绪论
1.1 电源管理芯片
电源管理(Power Management, PM)是现代电子系统中必不可少的，它实现对电能的检测、变换、分配和其他管理功能。电力电子和集成电路技术的发展将电源管理系统从分立元件带向了集成电路，从而诞生了电源管理芯片[1]。如同摩尔定律所预言的，电源管理芯片与整个芯片产业一样，其集成度不断提高，功能和种类也在不断增加，主要包括开关稳压器、线性稳压器、电压/电流基准、以及各种各样的电池管理和能量管理、保护芯片等。随着移动互联网时代的到来和手机、数码相机、平板电脑等各类消费电子产品的兴起，越来越多的产品实现了移动式或便携式应用，这也形成了对电源管理芯片的巨大需求，因为紧凑的体积和良好的续航能力是产品提高用户体验感的重要方面。目前来看，未来电源管理芯片的发展趋势是高性能，高效率，低噪声和高集成度。
(1)高性能。现代消费电子产品的供电方式趋于多样化，各类供电设备如墙上适配器、USB、锂电池、超级电容等都可能用于提供能量，而这些供电设备的电压都有差异。因此电源管理芯片需要能够在较大的电源变化范围内实现电压调整和能量分配，并保证输出电压的纹波尽量小[2_3]。(2)高效率和低功耗。电源管理芯片的变换效率与电子产品的待机时间和电池的使用寿命密切相关[4-6]。电源芯片在提高效率和降低功耗的同时，也减少了功率元件自身的发热，提高系统的可靠性。因此芯片的效率和功耗是未来设计的重要考虑因素。
(3)低噪声。开关噪声是开关电源不能避免的问题，随着电源芯片高频化和数字化的发展，这一问题愈加凸显。因此在电源管理芯片设计中，要求降低芯片自身的嗓声并提高其噪声抑制能力。(4)高集成度。高集成度是为了适应电子设备微型化而提出的。在摩尔定律和SOC技术的推动下，电源芯片的体积越来越小但集成度却越来越大，更多的数字技术被引入其中以减小体积，出现了数字电源等产品。多电源供电解决方案的整体集成是未来智能化电源管理技术的趋势。
1.2 电源管理芯片设计的挑战
随着人们对消费电子设备功能水平要求的不断提高，产品的系统复杂度和功耗不断增加。与之相矛盾的是电子设备的尺寸不断缩小，电源预算不断紧缩，电源管理系统需要在增加电池使用时间、兼容多种电源、较高的功率密度、良好的响应性能、微小的体积和可靠的热量管理之间取得平衡。因此实现高性能高效率的电源管理方案成为电源管理芯片设计的挑战。在现代消费电子设备中，电源趋于多样性，使得电源电压的波动范围很大，而系统中的各类模块则需要稳定的电压以维持工作，这就要求电源管理芯片能在较大电源波动下实现电压调整，同时尽量减小输出纹波。在动态响应方面，要求电源管理系统能够及时对负载变化做出调整，分配能量，保证系统的稳定性。此外，提高电池的续航能力在便携式电子设备中越来越重要，因此在设计电源管理芯片时要尽量提高转换效率，降低自身功耗。从电子设备对电源管理系统的要求来看，电源芯片在设计中存在以下几个关键问题需要解决：
(1)在现代便携式设备中，裡电池的供电电压范围通常为2.7—4. 2V，而在一个系统的CPU外围电路中，对磁盘驱动、存储和I/O等供电需要3. 3V固定电源[7]，因此需要实现升降压功能，以保证系统在整个锂电池供电范围内正常工作。
(2)为了延长系统续航时间和电池寿命，需要提高电源转换效率。对于开关电源来说，在系统处于待机等负载较轻的情况下，由开关动作引起的开关损耗对系统效率的影响尤为明显，而待机功耗对于便携式消费类产品恰恰是一个极为重要的指标。因此在轻载时降低开关频率对提高电源管理效率有重要意义。
(3)为了提高电源管理系统的响应速度，电流模式控制被广泛采用。其中电流检测是不可缺少的部分。精确的电流检测可以使系统更合理的分配能量，但往往也带来更大的功耗。在设计中，需要综合考虑电流检测的精度和功耗，尽可能在降低损耗的同时提高检测精度。
1.3 国内外研究现状
鉴于其重要性，针对电源管理国内外有一系列研究成果，其中最有效的技术是动态电压调整（Dynamic Voltage Scaling) 该技术使供电电压根据负载需求实时调整，从而消除迟滞，节约能量。动态电压调整的典型应用为降压型(Buck)开关变换器和升压型（Boost)开关变换器。前者实现输入电压的降低，后者实现输入电压的升高。
2 四开关Buck-Boost变换器的控制策略............... 6
2.1 传统升降压变换器............. 6
2.2 四开关Buck-Boost变换器 .............6
2.3 绿色多模式控制策略 .............7
2.4 平滑过渡控制策略............. 9
3 开关变换器的轻载效率 .............13
3.1 开关功率损耗 .............13
3.2 两种轻载技术比较 .............14
3.3 PWM摸式和突发模式的切换 .............17
4 无损电流检测技术............. 19
4.1 传统电流检测技术 .............19
4.2 基于Gm-C滤波器的电流检测技术 .............22
4.3 Gm-C滤波器的调谐与校正 .............24
总结和展望
现代消费电子产品对电源管理系统提出了新的要求，电源管理芯片正朝着高性能，高效率，低噪声和高集成度的方向发展。针对这些要求和趋势，本文分析了应用于现代消费电子设备的高性能高效率开关变换器设计中的三个主要技术问题：宽电压调节能力、全负载范围的高效率和精准快速的系统响应。针对宽电压调节能力的要求，本文采用了四开关buck-boost变换器结构。
为了提高系统效率，提出了绿色多模式控制策略，采用三种工作模式对输入电压进行调节。在模式过渡技术上，提出了“三阶段”平滑过渡控制策略，有效减小了输出电压纹波，改善了系统的线性调整率。
参考文献
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