集成电路设计中的电源管理技术

以仿真实例进行分析，详细介绍低压和高压电源管理电路的设计。

《集成电路设计中的电源管理技术》主要针对低压和高压电源管理电路设计进行了详细讨论。《集成电路设计中的电源管理技术》力求简化电路模型的数学分析，重点研究电源管理电路的功能和实现。《集成电路设计中的电源管理技术》中包含了大量电路示意图，以帮助读者理解电源管理电路的基本原理和工作方式。在具体内容方面，《集成电路设计中的电源管理技术》分章介绍了低压和高压器件、低压差线性稳压器设计、电压模式和电流模式开关电源稳压器、基于纹波的控制技术、单电感多输出转换器、基于开关的电池充电器以及能量收集系统等方面的内容。

《集成电路设计中的电源管理技术》内容详实、实例丰富，可作为高等院校电子科学与技术、电子信息工程、微电子、集成电路工程等专业高年级本科生和硕士研究生的课程教材，亦可作为从事集成电路、系统级设计，以及电源管理芯片设计和应用的工程技术人员的参考书籍。

目录

译者序

原书前言

致谢

作者简介

第1章引言1

11摩尔定律1

12工艺发展的影响： 05μm~28nm的电源管理芯片1

121MOSFET结构1

122晶体管的尺度效应6

123漏电流功耗8

13先进工艺产品中电源管理集成电路的挑战12

131多阈值电压工艺12

132性能优化13

133与版图有关的邻近效应16

134对电路设计的影响17

14电源管理模块中的基本定义18

141负载调整率18

142瞬态电压变化19

143传输损耗和开关损耗20

144功率转换效率21

参考文献21

第2章低压差线性（LDO）稳压器设计23

21LDO稳压器的基本结构24

211传输器件的类型26

22补偿技术28

221极点分布29

222零点分布和右半平面零点34

23LDO稳压器设计考虑36

231电压差36

232效率38

233线性/负载调整率39

234负载电流突变引起的瞬态输出电压变化40

24模拟LDO稳压器43

241主极点补偿的特性43

242无电容结构特点48

243低电压无电容LDO稳压器的设计54

244在多级无电容LDO稳压器中通过使用电流反馈补偿减少最小负载电流限制57

245具有前馈通路和动态增益调整的多级LDO稳压器65

25LDO稳压器的设计指导70

251仿真提示和结果分析71

252在交流分析仿真中打破闭环的方法72

253具有主极点补偿的LDO稳压器的仿真实例74

26数字LDO稳压器设计82

261基本数字LDO稳压器83

262具有网格异步自定时控制（LASC）技术的数字LDO稳压器85

263动态电压缩减（DVS）88

27具有模拟动态电压缩减（ADVS）技术的开关数字/模拟低压差线性（D/A-LDO）

稳压器98

271ADVS技术98

272可切换的D/A-LDO稳压器101

参考文献107

第3章开关电源稳压器的设计109

31基本概念109

32控制方法与工作原理概述112

33开关稳压器的小信号模型与补偿方法117

331电压模式开关稳压器的小信号建模117

332闭环电压模式中开关稳压器的小信号建模121

333电流模式开关稳压器的小信号建模136

参考文献153

第4章基于纹波的控制技术（第1部分）154

41基于纹波控制的基本拓扑结构154

411迟滞控制157

412导通时间控制159

413关断时间控制163

414具有峰值电压控制和波谷电压控制的恒定频率技术165

415基于纹波控制拓扑结构总结166

42导通时间控制型降压转换器的稳定标准168

421稳定性判据的推导168

422输出电容的选择179

43采用小阻值RESR的多层陶瓷电容设计技术182

431采用附加斜坡信号183

432采用额外的电流反馈通路184

433具有附加电流反馈通路的导通时间控制模式的比较232

434采用纹波整形技术补偿小阻值RESR234

435纹波整形功能的实验结果239

参考文献246

第5章基于纹波的控制技术（第2部分）247

51增强电压调整性能的设计技术247

511直流电压调整精度247

512用于纹波控制的电压二次方结构247

513采用附加斜坡或者电流反馈通路的电压二次方实时控制技术251

514采用小阻值RESR的电压二次方结构中的比较器253

515采用小阻值RESR的具有二次微分和积分技术的基于纹波控制技术261

516鲁棒性强的纹波调整器269

52对于开关频率变化降低电磁干扰的分析271

521反馈信号抗干扰能力的提高273

522旁路通路对反馈信号高频噪声的滤波273

523锁相环调制器技术275

524不同vIN、vOUT、iLOAD情况下频率变化的分析276

525用于伪恒定fSW的自适应导通时间控制器286

53用于伪恒定fSW的最优化导通时间控制器293

531导通时间控制的优化算法294

532具有等效vIN和vOUT,eq的Ⅰ型最优化导通时间控制器294

533具有等效vDUTY的Ⅱ型最优化导通时间控制器302

534频率钳位器304

535不同导通时间控制器的比较304

536最优化导通时间控制器的仿真结果305

537最优化导通时间控制器的实验结果309

参考文献313

第6章单电感多输出转换器315

61单电感多输出转换器的基本拓扑结构315

611结构316

612交叉调整316

62单电感多输出转换器的应用317

621片上系统317

622便携式电子系统318

63单电感多输出转换器的设计指导319

631能量传输通路319

632控制方法分类327

633设计目标329

64用于片上系统的单电感多输出转换器331

641电感电流控制中的叠加定理331

642双模能量传输方法333

643能量模式转换334

644自动能量旁路337

645瞬态交叉调整的消除338

646电路实现342

647实验结果351

65平板电脑应用中的单电感多输出转换器技术361

651单电感多输出转换器中的输出独立栅极驱动控制361

652单电感多输出转换器中的连续导通模式/绿色模式相对忽略能量控制369

653单电感多输出转换器中的双向动态斜率补偿378

654电路实现383

655实验结果390

参考文献404

第7章基于开关的电池充电器406

71引言406

711纯充电状态409

712直接供电状态409

713断开状态410

714充电和供电状态410

72基于开关的电池充电器的小信号分析411

73闭环等效模型416

74采用PSIM进行仿真423

75涡轮加速升压充电器428

76内置电阻对充电器系统的影响432

77设计实例：连续内建电阻监测436

771连续内建电阻监测的操作436

772连续内建电阻监测的电路实现438

773实验结果442

参考文献444

第8章能量收集系统445

81能量收集系统概述445

82能量收集源447

821振动电磁换能器449

822压电发电机451

823静电能量发生器451

824风力发电装置453

825热电式发电机454

826太阳电池456

827磁线圈457

828射频/无线460

83能量收集电路461

831能量收集电路的基本概念461

832交流电源能量收集电路464

833直流电源能量收集电路469

84最大功率点跟踪471

841最大功率点跟踪的基本概念471

842阻抗匹配471

843电阻模拟473

844最大功率点跟踪方法474

参考文献479

在过去的30年中，随着便携式以及可穿戴式电子设备进入千家万户，电源管理技术的重要性日益增强。如果电池寿命和电源转换效率能够大幅度提高，理解电源管理电路的设计细节，诸如低压差线性（LDO）稳压器、开关电源稳压器、开关电容设计等则是十分重要的。虽然我们可以在很多讲述模拟电路或者电力电子的书籍中找到相关电路，但读者很难获得完整的电源管理电路设计细节。所以，我研究了近年来与电源管理设计相关的资料，并撰写了本书。

电源管理集成电路设计中包含了低压器件和高压器件。本书的主要特点就是详细介绍了低压和高压电源管理电路的设计。此外，本书的目的之一是使读者在设计之初就理解工艺发展的趋势和应用需求。本书的数学分析较为简单，因为从我的观点来看，读者理解电源管理电路的功能更重要。在此基础上，读者可以分析整个电源系统，并推导出复杂的数学结果。所以，在本书中我采用了许多容易理解的示意图，来使读者明白为什么要进行电源管理，而电源管理又是如何实现的。虽然读者在其他书籍中也可以通过推导公式来进行理解，但如果他们通过灵感而不是公式来设计并实现他们的构思，我想这会有意思得多。因为数字技术和模拟技术的结合可以有效提升片上系统中电源管理电路的性能，所以本书还介绍了数字和模拟设计技术。

我在台湾交通大学和台湾的工业界教授过本书中的许多内容。在传输给读者之前，这些内容的顺序、格式以及内容都经过了仔细的推敲。比较遗憾的是，很多内容并没有包含在本书中。然而，我鼓励读者能够将本书的设计思想应用于类似的电源管理设计中。在书中我还给出了一些设计指导，使读者能够明晰每个设计的目标。

为了方便读者对本书内容进行学习，第1章首先介绍了不同工艺节点下低压和高压器件的知识和结构。

第2章对不同电源管理电路中的低压差线性（LDO）稳压器电路设计进行了描述。本章重点介绍了补偿技术，使读者能够理解如何在输入、输出以及负载发生干扰的情况下，保证电源的稳定性。最后对低压应用的数字线性稳压器进行了分析。

第3章重点讨论了电压模式和电流模式开关电源稳压器的设计理论。同时也介绍了用于满足基本脉冲宽度调制开关电源稳压器的补偿技术。

在第4章中，首先讨论了在一些需要快速瞬态响应、低功耗、微小尺寸应用中的基于纹波的控制技术。需要注意的是，为了改善动态电压/频率缩小技术和参考源追踪技术，快速的瞬态响应是开关电源稳压器的一种发展趋势。

原 书 前 言第5章展示了一些用于提高基本设计的基于纹波的控制技术。即使在寄生参数效应恶化的情况下，本章中介绍的技术仍可以大幅度提高电路性能。读者可以通过本书中的电路进行练习，在硅层面实现有用的电源管理电路。

第6章介绍了片上系统中的单电感多输出转换器技术，该技术可以用于减小电源模块的面积。本章包括了电源级设计和控制器设计。读者只要利用第2~5章介绍的设计技术，就可以得到电源管理设计方面的锻炼。

第7章展示了基于开关的电池充电器设计，该电路可以完成片上系统中的所有电源管理功能。通过介绍行为级仿真器的基本稳定性，可以使读者明白如何对整个电池充电器系统进行建模和扩充。

第8章讨论了能量收集技术，使读者理解从周围环境中收集能量的可能性。此外，本章还讨论了如何转换能量和提高转换效率。致谢本书的出版得益于我指导的硕士生和博士生的最新研究成果。同时在该研究领域和产业界的许多专家也为本书提供了很多有用的资料。他们是Shen-Yu Peng（台湾交通大学），Meng-Wei Chien（瑞昱半导体公司)， Ying-Wei Chou（联发科技股份有限公司)。在这里我要向他们表示感谢。

此外，我也要感谢Yu-Huei Lee（立锜科技股份有限公司),Yi-Ping Su（联咏科技股份有限公司)，Wei-Chung Chen（联发科技股份有限公司)，Te-Fu Yang（群联电子股份有限公司)和 Tzu-Chi Huang（联发科技股份有限公司）对本书的贡献。

同时，我的爱人Hsin-Hua也为本书做了很多贡献。她鼓励我用一些经过硅验证的电路来完成本书的写作，并收集了包括仿真、实验结果在内的大量有用资料。

本书的出版还要感谢John Wiley出版公司的工作人员。特别要感谢James Murphy、Preethi Belkese、Maggie Zhang、Gunalan Lakshmipathy、Revathy Kaliyamoorthy 和Clarissa Lim。正是由于大家的努力，才使得本书得以顺利出版。作 者 简 介陈科宏，分别于1994年、1996年、2003年获得台湾大学电子工程学士、硕士及博士学位。1996~1998年，他任职于台北飞利浦公司，作为兼职集成电路设计工程师。1998~2000年，他在Avanti公司担任应用工程师。2000~2003年，他作为ACARD公司的项目经理，主要从事电源管理芯片的设计工作。目前，他是台湾交通大学电子控制工程学院的院长，以及电子和计算机工程研究室的教授，并创建了混合信号及电源管理集成电路实验室。他拥有多项专利，在各类期刊上发表超过200篇论文。他目前的研究领域包括电源管理、混合信号集成电路设计，以及液晶电视显示算法和驱动电路设计。

陈博士是IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Transactions on Circuits and Systems-Part II: Express Briefs、IEEE Transactions on Circuits and Systems-Part I的副主编。他于2013年加入《Analog Integrated Circuits and Signal Processing》期刊的编委会。同时，他也是IEEE Circuit and System（CAS）VLSI System and Applications以及IEEE CAS Power and Energy Circuit and Systems的技术委员会成员，并担任Information Display（SID）and International Display Manufacturing Conference（IDMC）Technical Program 子委员会成员。他还是IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems（APCCAS)2012联席主席，IEEE International Conference on Power Electronics and Drive System（PEDS）2013 中Integrated Power Electronics分会主席，同时也是IEEE International Future Energy Electronics Conference（IFEEC）2013技术委员会的联席主席。自从2015年以来，他成为CAS中国台北分会主席。自2014年起，他开始成为Europe Solid-State Circuit Conference（ESSCIRC)技术委员会的成员。

进入21世纪以来，随着片上系统（SoC）在物联网、人工智能、工业控制等领域中的广泛应用，片上供电电路设计成为了工程师们面临的严峻挑战，但也为电源管理芯片带来了巨大商机。先进工艺的发展和进步，推动着电源管理芯片技术开始向着高效性、集成性、稳定性、安全性方向持续发展。因此，本书作者以集成电路中的电源管理技术为核心，深入讨论了低压差线性稳压器，开关电源稳压器，单电感多输出转换器的设计、补偿、控制技术，并辅以仿真实例进行分析，加深读者的理解。之后对新型的基于开关的电池充电器和能量收集系统进行了简要介绍。

本书的翻译工作由厦门理工学院微电子学院陈铖颖老师组织，厦门理工学院微电子学院张宏怡教授、北方工业大学电子信息工程学院戴澜副教授、北京理工大学信息与电子学院王兴华老师参与翻译。其中陈铖颖老师完成了第1~5章的翻译工作；戴澜老师翻译了第6章；张宏怡老师负责第7章的翻译；第8章由王兴华老师翻译完成。

本书的出版受到福建省本科高校一般教育教学改革研究项目（FBJG20180270）、国家自然科学基金项目（61704143）、福建省自然科学基金面上项目（2018J01566）、厦门理工学院教材建设基金资助项目的资助。

本书虽然过译者仔细审校，但由于水平所限，且书中涉及知识和内容广泛，仍会存在不当或欠妥之处，望读者批评指正。

陈铖颖

2019年3月