[发明专利]适用于数字电源控制器的混合型数字脉宽调制器

说明书

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新型混合型数字脉宽调制器。

背景技术

随着电子信息技术的日新月异的发展，人们的生活已经越来越离不开各种消费类电子产品，而一个性能优良的电源则是这些电子产品是否能发挥其功用的必备前提。开关电源技术凭借其转换效率高、稳压范围广的优点，而得到广泛的应用。同时开关电源还具有体积小，重量轻等优点，更适合诸如手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品。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。

目前，开关电源中的电源控制器一直采用模拟的方式。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、工艺偏差、温度等因素的巨大影响。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，都会占用而外的面积，并导致较大的功耗。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。相比起模拟电源控制器，数字电源控制器的设计难度得以降低，设计周期也大大缩短，优化算法的使用使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块之一是其后端用于调整输出电压的数字脉宽调制器(DPWM)。数字脉宽调制器在数字电源控制器中的作用相当于一个数模转换器(DAC)，它将控制器计算出的占空比变化量转换为其输出脉冲宽度的变化量，来控制开关电源中开关管的导通时间，最终得到所需要输出电压的变化量。而输出电压变化的最小值取决于数字脉宽调制器的精度，当精度不够高时，整个开关电源系统将可能产生极限环振荡(limitcycle)。为了避免这种振荡，数字脉宽调制器的精度必须足够高，必须满足其输入占空比的最低位所引起输出电压的变化小于数字电源控制器前端用于输出电压采样的模数转换器(ADC)的一个最低有效位(LSB)。因此，如何设计出满足要求的高分辨率高速的数字脉宽调制器，成了数字电源控制器的设计关键技术之一。

国外关于设计高分辨率高速的数字脉宽调制器的文献中，较为典型的是一种使用快速时钟计数器和比较器的结构，可参见：C.P.Henze，“Power converter with duty ratioquantization，”U.S.Patent 4630187，1986。为了在采样频率为f_S的情况下，达到n位的分辨率，这种传统结构要求数字脉宽调制器的时钟为2ⁿf_S。当n要求较高时，这样高速的时钟实现起来是困难的，不但会引起复杂的时序限制，还会增加系统的功耗。

在对数字脉宽调制器的已有研究中，为了避免使用要求过高的系统时钟，人们提出了不少解决方案，一种较著名的方法是采用类似环路振荡器的延迟线结构，参见A.P.Dancyand A.P.Chandrakasan，“Ultra low power control circuits for PWM converters，”inProc.IEEE PESC Conf.，1997。与仅采用计数器的传统结构相反，它不使用任何计数器而仅使用延迟线结构。实现一个采样频率为f_S、分辨率为n位的数字脉宽调制器，这种结构仅仅需要频率为f_S的系统时钟，大大降低了对系统时钟频率的要求，但其缺点是需要使用一个2ⁿ∶1的多路选择器，这将耗费过多的芯片面积。