数字控制方式和模拟控制方式的优点，具有高调整率、低误差、良好的瞬态响应等特性，非常适用于DVS（DynamicVoltageScaling）系统。在负载范围和以25mV为步进的

4、DVS范围内，电压误差在±10mV以内。在负载电流为250mA时，输出电压在1.20V和0.85V之间变化，实现了上调压时间30μs，下调压时间32μs。由于相位超前补偿方式具有较小的无源器件，变换器实现了单片集成，并可在PMU中实现较高的集成度。（2）提出了一种数字脉宽调制器（DigitalPulseWidthModulator，DPWM）的自校准方法：通过分析使得DPWM线性度降低的因素，在限制各个延迟单元控制码之间偏差的基础上，通过组合不同延迟时间的延迟单元，实现了线性度的提高。基于此方法研制的可综合2MHz10bit数字脉宽调制器实现了较高的线性度。其中，INL由校准前的-5.1，在完

5、成自校准后降低到1.3；DNL由校准前的5.1，在完成自校准后降低到0.4。全数字方式实现的DPWM有良好的工艺兼容性和实现便捷性，为数字控制DC-DC变换器技术实现更高精度的输出提供了更好的选择。（3）设计实现了多种方式的变换效率提升方法：为提升变换器变换效率，采I万方数据摘要用多种数字手段对变换器的工作进行增强，包括双模式工作、功率管自适应尺寸控制和数字式自适应死区时间控制。通过综合应用多种方法，降低了轻负载时的电流消耗，提升了变换器宽负载范围内的变换效率。本文提出的死区时间检测电路，通过检测功率管体二极管的开通情况，通过翻转边沿触发逻辑，从而及时打开N型功率管，达到了最短的死区时间。同其

6、他形式的死区时间优化控制方法相比，具有更快的响应速度和更好的鲁棒性。在开关频率为2MHz的DC-DC变换器中综合应用以上效率提升方法，实现了最高91%，轻负载下维持80%以上的变换效率。（4）设计并实现了一款数字控制双模式DC-DC变换器：通过在频率域处理ADC的差分输入电压，实现了小面积、高精度和具有良好工艺和温度稳定性的差分环形振荡器ADC；在z域构建IIR（InfiniteImpulseResponse，无限冲激响应）滤波器，补偿整个变换器环路；变换器在较重负载情况下工作于PWM（PulseWidthModulation，脉宽调制模式）模式，在较轻负载下工作于PSM（PulseSkipp

7、ingModulation，脉冲跳跃模式）模式，可在较宽负载范围内保持较高的变换效率。（5）设计并实现了带有双DVS功能的电源管理单元：采用时钟分相控制和地噪声隔离技术，提升了PMU中集成多个开关变换器的稳定性和兼容性。针对DVS速度的需求，发展了最大充电电流和PSM工作模式相结合的DVS策略，实现了高效、快速的DVS响应。（6）将本文所研究的PMU在一款低功耗SoC芯片中进行集成。针对DVFS系