片上DCDC降压电源环路控制设计文献综述

文献综述（或调研报告）：

电源对于电子设备的重要性，类似于心脏对于人类。电源芯片的性能参数是否优异，决定了电子设备的功能和可靠性【1】。电子设备中比较常用的电源包括线性电源和开关电源。开关电源又被划分为以下几种，包括AC-AC 电源、DC_DC电源、AC-DC电源、DC-AC电源【2】。这些开关电源有较高的转换效率、功耗低、体积小便于携带，在通信、电器、电脑等方面已经大面积投入使用。随着便携式设备的普及，DC-DC 开关电源使用的领域越来越广，实现其性能的多样成为市场的迫切需求{3}。目前，研发应用于便携式设备的开关电源已经成为各个半导体公司发力的重点，因此对于芯片设计工程师，要想方设法地设计出体积更小、效率更高、功耗更低的开关电源，满足客户对电子设备的性能要求和功能实现。

当前所使用的电子设备越来越趋向于便携式，这就要求其中所使用的开关电源芯片的体积更小、效率更高、功耗更低【4】。20 世纪80年代，随着半导体产业的迅速发展，已经能够实现将功率器件和驱动、控制等电路集成在一块芯片上并进行封装。这种芯片能实现许多功能，而且制作成本低，具有安全性和可靠性。20世纪90年代，半导体技术发展速度迅猛，开关电源已经有了高频化的趋势【5】。在同步整流技术出现后，开关电源的转换效率更高，输出电压可以降得更低【6】。20世纪末，软开关技术成功避免了在PWM开关电源高频下开关会出现较大能量损耗的情况。在目前的开关电源设计中，普遍采用电流型控制以及多环技术实现电路控制【7】。为了使开关电源具有更好的动态性能，还使用了电荷控制和单周期控制等技术。新技术的实现使芯片的集成度更高，也提高了开关电源的动态性，在器件的简化上有着明显的效果。

当前开关电源的发展有三个趋势，即高频化，高效率化，低噪声化，数字控制和低压大电流等在开关电源高频化以及芯片尺寸的减小的趋势下，开关电源的功率密度一直在提高，这也缩短了瞬态响应时间。要实现开关电源的高频化，少不了新型功率器件的设计和研发【8】。当前所使用的晶体管中，已经少有功率晶体管和中小电流晶体管，取而代之的是MOSFET和IGBT，这促使高频化进程加快。而且在开关电源高频化技术革命中，材料的更新也加速了这一进程，目前高性能的碳化硅半导体器件已经研制成功，并已经投入使用。由于能源短缺的加剧，很多国家，尤其是欧美国家已经开始重视电子产品对能源的消耗，迫切要求芯片能够做到低功耗，高效率，这也是当前研发设计的重点。为了降低芯片的系统损耗，电路设计中要加入提高转换效率的模块，当前拥有这类功能的模块包括同步整流技术、软启动电路等，并且已经在集成电路中投入使用【9】，相比于线性电源，开关电源具有更高的噪声，噪声的来源主要为开关管工作过程中产生谐波带来的干扰、交流输入回路带来的干扰等。在过去的几年里，怎样降低噪声，解决电磁干扰冲，改善动态特性这些问题已经有了一些解决方案【10】。低噪声技术涉及的领域很多，比如电路拓扑结构、同步整流技术、控制技术等方面。随着数字控制理念的发展，目前电源管理芯片的发展趋势是获得高性能的数字控制电源管理芯片。由于响应速度快、稳定性好、集成度高，这给数字控制电源带来了巨大的发展前景。但是为了达到和传统开关电源同样的性能，数字电源往往要设计高精度高速的线性ADC电路，以及高速高精度的比较器，这带来了电路设计的复杂性。而且，同目前最常见的模拟架构开关电源相比，数字控制的开关电源往往成本较高，而且主要集中在中小功率领域。如何降低成本以及实现大【11】。

目前DC_DC开关电源存在的主要问题便是误差问题，误差来源主要由三个，第一是基准电压，对于一个高精度的DC/DC转换器来说，基准电压的精度要非常好，因为基准的变化会直接对输出电压产生相同的影响。-.般来说，基准的精度要比电源系统输出电压精度高。
第二个是输出电压采样:用来检测电源输出电压，并将其转换为与基准作比较的反馈电压信号。电压采样精度以及是否能够迅速、准确地反映输出电压的变化同样也决定着整个系统的精度。第三个是误差放大器，DC/DC转换器实际上是将输出电压置于一个负反馈环路中进行调节。因此，负反馈环路的增益决定了电源输出电压的精度。目前大家解决问题的主要办法就是使用高精度的基准带隙源，由于带隙基准的精度很大程度上影响着整个电源系统的精度，设计者才能灵活的选择所用的电路结构、工艺、版图布局、修调网络以及封装形式，进而设计出满足系统精度要求的带隙基准电路。或者采取宽量程的DC_DC变换器，能够有效控制死区时间【12】，瞬态响应时间也是影响转换器效率的一个重要因素，通过双边缘脉宽调制方案能有效缩短瞬态响应时间，进而提高转换器的进度【13】，近年来，多模控制的DC_DC转换器也逐渐兴起，使得变换器的最高功率能达到92.4%【14】

众所周知，开关电源一直是电子产品的核心之一【15】，随着以平板电脑和智能手机为代表的便携式电子设备以及计算机系统市场的迅速发展，对为其供电的电源系统提供了更高的要求。随着芯片制造工艺尺寸不断减小，其工作电压越来越低，因此要求电源系统要在输出足够大的负载电流的同时，保证输出电压具有较高的精度【16】。所以像DC_DC开关电源的发展，对电子产品的更新换代具有重大的作用，对开关电源的研究永远不会过时，它拥有着广阔的发展前景。

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