專利名稱：用于高頻數(shù)控smps的寬輸入窗口非線性模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及開關(guān)模式電源(SMPS)電路，且更特別地，涉及用于高 頻數(shù)控SMPS的寬輸入窗口非線性模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
數(shù)字控制提供了引人注意的能夠?qū)е碌凸拈_關(guān)模式電源(SMPS)極 大地增強的特征。數(shù)字技術(shù)的實現(xiàn)允許開發(fā)新的控制技術(shù)，該技術(shù)能夠通 過多模式操作而增加功率級的總效率，使主動監(jiān)控SMPS參數(shù)和隨后的自 動調(diào)諧成為可能，并通過避免特征為模擬實現(xiàn)或采用非線性控制技術(shù)的增 益和參數(shù)變化問題而改善瞬時反應(yīng)。此外，在自動化設(shè)計工具和硬件描述 語言(HDL)的支持下，數(shù)字系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)被設(shè)計好，并且易于修改。這些工具還允許將這些設(shè)計從一種實現(xiàn)技術(shù)簡單地轉(zhuǎn)移至另一種實現(xiàn)技 術(shù)，即可移植性設(shè)計。這在芯片實現(xiàn)技術(shù)不斷變化的現(xiàn)代IC設(shè)計中是非 常需要的特征。
盡管具有這樣的事實，即所有的這些特征非常適合低功耗應(yīng)用，在微
型電池供電式設(shè)備中，如在移動電話、PDA和MP3播放器中，幾乎毫無 例外地都采用PWM模擬控制SMPS。這主要是由于缺少能夠以比lMHz 高很多的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換頻率支持操作的低功耗數(shù)字架構(gòu)?，F(xiàn)有的數(shù)字控制器 的功率消耗通常與所供給的低功耗電負(fù)載的功率消耗是可比較的，導(dǎo)致該 SMPS的總效率差。在更高的轉(zhuǎn)換頻率，模擬控制器消耗相當(dāng)少的功耗， '并且因此是更適合的解決方案，盡管它們不具有上述特征中的大多數(shù)特 征。對數(shù)字控制器能夠在低功耗應(yīng)用中有效使用的最大轉(zhuǎn)換頻率的一個主 要限制是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。傳統(tǒng)的高速ADC結(jié)構(gòu)通常不是合適的解決 方案。
用在低功耗dc-dc轉(zhuǎn)換器中的傳統(tǒng)的ADC的一個問題是它們在性能 方面的利用率差。對應(yīng)于通常為常數(shù)的功率級的輸出電壓，傳統(tǒng)的設(shè)備通 常僅在一個操作點附近操作。


將基于下述附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細(xì)描述，其中
圖1示出用在當(dāng)采用脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)輸出電壓的情況中的數(shù)控 dc-dc補償轉(zhuǎn)換器實施例的實例。
圖2示出實施例中的ADC的方塊圖。
圖3A示ADC實施例的輸入-輸出特性。
圖3B示出實施例中的非線性ADC特性實現(xiàn)方式。
圖4示出具有150MHz時鐘信號頻率的非線性ADC實施例的示范操 作的模擬結(jié)果。
具體實施例方式
在各實施例中，新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)結(jié)構(gòu)可以與以高于lOMHz的轉(zhuǎn) 換頻率操作的開關(guān)模式電源(SMPS)—起使用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器實施例可以實現(xiàn)很低的功率消耗、快速的轉(zhuǎn)換時間，并可以采用簡單的硬件實現(xiàn)。另一顯 著的優(yōu)點為某些ADC實施例具有為數(shù)字控制器提供改善的負(fù)載瞬時反應(yīng) 特性的非線性增益特性。這種解決方案還能夠以低輸入電壓進行操作。
在實施例中，提供了結(jié)合雙重差分輸入級、延遲線和非線性誤差邏輯
的ADC。該ADC實施例允許采用低至零伏的輸入電壓進行操作，并具有 獨立于操作點的量化步長(quantization steps)和轉(zhuǎn)換時間。通過產(chǎn)生增加 非零輸出電壓誤差的ADC的增益的非均勻的量化步長，非線性差錯邏輯 還改善了動態(tài)響應(yīng)。ADC實施例包括以0.18pnCMOS工藝設(shè)計并通過模 擬測試的新的結(jié)構(gòu)。采用這種數(shù)字結(jié)構(gòu)的各實施例能夠控制可能以超過 100MHz的轉(zhuǎn)換頻率進行操作的即將到來的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
圖1示出用在當(dāng)采用脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)輸出電壓的情況中的數(shù)控 dc-dc補償轉(zhuǎn)換器實施例的實例。如圖1所示，數(shù)字式控制器100包括ADC 102、數(shù)字式補償器104和數(shù)字式脈寬調(diào)制器(DPWM) 106。
ADC102將功率級輸出電壓的模擬值v。ut(t)轉(zhuǎn)換成它的數(shù)字等效值 v。ut[n]?；跀?shù)字參考值V^，形成數(shù)字誤差信號e[n]。這種誤差隨后由產(chǎn) 生數(shù)字變量d[n]的數(shù)字式補償器104進行處理?；赿[n]，數(shù)字式脈寬調(diào) 制器(DPWM) 106產(chǎn)生脈寬調(diào)制的模擬信號c(t)，該模擬信號c(t)調(diào)節(jié)固態(tài) 開關(guān)sw,的操作。c(t)的頻率，即轉(zhuǎn)換頻率fsw- 1/Ts，在這種類型的實現(xiàn) 方式中可以為常數(shù)。
為了滿足嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)和快速動態(tài)響應(yīng)的需求，在一個轉(zhuǎn)換周 期內(nèi)，ADC應(yīng)當(dāng)能夠進行精確的轉(zhuǎn)換。這意味著在以10MHz進行操作的 SMPS轉(zhuǎn)換器中，ADC應(yīng)當(dāng)能夠進行小于100ns的轉(zhuǎn)換。通常，這樣的 ADC很復(fù)雜，要求大的單片面積，并消耗大量的功率。因此，它們不適 合實現(xiàn)以高轉(zhuǎn)換頻率進行操作的低功耗SMPS。
圖2示出實施例中的ADC的方塊圖。兩個輸入差動級202、 204用來 提供用于參考電壓延遲線206和電壓測量延遲線208的偏置電壓，其中每 條延遲線包含不同數(shù)量的相同的電流限制式的延遲單元。電壓測量線包含 五個單元，比參考線多。通過比較通過延遲線206、 208的時鐘信號(CLK) 的傳播時間而測量輸出電壓誤差。在CLK信號的上升沿激勵通過它們的 兩個脈沖的移動的同時，延遲線都同步被觸發(fā)。當(dāng)通過參考延遲線傳播的脈沖到達(dá)第N個延遲單元時，產(chǎn)生選通信號，并獲取所測量的延遲線的瞬
態(tài)圖。隨后，基于CLK信號已經(jīng)傳播通過的單元的數(shù)量，誤差解碼器210 確定e[n]、輸出電壓誤差的數(shù)字等效值，并將它送至圖1的數(shù)字式補償器 104。
如圖2所示，兩個差動級202、 204允許以低輸入電壓進行操作，并 提供獨立于V^的ADC特性?？梢钥闯觯瑢τ趶牧惴接蒝DD、 P-MOS 晶體管的閾值電壓和電流偏置電路限制的最大輸入值范圍內(nèi)變化的Vref，
P-MOS差動級202的輸出Vbia^ef不變。調(diào)節(jié)通過測量延遲線的傳播的差
動級204的電壓可以根據(jù)關(guān)系式(l)進行描述
K咖—。w = rtore/ + —v。 ,(0)= ^ —《ev(,) (J)
其中，e"t)為輸出電壓誤差，且K為依賴于Ibias和差動級202、 204中的 晶體管的尺寸以及延遲線206、208中的延遲單元的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。關(guān)系式(1) 中的等式顯示出通過兩條延遲線206、 208的傳播時間的差別僅取決于電 壓差，并且不受V^變化的影響。
在這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換速度和量化步長都取決于Ibias和延遲單元的結(jié) 構(gòu)。這意味著ADC實施例能夠提供更多的功能，如量化步長的動態(tài)變換、 并且通過替換目前采用的具有如圖3A中所示的數(shù)字式編程單元的電流限 制式延遲單元，可以增加可變轉(zhuǎn)換時間。在實施例中，為了進一步降低功 率消耗，可以在完成ADC轉(zhuǎn)換之后關(guān)閉電流偏置電路，并用時鐘信號的 新的上升沿來激活它。
在各實施例中，非線性量化步長用來引入可變增益，并改善控制器的 瞬時反應(yīng)特性，而不導(dǎo)致極限周期性振蕩。在數(shù)控SMPS中，通常希望的 是限制ADC的輸入電壓量化步長的導(dǎo)致零誤差值的最小尺寸，即限制零 誤差bin的寬度。如果量化步長(ddta)Vq太小，需要更高的DPWM分辨率 來消除可能的極限周期性振蕩。另一方面，在零誤差bin之外，更大的量 化步長導(dǎo)致對輸出電壓的變化靈敏度降低，并降低由非線性量子化效應(yīng)導(dǎo) 致的環(huán)路增益。
圖3A示出ADC實施例的輸入-輸出特性。如圖3A所示，對應(yīng)于Vref和轉(zhuǎn)換器輸出電壓之間的顯著差別，零誤差bin比其它量化步長大。結(jié) 果，對于非零值，ADC的由所示出的關(guān)系式(2)所限定的增益形成為較大， 并且產(chǎn)生非線性增益特性
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圖3B示出實施例中的非線性ADC特性實現(xiàn)方式。它顯示出差錯解碼 器對于測量延遲線的在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束獲取的不同的瞬態(tài)圖的輸出值。將零 誤差值分配給測量線的三個不同的瞬態(tài)圖產(chǎn)生了非線性。如圖3B所示， 如果通過測量線傳播的脈沖通過與通過參考線移動的相同數(shù)量的單元，.或 者如果已經(jīng)傳播通過的單元信號的數(shù)量差不大于1，則假定e[n]為零。
系統(tǒng)驗證
ADC實施例被實現(xiàn)為專用集成電路(ASIC)，并采用0.18pmCMOS工 藝進行設(shè)計。圖4示出了被調(diào)整用于在150MHz的轉(zhuǎn)換頻率處的操作的該 設(shè)計的HSPICE模擬結(jié)果。
圖4示出具有150MHz時鐘信號頻率的非線性ADC實施例的示范操 作的模擬結(jié)果。波形示出了在1V參考值附近的開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出電壓v。ut(t) 的斜坡變化如何影響ADC的輸出，即誤差e[n]?？梢钥闯?，對于轉(zhuǎn)換器 輸入電壓的80mV的有效變化，e[n]還從二進制值-4斜坡上升至+4。在先 前部分中所描述的非均勻量化步長也可以被觀察到。該ADC的零誤差bin 約為20mV，近似于比對應(yīng)于e[n]--l的量化步長大三倍。該模擬還驗證 了快速模數(shù)轉(zhuǎn)換?？梢钥闯?，主題ADC實施例僅需要5ns來對突然的電 壓變化作出反應(yīng)，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成它的數(shù)字等效值。電流消耗約為950 mA (7mA/顧z)。
這些結(jié)果驗證了所提出的結(jié)構(gòu)能夠為可用的最快的開關(guān)式整流器、以 及即將到來的希望以大于100MHz的頻率進行操作的系統(tǒng)提供有效的數(shù)控 解決方案。
為了闡述和描述的目的，已經(jīng)提供了本發(fā)明的前述描述。其目的不是 窮舉的，或者將本發(fā)明限制為所公開的確定的形式。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說，各種修改和變形是顯而易見的。特別地，明顯的是，上述為了基于附圖標(biāo)記的有效性而采用數(shù)值級別檢測圖像、并對圖像進行歸類的特征能夠 結(jié)合在除所描述的那些類型之外的其它類型的軟件程序中。為了最佳地解 釋本發(fā)明的原理和它的實際應(yīng)用，選擇并描述了上述各實施例，從而使本 領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例和適合特定應(yīng)用的各種修改 也是希望的。目的是本發(fā)明的保護范圍由下述權(quán)利要求和它們的等同物進 行限定。
權(quán)利要求
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，包括第一差分輸入級和第二差分輸入級，接收低至零伏的輸入電壓，并產(chǎn)生參考偏置電壓和輸出偏置電壓；接收參考偏置電壓的參考延遲線和接收輸出偏置電壓的輸出測量延遲線，每條延遲線包含不同數(shù)量的延遲單元；和誤差解碼器，通過比較通過參考延遲線和輸出測量延遲線的時鐘信號(CLK)的傳播時間來確定輸出電壓誤差，并向數(shù)字式補償器發(fā)送輸出電壓誤差的數(shù)字等效值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中參考延遲線和輸出測量延遲線被 同時觸發(fā)，CLK信號的上升沿啟動兩個脈沖移動通過參考延遲線和輸出測 量延遲線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中當(dāng)傳播通過參考延遲線的脈沖到 達(dá)第N個延遲單元時，產(chǎn)生選通信號并獲取所測量的延遲線的瞬時圖。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中誤差解碼器基于時鐘信號(CLK) 已經(jīng)傳播通過的單元的數(shù)量確定e[n]、輸出電壓誤差的數(shù)字等效值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中在參考延遲線和輸出測量延遲線 中的至少一條中的延遲單元是數(shù)字可編程的，以改變轉(zhuǎn)換時間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中在參考延遲線和輸出測量延遲線 中的至少一條中的延遲單元是數(shù)字可編程的，以動態(tài)地改變量化步長。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中該ADC在轉(zhuǎn)換之后被斷電，以 降低功率消耗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中數(shù)字式補償器與數(shù)字脈寬調(diào)制器 耦合，以控制開關(guān)模式電源(SMPS)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中通過參考延遲線和輸出測量延遲 線的時鐘信號的傳播的差別基本上獨立于輸入電壓Vref。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中當(dāng)在V^和轉(zhuǎn)換器輸出電壓之 間存在顯著差別時，零誤差bin比其它量化步長大，以提供非線性增益特 性。
全文摘要
在各實施例中，一種新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)結(jié)構(gòu)可以與以高于10MHz的轉(zhuǎn)換頻率操作的開關(guān)模式電源(SMPS)一起使用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例可以實現(xiàn)很低的功率消耗、快速的轉(zhuǎn)換時間，并可以采用簡單的硬件實現(xiàn)。另一個引入注意的優(yōu)點在于某些ADC的實施例具有為數(shù)字控制器提供改善的負(fù)載瞬時反應(yīng)的非線性增益特性的特征。
文檔編號H02J7/00GK101657948SQ200880006394
公開日2010年2月24日 申請日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者亞歷山大·普羅迪奇, 茲德拉夫科·盧基奇 申請人:愛薩有限公司