CN106300976B - 开关电源的多时钟域控制装置、方法、及一种开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源，包括多个功能模块，并同时提供多个时钟域，各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率。本发明的开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源能够提供多个时钟域，各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率；使用特定的信号来进行各模块之间的通信，不同时钟域的信号之间通过握手电路进行通信，使得开关电源控制电路的功耗实值降低一半以上。

Description

开关电源的多时钟域控制装置、方法、及一种开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源的技术领域，特别是涉及一种开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源。
背景技术
申请号为201010541433.X、发明名称为《一种数字控制开关电源跨时钟域控制器及其控制方法》的中国发明专利公开一种数字控制开关电源跨时钟域控制器，与开关电源连接，包括分压网络Hsense、模数转换器ADC、误差电压信号处理模块、占空比控制信号处理模块、数字脉宽调制电路DPWM、时钟逻辑电路和驱动电路，占空比控制信号处理模块包括数字补偿器和D触发器组成的寄存器，开关电源输出端信号Vout(t)经分压网络Hsense分压后被模数转换器ADC采集并量化得到数字信号Vo[n]，数字信号Vo[n]与预设离散基准电压Vref[n]输入误差电压信号处理模块，两者在误差电压信号处理模块中相减得到误差电压信号e[n]，误差电压信号e[n]输入数字补偿器中进行数据处理，占空比控制信号处理模块的输出dc[n]再经数字脉宽调制电路DPWM调制，并由驱动电路放大后产生开关电源的电压控制信号d(t)，其中时钟逻辑电路提供控制器各部分的同步时钟信号syn(t)；控制器在开关电源每个开关周期调节一次占空比的大小，并同时完成误差电压信号和占空比控制信号的更新：控制器由一个同步时钟信号syn(t)进行时序控制，在时钟信号的上升沿到来时，模数转换器ADC启动工作，进行数据采集处理，同时更新误差电压信号处理模块的数据，时钟信号的下降沿到来时，触发占空比控制信号处理模块的数据更新，并将最新的占空比控制信号d[n]传递给数字脉宽调制电路DPWM进行实时处理，其中同步时钟信号syn(t)被设置为一个占空比很小的窄脉冲信号，所述窄脉冲信号的大小与模数转换器ADC及数字补偿器的工作时钟有关，为模数转换器ADC的处理时间和数字补偿器的计算时间之和，在一个开关周期内，利用同步时钟信号syn(t)作为选择信号，用数字脉宽调制电路DPWM实际输出和电源电压VDD作为二选一选择器的被选信号，当同步时钟信号syn(t)为高电平时，令数字脉宽调制电路DPWM输出与电源电压接通，即强制使得输出的PWM信号为高电平，同步时钟信号syn(t)下降沿之后再使用该开关周期实际产生的占空比控制信号d[n]控制数字脉宽调制电路DPWM的输出信号dpwm(t)的占空比大小，保证数字脉宽调制电路DPWM在每个开关周期输出的PWM信号是对该开关周期的系统误差电压信号进行调节。
然而，上述技术方案虽然采用了跨时钟域的控制方法，但实际上是采用了一个时钟的两个沿，即上升沿和下降沿来控制两个不同的电路，使得这两个电路的频率只能停留在原来的时钟频率上。另外，现有技术中的其他跨时钟域的控制方法只是在原来的频率上对相位做了简单的扩展，无法有灵活的多时钟频率进行扩展。
综上所述，现有技术数字控制开关电源中无法使两个时钟域之间的需要握手的信号进行稳定的通信，导致开关电源芯片功耗较大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源，能够提供多个时钟域，各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率；使用特定的信号来进行各模块之间的通信，不同时钟域的信号之间通过握手电路进行通信，使得开关电源控制电路的功耗实值降低一半以上。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种开关电源的多时钟域控制装置，包括时钟分频模块和多个功能模块；所述时钟分频模块分别与各个功能模块相连，用于提供多个时钟域，为各个功能模块提供所需的时钟频率。
根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中所述功能模块的个数大于等于2个。
根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中所述多个功能模块中，工作在高频时钟域的功能模块通过信号握手电路与工作在低频时钟域的功能模块进行通信。
根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中所述多个功能模块包括主状态机模块、后肩电压匹配模块、PID计算模块、准谐振模块和PWM控制模块；所述主状态机模块、所述后肩电压匹配模块、所述PID计算模块、所述准谐振模块和所述PWM控制模块均与所述时钟分频模块相连；所述准谐振模块、所述后肩电压匹配模块和所述PWM控制模块均与所述主状态机模块相连；所述后肩电压匹配模块与所述PID计算模块相连；所述准谐振模块与所述PWM控制模块相连。
进一步地，根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中所述主状态机模块、所述后肩电压匹配模块和所述准谐振模块均工作在高频时钟域，所述PID计算模块和所述PWM控制模块均工作在低频时钟域。
更进一步地，根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中工作在高频时钟域的所述后肩电压匹配模块和工作在低频时钟域的所述PID计算模块之间通过信号握手电路进行通信。
更进一步地，根据上述的开关电源的多时钟域控制装置，其中：工作在高频时钟域的所述准谐振模块与工作在低频时钟域的所述PWM控制模块通过信号握手电路进行通信
同时，本发明还提供一种开关电源的多时钟域控制方法，应用上述任一所述的开关电源的多时钟域控制装置进行开关电源的控制。
另外，本发明还提供一种开关电源，包括上述任一所述的开关电源的多时钟域控制装置。
如上所述，本发明的开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源，具有以下有益效果：
(1)包括多个功能模块，并同时提供多个时钟域，各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率；
(2)根据数字控制开关电源的特点，使用特定的信号来进行各个功能模块之间的通信，不同时钟域的信号之间通过握手电路进行通信；
(3)采用本发明技术方案后开关电源控制电路的静态功耗比未采用本发明的技术方案的功耗实测值降低了一半以上。
附图说明
图1显示为本发明的开关电源的多时钟域控制装置的结构示意图；
图2显示为本发明的开关电源的多时钟域控制装置的一个优选实施例的结构示意；
图3显示为本发明的握手电路的一个优选实施例的结构示意图；
图4显示为本发明的开关电源的一个优选实施例的结构示意图。
元件标号说明
1 开关电源的多时钟域控制装置
11 时钟分频模块
121、….12N 功能模块
121 主状态机模块
122 准谐振模块
123 后肩电压匹配模块
124 PID计算模块
125 PWM控制模块
4 开关电源
41 开关电源的多时钟域控制装置
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的开关电源的多时钟域控制装置应用于开关电源中，该开关电源的多时钟域控制装置例如为一开关电源控制芯片，开关电源例如为数字控制反激式开关电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。一般地，开关电源由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器、电子冰箱、液晶显示器、LED灯具、通讯设备、视听产品、安防监控、LED灯袋、电脑机箱、数码产品和仪器类等各个领域。
正由于开关电源的应用之广泛，开关电源的功耗已经逐渐成为决定电子设备性能的重要参数之一。因此，需要从开关电源的控制领域来实现开关电源功耗的优化。
参照图1，本发明的开关电源的多时钟域控制装置1能够有效地降低开关电源的功耗，其包括时钟分频模块11和多个功能模块(121、….12N)。其中，时钟分频模块11分别与各个功能模块相连，用于提供多个时钟域，为各个功能模块提供所需的时钟频率。
在本发明中，时钟分频模块11能够根据开关电源内部各个功能模块的具体需求，同时提供多个时钟域，分别为各个功能模块提供其所需的时钟频率，从而降低开关电源的功耗值。
其中，功能模块(121、….12N)的个数N大于等于2个。
若多个功能模块使用不同时钟频率，则工作在高频时钟域的功能模块通过信号握手电路与工作在低频时钟域的功能模块进行通信，从而进一步降低开关电源的功耗值。
参照图2，本发明的开关电源的多时钟域控制装置1的一个优选实施例中，包括时钟分频模块11、主状态机模块121、后肩电压匹配模块123、PID计算模块124、准谐振模块122和PWM控制模块125。其中，主状态机模块121、后肩电压匹配模块123、PID计算模块124、准谐振模块122和PWM控制模块125均与时钟分频模块11相连；准谐振模块122、后肩电压匹配模块123和PWM控制模块125均与主状态机模块121相连；后肩电压匹配模块123通过信号握手电路与PID计算模块124相连；准谐振模块122再通过信号握手电路与PWM控制模块125相连。
时钟分频模块11用于提供多个不同的时钟域。
主状态机模块121用于控制开关电源的状态机跳转。
后肩电压匹配模块123用于获取后肩电压值，并传送至PID计算模块124。
PID计算模块124用于根据后肩电压值计算输出的控制量，以得到稳定的输出电压。
准谐振模块122用于实现开关电源的准谐振模式，以减小开关损耗。
PWM控制模块125用于输出PWM控制信号。
其中，主状态机模块121、后肩电压匹配模块123和准谐振模块122均工作在高频时钟域，PID计算模块124和PWM控制模块125均工作在低频时钟域。工作在高频时钟域的后肩电压匹配模块123和工作在低频时钟域的PID计算模块124之间通过信号握手电路进行通信。工作在高频时钟域的准谐振模块122和工作在低频时钟域的PWM控制模块125之间通过信号握手电路进行通信。
具体地，主状态机模块121、后肩电压匹配模块123和准谐振模块122工作的时钟频率为10Mhz，PID计算模块124和PWM控制模块125工作的时钟频率为1Mhz。
例如，在一个开关周期内，后肩电压匹配模块123测量得到后肩电压值后，将发送一个启动信号至PID计算模块124。该启动信号通过握手电路传送至PID计算模块124。PID计算模块124采样到该启动信号后，开始进行这个开关周期的PID值的计算，以保证稳定的电压输出。
具体地，本发明的信号握手电路通过多次采样来实现高频时钟域的信号与低频时钟域的信号间的通信。例如，图3所示即为握手电路的一个具体实施例。其中，a时钟域是高频时钟域，b时钟域是低频时钟域。a时钟域发出的握手信号adat后，信号握手电路会首先锁存该信号，假设锁存后信号叫做adat_lock。直到b时钟域的采样电路能够准确采样到这个adat_lock，并向a时钟域传回握手信号bdat2后，该adat_lock才会被撤销。其中，b钟域会采样2次以降低亚稳态的风险。该采样2次后得到的bdat2信号被传送到b时钟域进行下一步工作，同时还会传回到a时钟域，通知a时钟域adat信号已被正确采样。
需要说明的是，本实施例中，只是例示性的对信号握手电路的具体电路结构以及工作方式进行了详细描述。当然，本领域技术人员根据本发明的描述，可以适应性的对本实施例中的握手电路进行改进，以得到其他能够实现本实施例中信号握手电路的功能的电路结构，其亦在本发明的保护范围内。
同时，本发明的开关电源的多时钟域控制方法应用上述的开关电源的多时钟域控制装置来进行开关电源的控制，以使得开关电源中各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率，不同时钟域的信号之间能够通过信号握手电路进行通信，从而极大地降低了开关电源的功耗值。
参照图4，本发明的开关电源4包括上述的开关电源的多时钟域控制装置41。上述开关电源的多时钟域控制装置41的结构及应用原理均可应用于该开关电源中。开关电源的多时钟域控制装置41可以灵活地为其内部的功能模块提供多种时钟域，从而降低整个开关电源的功耗。
综上所述，本发明的开关电源的多时钟域控制装置、方法及一种开关电源包括多个功能模块，并同时提供多个时钟域，各个功能模块可根据自身需求选取不一样的时钟频率；根据数字控制开关电源的特点，使用特定的信号来进行各个功能模块之间的通信，不同时钟域的信号之间通过握手电路进行通信；采用本发明技术方案后开关电源控制电路的静态功耗比未采用本发明的技术方案的功耗实测值降低了一半以上。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种开关电源的多时钟域控制装置，其特征在于：包括时钟分频模块和多个功能模块；所述时钟分频模块分别与各个功能模块相连，用于提供多个时钟域，为各个功能模块提供所需的时钟频率；所述多个功能模块中，工作在高频时钟域的功能模块通过信号握手电路与工作在低频时钟域的功能模块进行通信；
所述多个功能模块包括主状态机模块、后肩电压匹配模块、PID计算模块、准谐振模块和PWM控制模块；所述主状态机模块、所述后肩电压匹配模块、所述PID计算模块、所述准谐振模块和所述PWM控制模块均与所述时钟分频模块相连；所述准谐振模块、所述后肩电压匹配模块和所述PWM控制模块均与所述主状态机模块相连；所述后肩电压匹配模块与所述PID计算模块相连；所述准谐振模块与所述PWM控制模块相连；
所述主状态机模块、所述后肩电压匹配模块和所述准谐振模块均工作在高频时钟域，所述PID计算模块和所述PWM控制模块均工作在低频时钟域，工作在高频时钟域的所述后肩电压匹配模块和工作在低频时钟域的所述PID计算模块之间通过信号握手电路进行通信，工作在高频时钟域的所述准谐振模块与工作在低频时钟域的所述PWM控制模块通过信号握手电路进行通信；
其中所述工作在高频时钟域的所述后肩电压匹配模块和工作在低频时钟域的所述PID计算模块之间通过信号握手电路进行通信包括：
在一个开关周期内，后肩电压匹配模块测量得到后肩电压值后，将发送一个启动信号至PID计算模块，该启动信号通过握手电路传送至PID计算模块，PID计算模块采样得到该启动信号后，开始计算该开关周期的PID值；高频时钟域发出的握手信号后，信号握手电路首先锁存该信号，直到低频时钟域的采样电路采样到上述锁存后的信号，向高频时钟域传回握手信号，撤销上述锁存后的信号，低频时钟域进行两次采样，所述两次采样后得到的信号被传送至低频时钟域，同时传回高频时钟域，通知高频时钟域信号已被正确采样。
2.根据权利要求1所述的开关电源的多时钟域控制装置，其特征在于：所述功能模块的个数大于等于2个。
3.一种开关电源的多时钟域控制方法，其特征在于：应用权利要求1-2之一所述的开关电源的多时钟域控制装置进行开关电源的控制。
4.一种开关电源，其特征在于：包括权利要求1-2之一所述的开关电源的多时钟域控制装置。
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