CN104156024A - 一种自适应电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种自适应电压调节器。本发明的主要技术方案是根据延迟检测的结果，控制模块对数字脉宽调制器(DPWM)的输入码进行加减操作，这种加减方式对应于频域中的一个零频率处的极点，利用了这个极点来控制环路。本发明的有益效果，具有结构简单、易于实现，且环路为PWM调制模式，输出电压纹波较小的优点。本发明尤其适用于自适应电压调节器。

Description

一种自适应电压调节器

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及到一种自适应电压调节器。

背景技术

随着半导体技术的迅速发展，越来越多的功能可以集成到一颗芯片里面，这极大的促进了便携式设备的发展。便携式设备的功耗决定了其一次充电可使用的时间，随着功能的增加，其功耗也在急剧增加，如何减少便携式设备的功耗成为了集成电路领域的热门课题。

基于流水线结构的数字负载，如中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)，都能在不同的时钟频率下工作。高频工作的数字电路中，门电路的开关功耗是功耗的主要组成部分，开关功耗与工作频率成正比，与工作电压的平方成正比。对于给定的工作任务，CPU或DSP完成任务所需的时钟周期个数是确定的，只降低CPU或DSP的工作频率而不改变其工作电压，完成此任务消耗的总能量是不变的。而在工作频率固定时，适当降低CPU或DSP的电源电压，其消耗的能量将明显减小。根据不同的工艺偏差、温度和负载工作频率实时自适应地调节负载供电电压，使其能量消耗最小化，这种低功耗方法称为自适应电压调节(AVS，Adaptive Voltage Scaling)。

在目前，自适应电压调节方式主要有以下几种：1)利用ADC、DPID、DPWM构成控制环路做成自适应DC-DC变换器，但此法需要数字环路补偿；2)根据电压调节过程中负载电路(CPU或DSP)的运行出错率来调节电压，同时用错误校正机制来纠正错误来实现自适应电压调节，但此法实现复杂，且系统纠错耗费时间。3)基于有限状态机设计的全数字的不需要PID补偿的自适应Buck功率变换器，但其电路实现较为复杂。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种采用主极点补偿方式的自适应电压调节器。

本发明的技术方案：如图1所示，一种自适应电压调节器，包括电源模块、驱动及死区控制模块、数字脉宽调制器、工作模块切换模块、主极点补偿模块、延迟检测模块、软启动模块和数控振荡器；其中，驱动及死区控制模块的输出端接电源模块的输入端；电源模块的电源输入端接外部电源，其接地端接地电位，其输出端接延迟检测模块的第一输入端；延迟检测模块的第二输入端接数控振荡器的输出端，其输出端接主极点补偿模块的第一输入端；数控振荡器的输入端为频率控制码；主极点补偿模块的第二输入端接工作模块切换模块的输出端，其输出端接工作模块切换模块的第一输入端；工作模块切换模块的第二输入端接软启动模块的输出端，其输出端接数字脉宽调制器的输入端；数字脉宽调制器的输出端接驱动及死区控制模块；主极点补偿模块的时钟信号及使能端、软启动模块的时钟信号及使能端和数字脉宽调制器的时钟信号及使能端均接外部时钟信号和使能控制信号。

具体的，如图2所述，所述数字脉宽调制器由计数器、比较器、延迟线、选择器、分频器和RS触发器构成；其中，计数器接外部时钟信号和使能控制信号，其输出端接比较器的第一输入端；比较器的使能端接使能控制信号，其第二输入端接工作切换模块的输出端，其输出端接延迟线的输入端和选择器的第一输入端；延迟线的输出端接选择器的第二输入端；选择器的第三输入端接工作切换模块的输出端，其输出端接RS触发器的R输入端；分频器接外部时钟信号和使能控制信号，其输出端接RS触发器的S输出端；RS触发器的输出端输出PWM信号。

本发明的有益效果为，具有结构简单、易于实现，且环路为PWM调制模式，输出电压纹波较小的优点。

附图说明

图1为本发明的自适应电压调节器的结构框图；

图2为本发明的数字脉宽调制器的结构示意图；

图3为本发明的延迟线结构示意图；

图4为本发明的调压过程工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述

本发明的主要技术方案是根据延迟检测的结果，控制模块对数字脉宽调制器(DPWM)的输入码进行加减操作，这种加减方式对应于频域中的一个零频率处的极点，利用了这个极点来控制环路。

本发明提供一种采用主极点补偿方式的自适应电压调节器。调压时，首先是延迟线检测模块对延迟时间进行检测，由于有两个检测节点，故检测结果有三种情况，即00、01、11，然后根据检测结果通过控制模块对DPWM输入控制码进行调节，当检测结果表示电压较低，则增加DPWM输入控制码，当检测结果表示电压刚好满足，则DPWM输入控制码保持不变，当检测结果表示电压较高时，则减小DPWM输入控制码。通过DPWM输入控制码的改变来改变栅控信号的占空比，从而改变功率级输出电压，最终使输出电压刚好满足当前频率下负载能正常工作。

延迟线是数字负载的关键路径的复制。调压时，通过检测测试信号在延迟线中的传输延迟，由此确定该输出电压下负载能否正常工作。通过改变栅控信号的占空比来达到调节其输出电压的目的。保证数字负载在给定的工作时钟频率下工作电压最低，有效地降低数字负载的功耗。

如图1所示，以Buck功率变换器为例：Vin为该自适应电压调节器的输入电压；V_AVS是该自适应电压调节器的输出电压；外部时钟信号由晶振提供，这里以32MHz为例；数控振荡器可根据外部频率控制码产生相应频率的方波信号；延迟检测模块检测当前电压是否满足当前的频率信号，检测结果为两个检测节点处的输出信号；主极点补偿模块根据检测结果对DPWM的输入控制码进行调节；软启动模块提供软启动阶段的DPWM控制码；软启动控制模块对软启动进行控制；数字脉宽调制器DPWM，通过输入码的控制产生相应占空比的方波信号；驱动及死区时间控制模块对功率管栅极信号增加驱动能力，同时让gp、gn具有死区，防止PPMOS、PNMOS同时导通；PPMOS为功率PMOS管；PNMOS为功率NMOS管；L是储能电感；C是滤波电容。频率信号为数控振荡器输出的相应频率的方波信号，作为延迟检测模块的输入；延迟检测结果信号为延迟检测模块的两位输出信号，它有三种取值，代表着输出电压过高、合适、过低三种状态；dnext为控制模块根据延迟检测结果的值对DPWM输入码调整后的值；d为DPWM输入码，PWM为其输出的对应的方波信号；gp、gn分别为增加了驱动能力和死区时间的PPMOS、PNMOS的栅驱动信号。

图1所示为本发明的采用主极点补偿方式的自适应电压调节器。其中，DPWM模块的基本原理图如图2所示，其控制输入码d[8:0]是图1中工作模式切换模块输出的9为控制码d，其中高4位d[8:5]用于控制计数的时长，低5位用于选择延迟链的长度从而控制延迟的时长，两者的共同作用决定了输出脉冲的宽度。延迟线的结构如图3所示，由3部分组成，分别是关键路劲长度L，安全裕度△L和BUF。其调压过程工作流程图如图4所示：当外部输入DCO控制码时，DCO产生相应频率的方波信号，延迟检测模块在给定的频率信号下检测延迟时间，检测结果有00、01、11三种，当检测到01时，认为输出电压刚好满足要求，DPWM输入码保持不变；当检测到00时，说明电压过高，DPWM输入码减1，然后再对新的电压值进行延迟检测，直到检测到01；当检测到11时，说明电压过高，DPWM输入码加1，然后再对新的电压值进行延迟检测，直到检测到01。这样，通过若干次检测、调节的过程，输出电压就会使检测结果为01，得到该频率下负载正常工作的最低电压。

上述技术方案中：

驱动及死区控制模块给功率管提供足够的驱动能力，同时严格控制功率NMOS管和PMOS关的开启与关断，避免二者同时导通；环路控制包含了加减计数器构成的主极点补偿模块和数字脉宽调制器等电路；延迟检测模块对延迟时间进行检测，判断当前的输出电压是否满足当前的频率。数控振荡器产生的信号经过延迟检测模块后的输出信号作为主极点补偿模块的输入；主极点补偿模块根据延迟检测的结果对当前的DPWM输入码进行调节。DPWM输入码的改变使得输出方波信号的占空比随之改变，从而通过栅控信号占空比的改变来调节输出电压。

本技术方案中，当需要调节负载工作频率时(对应于数控振荡器的输入频率控制码的改变)，首先是延迟检测模块对延迟时间进行检测，决定是需要上调压或者需要下调压，当需要上调压时，主极点补偿模块对当前DPWM输入码加1；当需要下调压时，主极点补偿模块对当前DPWM输入码减1；然后再进行检测、调节，这样的过程以周期NT进行(T是开关频率，N是一整数)，直至延迟检测模块检测到输出电压刚好满足当前频率时停止这个过程。这样，得到的输出电压就是该频率下负载恰好正常工作的最低电压。

本发明的工作原理为：

自适应电压调节器的输出电压V_AVS首先通过延迟线检测电路进行检测，判断V_AVS是否满足当前的工作频率，此工作频率在本发明中是指数控振荡器的输出方波的频率。

延迟检测模块是检测信号能否在一个数控振荡器输出周期内通过延迟线，若能通过则输出0，若不能通过则输出1，延迟线由三部分组成：L、△L、BUF，L是负载关键路径的复制，△L是安全裕度，BUF是一个提供很小延迟的缓冲，延迟线检测的节点有两个，第一个设置在L+△L长度处，第二个设置在L+△L+BUF长度处，当两个检测节点检测结果均为00时表示电压较高，当第一个检测节点检测结果为0而第二个检测节点检测结果为1时表示电压刚好满足要求，当两个检测检点检测结果均为11时表示电压较低。

当延迟检测完毕后，延迟检测结果作为主极点补偿模块的输入，主极点补偿模块根据不同的检测结果对当前DPWM控制码进行调节。当检测结果为00时，电压较高，对DPWM控制码减1；当检测结果为01时，电压刚好满足，DPWM控制码保持不变；当检测结果为11时，电压较低，对DPWM控制码加1。对DPWM控制码进行调节后，经过NT(N为一整数，T为开关周期)的时间，输出电压达到一个新的值，延迟检测模块再次进行检测，主极点补偿模块根据检测结果再次进行调节，直到检测结果为01，DPWM控制码保持不变，输出电压稳定下来，这时的输出电压值为该频率下负载能正常工作的最低电压。

在上述过程中，主极点补偿模块对DPWM控制码进行调节，其增量式传函可表示为：

d[n+1]＝d[n]+e[n+1]

对应的Z域传函为：

$\frac{d[n+1]}{e[n+1]}=\frac{z}{z-1}$

经双线性变换可得s域传函为：

$c\left(s\right)=\frac{2+T_{s}S}{2T_{s}S}$

这里的Ts为上述的NT，由s域传函可以看出，控制模块引入了一个零频率处的极点以及高频处的零点，这里主要利用了零频率处的极点对环路进行补偿，其中的N应选取合适的数值，它会影响环路的带宽和相位裕度。

DPWM根据主极点补偿模块对其输入控制码的改变而产生相应的占空比信号，本发明中所设计的DPWM为计数加延迟的混合式结构，是计数式DPWM和延迟式DPWM的一种折中。

DPWM输出的方波信号经过驱动及死区控制模块后产生gp、gn两个信号，gp、gn具有更强的驱动能力，且gp、gn具有死区时间，可以避免PPMOS和PNMOS同时导通而造成的瞬时大电流，其中gp驱动PPMOS管，gn驱动PNMOS管。

本方案中所用的数字负载、功率开关管(PPMOS和PNMOS)、延迟检测模块、数控振荡器、数字脉宽调制器、主极点补偿模块、软启动、软启动控制以及驱动及死区控制模块均可以集成在同一个芯片中。

本方案中的延迟线的基本延迟单元由一端反相的二输入或非门构成，也可以由其它基本逻辑门构成，也可以由基本逻辑门和电容结合构成。

本方案中的自适应电压调节器适用于各种开关电源拓扑，包括隔离式、非隔离式、Boost、Buck、Buck-Boost、Flyback、Forward、Cuk等电路。

Claims (2)

1.一种自适应电压调节器，包括电源模块、驱动及死区控制模块、数字脉宽调制器、工作模块切换模块、主极点补偿模块、延迟检测模块、软启动模块和数控振荡器；其中，驱动及死区控制模块的输出端接电源模块的输入端；电源模块的电源输入端接外部电源，其接地端接地电位，其输出端接延迟检测模块的第一输入端；延迟检测模块的第二输入端接数控振荡器的输出端，其输出端接主极点补偿模块的第一输入端；数控振荡器的输入端为频率控制码；主极点补偿模块的第二输入端接工作模块切换模块的输出端，其输出端接工作模块切换模块的第一输入端；工作模块切换模块的第二输入端接软启动模块的输出端，其输出端接数字脉宽调制器的输入端；数字脉宽调制器的输出端接驱动及死区控制模块；主极点补偿模块的时钟信号及使能端、软启动模块的时钟信号及使能端和数字脉宽调制器的时钟信号及使能端均接外部时钟信号和使能控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种自适应电压调节器，其特征在于，所述数字脉宽调制器由计数器、比较器、延迟线、选择器、分频器和RS触发器构成；其中，计数器接外部时钟信号和使能控制信号，其输出端接比较器的第一输入端；比较器的使能端接使能控制信号，其第二输入端接工作切换模块的输出端，其输出端接延迟线的输入端和选择器的第一输入端；延迟线的输出端接选择器的第二输入端；选择器的第三输入端接工作切换模块的输出端，其输出端接RS触发器的R输入端；分频器接外部时钟信号和使能控制信号，其输出端接RS触发器的S输出端；RS触发器的输出端输出PWM信号。