一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器，包括升压变换器，升压变换器的输入端分别与为数字电路提供低压电源的引脚V

A power management architecture and boost converter applied to the power management architecture

【技术实现步骤摘要】
一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器
本专利技术属于半导体集成电路和电力电子系统设计
，具体涉及一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器。
技术介绍
电源管理模块广泛应用于电子设备中用于实现对电源的调制，以满足负载对电源的需求。对于片上系统(SystemonChip，SoC)，电源管理模块将片外电压经过降压变换器转换为较低的电压供SoC中的数字电路、模拟电路以及射频电路使用。SoC中集成的数字电路和模拟电路消耗的电流比可达到10:1甚至更高。同时，由于数字电路能够很好地匹配scalingdown的工艺进程，在SoC中越来越多的模拟及射频模块被数字电路实现，因而电源管理通常需要给数字电路提供更多的负载电流。传统电源管理采用降压DC-DC变换器将输入电压降压后再经过LDO为数字电路供电，随着SoC中数字电路规模增加，在LDO为数字电路供电的环节消耗越来越多的能量，导致整个电源管理模块供电效率降低。随着数字电路工作电压不断降低、电流不断增大，传统方案整体效率会进一步恶化。SoC中电源管理模块存在由于数字电路供电需求导致的降压环节供电效率较低，以及未来SoC中数字电路比例进一步升高从而使得效率继续恶化的问题。传统Boost结构存在右半平面零点，导致设计中需要针对其进行复杂的环路补偿，同时较大的输出纹波使得设计者通常不愿意选择Boost结构以避免SoC中噪声敏感电路的性能下降。开关电容由于其结构只能产生固定的输出电压，无法满足SoC应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器，将升压变换器用于电源管理架构，提高整个电源管理模块的效率。同时，用于该电源管理架构的升压变换器具有宽输入输出范围、较低的纹波以及较高的转换效率，进一步提高整个电源管理模块的效率。本专利技术采用以下技术方案：一种电源管理架构，包括升压变换器，升压变换器的输入端分别与为数字电路提供低压电源的引脚VIN以及SoC系统级芯片中的数字电路连接；升压变换器的输出端与低压差线性稳压器LDO的电源连接，低压差线性稳压器LDO的输出为模拟和射频电路提供高压电源。具体的，电源管理架构为电源管理芯片，设置在SoC系统级芯片的外部。具体的，电源管理架构为电源管理模块，设置在SoC系统级芯片的内部。具体的，升压变换器包括Boost变换器、开关电容变换器以及SCB升压变换器。具体的，低压差线性稳压器LDO包括数字低压差线性稳压器、模拟低压差线性稳压器以及数模混合低压差线性稳压器。具体的，升压变换器和低压差线性稳压器LDO在电源管理架构中的个数至少为一个。进一步的，每个升压变换器的输出端至少连接一个低压差线性稳压器LDO的电源。本专利技术的另一个技术方案是，一种应用所述电源管理架构的升压变换器，在变换器中引入k个电容，将输入电压提升1+k倍实现升压变换，即VOUT＝(1+kD)·VIN，D是占空比。具体的，升压变换器的拓扑电路为：开关S0.1的公共端接地，常开端分k+1路，第一路经开关S0.2后分别与VIN和开关S0.3的公共端连接，开关S0.3的常开端经电感L后连接VOUT，电感L还分别经电容CL和电阻RL接地；开关S0.1常开端的第二路经电容C1和开关S1.1与开关S0.3的常开端连接；开关S0.1常开端的第三路至第k-1路中，每一路分别连接对应开关S2.3，S3.3……Sk-1.3的公共端，开关S2.3，S3.3……Sk-1.3的常开端分别连接对应的电容C2，……Ck-1后连接对应开关S2.1，……Sk-1.1的公共端，开关S2.1，……Sk-1.1的常开端分别与开关S0.3的常开端连接；开关S0.1常开端的第k路与开关Sk.3的公共端连接，开关Sk.3的常开端经电容CK与开关S0.3的常开端连接；开关S1.1，S2.1……Sk-1.1的公共端分别经开关S2.2，S3.2……Sk.2与开关S2.3，S3.3……Sk.3的常开端连接。10.根据权利要求9所述的升压变换器，其特征在于，充电周期中，开关S0.1，S0.3；S1.1，S2.1……Sk-1.1；S2.3，S3.3……Sk.3闭合，其他开关断开，电容两端电压被充电至VIN；放电周期中，开关S0.2；S2.2，S3.2……Sk.2闭合，其他开关断开，电感L左边电压变为(1+k)·VIN。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种电源管理架构，内部电源管理模块采用升压变换器将低压转为高压为所需的模拟和射频电路供电，以此来提高SoC电源管理模块的供电效率，采用升压变换器将低压输入转换为高压来提供模拟和射频电路所需的电源，而低压输入电源直接为数字电路供电。避免了传统架构中降压变换器后级联大电流LDO导致的效率降低。进一步的，电源管理架构设置在SoC外部，可以提高电源管理系统性能、降低设计成本。进一步的，电源管理架构设置在SoC内部，可以提高SoC系统集成度，降低整机成本。进一步的，升压变换器和低压差线性稳压器LDO在电源管理架构中的个数至少为一个，且每个升压变换器的输出端至少连接一个低压差线性稳压器LDO的电源，可以实现电源管理架构产生不同的高压电源为不同的模拟和射频电路供电。一种升压变换器，SCB升压变换器可以实现宽输入输出范围、低纹波、高效率。环路控制设计简单，输出电压可以通过增加电容个数来提高。进一步的，拓扑结构采用较少的开关实现了所需的升压倍数。采用CMOS工艺实现时，开关控制时序简单，无需额外的衬底选择电路，可选用薄栅氧器件减小芯片面积。综上所述，本专利技术升压变换器效率高、纹波低、输入输出范围宽，电源管理架构提高了整体供电效率，适用于先进工艺下的SoC供电解决方案。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术提出的电源管理架构；图2为本专利技术提出的SwitchCapacitor-Buck升压变换器结构的功率级拓扑，其中，(a)为充电周期，(b)为放电周期；图3为k＝2对应的SCB变换器原型；图4为SCB变换器的启动过程；图5为两种占空比下变换器的输出电压；图6为本专利技术升压变换器效率图；图7为本专利技术电源管理架构与传统架构的效率对比图。具体实施方式本专利技术提供了一种电源管理架构，SoC外部电源直接提供用于数字电路供电的低压，内部电源管理模块采用升压变换器将低压转为高压为所需的模拟和射频电路供电，以此来提高SoC电源管理模块的供电效率。请参阅图1，本专利技术一种电源管理架构，可以在SoC内部构成电源管理模块，也可以在SoC外部以电源管理芯片的形式出现。为数字电路提供低压电源的引脚VIN与SoC系统级芯片中的数字电路直接连接，并与升压变换器的输入端连接，升压变换器的输出端与低压差线性稳压器LDO的电源连接，低压差线性稳压器LD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电源管理架构，其特征在于，包括升压变换器，升压变换器的输入端分别与为数字电路提供低压电源的引脚V

【技术特征摘要】
1.一种电源管理架构，其特征在于，包括升压变换器，升压变换器的输入端分别与为数字电路提供低压电源的引脚VIN以及SoC系统级芯片中的数字电路连接；升压变换器的输出端与低压差线性稳压器LDO的电源连接，低压差线性稳压器LDO的输出为模拟和射频电路提供高压电源。


2.根据权利要求1所述的电源管理架构，其特征在于，电源管理架构为电源管理芯片，设置在SoC系统级芯片的外部。


3.根据权利要求1所述的电源管理架构，其特征在于，电源管理架构为电源管理模块，设置在SoC系统级芯片的内部。


4.根据权利要求1所述的电源管理架构，其特征在于，升压变换器包括Boost变换器、开关电容变换器以及SCB升压变换器。


5.根据权利要求1所述的电源管理架构，其特征在于，低压差线性稳压器LDO包括数字低压差线性稳压器、模拟低压差线性稳压器以及数模混合低压差线性稳压器。


6.根据权利要求1所述的电源管理架构，其特征在于，升压变换器和低压差线性稳压器LDO在电源管理架构中的个数至少为一个。


7.根据权利要求6所述的电源管理架构，其特征在于，每个升压变换器的输出端至少连接一个低压差线性稳压器LDO的电源。


8.一种应用权利要求1所述电源管理架构的升压变换器，其特征在于，在变换器中引入k个电容，将输入电压提升1+k倍实现升压变换，即VOUT＝(1+kD)...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿莉，郭卓奇，薛仲明，董力，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61