电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责, 最常见的结构是线性电源和开关电源。开关电源通过控制开关管开通和关断的时间, 维持稳定的输出电压, 以其高效率、小型化的特点而广泛应用于几乎所有的电子设备。工业控制系统、汽车电子等领域往往存在多个电压轨, 在不同工作阶段还存在输入电压瞬间大范围变换的情况, 这要求其具有高输入电压的同时, 还需要在一个较宽的输入范围内能够高效地给负载供电。文章围绕宽输入电压DC-DC的转换效率提升、快速响应技术及低EMI设计进行了综合阐述, 并分析了学术界和业界的一些最新进展。

介绍了一种采用018 μm CMOS工艺制作的动态范围达71 dB、步长为1 dB的低噪声可编程增益放大器。为了克服传统的三运放仪表放大器共模输入范围受限的缺点, 本设计采用了电流模架构, 实现轨到轨的共模输入范围。内部运放采用斩波来减小其失调电压和低频1/f噪声。增益控制由粗调级和精调级两部分来实现, 粗调级将电压信号转换为电流信号, 精调级将电流信号恢复为电压信号, 最终实现宽范围和高精度。仿真结果表明, 该设计总共实现了-3 dB~68 dB的增益范围和1 dB的步长; 在48 dB增益下1 Hz到100 kHz的等效输入噪声为3573 μV, 1 kHz处CMRR和PSRR分别为1189 dB和1206 dB。

设计了一种无运放带隙基准电路，该电路采用电压自调节技术来稳定输出基准电压，并实现该带隙基准电路在较宽频率范围内的高PSRR。该基准采用无运放结构，在降低电路复杂性的同时，避免了运算放大器的失调电压对输出基准的温度系数的影响。基于0.18 μm BCD工艺，在Cadence环境下仿真得到该电路在10 Hz时，PSRR为-94 dB，在1 MHz时，PSRR为-44 dB；在-40~125 ℃温度范围内，温度系数为4×10-6/℃；包含启动电路在内，该电路静态电流约为14 μA，片上面积约为0.016 mm2。

设计了一种适用于全集成开关电容功率转换器(SCPC)的浮动电压驱动电路。该电路采用交错自举控制技术，周期性地利用多相交错SCPC中的特定单元为其他单元提供自举驱动。该电路实现了全部功率开关的浮动电压驱动，并且适用于所有SCPC拓扑。相比于传统浮动电压驱动方案，该驱动电路的硬件开销与SCPC中的器件数目无关。提出的浮动电压驱动电路应用于一个8相可重构SCPC中，仿真结果证明了其功能的正确性。

提出了一种基于电流比较的无基准电压型Cap-less LDO。将输出电压转换为电流后与参考电流比较,无需独立的基准电压模块,可降低功耗。在环路中插入了一个带有源反馈补偿网络的误差放大器,可增加环路增益，从而提升精度,在减少片上补偿电容的同时维持宽负载范围内的环路稳定性。该LDO采用65 nm标准CMOS工艺仿真验证,仿真结果显示,当负载电容为100 pF时,静态电流为9.4 μA,片上补偿电容仅需0.25 pF,当输出负载在100 μA和50 mA之间处切换时,恢复时间小于1 μs,带有源反馈LDO的上冲和下冲分别为94 mV和21 mV,和不带有源反馈的LDO相比，上冲和下冲分别减少了28%和79%。

提出了一种自适应时间常数匹配Gm-C电感电流采样方法。该方法通过比较Buck变换器SW点电压的过零时间与Gm-C滤波采样电压的过零时间,判断Gm-C时间常数是否与DCR时间常数匹配。使用鉴频鉴相器检测二者过零时间差,并控制双向计数器,实现对电容阵列等效容值的调制,最终实现自适应时间常数匹配Gm-C电感电流采样。与前序工作相比,该校准过程平滑,并且可以在DC-DC变换器正常工作情况下进行在线调制,能有效适应DC-DC变换器工作中温度、电压、电流等外部条件的变化。

提出了一种应用于48 V-1 V系统的隔离型混合模式降压变换器,利用飞电容和变压器实现高转换比应用下的高转换效率。混合变换器结合了开关电容变换器和开关电感变换器,其中飞电容承担了部分电压降,实现了功率开关管电压应力的降低。由于开关节点处的电压摆幅较小,开关损耗随之减小;通过使用更低压的功率开关管,实现功率开关管导通损耗减小。在此基础上,隔离型混合模式降压变换器通过时序控制可以实现软开关,进而实现功率开关管开关损耗减小,使得整体效率提升。在隔离型混合模式降压变换器中,飞电容还具有隔直电容的作用,可以防止变压器偏磁。在典型应用下,即在48 V输入电压、1 V输出电压、500 kHz开关频率下,峰值效率为94.84%。

提出了一种基于开关电流积分器的RB-COT Buck变换器。通过注入电感电流纹波补偿控制环路,引入采样保持电路消除电感电流纹波的直流分量,提高了输出电压的精度。在此基础上,开关电流积分器替代原架构中的固定RC滤波器,有效提升了高工作频率下系统的响应速度,并在全频率范围内兼顾稳定性与响应速度。以全频率范围内环路稳定性作为设计基本准则,该Buck变换器在高开关频率下响应速度得到了有效提升。在1 MHz开关频率下,负载阶跃的恢复时间相比于采用固定RC滤波减少了20 μs。

对一种车用恒流/恒压模式的四开关Buck-Boost变换器的控制策略进行了研究。在输入输出电压接近时引入Buck-Boost模式,从而在不同输入输出电压大小关系下,通过检测功率管占空比大小,实现Buck模式、Boost模式和Buck-Boost模式之间的平滑切换,提高了系统的稳定性。通过设计最大值选择电路,使变换器在充电应用中自动从恒流模式切换到恒压模式,模式切换平滑稳定。仿真结果表明,在24 V输出电压下,变换器从Buck模式切换到Buck-Boost模式时,输出电压下冲为9.2 mV,变换器从Boost模式切换到Buck-Boost模式时,输出电压下冲为92 mV。变换器在Buck模式与Boost模式下均能实现恒流/恒压模式的自动平滑切换。

介绍了一种适用于多相交错开关电容功率转换器的静态模型。分析了电容与电容之间的电荷传递行为,将开关电容功率转换器中的电荷再分配损耗和开关导通损耗等价地描述为电荷传递子过程的电压损失。该模型可以简便、准确地描述任意开关频率下开关电容功率转换器的等效输出电阻。同时,运用了一种新的“比例电流近似”方法,建立了带电流负载时的电荷传递模型,用以描述和分析负载和输出去耦电容对电容功率转换器静态特性的影响。相比于传统模型,提出的模型在中等开关频率下能准确地描述开关电容功率转换器的静态特性,同时能准确地描述多相交错控制中开关电容功率转换器的输出电压纹波。