CN108415502B - 一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源及稳压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,包括主环路、阈值检测模块、逻辑控制模块、移位寄存器、PMOS阵列和负载,其中,主环路用于比较输出电压与参考电压的差,并将比较结果送入逻辑控制模块;阈值检测模块用于检测输出电压是否落入阈值窗口,并将检测结果送入逻辑控制模块;当输出电压超出上下阈值时,主环路控制PMOS阵列快速切换,输出电压稳定到参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时,阈值检测模块通过逻辑控制模块输出标志位,使得移位寄存器进入保持状态,电路输出稳定。此种结构可消除经典数字线性稳压电源中存在的有限周期震荡问题。本发明还公开一种无有限周期震荡的数字线性稳压方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源及稳压方法。
背景技术
线性稳压电源用于给***提供高质量的电源电压,同时在电路负载变化的时候,实现快速的瞬态响应,保障***正常工作。传统的线性稳压电源采用模拟控制环路实现,利用误差放大器放大误差电压,再通过放大的误差电压控制功率管的栅极,快速调整功率管的电流,实现快速的瞬态响应。
然而,模拟线性稳压电源中,为使得功率管工作在深度饱和区,功率管的Vds一般需要消耗大约150mV-200mV的电压,从而使得***的功率效率下降。并且随着集成电路制造工艺的不断缩小,低电压下的模拟线性稳压电源设计面临诸多挑战。不同于模拟线性稳压电源,数字线性稳压电源采用工作在线性区的PMOS阵列为负载提供电流,可以将功率管阵列的Vds压缩在20mV-50mV之间,从而大大提高了***的功率效率。同时,由于数字线性稳压器控制环路采用数字单元实现,具有较好的工艺兼容性。
但是,由于数字线性稳压器采用离散的方式控制PMOS阵列,在稳态的情况下,由于数字量化的精度始终有限,从而最终的输出电压会在参考电压附近呈现有限的周期振荡,影响电压输出精度。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源及稳压方法,其可消除经典数字线性稳压电源中存在的有限周期震荡问题。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,包括主环路、阈值检测模块、逻辑控制模块、移位寄存器、PMOS阵列和负载,其中,主环路用于比较输出电压与参考电压的差,并将比较结果送入逻辑控制模块;阈值检测模块用于检测输出电压是否落入阈值窗口,并将检测结果送入逻辑控制模块;当输出电压超出上下阈值时,主环路控制PMOS阵列快速切换,输出电压稳定到参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时,阈值检测模块通过逻辑控制模块输出标志位,使得移位寄存器进入保持状态,电路输出稳定。
上述主环路包括第一比较器,阈值检测模块包括第二比较器、第三比较器以及4个反相器,其中,第一比较器的正输入端与第二比较器的正输入端、第三比较器的负输入端相连,并最终与稳压电源的输出端相连,第一比较器的负输入端与参考电压相连;第一比较器的输出端与逻辑控制模块相连;第二比较器的负输入端与上阈值电压相连,第二比较器的输出端依次通过两个反相器输出到逻辑控制模块;第三比较器的正输入端与下阈值电压相连;第三比较器的输出端依次通过另两个反相器输出到逻辑控制模块;所述第一至第三比较器的时钟信号均采用第一时钟信号。
上述逻辑控制模块由5端口组成,其输入信号分别为第二时钟信号,以及第一至第三比较器的输出信号,通过第一至第三比较器的输出信号,输出2位模式控制字,用于控制移位寄存器的状态。
上述移位寄存器由第三时钟信号、状态控制寄存器、置位端、左移数据输入端、右移数据输入端和输出寄存器组成。
上述PMOS阵列包含N个PMOS管,每个PMOS管的源极相接,并接入电源;每个PMOS管的漏极相接,并接到稳压电源的输出端;每个PMOS管的栅极分别与移位寄存器的输出寄存器对应相接。
上述负载包括电阻、电容、NMOS开关和脉冲信号源组成,电阻的一端连接输出端,另一端接NMOS开关的漏极;电容的一端接稳压电源输出端,另一端接地;脉冲信号源的一端接NMOS开关的栅极,另一端接地。
上述第一至第三时钟信号的频率相同,第三时钟信号是第二时钟信号的延时,第二时钟信号是第一时钟信号的延时。
一种无有限周期震荡的数字线性稳压方法,检测输出电压是否落入阈值窗口,当输出电压超出上下阈值时,比较输出电压与参考电压的差,通过切换PMOS阵列中PMOS管的开断数目,使输出电压稳定在参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时,保持当前状态。
采用上述方案后,本发明将阈值检测模块、逻辑控制模块与具有保持状态的移位寄存器相结合,相比于经典的数字线性稳压电源来说,可以消除有限周期振荡。工作原理是:当由于负载变化使得输出电压超出上下阈值的区间时,主环路控制整个***,使得PMOS阵列快速切换,输出电压逐渐稳定到参考电压附近;当输出电压落入设定的上下阈值范围内时,阈值检测环路通过逻辑控制模块输出标志位,逻辑控制模块的输出标志位使得移位寄存器进入保持状态,电路输出稳定,无有限周期振荡。
附图说明
图1是本发明的整体架构图;
图2是仿真得到的输出电压瞬态和PMOS阵列的关键控制字变化示意图;
图3是无有限周期震荡的输出电压与参考时钟示意图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示,本发明提供一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,包括主环路、阈值检测模块、逻辑控制模块、移位寄存器、PMOS阵列和负载,其中,主环路主要用于比较输出电压与参考电压的差,从而控制输出电压,切换PMOS阵列中PMOS管的开断数目,最终使输出电压稳定在参考电压附近;阈值检测模块用于检测输出电压是否落入阈值窗口,当输出电压超出上下阈值时(即VOUT<VTHL或者VOUT>VTHH),主环路控制整个***,使输出电压稳定在参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时(VTHL<VOUT<VTHH),逻辑控制模块输出标志位,使移位寄存器进入保持状态,从而消除输出电压在参考电压附近震荡的现象。
整个稳压电源***采用统一的固定参考时钟作为数字模块的时钟信号,如图1中的CLK1/CLK2/CLK3所示。为了保证正确的工作时序,三个时钟信号频率相同,但是CLK3是CLK2的延时,CLK2是CLK1的延时。在每个时钟信号的上升沿,数字模块受到时钟信号的触发,开始正常工作。
主环路中的比较器COM1实现输出电压与参考电压的比较,比较器COM1的时钟信号为CLK1;比较器COM1的“+”输入端与COM2的“+”输入端、COM3的“-”输入端相连,并最终与稳压电源的输出端VOUT相连。比较器COM1的“-”输入端与参考电压VREF相连;COM1的输出信号为COMP1,作为逻辑控制模块的输入信号。
阈值检测模块中的COM2、COM3将输出电压与上下阈值电压VTHH、VTHL进行比较,分别输出信号COMP2、COMP3,最后分别通过两个反相器输出到逻辑控制模块。
比较器COM2的时钟信号为CLK1;比较器COM2的“+”输入端与输出端VOUT相连,并连接到比较器COM1的“+”输入端、比较器COM3的“-”输入端;比较器COM2的“-”输入端与上阈值电压VTHH相连。COM2的输出信号COMP2依次通过两个反相器输出到逻辑控制模块,作为逻辑控制模块的一个输入。
比较器COM3的时钟信号为CLK1;比较器COM3的“+”输入端与下阈值电压VTHL相连;比较器COM3的“-”输入端与比较器COM2的“+”输入端、COM1的“+”输入端相连,并最终与输出端VOUT相连;COM3的输出信号COMP3依次通过两个反相器输出到逻辑控制模块,作为逻辑控制模块的另一个输入。
逻辑控制模块由5端口组成,其输入信号分别为时钟信号CLK2、COMP1、COMP2和COMP3,通过COMP1、COMP2和COMP3的状态,输出2位模式控制字,用于控制移位寄存器的状态。
移位寄存器由时钟信号CLK3、状态控制寄存器RLctrl<1:0>、置位端SET、左移数据输入端DL、右移数据输入端DR和输出寄存器Q<N:1>组成。在初始状态下,通过置位端SET,将移位寄存器的输出寄存器Q<N:1>全部置位成高电位,即Q<N:1>=111…111,由于输出寄存器与PMOS阵列中的PMOS管栅极相连,当移位寄存器输出为高电平的时候,PMOS阵列中的PMOS管全部断开。在每一个时钟信号CLK3的上升沿,根据状态控制寄存器RLctrl<1:0>控制移位寄存器的左移、右移和保持。通过合理地配置左移数据输入端DL和右移数据输入端DR,可实现移位寄存器的多种移位状态。在本实施例中,DL配置成高电平,DR配置成低电平,即左移移入数据‘1’,右移移入数据‘0’。当VOUT<VTHL时,移位寄存器的控制字RLcontrol<1:0>为00时,移位寄存器实现右移功能,移入0,即Q<N:1>的状态由111…111变为011…111,使得PMOS阵列中的PMOS管开启,输出电流增加,输出电压对应增加;当VOUT>VTHH时,移位寄存器的控制字RLcontrol<1:0>为01时,移位寄存器实现左移功能,移入1,即Q<N:1>的状态由011…111变为111…111,使得PMOS阵列中的PMOS管断开,输出电流减小,输出电压对应减小;当VTHL<VOUT<VTHH时,输出电压落入预先设计的阈值电压窗口,移位寄存器的控制字RLcontrol<1:0>为10时,移位寄存器进入保持状态,PMOS阵列中没有相关的PMOS管开断,此时电路进入稳定状态,PMOS阵列中的PMOS管栅极电压稳定,输出电压无有限周期振荡的现象。
PMOS管P1,P2,…,PN组成PMOS阵列,PMOS阵列中的每个PMOS管的源极相接,并接入电源;每一个PMOS管的漏极相接,并接到输出端VOUT;PMOS管的栅极分别与移位寄存器的输出寄存器Q<N:1>对应相接。
负载由RL、CL、NMOS开关NSW和脉冲信号源VSW组成,用于模拟电路中的负载电流变化行为。电阻RL的一端连接输出端VOUT,另一端接NMOS开关NSW的漏极。电容CL的一端接输出端VOUT,另一端接地。脉冲信号源VSW的一端接NMOS开关的栅极,另一端接地。当脉冲信号源VSW为高电平时,NMOS开关NSW导通,负载RL接入电路,从而模拟实际电路中的负载变化。电容CL用于稳定输出电压VOUT。
综合上述,本发明公开了一种无有限周期振荡(Limited Cycle Oscillation)的数字低压差线性稳压电源D-LDO(Digital Low-Dropout Regulator)电路,该电路通过主环路的控制作用,使输出电压稳定在参考电压附近。为了消除周期振荡的问题,提出的方案采用阈值检测模块和逻辑控制模块,当检测到输出电压范围落入阈值检测模块的窗口时,逻辑控制模块控制具有输出保持功能的移位寄存器,使移位寄存器的输出保持,从而消除了有限周期振荡现象。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:包括主环路、阈值检测模块、逻辑控制模块、移位寄存器、PMOS阵列和负载,其中,主环路用于比较输出电压与参考电压的差,并将比较结果送入逻辑控制模块;阈值检测模块用于检测输出电压是否落入阈值窗口,并将检测结果送入逻辑控制模块;当输出电压超出上下阈值时,主环路控制PMOS阵列快速切换,输出电压稳定到参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时,阈值检测模块通过逻辑控制模块输出标志位,使得移位寄存器进入保持状态,电路输出稳定;
所述主环路包括第一比较器,阈值检测模块包括第二比较器、第三比较器以及4个反相器,其中,第一比较器的正输入端与第二比较器的正输入端、第三比较器的负输入端相连,并最终与稳压电源的输出端相连,第一比较器的负输入端与参考电压相连;第一比较器的输出端与逻辑控制模块相连;第二比较器的负输入端与上阈值电压相连,第二比较器的输出端依次通过两个反相器输出到逻辑控制模块;第三比较器的正输入端与下阈值电压相连;第三比较器的输出端依次通过另两个反相器输出到逻辑控制模块;所述第一至第三比较器的时钟信号均采用第一时钟信号。
2.如权利要求1所述的一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:所述逻辑控制模块由5端口组成,其输入信号分别为第二时钟信号,以及第一至第三比较器的输出信号,通过第一至第三比较器的输出信号,输出2位模式控制字,用于控制移位寄存器的状态。
3.如权利要求2所述的一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:所述移位寄存器由第三时钟信号、状态控制寄存器、置位端、左移数据输入端、右移数据输入端和输出寄存器组成。
4.如权利要求3所述的一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:所述PMOS阵列包含N个PMOS管,每个PMOS管的源极相接,并接入电源;每个PMOS管的漏极相接,并接到稳压电源的输出端;每个PMOS管的栅极分别与移位寄存器的输出寄存器对应相接。
5.如权利要求3所述的一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:所述负载包括电阻、电容、NMOS开关和脉冲信号源组成,电阻的一端连接输出端,另一端接NMOS开关的漏极;电容的一端接稳压电源输出端,另一端接地;脉冲信号源的一端接NMOS开关的栅极,另一端接地。
6.如权利要求3所述的一种无有限周期震荡的数字线性稳压电源,其特征在于:所述第一至第三时钟信号的频率相同,第三时钟信号是第二时钟信号的延时,第二时钟信号是第一时钟信号的延时。
7.一种基于如权利要求1所述的无有限周期震荡的数字线性稳压电源的稳压方法,其特征在于:检测输出电压是否落入阈值窗口,当输出电压超出上下阈值时,比较输出电压与参考电压的差,通过切换PMOS阵列中PMOS管的开断数目,使输出电压稳定在参考电压附近;当输出电压落入上下阈值之间时,保持当前状态。
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