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现代便携式设备中集成式电源管理的关键技术研究

娄佳娜  
【摘要】:随着电子技术和集成电路技术的飞速发展,现代便携式电子设备已发展成为一个高度复杂的系统。与之相应,其电源管理也成为设计中不可回避的挑战。面对便携式系统性能日趋高端化和多样化,而电源预算及对其功耗、热损和体积的限制却愈趋紧缩的矛盾,对于系统电源的整体性能水平、转换效率、电压和能量的调度管理能力和应对市场快速开发的能力都提出了更高要求,这就使得提出与构成一个适应现代便携式系统需要的高性能集成式电源管理系统显得十分必要。 论文针对上述需求,对高性能集成式电源管理系统及相关的关键技术问题展开研究,并给出相应的解决方案。 为使系统能感知电池特点并控制其以最优方式充放电和工作,以最大限度地延长便携式系统电池的工作时间,论文通过发展能耗感知技术,使电源系统在电池运行时间、兼容性、体积和有效的热量管理之间取得最佳平衡,并实现全方位全过程的能量控制与管理,在采用开关型拓扑实现高效率智能化充电控制的同时采取可编程输入电流限流策略并引入输入电流限流环路以适应从墙上适配器到USB端口供电的需求。提出一种基于负载优先的负载分配原则在保证设备正常工作的同时可利用多余能量给电池充电,同时降低电池的充放电频率,以延长电池的使用寿命。 针对现代便携式设备的电源系统既要充分考虑处理器性能和设备的需求,又对系统能耗有苛刻限制的状况,发展与完善了多电压输出高效率直流开关变换技术,其中对标称输出支路提出一种具有无缝切换功能的升降压变换技术,可以有效延长电池供电时间。对于更低电压输出支路则创新地采用了模块化设计的模拟电流模式开关变换器,提高了设计兼容性。此外,发展了动态电压调整和能量分配技术,在不同负载条件下分别引入连续、断续以及开环控制的多模式控制,实现了全负载范围内的高效率,并引入线性-非线性混合控制提高了负载跳变的瞬态响应。 同时,针对电流模式开关电源控制中电流检测损耗大的问题,提出了基于Gm-C滤波器的自校准无损电感电流检测技术,主要实现了其中Gm-C电路低失调、宽输入共模范围、高输出阻抗以及可编程跨导的设计,并将该技术应用到峰值电流模式以及平均电流模式的控制中。 以上提出的电源管理技术均在集成电路工艺下实现,并通过仿真和流片测试进行了验证。


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