基于PWM控制的DSD直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

中國(guó)科大國(guó)家示范性微電子學(xué)院程林教授課題組在DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要成果，研究者設(shè)計(jì)了一款快速瞬態(tài)響應(yīng)高壓大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片。該研究成果已發(fā)表在2022年IEEE International Solid-State Circuits Conference（ISSCC），并受邀以“A 12V/24V-to-1V PWM-Controlled DSD Converter With Delay-Insensitive and Dual-Phase Charging Techniques for Fast Transient Responses”為題發(fā)表在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上。

01研究背景

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)計(jì)算量呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，由此帶來的能耗急劇攀升。為提供更高的供電功率，降低走線損耗，采用高壓輸電方案成為近年來的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，隨著先進(jìn)工藝的發(fā)展，終端負(fù)載具有低電壓（<1V）、大電流（>25000A）的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)小型化，高壓大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器成為近年來的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)相比，高壓大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器有著以下優(yōu)點(diǎn)：顯著減少電源管理芯片及片外元件數(shù)量，大幅縮小供電系統(tǒng)體積，綜合轉(zhuǎn)換效率取決于單級(jí)結(jié)構(gòu)。此外，終端負(fù)載還具有電流動(dòng)態(tài)變化快（1000A/μs）的特點(diǎn)，要求DC-DC轉(zhuǎn)換器在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具備快速響應(yīng)能力。為此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)程林教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于PWM控制的快速瞬態(tài)響應(yīng)高壓大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片。

圖1 高壓大轉(zhuǎn)化比DC-DC轉(zhuǎn)換器

02基于PWM控制的DSD直流-直流轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)的半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但在高輸入電壓、低輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)景下，由于功率管極短的導(dǎo)通時(shí)間使其控制器和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)，且高耐壓器件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損耗。為提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率，高壓大轉(zhuǎn)換比混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為近年來的研究熱點(diǎn)。兩相串聯(lián)電容式（Double step-down，DSD) DC-DC轉(zhuǎn)換器作為一種適合高壓大轉(zhuǎn)換比應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)近幾年來被廣泛研究。

圖2 DSD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作狀態(tài)圖

其工作原理如圖2所示，電路工作在4個(gè)開關(guān)狀態(tài)。在狀態(tài)Ⅰ(Ⅲ)中，高邊功率管SAH(SBH)導(dǎo)通，串聯(lián)電容CF被充電(放電)，同時(shí)通過電感L1(L2)對(duì)輸出電容COUT充電。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，串聯(lián)電容CF兩端電壓自動(dòng)平衡至VIN /2，因此，開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSW1和VSW2的最高電壓從VIN降低至VIN /2，低邊功率管SAL和SBL可選擇低耐壓功率管，以減小功率管損耗。此外，DSD轉(zhuǎn)換器的高邊功率管SAH和SBH的導(dǎo)通時(shí)間加倍，利于電路設(shè)計(jì)。盡管DSD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以上優(yōu)勢(shì)，但控制其實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)仍具有很多挑戰(zhàn)。如圖3所示，為避免功率管SBL被擊穿，功率管SAH和SBH不能同時(shí)導(dǎo)通，這要求DSD轉(zhuǎn)換器兩相的導(dǎo)通時(shí)間不能交疊、兩相控制信號(hào)的占空比小于50%。此外，為降低輸出電壓紋波，要求兩相控制信號(hào)具有180°相移。

圖3 DSD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) (a)兩相非交疊；(b)兩相具有180°相移

針對(duì)以上DSD結(jié)構(gòu)的控制要求，本研究基于DSD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了雙反饋環(huán)路的PWM控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和串聯(lián)電容電壓的調(diào)制。如圖4所示，Phase 1環(huán)路用于調(diào)節(jié)輸出電壓，且允許該相控制信號(hào)占空比大于50%，從而實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)；Phase 2環(huán)路用于調(diào)節(jié)串聯(lián)電容電壓，補(bǔ)償兩相功率路徑上的失配，將串聯(lián)電容CF電壓調(diào)節(jié)平衡至VIN /2，實(shí)現(xiàn)兩相電感電流平衡，降低輸出電壓紋波。圖5所示測(cè)試結(jié)果表明，本研究基于PWM控制的DSD轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓、輸出電流下，串聯(lián)電容可實(shí)現(xiàn)很好的平衡且輸出電壓紋波較小。

圖4 本研究提出的電路架構(gòu)和芯片照片

圖5 本研究基于PWM控制的DSD轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)測(cè)試波形

03任意時(shí)刻快速瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)的PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器（參考圖6），當(dāng)PWM為高電平時(shí)負(fù)載發(fā)生跳變，PWM信號(hào)的占空比會(huì)立即擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，而當(dāng)PWM為低電平的時(shí)候發(fā)生負(fù)載瞬態(tài)跳變，由于控制器中的SR鎖存器，PWM信號(hào)的占空比無法在當(dāng)前周期實(shí)現(xiàn)占空比擴(kuò)展，需等待至下個(gè)時(shí)鐘周期，瞬態(tài)響應(yīng)速度慢。綜上所述，負(fù)載瞬態(tài)跳變發(fā)生的時(shí)刻不同，PWM信號(hào)占空比擴(kuò)展的幅度不同，單周期內(nèi)電感L對(duì)電容C的充電時(shí)間不一致，導(dǎo)致負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度與負(fù)載跳變的時(shí)刻有關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖6 傳統(tǒng)PWM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器

針對(duì)該問題，如圖7所示，該研究提出了任意時(shí)刻負(fù)載快速瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)?；贒DA 的Type-III補(bǔ)償器的瞬態(tài)檢測(cè)電路，利用Vea與Vgm+Vos比較判斷是否發(fā)生瞬態(tài)跳變，當(dāng)發(fā)生負(fù)載瞬態(tài)跳變時(shí)，瞬態(tài)檢測(cè)電路輸出高電平，將其插入到周期時(shí)鐘信號(hào)，PWM控制器立刻擴(kuò)展PWM信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。如圖8所示測(cè)試結(jié)果表明，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)PWM控制方法存在的環(huán)路響應(yīng)速度與負(fù)載跳變時(shí)刻有關(guān)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻負(fù)載快速瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7 本研究提出的任意時(shí)刻快速瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)

圖8 有無任意時(shí)刻快速瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)測(cè)試波形

04基于DSD拓?fù)涞膬上喑潆娝矐B(tài)增強(qiáng)技術(shù)

盡管DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制器可以被優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)，但響應(yīng)速度仍受限于電感電流斜率。為進(jìn)一步提高瞬態(tài)響應(yīng)速度，常見的方法有三種[1]: (a) 提高DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，選取更小尺寸的濾波電感，提高電感電流斜率，然而更高的開關(guān)頻率帶來更大的開關(guān)損耗，惡化轉(zhuǎn)換效率；(b) 利用多相結(jié)構(gòu)，提高等效電感電流斜率，而該方法需要增加額外的電感，增加了片外元件數(shù)量；(c) DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)LDO的混合方案，在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)利用LDO為負(fù)載電容注入額外的電流來改善瞬態(tài)響應(yīng)。

圖9 三種克服電感電流斜率限制的瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)[1]

高壓大轉(zhuǎn)換比混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般會(huì)有多個(gè)電感，但混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理要求多相電感交替充磁為負(fù)載充電，無法利用多相結(jié)構(gòu)同步對(duì)負(fù)載充電，為了突破該瓶頸，本研究提出了一種基于DSD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩相充電技術(shù)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生瞬態(tài)跳變時(shí)，打開功率開關(guān)SCH和SAH利用兩相電感電流同步對(duì)負(fù)載充電，等效電感電流斜率加倍，極大地提高轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度。最終測(cè)試結(jié)果表明該工作在3A/20ns的負(fù)載跳變下實(shí)現(xiàn)了僅0.9μs的恢復(fù)時(shí)間，與當(dāng)前同類研究相比，在使用最小輸出電容的前提下取得了最快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖10 本研究提出的兩相充電技術(shù)框圖

圖11 有無本研究提出的兩相充電技術(shù)測(cè)試波形

論文第一作者為我校微電子學(xué)院博士生劉澤國(guó)，程林教授為通訊作者。上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等項(xiàng)目的資助。