CN101051841A - 适用于数字电源控制器的窗口式并行模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种适用于数字电源控制器的改进型窗口式并行模数转换器。它由7个PMOS管，4个NMOS管，2n个电阻，2n个比较器组成。由MOS管形成一个差分输入、单端输出的折叠共源共栅放大器。在放大器输出节点的上下，各串联了n个电阻。放大器接成单位负反馈跟随形式，且正输入端接参考电压Vref。由于Vref是直流，放大器工作在静态，故流过电阻的电流等于放大器输出支路的直流偏置电流。将每个电阻两端引出，就可形成2n个阈值电压。用2n个由时钟CK控制的比较器将输入信号Vin与2n个阈值电压进行比较，可产生温度计输出码。本发明的模数转换器具有窗口量化、速度快、功耗低、面积小、设计难度低的特点，完全适用于数字电源控制器的要求。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适用于数字电源控制器的改进型窗口式并行模数转换器。
背景技术
近几十年来，开关电源技术一直凭借其转换效率高、稳压范围广等优点，而得到广泛的应用。例如为计算机微处理器芯片供电时，良好的开关电源可以大大降低***的功耗。在诸如手机、笔记本电脑等便携式电池供电设备中，开关电源的重要性尤为突出。对关键模块使用开关电源，不仅可以延长设备电池的使用时间，而且可以对模块之间的干扰做出良好的隔离，从而提高设备的性能。可以预见，未来几乎所有的高性能电子产品中都会使用开关电源。随着集成电路技术的发展，开关电源的趋势必然是精度高、响应快、功耗低、体积小，甚至集成到被供电的芯片内部。
目前，开关电源中的电源控制器一直采用模拟的方式。然而模拟电源控制器对设计者的设计能力提出了很高的要求，因为开关电源往往工作在恶劣的环境中，控制器的性能会受到噪声、温度、工艺偏差等因素的巨大影响。而且模拟电源控制器需要使用补偿电容，无论采用集成方式还是外接方式，都会占用额外的面积，并且导致较大的功耗。出于这些因素的考虑，数字电源控制器得到了国外学者和业界越来越多的关注。数字电源控制器将输出电压进行采样，并用优化算法实现控制。相比模拟电源控制器，数字电源控制器不易收到外部恶劣环境的影响，具有更高的可靠性，降低了设计难度和设计周期。优化算法的使用使得控制器可以灵活的调整响应曲线，并且实现可编程控制。最重要的是，数字控制方式可以实现电源管理的功能，即同时管理多个设备。这些优点都是模拟电源控制器所无法比拟的，因此对数字电源控制器的研究具有很高的实用价值。
数字电源控制器中最重要的模拟模块是其前端用于输出电压采样的模数转换器(ADC)。与常规的模数转换器不同，数字电源控制器中的模数转换器有着其特殊的要求和特点。首先，数字电源控制器的延时主要由模数转换器产生，它会严重影响控制器的响应曲线，因此模数转换器应该具有足够小的延时来保证控制环路的稳定。目前流行的流水线型模数转换器或∑-Δ型模数转换器都因其多级结构或数字滤波器的使用而具有较大的延时，不适合电源控制的应用场合。而单级并行模数转换器则因其优良的延时特性，成为了首选结构。其次，数字电源控制器的输出电压基本都在输出参考电压的附近波动，即模数转换器的测量对象是一个很小的范围。如果将并行模数转换器设计成全量程形式，既消耗很多功耗，又占用很大面积，效率低下。因此，如何设计出工作在某特定段电压范围的窗口式模数转换器，成为了数字电源控制器中的关键技术之一。
国外文献上最早的应用于数字电源控制器的窗口式并行模数转换器出现在2003年左右，可参见：Peterchev A.V.，Jinwen Xiao and Sanders S.R.，“Architecture and ICimplementation of a digital VRM controller，”IEEE Trans.Power Electronics，vol.18，NO.1，Jan.2003，其原理如图1所示。在参考电压Vref的上下，各串联了n个误差电压源1、2、3、4、5、6，产生2n个阈值电压。同时有2n个比较器7、8、9、10、11、12的负端分别连接到2n个阈值电压，正端连接到被采样电压Vin。这样，2n个比较器的输出Vout+n、Vout+2、Vout+1、Vout-1、Vout-2、Vout-n就是围绕在参考电压Vref左右的一个窗口之内的温度计式输出码。可见，窗口式并行模数转换器可以检测出在输出参考电压左右某个范围之内的误差值，完全适应数字电源控制器的应用场合，而且大大降低了电路面积和功耗。但此文献只提出了思想，而没有给出具体的电路实现。
目前，国内关于此类电路的研究刚刚起步，一种具体的电路如图2所示，参见：郭健民，张科，顾培培，李文宏，“适用于主板电压调整器数字控制模块的ADC”，固体电子学研究与进展，2007年第2期。接成跟随形式的运放25将节点30的电压筘在参考电压Vref；由MOS管26、27、28、29形成的恒流源结合2n个电阻113、14、15、16、17、18可产生2n个阈值电压；2n个由时钟CK控制的比较器19、20、21、22、23、24将输入信号Vin与2n个阈值电压进行比较，产生最后的输出。然而这种电路需要额外的恒流源来为电阻供电，引入了附加的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种适用于数字电源控制器的改进型窗口式并行模数转换器，以克服现有窗口式并行模数转换器功耗较大的不足，满足当今低功耗设计的趋势。
本发明提出的改进型窗口式并行模数转换器由PMOS管31、32、33、34、35、36、37，NMOS管38、39、40、41，电阻42、43、44、45、46、47，比较器48、49、50、51、52、53经电路连接组成，其结构如图3所示。下面具体介绍其连接关系和其工作原理：
PMOS管31～41和电阻42～47构成一个PMOS管差分输入、单端输出的折叠共源共栅放大器。该放大器的正端输入连接参考电压Vref，负端输入连接到放大器的输出节点54，形成了单位负反馈跟随形式，因此节点54的电压等于参考电压Vref。在放大器输出节点54的上下，各串联n个电阻。在电路工作时，Vref是一个恒定的参考电压，因此放大器工作在静态，故流过电阻的电流可以认为是一个恒定的值，并且等于放大器的输出支路电流。由于需要考察的窗口是围绕参考电压Vref上下的一个很小的电压范围，故放大器的线性输出电压范围完全可以包括电阻42、43、44、45、46、47上的分压总和，因此运放可以正常工作。根据实际需要，设计运放的支路电流和电阻的取值，并将每个电阻两端引出，形成符合要求的2n个阈值电压。用2n个由时钟CK控制的比较器48、49、50、51、52、53将输入信号Vin与2n个阈值电压进行比较，产生最后的温度计输出码。
相比于现有的技术，本发明的窗口式模数转换器在不影响电路性能的同时，完全不需要任何附加的电流为电阻串偏置，避免了额外的功耗，降低了电路的面积。
附图说明
图1窗口式并行模数转换器思想。
图2现有窗口式并行模数转换器电路实现。
图3本发明提出的改进型窗口式并行模数转换器电路实现。
标号说明：1、2、3、4、5、6为误差电压源，7、8、9、10、11、12为比较器，13、14、15、16、17、18、42、43、44、45、46、47为电阻，19、20、21、22、23、24、48、49、50、51、52、53为时钟CK控制的比较器，25为运放，26、27、31、32、33、34、35、36、37为PMOS管，28、29、38、39、40、41为NMOS管。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
在图3中，MOS管31～41和电阻42～47构成了一个折叠共源共栅放大器。其中PMOS管32、33形成PMOS差分输入对；PMOS管31作为差分对的共源端尾电流；NMOS管40、41作为差分对的漏端尾电流；NMOS管38、39为输入共源共栅管；PMOS管34、35、36、37形成PMOS共源共栅电流镜负载；放大器的输出支路上串连2n个电阻，且其中间节点54为放大器的输出端连接到放大器的负输入端，放大器的正输入端连接到参考电压Vref；2n个时钟CK控制比较器的负输入端分别连接到每一个电阻的上端，正端连接到输入被采样电压Vin。
工作时，放大器连成单位负反馈跟随形式，故放大器输出节点54的电压等于放大器正输入端的电压Vref。而Vref是一个直流电压，因此放大器工作在静态，其输出支路的电流可以认为是恒定的，并等于直流偏置电流。支路电流与电阻串共同作用形成了Vref上下的一系列阈值电压。在数字电源控制器中，ADC考察的电压范围是在Vref上下的一个很小的窗口，其值远远不到放大器本身的线性输出电压范围，因此只要电阻数目2n取得合理，放大器输出是不会饱和的。利用2n个时钟CK控制的比较器将输入被采样电压Vin与2n个阈值电压比较，就可以产生2n个温度计输出码，从而实现了在参考电压Vref上下的窗口式并行模数转换器。
本发明的模数转换器具有窗口量化、速度快、功耗低、面积小、设计难度低的特点，完全适用于数字电源控制器的要求。
Claims (2)
1、一种适用于数字电源控制器的窗口式并行模数转换器，其特征在于由PMOS管(31)～(37)，NMOS管(38)～(41)，电阻(42)～(47)，比较器(48)～(53)经电路连接构成；其中，PMOS管(31)～(41)和电阻(42)～(47)构成一个PMOS管差分输入、单端输出的折叠共源共栅放大器；该放大器的正端输入连接参考电压Vref，负端输入连接到放大器的输出节点(54)，形成单位负反馈跟随形式；在该放大器输出节点(54)的上下，各串联n个电阻；根据实际需要，设计运放的支路电流和电阻的取值，并将每个电阻两端引出，形成符合要求的2n个阈值电压；用2n个由时钟CK控制的比较器(48)、(49)、(50)、(51)、(52)、(53)将输入信号Vin与2n个阈值电压进行比较，产生最后的温度计输出码。
2、根据权利要求1所述的适用于数字电源控制器的窗口式并行模数转换器，其特征在于PMOS管(32)、(33)形成PMOS差分输入对，PMOS管(31)形成差分对的共源端尾电流管，NMOS管(40)、(41)形成差分对的漏端尾电流管，NMOS管(38)、(39)形成输入折叠共源共栅管，PMOS管(34)、(35)、(36)、(37)形成PMOS共源共栅电流镜负载，所述共源共栅放大器的输出支路上串连2n个电阻，且其中间节点(54)为放大器的输出端，该放大器的输出端连接到放大器的负输入端，形成单位增益跟随电路；该放大器的正输入端连接到参考电压Vref，所述2n个时钟CK控制比较器的负输入端分别连接到每一个电阻的上端，正端连接到输入被采样电压Vin。
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