CN110071633B - 一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路及方法，电路包括第一多路复用器、第二多路复用器、一个比较器、一个移位寄存器、N个锁存器阵列、N个功率管阵列和一个时钟控制电路，比较器的两个输入端分别连接两个多路复用器，输出端连接移位寄存器，移位寄存器的输出端分别与N组锁存器阵列相连，N组锁存器阵列的输出端分别与N组功率管阵列相连，N组功率管阵列的输出作为多通道电压输出电路的输出端，时钟控制电路用于控制复用器的选通以及N组锁存器阵列切换开关的开关时序。本发明克服了基于模拟线性稳压器的多通道电压输出方法的易受噪音干扰、工艺可移植性不好，以及响应速度较慢等缺点，在光电微控制系统中有着重大应用。
Description
技术领域
本发明属于电源管理领域，更具体地，涉及一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路及方法。
背景技术
电压控制电路在很多光电微控制系统中有着重要应用，通过对光电微控制系统中不同子单元的输入电压进行控制，能够实现各种各样的功能。比如，在可编程光学处理器中，基本的计算单元通常由马赫-增德干涉仪组成。通过控制干涉臂上相移器的输入电压，就能够调节干涉仪输出的幅度和相位。将相位可控的干涉仪单元组合成阵列，可以实现任意的幺正矩阵运算，再辅以放大器和衰减器，便可实现任意的矩阵运算。此外，通过反复地更新干涉臂上相移器的输入电压值，便可实现基于可编程光学处理器的人工神经网络的计算。再比如，在光波导相控阵激光雷达中，相控阵激光雷达由若干波导发射单元组成。通过控制不同波导单元上的电压，可以调节其包括相位和强度在内的光辐射特性。通过对光波导相控阵激光雷达中每个波导发射单元的独立控制，可以使总的辐射光波在特定的方向上干涉增强，而在其他的方向上干涉相消。通过调节波导阵列中各发射单元的相位梯度，可使阵列输出的光波波前指向不同的方向，从而达到空间扫描的目的。
在传统的集成微控制系统中，对不同的子单元通常采用一个完整的电压控制电路单独供电。电压控制电路通常可以由线性稳压器来实现，线性稳压器分为模拟线性稳压器和数字线性稳压器两种类型。模拟线性稳压器由一个误差放大器和一个较大的功率管与负载端形成反馈控制电路。误差放大器通过放大参考电压与输出电压之间的差值来调节功率管的栅极电压，从而使得模拟线性稳压器的输出电压能够稳定在参考电压附近，通过改变参考电压的大小即可实现对输出电压的控制。这种实现方案较为简单，但是为了确保线性稳压器的负载能力，功率管的尺寸会设计得非常大，因而消耗较多的芯片面积。由于在光电微控制系统中，子单元的数量极其之多，对每一个子单元单独采用一个模拟线性稳压器来实现电压控制会占据极大的芯片面积，显著提高了设计成本，甚至在技术上完全不可行。
为了缩减电压控制电路所占的芯片面积，在中国发明专利《一种多输出LDO电路以及基于LDO的多电压输出方法》(申请号CN201810357748.5，申请日：2018年4月20号)中公开了一种基于模拟线性稳压器的多电压输出方式，这种多电压输出方式使用了一个误差放大器、多个较大的功率管、多组控制开关，以及一个时钟控制电路。通过时钟控制电路在不同的时段选通不同的功率管，并与误差放大器和与之对应的负载形成一个反馈回路来实现不同通道的电压控制。但是在这种基于模拟线性稳压器的多电压输出方案中，由于模拟电路对噪音非常敏感，在对整个微控制系统设计时需要针对该部分电路额外设计隔离和保护模块。而且由于模拟电路在不同的生产工艺下需要重新对参数进行设计优化，这种基于模拟线性稳压器的多电压输出方式不利于产品的更新迭代。此外，模拟线性稳压器对负载变化的响应速度较慢，故基于模拟线性稳压器的多电压输出方式能控制的通道数量非常有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路及方法，旨在解决基于模拟线性稳压器的多电压输出方式中对噪音敏感、工艺可移植性不够以及对负载变化响应速度较慢的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路，包括第一多路复用器、第二多路复用器、一个比较器、一个移位寄存器、N个锁存器阵列、N个功率管阵列和时钟控制电路，其中，N为大于0的整数；
每个锁存器阵列均包括M个子单元，每个功率管阵列均包括M个子单元，每个锁存器阵列的子单元连接一个功率管阵列的子单元，功率管阵列中所有的子单元并联，其中，M为大于0的整数；
第一多路复用器的N个输入端分别连接N个参考电压，第一多路复用器的输出端连接比较器的一个输入端；
第二多路复用器的N个输入端分别连接N个输出电压，第二多路复用器的输出端连接比较器的另一个输入端；
比较器的输出端与移位寄存器的输入端相连，移位寄存器的M个输出端依次连接N个锁存器阵列的M个子单元，N个锁存器阵列的N个输出电压作为电路的N个通道的输出。
优选地，N个锁存器阵列和N个功率管阵列被配置为采用时分复用方式进行控制，其中在同一时刻，N个锁存器阵列和N个功率管阵列仅有一个锁存器阵列和一个功率管阵列构成的一个通道被选中。
优选地，N个通道的N个输出电压为第二多路复用器的N个输入。
优选地，时钟控制电路的输入信号包括周期脉冲信号或者同步时钟信号。
优选地，时钟控制电路输出信号包括N个控制信号，当第i个控制信号由低电平变为高电平时，比较器的输出端与移位寄存器的输入端断开连接，第i路锁存器阵列将其中M个子单元锁存的状态反向加载到移位寄存器的M个子单元中，然后第一多路复用器选中第i个参考电压，第二多路复用器选中第i路功率管阵列的输出电压，比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端重新连接，反之，当第i个控制信号为由高电平变为低电平时，第i路锁存器阵列中的M个子单元保持其状态不变直至第i个控制信号再次由低电平变为高电平，其中，1≤i≤N。
优选地，比较器通过比较不同通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器的输出，当第i通道的输出电压小于相对应的参考电压时，比较器输出结果为0，移位寄存器和第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个0状态，减少了一个1状态，从而第i路功率管阵列中增加一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压增加，反之，当第i通道的输出电压大于相对应的参考电压时，比较器输出结果为1，移位寄存器和第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个1状态，减少了一个0状态，从而第i路功率管阵列中减少一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压下降，其中，1≤i≤N。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述电路的多通道电压输出方法，包括以下步骤：
S1.选择第j通道；
S2.断开比较器和移位寄存器的连接；
S3.将第j通道的锁存器阵列中子单元状态反向加载到移位寄存器的子单元中；
S4.所述第一多路复用器选中第j通道的参考电压，所述第二多路复用器选中第j通道的输出电压；
S5.恢复比较器和移位寄存器的连接；
S6.通过比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S7.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S8.重复步骤S6至S7，直至输出电压与所述参考电压的误差小于预设值；
S9.取消选择第j通道，将第j通道的锁存器阵列的状态锁存；
S10.选择第j+1通道，重复步骤S1至S9，其中1≤j<N。
优选地，选择第j通道包括由时钟控制电路输出N个控制信号，当第j个控制信号由低电平变成高电平时，第j通道被选中；取消选择第j通道包括由时钟控制电路输出N个控制信号，当第j个控制信号由高电平变成低电平时，第j通道被取消选中。
本发明所提出的基于数字线性稳压器的多通道电压输出方案实现了传统电源管理电路中控制电路的复用，在可编程光学处理器、光波导相控阵激光雷达等需要大量不同的控制电压的光电微控制系统中，该供电方案能够极大地节省芯片面积，从而有效地节约开发成本。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明所提出的基于数字线性稳压器的多通道电压输出方法与基于模拟线性稳压器的多电压输出方法相比，由于完全采用数字逻辑控制，因此对电路中的噪声并不敏感，并且在微控制系统中实现起来更加容易；
2、本发明所提出的基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路适应于采用不同制造工艺的微控制系统，数字电路的工艺可移植性更好，有利于产品的更新迭代；
3、本发明仅仅通过改变功率管阵列中导通功率管单元的个数来控制输出电流，其响应速度由时钟频率决定，受环路的影响较小，通过提高时钟频率能够有效提升数字线性稳压器对负载的响应速度，从而有效增加该供电方案所能控制的通道数量。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种多通道电压输出方法应用在可编程光学处理器中的结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的一种多通道电压输出方法应用在可编程光学处理器中的结构示意图；
图4是本发明实施例3提供的一种多通道电压输出方法应用在可编程光学处理器中的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路，如图1所示，包括第一多路复用器、第二多路复用器、一个比较器、一个移位寄存器、N个锁存器阵列和时钟控制电路，其中，N为大于0的整数；
每个锁存器阵列均包括M个子单元，每个功率管阵列均包括M个子单元，每个锁存器阵列的子单元连接一个功率管阵列的子单元，功率管阵列中所有的子单元并联，其中，M为大于0的整数；
第一多路复用器的N个输入端分别连接N个参考电压，第一多路复用器的输出端连接比较器的一个输入端；
第二多路复用器的N个输入端分别连接N个输出电压，第二多路复用器的输出端连接比较器的另一个输入端；
比较器的输出端与移位寄存器的输入端相连，移位寄存器的M个输出端依次连接N个锁存器阵列的M个子单元，N个锁存器阵列的N个输出电压作为电路的N个通道的输出。
具体地，N个锁存器阵列和N个功率管阵列被配置为采用时分复用方式进行控制，其中在同一时刻，N个锁存器阵列和N个功率管阵列仅有一个锁存器阵列和一个功率管阵列构成的一个通道被选中。
具体地，N个通道的N个输出电压为第二多路复用器的N个输入。
具体地，时钟控制电路的输入信号包括周期脉冲信号或者同步时钟信号。
具体地，时钟控制电路输出信号包括N个控制信号，当第i个控制信号由低电平变为高电平时，比较器的输出端与移位寄存器的输入端断开连接，第i路锁存器阵列将其中M个子单元锁存的状态反向加载到移位寄存器的M个子单元中，然后第一多路复用器选中第i个参考电压，第二多路复用器选中第i路功率管阵列的输出电压，比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端重新连接，反之，当第i个控制信号为由高电平变为低电平时，第i路锁存器阵列中的M个子单元保持其状态不变直至第i个控制信号再次由低电平变为高电平，其中，1≤i≤N。
具体地，比较器通过比较不同通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器的输出，当第i通道的输出电压小于相对应的参考电压时，比较器输出结果为0，移位寄存器和第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个0状态，减少了一个1状态，从而第i路功率管阵列中增加一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压增加，反之，当第i通道的输出电压大于相对应的参考电压时，比较器输出结果为1，移位寄存器和第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个1状态，减少了一个0状态，从而第i路功率管阵列中减少一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压下降，其中，1≤i≤N。
本发明所提出的基于数字线性稳压器的多通道电压输出方案实现了传统电源管理电路中控制电路的复用，在可编程光学处理器、光波导相控阵激光雷达等需要大量不同的控制电压的光电微控制系统中能得到有效的应用。
实施例1
可编程光学处理器中多通道相移器输入电压的片内光信号控制。多通道数字线性稳压器中每一个通道的输出电压分别作为可编程光学处理器中一个相移器的输入电压，可编程光学处理器中的控制器将每一个通道内监测器监测到的光信号转化为该通道所对应的参考电压，当某一通道被选中时，第一多路复用器选中该通道所对应的参考电压，第二多路复用器选中该通道所对应的输出电压，控制环路便可对该通道内相移器的输入电压进行一次校准。数字线性稳压器的控制环路在不同通道之间进行快速切换，便可实现多通道相移器的电压控制。如图2所示，可编程光学处理器中多通道相相器输入电压的片内光信号控制的具体步骤如下：
S1.可编程光学处理器中的控制器将不同通道内监测器监测到的光信号转化为该通道所对应的参考电压；
S2.选中第j通道；
S3.比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S4.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S5.重复步骤S2至S4，直至输出电压与所述参考电压的误差满足所需精度；
S6.选择第j+1通道，重复步骤S2至S5，其中，1≤j<N。
实施例2
可编程光学处理器中多通道相移器输入电压的片外输入信号控制。多通道数字线性稳压器中每一个通道的输出电压分别作为可编程光学处理器中一个相移器的输入电压，可编程光学处理器中的控制器将每一个通道的片外输入信号转化为该通道所对应的参考电压，当某一通道被选中时，第一多路复用器选中该通道所对应的参考电压，第二多路复用器选中该通道所对应的输出电压，控制环路便可对该通道内相移器的输入电压进行一次校准。数字线性稳压器的控制环路在不同通道之间进行快速切换，便可实现多通道相移器的电压控制。如图3所示，可编程光学处理器中多通道相相器输入电压的片外输入信号控制的具体步骤如下：
S1.根据可编程光学处理器中的控制器的片外输入信号为不同通道内的相移器设置初始参考电压；
S2.选中第j通道；
S3.比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S4.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S5.重复步骤S3至S4，直至输出电压与所述参考电压的误差满足所需精度；
S6.选择第j+1通道，重复步骤S3至S5，直到可编程光学处理器中的控制器的片外输入信号发生改变；
S7.根据改变后的可编程光学处理器中的控制器的片外输入信号更改所需发生变化的通道的相移器的参考电压；
S8.重复步骤S2至S7，其中，1≤j<N。
实施例3
可编程光学处理器中多通道相移器输入电压的片外输入信号和片内光信号混合控制。多通道数字线性稳压器中每一个通道的输出电压分别作为可编程光学处理器中一个相移器的输入电压，可编程光学处理器中的控制器根据每一个通道的片外输入信号以及该通道监测器监测到的光信号计算得出该通道所对应的参考电压，当某一通道被选中时，第一多路复用器选中该通道所对应的参考电压，第二多路复用器选中该通道所对应的输出电压，控制环路便可对该通道内相移器的输入电压进行一次校准。数字线性稳压器的控制环路在不同通道之间进行快速切换，便可实现多通道相移器的电压控制。如图4所示，可编程光学处理器中多通道相移器输入电压的片外输入信号和片内光信号混合控制的具体步骤如下：
S1.根据可编程光学处理器中的控制器对应于每个通道的输入信号以及该通道内监测器监测到的光信号为不同通道内的相移器设置参考电压；
S2.选中第j通道；
S3.比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S4.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S5.重复步骤S2至S4，直至输出电压与所述参考电压的误差满足所需精度；
S6.选择第j+1通道，重复步骤S2至S5，其中，1≤j<N。
实施例4
光波导相控阵激光雷达中多通道波导单元的电压控制。多通道数字线性稳压器中每一个通道的输入电压分别作为光波导相控阵激光雷达中一个波导单元的输入电压，当某一通道被选中时，第一多路复用器选中该通道所对应的参考电压，第二多路复用器选中该通道所对应的输出电压，控制环路便可对该通道内波导单元的输入电压进行一次校准。数字线性稳压器的控制环路在不同通道之间进行快速切换，便可实现多通道波导单元的电压控制。光波导相控阵激光雷达中多通道波导单元的电压控制的具体步骤如下：
S1.设置光波导相控阵激光雷达的扫描空间，为不同通道内的波导单元设置初始参考电压；
S2.选中第j通道；
S3.比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S4.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S5.重复步骤S3至S4，直至输出电压与所述参考电压的误差小于预设值；
S6.选择第j+1通道，重复步骤S2至S5，直到输出电压与所述参考电压的误差满足所需精度；
S7.更改不同通道内的波导单元的参考电压；
S8.重复步骤S2至S7，其中，1≤j<N。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数字线性稳压器的多通道电压输出电路，其特征在于，包括第一多路复用器、第二多路复用器、一个比较器、一个移位寄存器、N个锁存器阵列、N个功率管阵列和一个时钟控制电路，其中，N为大于0的整数；
所述每个锁存器阵列均包括M个子单元，所述每个功率管阵列均包括M个功率管，所述N个锁存器阵列分别与所述N个功率管阵列相连，所述每个锁存器阵列的子单元均连接一个功率管，所述每个功率管阵列的M个功率管并联，其中，M为大于0的整数；
所述第一多路复用器的N个输入端分别连接N个参考电压，所述第一多路复用器的输出端连接所述比较器的一个输入端；
所述第二多路复用器的N个输入端分别连接N个功率管阵列的输出电压，所述第二多路复用器的输出端连接所述比较器的另一个输入端；
所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端相连，所述移位寄存器的M个输出端依次连接所述N个锁存器阵列的M个子单元，所述N个功率管阵列的N个输出电压作为电路的N个通道的输出；
所述时钟控制电路的输入信号包括周期脉冲信号或者同步时钟信号；所述时钟控制电路输出信号包括N个控制信号，当第i个控制信号由低电平变为高电平时，所述比较器的输出端与移位寄存器的输入端断开连接，第i路锁存器阵列将其中M个子单元锁存的状态反向加载到所述移位寄存器的M个子单元中，然后所述第一多路复用器选中第i个参考电压，所述第二多路复用器选中第i路功率管阵列的输出电压，所述比较器的输出端与所述移位寄存器的输入端重新连接，反之，当第i个控制信号为由高电平变为低电平时，第i路锁存器阵列中的M个子单元保持其状态不变直至第i个控制信号再次由低电平变为高电平。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述N个锁存器阵列和所述N个功率管阵列被配置为采用时分复用方式进行控制，其中在同一时刻，所述N个锁存器阵列和所述N个功率管阵列仅有一个锁存器阵列和一个功率管阵列构成的一个通道被选中。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述N个通道的N个输出电压为所述第二多路复用器的N个输入。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述比较器通过比较不同通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制所述移位寄存器的输出，当第i通道的输出电压小于相对应的参考电压时，所述比较器输出结果为0，所述移位寄存器和所述第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个0状态，减少了一个1状态，从而第i路功率管阵列中增加一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压增加，反之，当第i通道的输出电压大于相对应的参考电压时，所述比较器输出结果为1，所述移位寄存器和所述第i通道的锁存器阵列的M个子单元中增加了一个1状态，减少了一个0状态，从而第i路功率管阵列中减少一个处于闭合状态的子单元，使第i通道的输出电压下降，其中，1≤i≤N。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的电路的多通道电压输出方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1.选择第j通道；
S2.断开比较器和移位寄存器的连接；
S3.将第j通道的锁存器阵列中子单元状态反向加载到移位寄存器中；
S4.第一多路复用器选中第j通道的参考电压，第二多路复用器选中第j通道的输出电压；
S5.恢复所述比较器和所述移位寄存器的连接；
S6.通过比较第j通道的输出电压和相对应的参考电压的大小控制移位寄存器和第j通道的锁存器阵列的状态；
S7.第j通道的锁存器阵列将状态传递给第j通道的功率管阵列，从而改变输出电压的大小；
S8.重复步骤S6至S7，直至输出电压与所述参考电压的误差小于预设值；
S9.取消选择第j通道，将第j通道的锁存器阵列的状态锁存；
S10.选择第j+1通道，重复步骤S1至S9，其中1≤j<N。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择第j通道包括由时钟控制电路输出N个控制信号，当第j个控制信号由低电平变成高电平时，第j通道被选中。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述取消选择第j通道包括由时钟控制电路输出N个控制信号，当第j个控制信号由高电平变成低电平时，第j通道被取消选中。
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