基于PWM控制的DSD直流-直流转换器设计

中国科大国家示范性微电子学院程林教授课题组在DC-DC转换器芯片设计领域取得重要成果，研究者设计了一款快速瞬态响应高压大转换比DC-DC转换器芯片。该研究成果已发表在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”为题发表在集成电路设计领域顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上。

01研究背景

近年来，随着人工智能、大数据、自动驾驶等新兴技术的迅猛发展，数据计算量呈现爆炸性增长，由此带来的能耗急剧攀升。为提供更高的供电功率，降低走线损耗，采用高压输电方案成为近年来的发展趋势。同时，随着先进工艺的发展，终端负载具有低电压（<1V）、大电流（>25000A）的特点，为实现供电系统小型化，高压大转换比DC-DC转换器成为近年来的研究热点。与传统多级降压结构相比，高压大转换比DC-DC转换器有着以下优点：显著减少电源管理芯片及片外元件数量，大幅缩小供电系统体积，综合转换效率取决于单级结构。此外，终端负载还具有电流动态变化快（1000A/μs）的特点，要求DC-DC转换器在宽动态范围内具备快速响应能力。为此，中国科学技术大学程林教授团队设计了一款基于PWM控制的快速瞬态响应高压大转换比DC-DC转换器芯片。

图1 高压大转化比DC-DC转换器

02基于PWM控制的DSD直流-直流转换器

传统的半桥DC-DC转换器因其结构简单、易于控制的特点被广泛应用，但在高输入电压、低输出电压的应用场景下，由于功率管极短的导通时间使其控制器和驱动电路的设计极具挑战，且高耐压器件会产生严重的损耗。为提高DC-DC转换器的效率，高压大转换比混合拓扑结构成为近年来的研究热点。两相串联电容式（Double step-down，DSD) DC-DC转换器作为一种适合高压大转换比应用的拓扑结构近几年来被广泛研究。

图2 DSD拓扑结构工作状态图

其工作原理如图2所示，电路工作在4个开关状态。在状态Ⅰ(Ⅲ)中，高边功率管SAH(SBH)导通，串联电容CF被充电(放电)，同时通过电感L1(L2)对输出电容COUT充电。在稳态时，串联电容CF两端电压自动平衡至VIN /2，因此，开关节点VSW1和VSW2的最高电压从VIN降低至VIN /2，低边功率管SAL和SBL可选择低耐压功率管，以减小功率管损耗。此外，DSD转换器的高边功率管SAH和SBH的导通时间加倍，利于电路设计。尽管DSD拓扑结构有以上优势，但控制其实现快速瞬态响应仍具有很多挑战。如图3所示，为避免功率管SBL被击穿，功率管SAH和SBH不能同时导通，这要求DSD转换器两相的导通时间不能交叠、两相控制信号的占空比小于50%。此外，为降低输出电压纹波，要求两相控制信号具有180°相移。

图3 DSD拓扑结构控制器设计挑战 (a)两相非交叠；(b)两相具有180°相移

针对以上DSD结构的控制要求，本研究基于DSD拓扑结构，提出了双反馈环路的PWM控制方法，实现对输出电压和串联电容电压的调制。如图4所示，Phase 1环路用于调节输出电压，且允许该相控制信号占空比大于50%，从而实现快速的瞬态响应；Phase 2环路用于调节串联电容电压，补偿两相功率路径上的失配，将串联电容CF电压调节平衡至VIN /2，实现两相电感电流平衡，降低输出电压纹波。图5所示测试结果表明，本研究基于PWM控制的DSD转换器在不同输入电压、输出电流下，串联电容可实现很好的平衡且输出电压纹波较小。

图4 本研究提出的电路架构和芯片照片

图5 本研究基于PWM控制的DSD转换器稳态测试波形

03任意时刻快速瞬态响应技术

对于传统的PWM控制DC-DC转换器（参考图6），当PWM为高电平时负载发生跳变，PWM信号的占空比会立即扩展，实现快速负载瞬态响应，而当PWM为低电平的时候发生负载瞬态跳变，由于控制器中的SR锁存器，PWM信号的占空比无法在当前周期实现占空比扩展，需等待至下个时钟周期，瞬态响应速度慢。综上所述，负载瞬态跳变发生的时刻不同，PWM信号占空比扩展的幅度不同，单周期内电感L对电容C的充电时间不一致，导致负载瞬态响应速度与负载跳变的时刻有关，无法实现任意时刻的快速负载瞬态响应。

图6 传统PWM控制的DC-DC转换器

针对该问题，如图7所示，该研究提出了任意时刻负载快速瞬态响应技术。基于DDA 的Type-III补偿器的瞬态检测电路，利用Vea与Vgm+Vos比较判断是否发生瞬态跳变，当发生负载瞬态跳变时，瞬态检测电路输出高电平，将其插入到周期时钟信号，PWM控制器立刻扩展PWM信号占空比，实现快速负载瞬态响应。如图8所示测试结果表明，该技术克服了传统PWM控制方法存在的环路响应速度与负载跳变时刻有关的缺点，实现任意时刻负载快速瞬态响应。

图7 本研究提出的任意时刻快速瞬态响应技术

图8 有无任意时刻快速瞬态响应技术测试波形

04基于DSD拓扑的两相充电瞬态增强技术

尽管DC-DC转换器的控制器可以被优化实现最优的瞬态响应，但响应速度仍受限于电感电流斜率。为进一步提高瞬态响应速度，常见的方法有三种[1]: (a) 提高DC-DC转换器开关频率，选取更小尺寸的滤波电感，提高电感电流斜率，然而更高的开关频率带来更大的开关损耗，恶化转换效率；(b) 利用多相结构，提高等效电感电流斜率，而该方法需要增加额外的电感，增加了片外元件数量；(c) DC-DC转换器并联LDO的混合方案，在瞬态响应时利用LDO为负载电容注入额外的电流来改善瞬态响应。

图9 三种克服电感电流斜率限制的瞬态响应增强技术[1]

高压大转换比混合拓扑结构一般会有多个电感，但混合拓扑结构的工作原理要求多相电感交替充磁为负载充电，无法利用多相结构同步对负载充电，为了突破该瓶颈，本研究提出了一种基于DSD拓扑结构的两相充电技术。当负载发生瞬态跳变时，打开功率开关SCH和SAH利用两相电感电流同步对负载充电，等效电感电流斜率加倍，极大地提高转换器的响应速度。最终测试结果表明该工作在3A/20ns的负载跳变下实现了仅0.9μs的恢复时间，与当前同类研究相比，在使用最小输出电容的前提下取得了最快的负载瞬态响应速度。

图10 本研究提出的两相充电技术框图

图11 有无本研究提出的两相充电技术测试波形

论文第一作者为我校微电子学院博士生刘泽国，程林教授为通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院等项目的资助。