基于DVS的高效动态电压变换器集成设计理论与方法

系统电源管理的动态电压调整（DVS）技术对高性能嵌入式DC-DC变换器提出了迫切的要求。本项目借助电力电子学的电路分析手段、集成电路设计及系统控制相关理论，建立理论模型，解决DVS技术带来的变换器的电压建立、电压转换等新问题，从理论上深入探索变换器的结构、电路参数和集成开关器件参数的设计方法及新颖控制策略，获得基于DVS的动态可变电压变换器设计理论，获得高效、宽输入、输出电压及负载范围的开关DC-DC变换器的集成设计方法，研究系统的电源管理与嵌入式变换器的协调设计问题，实现性能趋于完善的、高效的可升、降压单电路实现的新型集成开关DC-DC变换器单元。此项研究目前在国内外尚处于起步阶段，新理论、新方法亟待探索和研究，是十分有意义的、前瞻性的工作。基于DVS技术的嵌入式开关DC-DC变换器具有输出灵活、性能优化及开关控制组合丰富的本质优势，在低压、低功耗系统集成中有着广阔的发展和应用前景。

动态电压调整（DVS）技术对高性能嵌入式DC-DC 变换器提出了迫切的要求。本项目紧密围绕应用于DVS系统的开关DC-DC变换器的关键问题开展了研究与设计工作，在宽电压转换的多模式控制、效率优化及瞬态响应提高方面做了一些创新性的工作。在传统的四开关Buck-Boost变换器中增加LDO模式，以提高转换效率；设计了新型的流水线算法ADC和分时复用延迟链DPWM，用于变换器的数模混合控制；应用状态曲线分析法，从理论上分析了变换器的固有响应速度问题，设计了新颖的瞬态响应增强电路，提高了变换器瞬态响应速度；提出了用于提高变换器轻载效率的新型栅压摆幅调整及非均匀栅宽调整技术，减小了功率开关管的开关损耗，使其更适合工作于高频下，从而提高了变换器的集成度；设计了变换器高频工作下的零电流检测电路，进一步减小了变换器的损耗；将跳频技术应用于开关变换器中，既可以提高轻载效率，同时也可以避免变频控制的EMI干扰问题；还设计了适用于DVS系统的数字控制DC-DC变换器，其中的窗口ADC和DPWM控制器都涉及新颖的设计。应用上述研究结果，完成了4款DC-DC变换器的设计，并进行了流片实验。基于DVS 技术的嵌入式开关DC-DC 变换器具有输出灵活、性能优化及开关控制组合丰富的本质优势，在低压、低功耗系统集成中有着广阔的发展和应用前景。研究成果可应用于SoC IP 核库单元和诸多相关技术领域，有助于减轻功耗对集成度约束，从而推动我国IC 水平的纵深发展。