應用於晶片系統之高轉換效率單電感雙輸出降壓直流-直流電源轉換器

Abstract

隨著可攜式電子產品的蓬勃發展，電源管理模組的發展是非常重要的一環，其不僅是用來提供一個穩定的電壓源給予晶片系統中的子電路使用，更必須具備高的能量轉換效率以及小的使用體積之特性。在傳統的電感切換式電源管理模組中，單一功率電感的電源轉換器只能提供單一輸出供應電壓，故若在一晶片系統中有不同供應電壓位準的需求時，則需要多個電源轉換器及多個外接功率電感，將會佔去較大的印刷電路板面積以及較大的使用成本，因而不利於現今可攜式電子產品微型化的趨勢。本論文提出具高轉換效率的單電感雙輸出降壓直流-直流電源轉換器，此前瞻型的電源管理模組預計可應用整合於可攜式電子產品的晶片系統中。為了符合在真實應用上的廣大負載區間，本論文提出的單電感雙輸出降壓直流-直流電源轉換器在能量傳遞輸出的路徑上實現了幾項不同的控制技術。能量傳遞互換機制與能量路徑遮蔽機制的使用讓本論文的電源轉換器輸出不會有先天上的負載限制，如此一來可確保在各種不同的晶片系統應用上此單電感雙輸出降壓直流-直流電源轉換器皆可維持穩定的輸出電壓位準。另一方面，為了消除單電感雙輸出切換式電源轉換器所存在的互穩壓效應，本論文使用了能量相依控制調變技術來達到互穩壓效應的消除，進而提升整體電源轉換器的輸出電壓品質。本論文的晶片式使用65nm的先進製程來實現的，在內部控制電路上也使用了低電壓的操作環境以達到最少的控制電路能量消耗，同時也藉由內嵌式的系統補償技術來維持整體單電感雙輸出降壓直流-直流電源轉換器的穩定運作。在實驗結果中也證實了本論文所提出的各種能量控制技術，並具可達到超過90%的能量轉換效率以符合晶片系統電源管理模組整合的要求。

A single-inductor dual-output (SIDO) step-down DC-DC converter with continuous conduction mode (CCM) operation is proposed to achieve an area-efficient power management module. The low-voltage energy distribution controller (LV-EDC) can simultaneously guarantee good voltage regulation and low output voltage ripple. With the proposed dual-mode energy delivery methodology, cross regulation in steady-state output voltage ripple, which is rarely discussed, and cross regulation in load transient response are both effectively reduced. In addition, the energy mode transition operation helps obtain the appropriate energy operation mode using the energy delivery paths for dual outputs. Moreover, within the allowable output voltage ripple, the automatic energy bypass (AEB) mechanism can reduce the number of energy delivery paths, thereby ensuring voltage regulation and further enhancing efficiency. In addition, the energy prediction function can also help effectively eliminate the transient cross regulation. It is because the energy distribution for the output with a constant load condition can be remained unchanged, so as to avoid the unwilling voltage variations at output. The test chip fabricated in 65 nm CMOS and achieves 91% peak efficiency, low output voltage ripple, on-chip compensation, and excellent load transient response with eliminate transient cross regulation for a high efficiency system-on-a-chip (SoC) integration.