CN101090271A

CN101090271A - 适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器

Info

Publication number: CN101090271A
Application number: CN 200710043704
Authority: CN
Inventors: 陈华; 李舜; 周锋
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: CN101090271B

Abstract

本发明属集成电路技术领域，具体为一种适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器。它由一个PMOS差分输入对、一个CTAT偏置电流产生电路、两个环路振荡器和数字部分组成。数字部分由两个n位计数器、一个n位比较器、一个n位减法器、一个n位D触发器组成。两个环路振荡器形成PMOS差分输入对的漏端负载，CTAT偏置电流产生电路提供一个与工艺无关、与温度成反比的偏置电流。PMOS差分输入对将输入电压Vin和参考电压Vref的压差转化为两条支路上的电流差，使得两个环路振荡器的振荡频率不同。而这两个环路振荡器则驱动两个n位计数器进行计数。本发明具有不受工艺温度影响、面积小、功耗低和精度高的特点，完全适用于数字电源控制器。

Description

适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器

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。

本发明提出的窗口式模数转换器，由PMOS管18、19，CTAT偏置电流产生电路20，环路振荡器21、22，n位计数器23、24，n位比较器25，n位减法器26，n位D触发器27经电路连接组成，其结构如图2所示。其中，PMOS管18、19接成PMOS差分输入对形式，CTAT偏置电流产生电路20接成差分对的共源端偏置电流源，提供一个与工艺无关、与温度成反比的偏置电流，环路振荡器21、22接成差分对的漏端负载。PMOS差分输入对将输入电压Vin和参考电压Vref的压差转化为两条支路上的电流差，从而使得环路振荡器21、22的振荡频率不同，而这两个环路振荡器的时钟输出端分别接到n位计数器23、24的时钟输入端，驱动它们进行计数。其中一个计数器24的输出接到n位比较器25，与固定数Num[n-1:0]进行比较，另一个计数器23的输出接到n位减法器26，作为减数与固定数Num[n-1:0]相减，n位减法器26的输出接到n位D触发器27的数据输入端，而比较器的输出接到n位D触发器27的时钟输入端。当计数器24计数到预先设定的固定值Num[n-1:0]时，D触发器27将该值与此时计数器23的计数值相减得到的差值Ce输出，作为整个模数转换器的输出。

本发明中，CTAT偏置电流产生电路20由电阻30、31、32，三极管33，运算放大器34，PMOS管35、36、37、38、39、40、41、42，NMOS管43、44、45经电路连接组成，结构如图3所示。电阻30和接成二极管形式的三极管33依次串接在电源和地之间，在三极管发射极得到一个CTAT电压，并接到运算放大器34的负输入端；该运算放大器的正输入端通过电阻31、PMOS管35的栅极接到输出端，并通过电阻32接到地，构成电压-电流转换电路，在电阻32所在支路得到一个CTAT电流；PMOS管35、36接成PMOS电流镜形式，由运算放大器34的输出提供偏置电压；NMOS管43～45接成NMOS电流镜形式，NMOS管43作为PMOS管36的负载，其栅极和漏极接在一起为NMOS管44、45提供偏置电压；PMOS管37～42接成自偏置的共源共栅电流镜形式，其中PMOS管37、40依次串接在电源和NMOS管44的漏极之间，它们的栅极和NMOS管44的漏极接在一起为PMOS管41、42提供偏置电压，PMOS管38、41依次串接在电源和NMOS管45的漏极之间，PMOS管38的栅极和NMOS管45接在一起为PMOS管39提供偏置电压，在PMOS管42的漏极得到一个与电阻32所在支路电流成比例的CTAT电流。

本发明中，环路振荡器21、22由PMOS管48、49、50、51、52、53，NMOS管54、55、56、57、58、59经电路连接组成，结构如图4所示。其中，PMOS管48和NMOS管54、PMOS管49和NMOS管55、PMOS管50和NMOS管56分别构成反向器，并依次首尾连接形成环路振荡器，输入端47作为这3个反向器的电源，为其提供电流；PMOS管51和NMOS管57、PMOS管52和NMOS管58、PMOS管53和NMOS管59分别串接在电源Vdd和地之间构成3个电平转移电路，其输出端和PMOS输入端依次首尾连接形成环路，其NMOS输入端则依次接在3个反向器的输出端，完成反向器输出电平的转换，取其中一个电平转移电路的输出作为整个环路振荡器的时钟输出端60。

相比于以往的窗口式模数转换器，本发明的模数转换器采用了固定数计数方法与带温度补偿的CTAT偏置电流相结合的新型技术，使其输出不受工艺偏差和温度变化的影响，大大增加了模数转换器的稳定性，即使在恶劣的工作环境下也能保证性能的稳定。

附图说明

图1一种基于环路振荡器的窗口式模数转换器的电路实现。

图2本发明提出的新型窗口式模数转换器的电路实现。

图3图2中CTAT偏置电流产生电路的电路实现。

图4图2中环路振荡器的电路实现。

标号说明：1、16为窗口式模数转换器的电压输入端，2、17为窗口式模数转换器的参考电压输入端，3、4、18、19、35、36、37、38、39、40、41、42、48、49、50、51、52、53为PMOS管，5为电流源，6、7、21、22为环路振荡器，8、9、10、11为计数器，12、13为加法器，14为减法器，15、29为窗口式模数转换器的输出端，20为CTAT偏置电流产生电路，23、24为n位计数器，25为n位比较器，26为n位减法器，27为n位D触发器，28为固定数输入端，30、31、32为电阻，33为三极管，34为运算放大器，43、44、45、54、55、56、57、58、59为NMOS管，46为CTAT偏置电流输出端，47为环路振荡器的偏置电流输入端，60为环路振荡器的时钟输出端。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

图2所示为整个窗口式模数转换器的电路实现。图中，PMOS管18、19接成PMOS差分输入对，CTAT偏置电流产生电路20接成差分对的共源端偏置电流源，环路振荡器21、22接成差分对的漏端负载；环路振荡器21、22的时钟输出端分别接到n位计数器23、24的时钟输入端，其中一个计数器的输出接到n位比较器25与固定数输入端输入的数Num[n-1:0]进行比较，另一个计数器的输出接到n位减法器26作为减数与固定数Num[n-1:0]相减；减法器的输出接到n位D触发器27的数据输入端，比较器的输出接到n位D触发器27的时钟输入端。

图3所示为图2中CTAT偏置电流产生电路20的电路实现。图中，三极管33接成二极管形式并与电阻30依次串接在地和电源之间，在其发射极得到一个与温度成反比例(CTAT)的电压，接到运算放大器34的负输入端；该运算放大器的正输入端通过电阻31、PMOS管35的栅极接到输出端，并通过电阻32接到地，构成电压-电流转换电路，将三极管发射极上的CTAT电压转换为电阻32支路上的CTAT电流；PMOS管35、36接成PMOS电流镜形式，由运算放大器34的输出提供偏置电压；NMOS管43、44、45接成NMOS电流镜形式，而NMOS管43作为PMOS管36的负载，其栅极和漏极接在一起为NMOS管44、45提供偏置电压；PMOS管37、38、39、40、41、42接成自偏置的共源共栅电流镜形式，其中PMOS管37、40依次串接在电源和NMOS管44的漏极之间，它们的栅极和NMOS管44的漏极接在一起为PMOS管41、42提供偏置电压，PMOS管38、41依次串接在电源和NMOS管45的漏极之间，PMOS管38的栅极和NMOS管45接在一起为PMOS管39提供偏置电压，在PMOS管42的漏极得到一个与电阻32所在支路电流成比例的CTAT电流。

图4所示为图2中环路振荡器21、22的电路实现。图中，PMOS管48和NMOS管54、PMOS管49和NMOS管55、PMOS管50和NMOS管56分别构成反向器，并依次首尾连接形成环路振荡器，输入端47作为这3个反向器的电源，为其提供电流；PMOS管51和NMOS管57、PMOS管52和NMOS管58、PMOS管53和NMOS管59分别串接在电源Vdd和地之间构成3个电平转移电路，其输出端和PMOS输入端依次首尾连接形成环路，而其NMOS输入端依次接在3个反向器的输出端；这3个电平转移电路将3个反向器构成的环路振荡器的输出时钟高电平转化为电源电平Vdd，将其中一个电平转移电路的输出作为整个环路振荡器的时钟输出。

工作时，CTAT偏置电流产生电路20产生一个与工艺无关、与温度成反比的偏置电流，PMOS差分输入对将输入电压Vin和参考电压Vref的压差转化为两条支路上的电流差。由于环路振荡器工作在亚阈值区，保证了环路振荡器的振荡频率与对其提供的电流大小成线性关系，因此两条支路的电流差转化成了环路振荡器21、22的振荡频率差。这两个环路振荡器驱动两个n位计数器23、24进行计数，当其中一个计数器计数到一个预先设定的固定值Num[n-1:0]时，将该值与此时另一个计数器的计数值相减得到差值Ce，该值反映的就是这两个环路振荡器的振荡频率差，进而反映了输入电压Vin和参考电压Vref的压差，作为整个窗口式模数转换器的输出。

本发明的窗口式模数转换器具有不受工艺温度影响，面积小，功耗低，精度高等优点，完全适用于数字电源控制器。

Claims

1、一种适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器，其特征在于由PMOS管(18、19)、CTAT偏置电流产生电路(20)、环路振荡器(21、22)、n位计数器(23、24)、n位比较器(25)、n位减法器(26)、n位D触发器(27)经电路连接构成；其中，PMOS管(18、19)接成PMOS差分输入对形式，CTAT偏置电流产生电路(20)接成差分对的共源端偏置电流源，提供一个与工艺无关、与温度成反比的偏置电流，环路振荡器(21、22)接成差分对的漏端负载；PMOS差分输入对将输入电压Vin和参考电压Vref的压差转化为两条支路上的电流差，从而使得环路振荡器(21、22)的振荡频率不同，而这两个环路振荡器的时钟输出端分别接到n位计数器(23、24)的时钟输入端，驱动它们进行计数；其中一个计数器(24)的输出接到n位比较器(25)，与固定数Num[n-1:0]进行比较，另一个计数器(23)的输出接到n位减法器(26)，作为减数与固定数Num[n-1:0]相减，n位减法器(26)的输出接到n位D触发器(27)的数据输入端，而比较器的输出接到n位D触发器(27)的时钟输入端。

2、根据权利要求1中所述的适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器，其特征在于所述的CTAT偏置电流产生电路(20)由电阻(30～32)、三极管(33)、运算放大器(34)、PMOS管(35～42)、NMOS管(43～45)经电路连接构成；其中，电阻(30)和接成二极管形式的三极管(33)依次串接在电源和地之间，在三极管发射极得到一个CTAT电压，并接到运算放大器(34)的负输入端；该运算放大器的正输入端通过电阻(31)、PMOS管(35)的栅极接到输出端，并通过电阻(32)接到地，构成电压-电流转换电路，在电阻(32)所在支路得到一个CTAT电流；PMOS管(35、36)接成PMOS电流镜形式，由运算放大器(34)的输出提供偏置电压；NMOS管(43～45)接成NMOS电流镜形式，NMOS管(43)作为PMOS管(36)的负载，其栅极和漏极接在一起为NMOS管(44、45)提供偏置电压；PMOS管(37～42)接成自偏置的共源共栅电流镜形式，其中PMOS管(37、40)依次串接在电源和NMOS管(44)的漏极之间，它们的栅极和NMOS管(44)的漏极接在一起为PMOS管(41、42)提供偏置电压，PMOS管(38、41)依次串接在电源和NMOS管(45)的漏极之间，PMOS管(38)的栅极和NMOS管(45)接在一起为PMOS管(39)提供偏置电压，在PMOS管(42)的漏极得到一个与电阻(32)所在支路电流成比例的CTAT电流。

3、根据权利要求1中所述适用于数字电源控制器的窗口式模数转换器，其特征在于所述的环路振荡器(21、22)由PMOS管(48～53)、NMOS管(54～59)经电路连接构成；PMOS管(48)和NMOS管(54)、PMOS管(49)和NMOS管(55)、PMOS管(50)和NMOS管(56)分别构成反向器，并依次首尾连接形成环路振荡器，输入端(47)作为这3个反向器的电源，为其提供电流；PMOS管(51)和NMOS管(57)、PMOS管(52)和NMOS管(58)、PMOS管(53)和NMOS管(59)分别串接在电源Vdd和地之间构成3个电平转移电路，其输出端和PMOS输入端依次首尾连接形成环路，其NMOS输入端则依次接在3个反向器的输出端，完成反向器输出电平的转换，其中一个电平转移电路的输出作为整个环路振荡器的时钟输出端(60)。