[发明专利]基于非对称自振荡电路的数字式脉宽调制器

说明书

要求优先权 

本申请要求由 等于2007年3月16日递交的、名称为“基于非对称自振荡电路的数字式脉宽调制器”的美国临时申请No.60/895,373(Attorney’s Docket No.SIPEX-01017US0)，和由Aleksandar  等于2008年2月20日递交的、名称为“基于非对称自振荡电路的数字式脉宽调制器”的美国专利申请No.12/034,593(Attorney Docket No.SIPEX-01017US1)的优先权。 

背景技术

在现有的微型手持设备，如移动电话、PDA和MP3播放器中，专用模拟IC几乎专门用来控制开关模式电源(SMPS)。IC消耗很低的功率，并且通常作为恒频脉宽调制器(PWM)控制装置进行操作，由于较少的宽的带宽噪声，恒频脉宽调制器(PWM)控制装置对变频方案是优选的。模拟控制装置需要相对长的设计过程，且在每次实现技术改变时几乎都需要完全重新设计。因此，它们不适合与快速变化的数字硬件单片集成，大多数便携设备基于所述数字硬件。而且，在最新的CMOS工艺中，由于非常有限的电源电压，并不是所有的模拟控制装置的功能模块都能被实现。 

低功率SMPS的数字控制允许系统集成更容易进行，且由自动设计工具支持，从一种实现技术到另一种的设计转换快。而且，数字控制能够简化先进功率管理技术的实现。 

虽然数字式控制装置的潜力是已知的，但它们很少用在低功率SMPS中。以相同的IC设计技术实现时，数字式控制装置占用相当大的硅片面 积，具有较高的功率消耗，且通常以较低的开关频率进行操作，这导致效率差且更大的功率级，否定了所有的数字优势。 

附图说明

图1为采用DPWM的数控开关转换装置的视图。 

图2为一个实施例的DPWM的视图。 

图3为一个实施例的数字式可编程电流驱动延迟单元的视图。 

图4为一个实施例的频率调节器模块的视图。 

图5为一个实施例的全数字式延迟单元的视图。 

图6为示出属于图2的DPWM的数字式控制装置布局的一部分的视图。 

图7为示出示例性DPWM的操作的视图。 

具体实施方式

在实现如图1所示的高频数控脉宽调制的控制装置时的一个问题是需要功率有效的高频数字式脉宽调制器。 

所述系统能够调节输出电压，并以下述方式进行操作：可以为任何开关功率转换装置的功率级的输出电压被采样，并与希望的参照值Vref[n]进行比较。结果，形成与输出和所希望的值之间的差成正比的数字误差信号e[n]，如果输出电压高于参考值，则所述误差是负的，和更低的输出导致正误差。随后，e[n]由数字式补偿器进行处理，数字式补偿器产生用于数字式脉宽调制器(DPWM)的控制信号d[n]。在大多数情况下，正误差导致控制变量的增加、大占空比(duty ratio value)值并且因此导致输出电压的增加。由于下述四个相冲突的要求，DPWM的实际实现是非常具有挑战性的任务： 

●为了最小化SMPS的尺寸和重量，要求以高开关频率进行操作，从几百kHz至几MHz； 

●为了消除不希望的量子化效应，特别是参考值附近的不希望的极限环振荡，需要高分辨率，通常为8至12位的范围； 

●为了保持系统高的总效率，DPWM的功耗需要很小，相比于供给的负载功率，是可以忽略的； 

●为了允许经济可行的实现，由DPWM占据的整个硅片面积需要很小，以允许在与模拟方案的面积类似的面积上实现该控制装置。 

此外，在成本敏感的低功率便携应用中，还要求DPWM在没有外部时钟信号的情况下进行操作，而外部时钟信号通常由晶体振荡器产生。通常在电机驱动应用中使用的基于计数器的DPWM结构不适合以高开关频率进行操作。它们需要2^Nf_sw频率的外部时钟，其中N为DPWM的分辨率，即它的输出字节的位数，且f_sw为开关频率。例如，为了在1MHz的开关频率下实现10位的分辨率，将需要1.024GHz的时钟信号。设计这样的结构将会是非常具有挑战性的，并且它会消耗相当大量的功率，可能超过由被供给的负载消耗的功率。结果，控制装置的总效率将会非常低。