[发明专利]适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器

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窗口式模数转换器。

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特殊的要求和特点。首先，数字电源控制器的输出电压基本在输出参考点压的附近波动，即模数转换器的测量对象的范围很小。如果使用传统的全量程形式，即会消耗很多功耗，又会占用很多面积，效率低下。因此，工作在某个特定电压范围的窗口式模数转换器更适用于这类应用场合。其次，由于开关电源往往工作在恶劣的环境中，如何设计出不受工艺偏差、温度等因素的影响的窗口式模数转换器，成为数字电源控制器中的关键技术之一。

国外关于设计窗口式模数转换器中，较为典型的一种是使用基于环路振荡器的结构，可参见：J.Xiao，A.V.Peterchev，J.Zhang，and S.R.Sanders，“A4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck Converter IC for Cellular PhoneApplications，”IEEE Journal of Solid-State circuits，vol.39，NO.12，Dec.2004。其原理如图1所示。电流源5为差分对管提供偏置电流，驱动作为负载的环路振荡器，当输出电压与参考电压有差值Ve时，两个环路振荡器中的电流分配会产生变化，从而使其振荡频率线性变化，再通过计数器和减法器来捕捉频率并计算得到对应的差值Ce。相比于以往的基于环路振荡器或延迟线结构的模数转换器，这种窗口模数转换器由于采用差分形式可以获得很好的共模抑制特性，因此在不同的Vref下，其分辨率不会发生变化。可见，此类型窗口模数转换器可以检测出参考电压Vref附近的一个窗口之内的电压值，并且由于使用了简单的数字电路，降低了电路的面积和功耗。但是由于电路没有任何补偿机制，在工艺温度变化时，得出的结果会变化，这就大大降低了模数转换器的稳定性。

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新型窗口式模数转换器，以克服现有各种窗口式模数转换器稳定性不够、功耗较大、面积较大的不足，迎合当今数字电源控制器的需求。