24232字硕士课程论文应用于现代消费电子设备的高性能高效电源管理芯片研究

介绍

1.1电源管理芯片

电力管理(Power Management，PM)在现代电子系统中是不可或缺的，它实现电能的检测、转换、分配等管理功能。电力电子和集成电路技术的发展将电力管理系统从分立元件带到了集成电路，于是电力管理芯片[1]诞生了。正如摩尔定律所预测的那样，电源管理芯片像整个芯片行业一样，在集成度上不断提高，功能和类型也不断增加，主要包括开关调节器、线性调节器、电压/电流基准、各种电池管理和能量管理、保护芯片等。随着移动互联网时代的到来以及手机、数码相机和平板电脑等各种消费电子产品的兴起，越来越多的产品实现了移动或便携式应用，这也产生了对电源管理芯片的巨大需求，因为紧凑的尺寸和良好的耐用性是产品改善用户体验的重要方面。目前，未来电源管理芯片的发展趋势是高性能、高效率、低噪声和高集成度。

(1)高性能。现代消费电子产品的供电方式趋于多样化。各种电源设备，如壁式适配器、通用串行总线、锂电池、超级电容器等。可以用来提供能量，并且这些电源设备的电压是不同的。因此，电源管理芯片需要能够在大的电源变化范围内实现电压调节和能量分配，并确保输出电压的纹波尽可能小[2_3]。(2)高效率、低功耗。电源管理芯片的转换效率与电子产品的待机时间和电池的使用寿命[4-6]密切相关。该功率芯片不仅提高了效率，降低了功耗，而且降低了功率元件本身的发热，提高了系统的可靠性。因此，芯片效率和功耗是未来设计的重要考虑因素。

(3)低噪声。开关噪声是开关电源中不可避免的问题。随着高频化和电源芯片数字化的发展，这个问题日益突出。因此，在电源管理芯片的设计中，需要降低芯片本身的噪声，提高其噪声抑制能力。(4)高集成度。提出高集成度是为了适应电子设备的小型化。在摩尔定律和SOC技术的推动下，电源芯片的尺寸越来越小，但它们的集成度越来越大。为了减小体积，引入了更多的数字技术，并且出现了数字电源和其他产品。多电源解决方案的整体集成是未来智能电源管理技术的发展趋势。

1.2电源管理芯片设计的挑战

随着人们对消费电子设备功能水平要求的不断提高，产品的系统复杂性和功耗也在不断增加。与此相矛盾的是，电子设备的规模正在缩小，电力预算也在缩小。电源管理系统需要在延长电池寿命、与多个电源兼容、更高的功率密度、良好的响应性能、小尺寸和可靠的热管理之间取得平衡。因此，实现高性能、高效率的电源管理方案成为电源管理芯片设计的挑战。在现代消费电子设备中，电源趋于多样化，这使得电源电压的波动范围非常大，而系统中的各个模块需要稳定的电压来维持运行，这就要求电源管理芯片在大的电源波动下实现电压调节，同时最小化输出纹波。在动态响应方面，电力管理系统需要及时调整负荷变化，分配能量，保证系统的稳定性。此外，提高电池的耐久性在便携式电子设备中变得越来越重要，因此在设计功率管理芯片时，应该尽可能地提高转换效率并降低功耗。根据电子设备对电源管理系统的要求，电源芯片设计中需要解决几个关键问题:

(1)在现代便携式设备中，内部电池的电源电压范围通常为2.7-4.2V，而在系统的中央处理器外围电路中，固定电源为3。磁盘驱动器、存储器、输入/输出等电源[7]需要3V，因此有必要实现上下电压功能，以确保系统在整个锂电池供电范围内正常运行。

(2)为了延长系统寿命和电池寿命，有必要提高功率转换效率。对于开关电源，当负载较轻时，如待机时，开关动作引起的开关损耗对系统效率的影响尤为明显，待机功耗是便携式消费产品极其重要的指标。因此，降低轻载开关频率对提高电源管理效率具有重要意义。

(3)为了提高电源管理系统的响应速度，电流模式控制被广泛应用。电流检测是不可或缺的一部分。精确的电流检测可以使系统更合理地分配能量，但往往会带来更多的功耗。在设计中，应综合考虑电流检测的精度和功耗，尽可能降低损耗，提高检测精度。

1.3国内外研究现状

鉴于其重要性，国内外有一系列关于电源管理的研究成果，其中最有效的技术是动态电压缩放(Dynamic Voltage Scaling)，它能够根据负载需求实时调整电源电压，从而消除迟滞，节约能源。动态电压调节的典型应用是降压开关转换器和升压开关转换器。前者降低输入电压，而后者增加输入电压。

2四开关降压升压变换器的控制策略……6

2.1……6的传统降压-升压转换器

2.2四开关降压升压转换器……6

2.3绿色多模式控制策略……7

2.4平稳过渡控制策略……9

3开关转换器轻负载效率……13

3.1开关功率损耗……13

3.2两种轻载技术的比较……14

3.3切换……脉宽调制模式和突发模式17

4无损检测技术……19

4.1传统电流检测技术……19

4.2基于Gm-C滤波器的电流检测技术……22

4.3通用交流滤波器的调谐和校正……24

总结和展望

现代消费电子产品对电源管理系统提出了新的要求。电源管理芯片正朝着高性能、高效率、低噪声和高集成度的方向发展。鉴于这些要求和趋势，本文分析了现代消费电子设备高性能、高效率开关变换器设计中的三个主要技术问题:宽电压调节能力、全负载范围内的高效率和准确快速的系统响应。为了满足宽电压调节能力的要求，本文采用了四开关降压升压变换器结构。

为了提高系统的效率，提出了一种绿色多模式控制策略，采用三种工作模式来调节输入电压。在模式转换技术中，提出了一种“三级”平滑转换控制策略，有效降低了输出电压纹波，提高了系统的线性调整率。

参考

[1]拉米尼·杰，迪克·安德鲁。燃料电池系统http://sblunwen.com/jsjwwsb/解释说，[，威利。，2003年:

[2]萨胡·比兰辛纳？林康莫拉。便携式应用的低压、动态、同相、同步降压升压转换器[。美国电气电子工程师学会电力电子交易，2004，19(2)；443-452。

[3]罗峰，马冬生。集成自适应升压/降压开关DC-直流转换器，具有三带三模式数字控制，用于动态电压缩放[]。[工业电子国际研讨会论文集>，2008: 142-147。

[4]穆里根等。一种提高同步降压变换器轻负载效率的恒频方法。[。IEEE电力电子通讯，2005，3(1):24-29。

[5]穆苏努里苏亚，查普曼P.L .利用互补金属氧化物半导体晶体管的宽度转换方案改善轻载效率[.IEEE电力电子通讯，2005，3(3): 105-110。

[6]周训伟等。提高同步整流电压调节器模块的轻载效率[。电气电子工程师协会电力电子交易，2000，15(5):826-834。

[7]萨胡·比兰辛纳。林康莫拉。便携式应用的低压、动态、同相、同步降压升压转换器[。美国电气与电子工程师学会交易电力电子，2004，19(2): 443-452。

[8]张俊明和彼得拉姆，“使用多个电源电压的能量最小化”，电气和电子工程师协会。超大规模集成系统。，第5卷，第4期，第436-443页，1997年12月。

[9]古德曼，丹西和钱德拉卡桑，“使用嵌入式可变电压直流/直流转换器的能量/安全可分级加密处理器”，IEEE固态电路，第33卷，第11期，第1799-1809页，1998年11月。

[10]罗俊杰，约翰·贾和皮，“实时分布式嵌入式系统中处理器和通信链路的同时动态电压缩放”，IEEE Trans .超大规模集成系统。，第15卷，第4期，第427-437页，2007年4月。