JP4545439B2 - Digital controller for high frequency power supply - Google Patents

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パテラ,ベンジャミン・ジェイムズ
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ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・コロラド,ア・ボディー・コーポレイト
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Description

本発明は概して電圧制御に関し、特に、高周波数電圧調整器用のデジタル電圧制御に関する。   The present invention relates generally to voltage control, and more particularly to digital voltage control for high frequency voltage regulators.

本出願は、本出願の開示が参照によって本明細書に組み込まれる、2001年12月12日に出願された、「Digital Controller for High Frequency Switching Power Supplies」という名称の米国仮特許出願第60/338,712号の利益を主張する。本出願はまた、本出願の開示が参照によって本明細書に組み込まれる、2002年11月8日に出願された、「Adaptive Voltage Regulator for Powered Digital Devices」という名称の米国特許出願第10/291,098号に対する優先権を主張する。   This application is a US Provisional Patent Application No. 60/338 entitled “Digital Controller for High Frequency Switching Power Supplies”, filed December 12, 2001, the disclosure of which is incorporated herein by reference. , Claim the profit of 712. This application is also filed on Nov. 8, 2002, the disclosure of which is incorporated herein by reference, US patent application Ser. No. 10/291, filed “Adaptive Voltage Regulator for Powered Digital Devices”. Claims priority to 098.

アナログ電圧制御器は、DC−DC(直流−直流)変換器用の電力変換器と共に広く用いられている。アナログ制御器は高速であり、広く入手可能な部品を用いて、一般に作られることができる。しかし、アナログ制御器の動作は、制御器に含まれる個々の部品の精度に依存する。したがって、非常に厳密な品質管理規格に従うアナログ部品を確実に選択するにはかなりの努力を費やさねばならない。さらに、こうして慎重に選択した後でさえも、アナログ部品の調子は、製造工程の変動、動作温度、および経時的劣化を受ける。さらに、アナログ設計は、既存の自動設計法を使用して容易には実現されない。したがって、アナログ制御器の設計は、時間がかかり、手間がかかる傾向がある。   Analog voltage controllers are widely used with power converters for DC-DC (DC-DC) converters. Analog controllers are fast and can generally be made using widely available components. However, the operation of the analog controller depends on the accuracy of the individual components included in the controller. Therefore, considerable effort must be expended to ensure that analog components that comply with very strict quality control standards are selected. In addition, even after careful selection in this way, the tone of analog components is subject to manufacturing process variations, operating temperatures, and aging over time. Furthermore, analog design is not easily implemented using existing automated design methods. Therefore, the design of analog controllers tends to be time consuming and laborious.

既存の電圧制御器の中には、1つまたは複数のデジタル的に実装された部品を含むものもある。しかし、既存の電圧制御器に実装されたデジタル部品は、所望されるように動作していない。たとえば、電圧制御器内で、補償器の動作の一部として、乗算などの算術演算を実行するのに、デジタル信号プロセッサ(DSP)が実装されてきた。しかし、これらのDSPの実装は、なかなか進まず、たくさんのスペースをふさぎ、実行されるタスクにとって過度に複雑である。さらに、DSPはデジタルデータが操作されることを要求するため、DSPの実装によって、大型でエネルギーを消費するアナログ/デジタル変換器(ADC)が必要になる。こうした制御器に含まれるADCは、精密アナログ部品であり、この部品は、チップ上の過大な広さの貴重なスペースをふさぎ、大量の電力を消費し、既存の旧式制御器のアナログ部品と同様の、温度によって誘導され、かつ処理によって誘導される性能変動を受ける。   Some existing voltage controllers include one or more digitally mounted components. However, digital components mounted on existing voltage controllers are not operating as desired. For example, digital signal processors (DSPs) have been implemented in voltage regulators to perform arithmetic operations such as multiplication as part of compensator operation. However, these DSP implementations do not go well, take up a lot of space, and are overly complex for the task being performed. In addition, since DSPs require that digital data be manipulated, the DSP implementation requires a large and energy consuming analog / digital converter (ADC). The ADCs in these controllers are precision analog components that take up a large amount of valuable space on the chip, consume a large amount of power, and are similar to the analog components of existing legacy controllers. Subject to performance variations induced by temperature and induced by processing.

したがって、電圧制御の技術は、小型で、エネルギーおよびスペース効率がよく、その性能が個々の制御器部品の温度および処理の変動に依存しない電圧制御器が提供されることによって利益を受けるであろう。   Thus, the voltage control technique would benefit from providing a voltage controller that is small, energy and space efficient and whose performance does not depend on temperature and process variations of individual controller components. .

本発明は、その性能が、温度の変動および構成要素部品の特性の他の変動に無関係である、小型で、高速で、正確で、エネルギー効率のよい電圧制御器を提供することによって、上述の問題を克服する技術および手助けを提唱する。好ましい実施形態において、本発明の制御器のすべての機能は、デジタル論理ゲートを使用して実装され、それによって、精密アナログ部品に対する必要および精密アナログ部品の性能変動が回避される。好ましい実施形態において、本発明の制御器を形成するデジタル論理ゲートは、ハードウェア記述言語(HDL)などの既存の電子設計自動化を使用して効率的にモデル化されることができ、それによって、設計が単純化され、設計時間が短くなる。   The present invention provides a small, fast, accurate and energy efficient voltage controller whose performance is independent of temperature variations and other variations of component part characteristics. Advocate techniques and help to overcome problems. In a preferred embodiment, all functions of the controller of the present invention are implemented using digital logic gates, thereby avoiding the need for precision analog components and performance variations of precision analog components. In a preferred embodiment, the digital logic gates that form the controller of the present invention can be efficiently modeled using existing electronic design automation such as hardware description language (HDL), thereby Design is simplified and design time is reduced.

好ましくは、もっぱらデジタル論理ゲートで構成される遅延線ADCは、出力電圧と基準電圧の相違を示すデジタル的に符号化された誤差信号を供給するのが好ましい。本明細書で開示される遅延線ADCは、それによって、既存のアナログ制御器内のアナログ電圧比較デバイスに関連する機能を実行するのが好ましい。別に、遅延線ADCは、部分的にデジタルで実装された既存の電圧制御器において、ADCとデジタル電圧比較デバイスを組み合わせた機能を実行するのが好ましい。   Preferably, the delay line ADC composed exclusively of digital logic gates supplies a digitally encoded error signal indicating the difference between the output voltage and the reference voltage. The delay line ADC disclosed herein preferably performs functions associated with analog voltage comparison devices within existing analog controllers. Alternatively, the delay line ADC preferably performs the combined function of the ADC and digital voltage comparison device in an existing voltage controller that is partially digitally implemented.

好ましい実施形態において、ハイブリッド/デジタルパルス幅変調および補償器もまたデジタル的に実装される。好ましい実施形態において、補償器は、遅延線ADCからのデジタル誤差信号をデジタル制御信号に高速に変換するルックアップテーブルを含み、デジタル制御信号は、補償器からの出力として供給される、デジタル的に表現されたデューティ比である。好ましい実施形態において、デジタルパルス幅変調器は、補償器が供給するデジタル制御信号を入力として受け取り、このデジタル信号を、制御器からの出力として、デューティ比によって制御された時間可変制御信号に変換する。好ましくは、制御器出力は、電力変換器に供給されて、出力電圧と基準電圧の間の比較に応じて、調整器出力電圧を増減する。   In a preferred embodiment, hybrid / digital pulse width modulation and compensators are also implemented digitally. In a preferred embodiment, the compensator includes a look-up table that rapidly converts the digital error signal from the delay line ADC into a digital control signal, which is supplied digitally as an output from the compensator. The expressed duty ratio. In a preferred embodiment, the digital pulse width modulator receives as input a digital control signal supplied by a compensator and converts this digital signal as an output from the controller into a time variable control signal controlled by a duty ratio. . Preferably, the controller output is supplied to the power converter to increase or decrease the regulator output voltage in response to a comparison between the output voltage and the reference voltage.

本明細書に開示するデジタル制御器技術を実装する利点は以下の項目を含む。全デジタル制御器は、処理およびパラメータ変動に対して本質的に感度が低いこと、種々の制御器性能特性に対する迅速なプログラム可能性、同調用受動部品の低減または排除、および、他のデジタルシステムとの一体化の容易さのために、高周波数で、低レベルから中レベルの電力DC−DC変換器において非常に魅力がある。補償器のプログラム可能性および受動部品を同調させる必要がないことによる利益は、電力変換器構成および電力段パラメータ値の範囲について用いられる場合がある。さらに、デジタル制御器を実装する場合、アナログ制御器設計には実用的でない制御方式を実装することが可能である。   The advantages of implementing the digital controller technology disclosed herein include: All-digital controllers are inherently insensitive to processing and parameter variations, rapid programmability for various controller performance characteristics, reduction or elimination of tuning passive components, and other digital systems Because of its ease of integration, it is very attractive in high frequency, low to medium power DC-DC converters. The benefits of compensator programmability and the need to tune passive components may be used for power converter configurations and power stage parameter value ranges. Furthermore, when implementing a digital controller, it is possible to implement an impractical control scheme for analog controller design.

たとえば、専用デジタル制御器IC(集積回路)を用いて、位相がシフトしたデューティ比を、電圧調整器モジュール(VRM)用の単純で頑健な制御に精密に合わせる能力を有するのが望ましい。変圧器絶縁型DC−DC変換器において、絶縁部を通したデジタル信号伝送を用いて、標準的なアナログ手法に伴う帯域幅の制限および/または大きな利得変動に対処することができる。一般に、動的応答の改善を達成するのに、より洗練された制御方法が用いられる場合がある。   For example, it may be desirable to use a dedicated digital controller IC (integrated circuit) to have the ability to precisely match the phase shifted duty ratio to a simple and robust control for a voltage regulator module (VRM). In transformer isolated DC-DC converters, digital signal transmission through the isolation can be used to address bandwidth limitations and / or large gain variations associated with standard analog techniques. In general, more sophisticated control methods may be used to achieve improved dynamic response.

デジタル手法の別の利点は、十分に確立しており、自動化されたデジタル設計手法を適用できることである。制御器設計は、ハードウェア記述言語(HDL)を用いて機能レベルで記述されることができる。好ましくは、HDL記述からの、標準セルASIC(特定用途向け集積回路)またはFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)への実装を目標として設計するために、合成、シミュレーション、および検証ツールが利用可能である。次に、設計は、他のデジタルシステムと一体化されるか、または、更新された仕様に適合するように変更される、種々の製造工程を使用して実装されることができる。アナログIC制御器の実現と対照的に、デジタル制御器の設計は、十分に基準化されているのが好ましく、したがって、作製技術の進歩を利用することができる。   Another advantage of digital techniques is that they are well established and automated digital design techniques can be applied. Controller designs can be described at a functional level using a hardware description language (HDL). Preferably, synthesis, simulation and verification tools are available to design from an HDL description for implementation on a standard cell ASIC (application specific integrated circuit) or FPGA (field programmable gate array). The design can then be implemented using various manufacturing processes that are integrated with other digital systems or modified to meet updated specifications. In contrast to the realization of an analog IC controller, the design of the digital controller is preferably well-standardized and therefore advances in fabrication technology can be exploited.

本発明の上述の、または、他の利点は、図面と共に使われる、本発明の好ましい例示的な実施形態の以下の説明を読めばよりよく理解されるであろう。   The foregoing and other advantages of the present invention will be better understood upon reading the following description of a preferred exemplary embodiment of the invention used in conjunction with the drawings.

本開示において、トランジスタ端子は、電界効果トランジスタ(FET)のソースまたはドレイン、あるいは、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)のエミッタまたはコレクタのいずれかである。本明細書において、比較器は、2つの電圧値を受け取り、出力として、2つの受け取った電圧値の間の差を示す信号を供給する任意のデバイスである。本明細書において、「比較器」および「電圧比較器」という用語は、交換可能に用いられる。本開示において、エネルギー蓄積部品は、たとえば、コンデンサ、誘導子、および電源供給されたデジタル論理ゲートを含むアナログおよびデジタルデバイスの両方を含む。「エネルギー蓄積部品」という用語は、単に、1つの電子部品と別の電子部品を接続するように動作する配線および他の導電性器具を排除することが意図される。本明細書において、抵抗器は、固形形態に凝集した、抵抗値を有するデバイスである。本明細書において、抵抗器は実際には配線または電子部品間の他の導電性リンクを含む。本明細書において、電子メモリは、格納した値の電子メモリのアドレスを識別することに応答して、格納された値を供給することができるデジタル電子格納デバイスである。本明細書において、デジタル電子計算器は、デジタル電子格納デバイスおよび/または加算、減算、乗算、および/または除算のうちの任意の1つまたは複数を含む算術演算を実行するデジタルデバイスを含んでもよい。   In this disclosure, the transistor terminal is either the source or drain of a field effect transistor (FET) or the emitter or collector of a bipolar junction transistor (BJT). As used herein, a comparator is any device that receives two voltage values and provides as an output a signal indicating the difference between the two received voltage values. In this specification, the terms “comparator” and “voltage comparator” are used interchangeably. In this disclosure, energy storage components include both analog and digital devices, including, for example, capacitors, inductors, and powered digital logic gates. The term “energy storage component” is simply intended to exclude wiring and other conductive instruments that operate to connect one electronic component to another. As used herein, a resistor is a device having a resistance value aggregated into a solid form. As used herein, a resistor actually includes wiring or other conductive links between electronic components. As used herein, an electronic memory is a digital electronic storage device that can provide a stored value in response to identifying the address of the stored value's electronic memory. As used herein, a digital electronic calculator may include a digital electronic storage device and / or a digital device that performs an arithmetic operation that includes any one or more of addition, subtraction, multiplication, and / or division. .

本明細書において、信号タップアレイは、任意の数の信号タップを含んでもよい。信号タップアレイは、複数の信号タップを含むのが好ましく、それぞれのタップは、遅延セルのアレイ内の1つの遅延セルに接続されている。しかし、信号タップアレイは、遅延セルアレイ内の遅延セルのサブセットのみに接続される信号タップを含んでもよい。本明細書において、2値デジタル符号は、従来のデジタル符号であり、ある配列のビットは、数「2」を種々に累乗したものに等しい係数値を識別する。たとえば、デジタル符号「101」は、1・1+0・2+1・4=5に対応する。2値デジタル符号は、ある配列の各ビットが同じ数値の重みである「温度計符号」から識別される。   As used herein, a signal tap array may include any number of signal taps. The signal tap array preferably includes a plurality of signal taps, each tap being connected to one delay cell in the array of delay cells. However, the signal tap array may include signal taps that are connected to only a subset of the delay cells in the delay cell array. As used herein, a binary digital code is a conventional digital code, where an array of bits identifies a coefficient value equal to various powers of the number “2”. For example, the digital code “101” corresponds to 1 · 1 + 0 · 2 + 1 · 4 = 5. A binary digital code is identified from a “thermometer code” in which each bit in an array is the same numerical weight.

図1は、本発明の好ましい実施形態によるデジタル電圧制御器150を含む電圧調整器100のブロック図である。調整器100は、電力変換器200および制御器150を含むのが好ましい。電力変換器(「変換器」)100は、同期降圧型変換器であるのが好ましい。電力変換器は、トランジスタスイッチ202のゲートに接続されたゲートドライバ204を含むのが好ましく、そのトランジスタの第1端子は、電源102の正ノード114に接続され、そのトランジスタの第2端子はノード116に接続される。ゲートドライバ206は、トランジスタスイッチ208のゲートに接続された出力を供給し、そのトランジスタの一方の端子は、電源の負ノード112に接続され、そのトランジスタの他方の端子はノード116に接続される。誘導子210は、ノード116とノード118の間にあるのが好ましい。コンデンサ212は、ノード118とノード112の間にあるのが好ましい。   FIG. 1 is a block diagram of a voltage regulator 100 including a digital voltage controller 150 according to a preferred embodiment of the present invention. The regulator 100 preferably includes a power converter 200 and a controller 150. The power converter (“converter”) 100 is preferably a synchronous step-down converter. The power converter preferably includes a gate driver 204 connected to the gate of the transistor switch 202, the first terminal of the transistor being connected to the positive node 114 of the power supply 102, and the second terminal of the transistor being the node 116. Connected to. The gate driver 206 provides an output connected to the gate of the transistor switch 208, one terminal of which is connected to the negative node 112 of the power supply, and the other terminal of the transistor is connected to the node 116. Inductor 210 is preferably between node 116 and node 118. Capacitor 212 is preferably between node 118 and node 112.

図1の実施形態において、電力変換器200は、電源V102に接続され、出力電圧V104を生成する。出力電圧Vは、ノード118と変換器200のノード112の間で、負荷110両端に接続され、負荷はコンデンサ212と並列に接続される。変換器200の動作は、当技術分野ではよく知られており、したがって、本開示では詳細には論じない。本発明は変換器200の設計に限定されないことが理解されるであろう。広範囲の設計および動作原理は、変換器200に組み込まれることができ、制御器150の好ましい実施形態の動作には影響を与えないであろう。図1の変換器200は、制御器150と共に使用される場合がある、多くの変換器設計の1つに過ぎないことが理解されるであろう。 In the embodiment of FIG. 1, the power converter 200 is connected to the power supply V g 102 and generates the output voltage V O 104. The output voltage V O is connected across the load 110 between the node 118 and the node 112 of the converter 200, and the load is connected in parallel with the capacitor 212. The operation of the converter 200 is well known in the art and therefore will not be discussed in detail in this disclosure. It will be appreciated that the present invention is not limited to the design of the transducer 200. A wide range of design and operating principles can be incorporated into the converter 200 and will not affect the operation of the preferred embodiment of the controller 150. It will be appreciated that the converter 200 of FIG. 1 is only one of many converter designs that may be used with the controller 150.

好ましい実施形態において、制御器150は、遅延線ADC700、補償器300、およびパルス幅変調器(PWM)400(好ましくは、ハイブリッドデジタルパルス幅変調器)を含む。好ましくは、電圧Vsense108およびVref106は、制御器150、特に、遅延線ADC700への入力である。Vref106を供給する機器(図示せず)は、制御器150の一部でないのが好ましい。好ましくは、必要な時に補償器300へ情報を供給するために、外部メモリ160が利用できる。遅延線ADC700は、図1の実施形態において電圧比較器として働くのが好ましい。遅延線ADC700は本用途において好ましい電圧比較器であるが、本発明は、電圧Vsense108とVref106の電圧差を示す信号を生成するために遅延線ADC700を使用することに限定しない。代替の実施形態において、2つの電圧源の間の電圧差を示す信号を供給する、アナログかまたはデジタルのいずれかの、ある範囲のデバイスを制御器150で使用することができ、こうしたすべての変形形態が本発明の範囲内に包含されることが意図される。 In a preferred embodiment, the controller 150 includes a delay line ADC 700, a compensator 300, and a pulse width modulator (PWM) 400 (preferably a hybrid digital pulse width modulator). Preferably, the voltages V sense 108 and V ref 106 are inputs to the controller 150, particularly the delay line ADC 700. The equipment (not shown) that supplies V ref 106 is preferably not part of controller 150. Preferably, an external memory 160 can be used to supply information to the compensator 300 when needed. Delay line ADC 700 preferably serves as a voltage comparator in the embodiment of FIG. Although the delay line ADC 700 is a preferred voltage comparator for this application, the present invention is not limited to using the delay line ADC 700 to generate a signal indicative of the voltage difference between the voltages V sense 108 and V ref 106. In an alternative embodiment, a range of devices, either analog or digital, that provide a signal indicative of the voltage difference between the two voltage sources can be used with the controller 150, and all such variations Forms are intended to be included within the scope of the present invention.

本実施形態において、変換器200および制御器150は、閉ループフィードバック系100を形成して、好ましくは、入力電圧102の値および負荷電流の範囲にわたって、また、処理および温度変動の範囲にわたって、安定した電圧基準Vref106(または、基準をスケーリングしたもの)に合うように、出力電圧V104を調整する。本実施形態において、出力電圧104は、検知され、Vref106と比較される。デジタル誤差信号152は、補償器300に送信されるのが好ましい。補償器300の出力(デジタル制御信号)154は、パルス幅変調器400への入力であり、パルス幅変調器は、次に、スイッチング電力トランジスタ202、208を制御するための、一定周波数可変デューティ比信号(電力制御信号)156を生成するのが好ましい。本制御方式を実装するためのデジタル制御器アーキテクチャの好ましい実施形態を図3に示す。 In this embodiment, the converter 200 and controller 150 form a closed loop feedback system 100 that is preferably stable over a range of values of input voltage 102 and load current, and over a range of processing and temperature variations. The output voltage V O 104 is adjusted to meet the voltage reference V ref 106 (or a scaled reference). In this embodiment, the output voltage 104 is sensed and compared to V ref 106. Digital error signal 152 is preferably transmitted to compensator 300. The output (digital control signal) 154 of the compensator 300 is an input to the pulse width modulator 400, which in turn has a constant frequency variable duty ratio for controlling the switching power transistors 202, 208. A signal (power control signal) 156 is preferably generated. A preferred embodiment of a digital controller architecture for implementing this control scheme is shown in FIG.

好ましくは、Vsense108はV104をスケーリングしたものである。このことを数学的に表現すると、Vsense=HVとなる。しかし、本開示では、簡潔にするために、Hは1の値を有すると考える。したがって、残りを論ずるために、Vsense108およびV104は同じ値を有する。好ましくは、V104は、A/D(アナログ/デジタル)変換器によってサンプリングされた、デジタル誤差信号e(n)152が生成される。好ましくは、V104のサンプリングは、スイッチング期間T当たり1回起こる。ここで、「n」の指標値は現在のスイッチング期間を指す。 Preferably, V sense 108 is a scaled version of V O 104. This can be expressed mathematically as V sense = HV O. However, this disclosure considers H to have a value of 1 for the sake of brevity. Thus, to discuss the rest, V sense 108 and V O 104 have the same value. Preferably, V O 104 produces a digital error signal e (n) 152 sampled by an A / D (analog / digital) converter. Preferably, sampling of V O 104 occurs once per switching period T S. Here, the index value “n” indicates the current switching period.

一般に言うと、効果的な電圧調整は通常、V(t)104が、Vref106の規定の範囲内に、すなわち、Vref−(ΔVmax/2からVref+(ΔVmax/2の範囲にあることを要求する。別の言い方をすると、定常状態の出力電圧104は、許容可能な範囲は、V=Vref±ΔV/2である。V104を許容可能な範囲内に維持するために、A/D特性の最下位ビット(LSB)のアナログ等化物は、ΔVの所望の大きさを超えてはならない。好ましくは、ΔVおよび(ΔVmaxについての仕様は、Vref106−Vsense108に等しいアナログ電圧誤差の大きさを表すのに、ほんの2、3のデジタル値を必要とするようなものである。 Generally speaking, effective voltage regulation is usually such that V O (t) 104 is within the specified range of V ref 106, ie, V ref − (ΔV O ) max / 2 to V ref + (ΔV O ). Require that it is in the range of max / 2. In other words, the steady state output voltage 104 has an acceptable range of V O = V ref ± ΔV O / 2. In order to keep V O 104 within an acceptable range, the analog equivalent of the least significant bit (LSB) of the A / D characteristic must not exceed the desired magnitude of ΔV O. Preferably, the specifications for ΔV O and (ΔV O ) max are such that only a few digital values are needed to represent an analog voltage error magnitude equal to V ref 106 -V sense 108. It is.

図3は、図1のデジタル電圧制御器150の動作のブロック図である。図3の実施形態において、誤差信号152のデジタル表現は、9つの値、すなわち、−4から+4(10進法)までの1つをとる。ADC158は、V104を正確に調整するために十分に高い分解能を有するのが好ましいが、デジタル誤差信号e(n)152を表すのに、ほんの2、3ビットが必要である。好ましい実施形態において、デジタル誤差信号152の値は、ルックアップテーブルアドレスとして用いられる。その後、デジタル誤差信号152の大きさとデジタル誤差信号152の値が指すルックアップテーブルアドレスにある数値エントリの大きさの間に任意の関連が確立される。本明細書の後ろにある表1において、デジタル誤差値と所望の制御信号の大きさの間の好ましい実施形態の相関性が確認される。本明細書において、「デジタル誤差の大きさ」は、測定された電圧間の相違の大きさに対応する値である。好ましくは、デジタル誤差値は、そのデジタル誤差の大きさがそこにあるルックアップテーブルアドレスに対応する。 FIG. 3 is a block diagram of the operation of the digital voltage controller 150 of FIG. In the embodiment of FIG. 3, the digital representation of the error signal 152 takes nine values, one from -4 to +4 (decimal). The ADC 158 preferably has a sufficiently high resolution to accurately adjust the V O 104, but only a few bits are required to represent the digital error signal e (n) 152. In the preferred embodiment, the value of the digital error signal 152 is used as a lookup table address. Thereafter, an arbitrary relationship is established between the magnitude of the digital error signal 152 and the magnitude of the numeric entry at the look-up table address pointed to by the value of the digital error signal 152. In Table 1 later in this document, the correlation of the preferred embodiment between the digital error value and the desired control signal magnitude is confirmed. In the present specification, the “digital error magnitude” is a value corresponding to the magnitude of the difference between the measured voltages. Preferably, the digital error value corresponds to a lookup table address where the magnitude of the digital error is there.

必要とされる静的なA/D特性を利用し、それ自体で簡単なデジタル実装をもたらす、新規な遅延線ADC構成700が、図7と関連して述べられる。遅延線ADC700は、ADC158の、唯一利用可能というわけではないが、好ましい実施形態であることが理解されるであろう。   A novel delay line ADC configuration 700 that takes advantage of the required static A / D characteristics and provides a simple digital implementation by itself is described in connection with FIG. It will be appreciated that delay line ADC 700 is the preferred embodiment of ADC 158, although it is not the only available.

ADC158の必要条件を緩和する以外に、限られた数のビットを用いて誤差信号152を表す能力によって、次の制御器部品、すなわち、補償器300の実装の単純化が可能になる。好ましくは、補償器300は、任意選択で、以前のサイクルからの格納された信号の値と共にデジタル誤差信号152を用いて、デジタル制御信号154を計算する。デジタル制御信号は、好ましい実施形態では、一定周波数信号のデジタル的に表現されたデューティ比である。   In addition to mitigating the requirements of ADC 158, the ability to represent error signal 152 using a limited number of bits allows the implementation of the next controller component, compensator 300, to be simplified. Preferably, compensator 300 optionally calculates digital control signal 154 using digital error signal 152 along with the value of the stored signal from the previous cycle. The digital control signal is a digitally represented duty ratio of a constant frequency signal in the preferred embodiment.

補償器300内での計算は、立証済みのデジタル制御理論に従って確立されることができる。しかし、補償器300における線形制御則の標準的な実装は、一般に、デジタル加算器(複数可)および/またはデジタル乗算器(複数可)の使用を伴うであろう。こうしたデバイスは、制御器150のサイズを増加させ、制御器150に対するクロック周波数の必要条件をきつくする傾向がある。デジタル誤差信号152を表すのにほんの少数のビットが必要であるという事実を効果的に活用するために、補償器300の好ましい実施形態は、代わりに、ルックアップテーブル302、304、および306、ならびに、加算器318を用いてデューティ比154を計算する。好ましくは、現在および以前の、デジタル誤差信号152の値は、ルックアップテーブル302、304、および306において、そこから値を取得することができるアドレス(複数可)として役立つ。デジタル誤差信号152は、ほんの少数の値をとるのが好ましいため、ルックアップテーブル302、304、および306のエントリの数は、それに対応して少ない。その結果、テーブル302、304、および306の実装には、チップ上で最小の物的財産のみしか必要としない。さらに、デューティ比154の計算は、システムクロック120の少数のサイクルで行われるのが好ましい。図3で論じたことは、3つのルックアップテーブルおよび1つの加算器を含む実施形態を対象としているが、2つ以上の加算器を使用する場合があること、および、3つ未満か、または4つ以上のルックアップテーブルを使用する場合があることが理解されるであろう。   Calculations in the compensator 300 can be established according to proven digital control theory. However, a standard implementation of a linear control law in compensator 300 will generally involve the use of digital adder (s) and / or digital multiplier (s). Such devices tend to increase the size of the controller 150 and tighten the clock frequency requirements for the controller 150. In order to effectively take advantage of the fact that only a few bits are needed to represent the digital error signal 152, the preferred embodiment of the compensator 300 instead has lookup tables 302, 304, and 306, and The duty ratio 154 is calculated using the adder 318. Preferably, the current and previous values of digital error signal 152 serve as look-up tables 302, 304, and 306 as address (s) from which values can be obtained. Since the digital error signal 152 preferably takes only a small number of values, the number of entries in the lookup tables 302, 304, and 306 is correspondingly small. As a result, the implementation of tables 302, 304, and 306 requires only minimal physical property on the chip. Further, the calculation of duty ratio 154 is preferably performed in a small number of cycles of system clock 120. The discussion in FIG. 3 is directed to an embodiment that includes three look-up tables and one adder, but that more than one adder may be used, and less than three, or It will be appreciated that more than four lookup tables may be used.

好ましくは、補償器300は、ルックアップテーブル302、304、および306のエントリの値を調整することによって、異なる制御アルゴリズムを実行するようにプログラムされることができる。図3の実施形態でサポートされる一制御アルゴリズムは以下のように記載される。   Preferably, the compensator 300 can be programmed to execute different control algorithms by adjusting the values of the entries in the look-up tables 302, 304, and 306. One control algorithm supported in the embodiment of FIG. 3 is described as follows.

(1)d(n+1)=d(n)+α(e(n))+β(e(n−1))+γ(e(n−2))
ここで、α(・)、β(・)、およびγ(・)は、デジタル誤差信号152の線形または非線形関数のいずれかであってもよい。しかし、種々の制御アルゴリズムを実装することができる。1つの追加の例は、
(2)d(n+1)=d(n)+ae(n)+be(n−1)+ce(n−2)
で記述される。ここで、a、b、およびcは定数であり、基本PID(比例、積分、および微分)制御アルゴリズムに対応する。制御器150の設計において、(たとえば、所望の閉ループ帯域幅および適切な位相余裕を達成するために)a、b、およびcが選択されると、積a・e、b・e、およびc・eが、誤差「e」の考えられるすべての値についてあらかじめ計算されるのが好ましく、また、外部メモリ160からルックアップテーブル302、304、および306内にプログラムされるのが好ましい。外部メモリ160を用いる代替法として、ルックアップテーブル302、304、および306が、設計時にチップ上で事前にプログラムされ、かつ実配線されるか、または、実行時に、適当なインタフェースを介して他のシステム部品からプログラムされる場合がある。したがって、外部メモリ160は、ルックアップテーブル302、304、および306にデータを供給するための有益な1つの手法であるが、上述した代替手法が利用できる。
(1) d (n + 1) = d (n) + α (e (n)) + β (e (n−1)) + γ (e (n−2))
Here, α (•), β (•), and γ (•) may be either linear or non-linear functions of the digital error signal 152. However, various control algorithms can be implemented. One additional example is
(2) d (n + 1) = d (n) + ae (n) + be (n−1) + ce (n−2)
It is described by. Here, a, b, and c are constants and correspond to basic PID (proportional, integral, and differential) control algorithms. In the controller 150 design, once a, b, and c are selected (eg, to achieve the desired closed-loop bandwidth and appropriate phase margin), the products a · e, b · e, and c · e is preferably pre-calculated for all possible values of error “e” and is preferably programmed into lookup tables 302, 304, and 306 from external memory 160. As an alternative to using external memory 160, look-up tables 302, 304, and 306 may be pre-programmed and real-wired on the chip at design time, or other at run time through an appropriate interface. May be programmed from system components. Thus, external memory 160 is one useful technique for supplying data to lookup tables 302, 304, and 306, although the alternative techniques described above can be utilized.

補償器300のプログラム可能性によって、同じ制御器150のハードウェアが、ハードウェアを変更することによってではなく、ルックアップテーブル302、304、および306へのデータエントリを修正することによって、異なる電力段構成および異なる電力段パラメータについて用いられることが可能になるのが好ましい。さらに、補償器300は、手間がかかり、時間がかかり、不便な精密アナログ部品の交換を必要とすることなく、種々の非線形制御アルゴリズムについての実験を可能にするのが好ましい。   Due to the programmability of the compensator 300, the same controller 150 hardware may change the different power stages by modifying the data entries in the look-up tables 302, 304, and 306 rather than by changing the hardware. Preferably, it can be used for configuration and different power stage parameters. Furthermore, the compensator 300 preferably allows experimentation with various non-linear control algorithms without requiring time-consuming, time-consuming and inconvenient replacement of precision analog components.

図4は、図1のデジタル電圧制御器に含まれるパルス幅変調器400のブロック図である。図5は、図4のパルス幅変調器の種々の信号波形の値をプロットしたものである。パルス幅変調器(PWM)400(好ましくは、ハイブリッドデジタルPWM)は、制御器アーキテクチャを完全なものにするのが好ましい。PWM400は、デューティ比154から周期的波形c(t)156を生成するのが好ましく、周期的波形によって、電力変換器200のトランジスタスイッチ202および208を制御するのが好ましい。好ましくは、PWM400は、狭い規定の範囲内での高スイッチング周波数動作およびVo104の制御を達成するのに効果的に使用されることができる。   FIG. 4 is a block diagram of a pulse width modulator 400 included in the digital voltage controller of FIG. FIG. 5 is a plot of various signal waveform values of the pulse width modulator of FIG. A pulse width modulator (PWM) 400 (preferably a hybrid digital PWM) preferably completes the controller architecture. The PWM 400 preferably generates a periodic waveform c (t) 156 from the duty ratio 154, and preferably controls the transistor switches 202 and 208 of the power converter 200 by the periodic waveform. Preferably, PWM 400 can be effectively used to achieve high switching frequency operation and control of Vo 104 within a narrow defined range.

PWM400は、電圧調整器100のD/A変換器(DAC)として動作するのが好ましい。一般に、PWM400の分解能は、利用可能な出力電圧値104の値のセットを決める。PWM400の分解能が十分に高くない場合、Vo104の値の好ましくないリミットサイクル発振が起こる可能性がある。達成可能な出力電圧104がどれも、Vref106を中心としてΔVの範囲内に入らない場合、デューティ比154は一般に、2つ以上の値の間で発振する。このリミットサイクル動作の回避は、デューティ比154の最下位ビットに対応する出力電圧増分がΔVより小さくなることを確保することによって達成されることができる。この条件は、異なる変換器構成についての定常状態の入出力電圧の関数として評価されている。 The PWM 400 preferably operates as a D / A converter (DAC) of the voltage regulator 100. In general, the resolution of PWM 400 determines the set of available output voltage values 104. If the resolution of the PWM 400 is not sufficiently high, an undesirable limit cycle oscillation of the value of Vo 104 may occur. If none of the achievable output voltage 104 falls within the range of ΔV O centered on V ref 106, duty ratio 154 generally oscillates between two or more values. Avoiding this limit cycle operation can be achieved by ensuring that the output voltage increment corresponding to the least significant bit of the duty ratio 154 is less than [Delta] V O. This condition has been evaluated as a function of steady state input / output voltage for different converter configurations.

高分解能で、高周波数のデジタルパルス幅変調器(DPWM)は、高速クロックカウンタおよびデジタル比較器を用いて構成されることができる。スイッチング周波数fでnビット分解能を達成するために、所望のクロック周波数は2である。この所望のクロック周波数は一般に、より厳しいタイミング制約および電力消費の増加につながる。たとえば、f=1MHzのスイッチング周波数での8ビット分解能は、256MHzのクロック周波数を必要とするであろう。高い時間分解能および低い電力消費は、スイッチング周波数で動作するリング発振器と同様のタップ付き遅延線方式を用いて、達成することができる。しかし、この実施態様(implementation)は、大面積デジタルマルチプレクサを必要とする。好ましい実施形態で用いるために選択されたPWMアーキテクチャは、ハイブリッド遅延線/カウンタ手法による。この手法において、nビット分解能は、nビットカウンタ(ここで、n<n)を用いて達成される。ここで、分解能の残りのn=n−nビットは、タップ付き遅延線から得られる。 A high resolution, high frequency digital pulse width modulator (DPWM) can be constructed using a high speed clock counter and a digital comparator. In order to achieve n-bit resolution at the switching frequency f s , the desired clock frequency is 2 n f s . This desired clock frequency generally leads to tighter timing constraints and increased power consumption. For example, an 8-bit resolution with a switching frequency of f s = 1 MHz would require a clock frequency of 256 MHz. High time resolution and low power consumption can be achieved using a tapped delay line scheme similar to a ring oscillator operating at the switching frequency. However, this implementation requires a large area digital multiplexer. The PWM architecture chosen for use in the preferred embodiment is by a hybrid delay line / counter approach. In this approach, n bit resolution, (here, n c <n) n c-bit counter is accomplished using. Here, the remaining n d = n−n c bits of resolution are obtained from the tapped delay line.

図4の実施形態は、2ビットカウンタ(n=2)406、ならびに、遅延セルとして動作するフリップフロップ416、418、420、および422を含む4セルリング発振器(n=2、2 =4)を用いて、4ビット(n=4)分解能が得られるPWM400である。好ましくは、スイッチングサイクルの始めで、出力SRフリップフロップ410がセットされ(set)、PWM400の出力パルスc(t)156がハイになる。好ましくは、パルスは、2nc=4fの周波数で発振器402を伝播し、そのパルスは、カウンタ406用のクロックパルスの役をする。スイッチング周期は、2 =16スロットに分割されるのが好ましい。好ましくは、カウンタ406の出力がデジタル入力154のn452の最上位ビットに一致し、かつ、パルスが、デジタル入力154のn450の最下位ビットによって選択されたタップに達すると、出力フリップフロップ410はリセットされ、出力パルスはローに下がる。 The embodiment of FIG. 4 includes a 2-bit counter (n c = 2) 406 and a 4-cell ring oscillator (n d = 2, 2 n d) including flip-flops 416, 418, 420, and 422 operating as delay cells. = 4) is used to obtain a 4-bit (n = 4) resolution PWM400. Preferably, at the beginning of the switching cycle, output SR flip-flop 410 is set (set) and output pulse c (t) 156 of PWM 400 goes high. Preferably, pulse, a 2 nc f s = the oscillator 402 at a frequency of 4f s propagates, the pulse is the role of clock pulses for the counter 406. The switching period is preferably divided into 2 n d 2 n c = 16 slots. Preferably, when the output of counter 406 matches the most significant bit of n c 452 of digital input 154 and the pulse reaches the tap selected by the least significant bit of n d 450 of digital input 154, an output flip-flop 410 is reset and the output pulse goes low.

452およびn454の広範囲のビットを含む、任意の数のビットn450を使用した分解能を使用してもよいことが理解されるであろう。好ましくは、出力パルス156(電力命令信号)がその間オンである「パルスオン」期間は、デジタル入力154の値に対応する。この「パルスオン」期間は、デジタル入力154によって表されるデューティ比とスイッチング期間(fの逆数、スイッチング周期)の積であるのが好ましい。カウンタおよび比較器のみを用いて高分解能を有するパルスオン期間を正確に確立させるのに必要なクロック周波数が非常に高くなるのを回避するために、パルスオン期間は、2つの分離したパルスオン成分を個別に確立させることによって、生ずるのが好ましい。所与のスイッチング期間について、出力信号156についてのパルスオン期間の第1および第2成分を確定することによって、出力信号156についてのデューティ比の第1および第2成分が効率的に確定される。 It will be appreciated that a resolution using any number of bits n450 may be used, including a wide range of n c 452 and n d 454 bits. Preferably, the “pulse on” period during which output pulse 156 (power command signal) is on corresponds to the value of digital input 154. This “pulse on” period is preferably the product of the duty ratio represented by the digital input 154 and the switching period (the reciprocal of f s , the switching period). In order to avoid a very high clock frequency required to accurately establish a pulse-on period with high resolution using only a counter and a comparator, the pulse-on period is obtained by separating two separate pulse-on components separately. It preferably occurs by establishing. By determining the first and second components of the pulse on period for the output signal 156 for a given switching period, the first and second components of the duty ratio for the output signal 156 are efficiently determined.

好ましい実施形態において、パルスオン期間の第1の成分、すなわち第1の部分は、デジタル入力154の最高位に配列された(highest ordered)ビットの選択n452を用いて確立するのが好ましい。カウンタ406は、クロック周波数120で、「2」をn452で累乗したものに等しい値までカウントするのが好ましい。パルスオン期間の第2の成分、すなわち第2の部分は、デジタル入力154の元のn450ビットの最低位に配列された(lowest ordered)ビットの選択n454を用いて確立するのが好ましい。パルスオン期間の第2の成分は、指定された数のフリップフロップを有する遅延線402を用いて確立するのが好ましい。用いるフリップフロップの数は、2をn454で累乗したものに等しいのが好ましい。好ましくは、n454ビットの配列のデジタル値の大きさは、パルスオン期間の第2成分を形成するフリップフロップ遅延の数を決める。このハイブリッド(カウンタと遅延線の組み合わせ)手法は、出力信号c(t)156がその間ハイである、結果として得られるパルスオン期間に対する高精度をやはり維持しながら、カウンタ406についての著しく高い周波数に対する必要を回避するのが好ましい。 In the preferred embodiment, the first component of the pulse-on period, i.e., the first portion, is preferably established using a high order ordered bit selection n c 452 of the digital input 154. Counter 406 preferably counts at a clock frequency of 120 to a value equal to “2” raised to a power of n c 452. The second component of the pulse-on period, i.e., the second portion, is preferably established using a low-ordered bit selection n d 454 of the digital input 154. The second component of the pulse on period is preferably established using a delay line 402 having a specified number of flip-flops. The number of flip-flops used is preferably equal to 2 raised to n d 454. Preferably, the magnitude of the digital value of the n d 454-bit array determines the number of flip-flop delays that form the second component of the pulse-on period. This hybrid (counter and delay line combination) approach requires a significantly higher frequency for the counter 406 while still maintaining high accuracy for the resulting pulse-on period during which the output signal c (t) 156 is high. Is preferably avoided.

図5の例示的な波形において、出力パルスのデューティ比は11/16である。図4のリング発振器402の基本遅延セルは、単一リセット可能フリップフロップからなる。好ましくは、セル416、418、420、および422のそれぞれの遅延およびリング402のセルの数がスイッチング周波数fを決める。スイッチング周波数を調整するために、セルの出力と後続のセルへの入力の間に追加の遅延要素を挿入することによって、セル416、418、420、および422のうちの任意のセルを修正することができる。追加の遅延要素は、スイッチング周波数の調整すなわち外部クロックとの同期が望まれる場合、標準論理ゲートか、または、調整可能遅延を有するゲートであることができる。 In the exemplary waveform of FIG. 5, the duty ratio of the output pulse is 11/16. The basic delay cell of the ring oscillator 402 of FIG. 4 consists of a single resettable flip-flop. Preferably, the respective delays of cells 416, 418, 420, and 422 and the number of cells in ring 402 determine the switching frequency f s . Modify any of cells 416, 418, 420, and 422 by inserting an additional delay element between the output of the cell and the input to the subsequent cell to adjust the switching frequency. Can do. The additional delay element can be a standard logic gate or a gate with adjustable delay if switching frequency adjustment, ie synchronization with an external clock, is desired.

図4に示す自己発振DPWM(デジタルパルス幅変調器)の実施形態は、簡単なHDLによる記述、一周期中の偶数の時間スロット、命令によって発振の停止および再始動できること(リングを通る信号の伝播をゲート制御することによる)、および比較的小さなサイズを含む、いくつかの望ましい特性を有する。実験用のプロトタイプチップが設計され、そのチップでは、DPWMは、3ビットカウンタ(n=3)および32セルの長いリング(n=5)を用いて8ビット分解能(n=8)を有していた。PWM400は、f=1MHzのスイッチング周波数で動作するのが好ましい。リングは2nc=8MHzで発振するのが好ましい。この8MHz信号は、全チップに対するシステムクロックとして用いられるのが好ましい。図6に示すPWM400についての実験結果は、出力パルスの測定されたデューティ比を8ビットデジタル入力154の関数として示す。最小(3.1%)デューティ比および最大(97.3%)デューティ比は、設計段階で確立されるのが好ましい。 The self-oscillating DPWM (Digital Pulse Width Modulator) embodiment shown in FIG. 4 has a simple HDL description, an even number of time slots in a period, and can be stopped and restarted by command (propagation of signals through the ring). And have several desirable properties including a relatively small size. An experimental prototype chip was designed, in which DPWM has 8-bit resolution (n = 8) using a 3-bit counter (n c = 3) and a long ring of 32 cells (n d = 5). Was. The PWM 400 preferably operates at a switching frequency of f s = 1 MHz. The ring preferably oscillates at 2 nc f s = 8 MHz. This 8 MHz signal is preferably used as a system clock for all chips. The experimental results for PWM 400 shown in FIG. 6 show the measured duty ratio of the output pulse as a function of 8-bit digital input 154. The minimum (3.1%) duty ratio and the maximum (97.3%) duty ratio are preferably established at the design stage.

一般に、静的および動的な出力電圧調整能力は、使用されるA/D変換器の特性によって決まる。従来の高速、高分解能A/D変換器は、電力およびチップ面積を消費し、精密アナログ部品を必要とする。また、スイッチング電源において、検知されたアナログ電圧信号がスイッチング電力変換器によって供給される。この信号は一般に、多くのスイッチング雑音を有しており、スイッチング雑音は、基本フラッシュ構成などの多くの従来のA/D変換器にとって問題になる可能性がある。したがって、本発明者等は、図7に関連して以下で述べる代替のADCの実施形態を探した。   Generally, the static and dynamic output voltage adjustment capability depends on the characteristics of the A / D converter used. Conventional high speed, high resolution A / D converters consume power and chip area and require precision analog components. In the switching power supply, the detected analog voltage signal is supplied by the switching power converter. This signal generally has a lot of switching noise, which can be a problem for many conventional A / D converters such as the basic flash configuration. Accordingly, the inventors sought an alternative ADC embodiment described below in connection with FIG.

図7は、図1の電圧制御器150の一部を形成するのが好ましい遅延線ADC700のブロック図である。図8は、図7の遅延線ADC700に含まれる遅延セル710、712、714、716、および718に対応する遅延セルADC800の略図である。遅延線ADC700の図7の実施形態のタイミング波形の実施形態が図9に示される。この開示において、「遅延セル800」という名称は、一般に遅延セルを指す時に用いられるであろう。特定の遅延セルが指示されるところでは、その遅延セルを指定する参照数字が使用されるであろう。好ましくは、各遅延セル800は入力804、出力810、およびリセット入力R812を有する。好ましくは、リセット入力812がアクティブハイである時、セル出力810は、ゼロにリセットされる。好ましい実施形態において、(好ましくは、論理ゲートを備える)遅延セル800のアレイ740は、検知されたアナログ電圧108を受け取る。したがって、アレイ740の各セルについて、Vsense108=VDDである。 FIG. 7 is a block diagram of a delay line ADC 700 that preferably forms part of the voltage controller 150 of FIG. FIG. 8 is a schematic diagram of delay cell ADC 800 corresponding to delay cells 710, 712, 714, 716, and 718 included in delay line ADC 700 of FIG. An embodiment of the timing waveform of the embodiment of FIG. 7 of delay line ADC 700 is shown in FIG. In this disclosure, the name “delay cell 800” will generally be used when referring to a delay cell. Where a particular delay cell is indicated, a reference numeral specifying that delay cell will be used. Preferably, each delay cell 800 has an input 804, an output 810, and a reset input R812. Preferably, cell output 810 is reset to zero when reset input 812 is active high. In a preferred embodiment, an array 740 of delay cells 800 (preferably comprising logic gates) receives the sensed analog voltage 108. Thus, for each cell in array 740, V sense 108 = V DD .

遅延線ADC700変換器の好ましい実施形態は、ゲート供給電圧が減る場合、CMOS型(相補型金属酸化物半導体)論理ゲートの伝播遅延が増加するという原理による。第1の配列に対して(to the first order)、電源VDDの関数として、CMOS論理ゲートを通る信号の伝播遅延tは、 The preferred embodiment of the delay line ADC700 converter is based on the principle that the propagation delay of a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) logic gate increases when the gate supply voltage decreases. For the first array (to the first order), as a function of the power supply V DD , the propagation delay t d of the signal through the CMOS logic gate is

Figure 0004545439
によって与えられる。ここで、VthはCMOSデバイスのしきい値電圧であり、Kは、デバイス/処理パラメータおよびゲートの容量性負荷によって決まる定数である。明確に、VDDが増加すると伝播遅延が短くなる。しきい値Vthより大きい電源の場合、遅延はほぼVDDに逆比例する。
Figure 0004545439
Given by. Where V th is the threshold voltage of the CMOS device and K is a constant determined by the device / processing parameters and the capacitive load of the gate. Clearly, the propagation delay decreases as V DD increases. For power supplies greater than the threshold Vth , the delay is approximately inversely proportional to V DD .

変換を実行するために、スイッチングサイクルの始めに、試験信号704がセルアレイ740を通して伝播させられる。一定の変換時間間隔(図9の例の波形においては(6/8)Tに等しいのが好ましい)後に、タップt728からt736は、「サンプル」信号738によってサンプリングされるのが好ましく、「サンプル」信号は、Dタイプフリップフロップ720、722、724、および726の系列750に対するクロックパルスであるのが好ましい。フリップフロップの出力q752からq758の結果は、デジタル符号化器730に伝達されて、デジタル誤差信号152が生成されるのが好ましい。好ましくは、次の変換サイクルの準備をするために、スイッチングサイクルの最後の部分を用いて、遅延線700のすべてのセルがリセットされる。 To perform the conversion, a test signal 704 is propagated through the cell array 740 at the beginning of the switching cycle. After a fixed conversion time interval (preferably equal to (6/8) T s in the example waveform of FIG. 9), taps t 1 728 to t 8 736 are sampled by the “sample” signal 738. Preferably, the “sample” signal is a clock pulse for a series 750 of D-type flip-flops 720, 722, 724, and 726. The results of flip-flop outputs q 1 752 to q 8 758 are preferably communicated to digital encoder 730 to generate digital error signal 152. Preferably, all cells in delay line 700 are reset using the last part of the switching cycle to prepare for the next conversion cycle.

sense108が増加するにつれて、セル遅延tが減少し、試験パルス704がセルアレイ740内をさらに先に伝播する。逆に、Vsense108が減少するにつれて、セル遅延tが増加し、試験パルス704がセルアレイ740内の少数のセル800にしか伝播しなくなる。サンプリングされたタップ出力(q〜q)は、「温度計」デジタル符号におけるA/D変換結果を与える。たとえば、図9の波形900が示す場合について、試験パルスは、タップtからtまで伝播するが、タップtおよびtには伝播しないため、フリップフロップのデジタル出力(q、q、、q)の配列770は、11111100に等しい。 As V sense 108 increases, cell delay t d decreases and test pulse 704 propagates further through cell array 740. Conversely, as V sense 108 decreases, cell delay t d increases and test pulse 704 propagates only to a small number of cells 800 in cell array 740. The sampled tap outputs (q 1 -q 8 ) give the A / D conversion result in the “thermometer” digital code. For example, for the case shown by waveform 900 in FIG. 9, the test pulse propagates from taps t 1 to t 6 but not to taps t 7 and t 8 , so the flip-flop digital outputs (q 1 , q 2 , Q 8 ) is equal to 11111100.

理想的には、Vsense108がVref106に等しく、試験パルス704がタップ付き遅延セルの第1の半分760に伝播する。図7の実施形態において、このゼロ誤差の場合は、(q、q、q、q、q、q、q、q)=11110000に等しいフリップフロップ出力に対応する。好ましくは、符号化器152は、フリップフロップ出力770の配列をより役に立つ形態に符号化したデジタル情報に変換する。好ましい実施形態において、このより役に立つ形態はデジタル誤差信号152である。 Ideally, V sense 108 is equal to V ref 106 and the test pulse 704 propagates to the first half 760 of the tapped delay cell. In the embodiment of FIG. 7, this zero error case corresponds to a flip-flop output equal to (q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 , q 6 , q 7 , q 8 ) = 11110000. Preferably, encoder 152 converts the array of flip-flop outputs 770 into digital information encoded in a more useful form. In the preferred embodiment, this more useful form is the digital error signal 152.

好ましい実施形態において、デジタル誤差信号152は、Vsense108とVref106の差、すなわち誤差を示す値を供給する。電源の所望の定常状態の動作は、デジタル誤差信号152のゼロの値に対応する。好ましくは、符号化器730は、その大きさが、Vsense108とVref106のアナログ電圧の差に比例するデジタル値を有するデジタル誤差信号152を供給する。表1および以下の議論が符号化器730を更に詳しく述べる。「デジタル誤差の大きさ」は、本開示において先に論じられた。用語の一貫性のために、「デジタル誤差の大きさ」という用語が表1に含まれる。しかし、表のエントリは便宜上10進形態で表される。 In the preferred embodiment, the digital error signal 152 provides a difference between V sense 108 and V ref 106, i. The desired steady state operation of the power supply corresponds to a zero value of the digital error signal 152. Preferably, encoder 730 provides a digital error signal 152 having a digital value whose magnitude is proportional to the difference between the analog voltages of V sense 108 and V ref 106. Table 1 and the following discussion describe the encoder 730 in more detail. “Digital error magnitude” was discussed earlier in this disclosure. For consistency of terminology, the term “magnitude of digital error” is included in Table 1. However, the entries in the table are represented in decimal form for convenience.

Figure 0004545439
図14は、図7の遅延線ADC700に含まれる変換器730の機能のブロック図である。好ましい実施形態において、符号化器730は、入力として、遅延線ADC700の温度計符号772を受け取り、符号化されたデジタル出力152を出力する。温度計符号772は、フリップフロップ出力の配列770に含まれるデジタル値の配列である。温度計符号は、識別ベクトル776およびオーバフロー指示器778を符号化器784に供給する識別器ブロック774に送られるのが好ましい。その後、符号化器ブロックはデジタル出力152を供給する。
Figure 0004545439
FIG. 14 is a block diagram of functions of converter 730 included in delay line ADC 700 of FIG. In the preferred embodiment, encoder 730 receives as input a thermometer code 772 of delay line ADC 700 and outputs an encoded digital output 152. The thermometer code 772 is an array of digital values included in the array 770 of flip-flop outputs. The thermometer code is preferably sent to an identifier block 774 that provides an identification vector 776 and an overflow indicator 778 to an encoder 784. The encoder block then provides a digital output 152.

表1の第2および第3列は、符号化器730に対する入出力を指定する。これは、1つの符号化方式から別の符号化方式への簡単な2値変換(transformation)であるため、符号化器は、行動(behavioral)HDLおよび合成技法を用いて実装されることができる。しかし、他の変換メカニズムを使用することができる。表1のデータは例示であることが理解されるであろう。Vsenseの異なる電圧範囲は、表1の1つまたは複数のエントリについての列2および列3のデジタル値と関連する可能性がある。   The second and third columns of Table 1 specify input and output for encoder 730. Since this is a simple binary transformation from one encoding scheme to another, the encoder can be implemented using behavioral HDL and synthesis techniques. . However, other conversion mechanisms can be used. It will be appreciated that the data in Table 1 is exemplary. Different voltage ranges of Vsense may be associated with the digital values in columns 2 and 3 for one or more entries in Table 1.

遅延線ADC700の好ましい実施形態において、遅延線アレイ740の長さは、アナログ/デジタル変換特性がそこを中心とする基準電圧値を確定するのが効果的である。セル800の数および各セル800の遅延が、遅延線ADC700の範囲(ΔVmaxおよび有効LSB電圧分解能を確定するのが好ましい。実験上のプロトタイプチップにおいて、遅延線の長さおよびセル遅延は、値、Vref≒2.5V、ΔV≒40mVを有するように(シミュレーションによって)設計された。それぞれが関連するタップを有する8個のセル800は、A/D電圧変換範囲(ΔVmax=(8+1)ΔV≒360mVを供給する。 In the preferred embodiment of the delay line ADC 700, the length of the delay line array 740 is advantageous for the analog / digital conversion characteristics to determine a reference voltage value centered there. The number of cells 800 and the delay of each cell 800 preferably determine the range (ΔV O ) max of the delay line ADC 700 and the effective LSB voltage resolution. In the experimental prototype chip, the delay line length and cell delay were designed (by simulation) to have the values V ref ≈2.5 V, ΔV O ≈40 mV. Eight cells 800, each with an associated tap, provide an A / D voltage conversion range (ΔV O ) max = (8 + 1) ΔV O ≈360 mV.

好ましい遅延線ADC700のいくつかの利点は、その基本構成が、任意の精密アナログ部品を必要とせず、また、標準的なデジタル論理ゲートを用いて実装されることができることである。したがって、遅延線ADC700は、十分に基準化されており、HDL記述によることができる。遅延線ADC700を用いると、高スイッチング周波数(数百KHz〜数MHzの範囲内)でのサンプリングは、最新のサブミクロンCMOS処理を用いて作られた集積回路を用いて容易に達成されることができる。さらに、遅延線ADC700の好ましい実施形態は、固有(built−in)雑音イミュニティ(noise immunity)を有し、その雑音イミュニティは、サンプリングが、入力アナログ信号Vsense108がその間で効率よく平均化されるスイッチング期間の大部分にわたって延びる可能性があるということから生じる。したがって、デジタル出力152は、電力変換器200の出力電圧104における鋭い雑音スパイクによって影響されないことが好ましい。 Some advantages of the preferred delay line ADC 700 are that its basic configuration does not require any precision analog components and can be implemented using standard digital logic gates. Therefore, the delay line ADC 700 is sufficiently standardized and can be based on the HDL description. With delay line ADC 700, sampling at high switching frequencies (within a range of hundreds of KHz to several MHz) can be easily achieved using integrated circuits made using state-of-the-art sub-micron CMOS processing. it can. Further, the preferred embodiment of the delay line ADC 700 has a built-in noise immunity that allows the sampling to be efficiently averaged between the input analog signal V sense 108. Arises from the possibility of extending over the majority of the switching period. Accordingly, the digital output 152 is preferably unaffected by sharp noise spikes in the output voltage 104 of the power converter 200.

プロトタイプ版遅延線ADC700について測定した変換特性1000が図10に示される。特性(プロット)1000の陰影付き部分は、デジタル出力コード152が2つの連続した値のうちの1つをとる電圧を指示する。特性1000は、ある程度の非線形性を示すが、単調である。また、符号「ビン」の幅は、所望のΔV値にほぼ等しい。電圧調整器の用途において、A/Dの欠陥(符号フリッピングおよび非線形性)は、閉ループ動作にほとんど影響を与えない。定常状態の動作中、出力電圧104は、デジタル誤差信号152のゼロの値に対応する電圧に収斂するのが好ましい。10個のプロトタイプチップのセットについて、本発明者等は、ゼロ誤差ビン幅(zero−error bin width)の平均が3.6mVの標準偏差で53mVに等しいことを見出した。測定された基準電圧は、Vref=2.7Vであったが、遅延線ADC700の測定された電流消費は約10μAであった。 A conversion characteristic 1000 measured for the prototype delay line ADC 700 is shown in FIG. The shaded portion of the characteristic (plot) 1000 indicates the voltage at which the digital output code 152 takes one of two consecutive values. The characteristic 1000 shows a certain degree of non-linearity, but is monotonous. Also, the width of the code “bin” is approximately equal to the desired ΔV O value. In voltage regulator applications, A / D defects (sign flipping and non-linearity) have little impact on closed loop operation. During steady state operation, the output voltage 104 preferably converges to a voltage corresponding to the zero value of the digital error signal 152. For a set of 10 prototype chips, we found that the average zero-error bin width is equal to 53 mV with a standard deviation of 3.6 mV. The measured reference voltage was V ref = 2.7 V, but the measured current consumption of the delay line ADC 700 was about 10 μA.

基本遅延線ADC700は、遅延線700の長さによって、また、各遅延セル800の遅延対電圧特性によって間接的に決まる基準電圧Vref106を結果的に生じる。実際に、処理および温度変動のために、基本遅延線A/D構成によって得られる基準値は、精密に制御するのが難しい。有効Vref106の変動によって、調整された出力電圧104の変動が引き起こされ、この変動によって、調整器100が最適に及ばないで実行される場合がある。したがって、遅延線ADC700は、動作する電圧調整器100に実装される以前に較正されるのが好ましい。別の言い方をすれば、遅延線ADC700の遅延の程度は、既知の電圧値と相関するのが好ましい。この確立された相関性は、制御器150の後の動作の間に使用されて、遅延セルアレイ740に沿った、試験パルス704の信号伝播遅延の程度を確実に特定の電圧に関連付けることが好ましい。 The basic delay line ADC 700 results in a reference voltage V ref 106 that is indirectly determined by the length of the delay line 700 and indirectly by the delay versus voltage characteristics of each delay cell 800. In fact, due to processing and temperature variations, the reference value obtained with the basic delay line A / D configuration is difficult to control precisely. Variations in the effective V ref 106 cause variations in the regulated output voltage 104 that may be performed suboptimally by the regulator 100. Therefore, the delay line ADC 700 is preferably calibrated before being implemented in the operating voltage regulator 100. In other words, the degree of delay of the delay line ADC 700 is preferably correlated with a known voltage value. This established correlation is preferably used during subsequent operation of controller 150 to ensure that the degree of signal propagation delay of test pulse 704 along delay cell array 740 is associated with a particular voltage.

図11は、図7の遅延線ADC700についての好ましいデジタル較正方式1100のブロック図であり、図12は、図11の較正方式1100のタイミング波形のプロットである。好ましい較正手法は、好ましくは標準的なバンドギャップ技法を用いて生成された、安定した精密な較正基準電圧1102を遅延線ADC700の入力782に印加すること、および、実際のアナログ入力電圧Vsense106が印加される時に得られるデジタル出力152の値からの変換結果をデジタル的に減算することを含む。較正基準電圧1102は、そうである必要があるわけではないが、図1、図3、および図7に関連して論じた基準電圧106と同じであってよい。 11 is a block diagram of a preferred digital calibration scheme 1100 for the delay line ADC 700 of FIG. 7, and FIG. 12 is a plot of timing waveforms for the calibration scheme 1100 of FIG. A preferred calibration technique is to apply a stable and precise calibration reference voltage 1102, preferably generated using standard bandgap techniques, to the input 782 of the delay line ADC 700 and the actual analog input voltage V sense 106. Digitally subtracting the conversion result from the value of the digital output 152 obtained when. The calibration reference voltage 1102 need not be so, but may be the same as the reference voltage 106 discussed in connection with FIGS. 1, 3, and 7.

好ましい実施形態において、2つの変換がそれぞれのスイッチング期間内に実行される。スイッチング期間の2分の1において、較正基準電圧Vref1102は、遅延線ADC700に印加されるのが好ましい。基準変換の結果eref1108は理想的には0であるが、実際の値は、処理および温度の変動のために有限の大きさを有する可能性がある。基準変換誤差値eref1108はレジスタ1106に格納されるのが好ましい。期間の第2の部分において、Vsense108は、遅延線ADC700に印加されるのが好ましい。好ましくは、遅延線ADC200は、図7と関連して述べた、Vsense108のアナログ電圧値に対応する未較正デジタル出力152を供給する。その後、未較正出力152は、eref1108から減算されて、較正されたデジタル出力1152が得られるのが好ましい。較正が使用される好ましい実施形態において、較正されたデジタル出力1152は、未較正デジタル出力152の代わりに用いられ、それによって、出力電圧V104の補正に対してより高い精度が与えられる。本明細書において、「較正されたデジタル出力」、「補正されたデジタル出力」、「較正されたデジタル誤差信号」、および「補正されたデジタル誤差信号」という用語は交換可能に用いられる。 In the preferred embodiment, two conversions are performed within each switching period. In one half of the switching period, the calibration reference voltage V ref 1102 is preferably applied to the delay line ADC700. The reference conversion result e ref 1108 is ideally zero, but the actual value may have a finite magnitude due to processing and temperature variations. The reference conversion error value e ref 1108 is preferably stored in the register 1106. In the second part of the period, V sense 108 is preferably applied to delay line ADC 700. Preferably, delay line ADC 200 provides an uncalibrated digital output 152 corresponding to the analog voltage value of V sense 108 as described in connection with FIG. The uncalibrated output 152 is then preferably subtracted from e ref 1108 to obtain a calibrated digital output 1152. In the preferred embodiment where calibration is used, the calibrated digital output 1152 is used in place of the uncalibrated digital output 152, thereby providing greater accuracy for the correction of the output voltage V O 104. Herein, the terms “calibrated digital output”, “corrected digital output”, “calibrated digital error signal”, and “corrected digital error signal” are used interchangeably.

基準変換誤差値1108の生成は、必要というわけではないが、それぞれのスイッチング期間において行われることができる。基準変換の適切な周波数は、特定の電圧制御器150の特性に基づいて選択されることができる。別に、限定はしないが遅延ロックループ(DLL)原理に基づく方式を含む、他の較正方式を本発明と共に実装することができる。   The generation of the reference conversion error value 1108 is not necessary, but can be performed in each switching period. An appropriate frequency for the reference conversion can be selected based on the characteristics of the particular voltage controller 150. Alternatively, other calibration schemes can be implemented with the present invention, including but not limited to schemes based on the delay locked loop (DLL) principle.

本明細書で述べる制御器150は、標準的な0.5μ(ミクロン)CMOSプロセスで設計され実装された。チップ設計はHDLを用いて記述された。合成およびタイミング検証ツールを用いて、設計を標準的なセルゲートに縮小した。遅延線ADC700の好ましい実施形態は、0.2mm(平方ミリメートル)未満を占める。制御器150についての全有効チップ面積は1mm未満であるのが好ましい。 The controller 150 described herein was designed and implemented in a standard 0.5 micron CMOS process. The chip design was described using HDL. The design was reduced to a standard cell gate using synthesis and timing verification tools. A preferred embodiment of delay line ADC 700 occupies less than 0.2 mm 2 (square millimeters). The total effective chip area for controller 150 is preferably less than 1 mm 2 .

好ましい実施形態において、補償器300は、(e(n)、e(n−1)、およびe(n−2)について)3つのテーブルを含む。好ましくは、遅延線ADC700によって生成されたデジタル誤差信号152は、9つの考えられる値を有する可能性がある。好ましい実施形態において、ルックアップテーブル302、304、および306からの出力はそれぞれ、8ビット、9ビット、および8ビットを有する。したがって、オンチップメモリの全格納容量は234ビットであるのが好ましい。しかし、代替の実施形態において、補償器300のテーブルの数、ルックアップテーブルのビット数、デジタル誤差信号152の考えられる値の数、およびオンチップメモリの格納容量の全ビット数は、上述した好ましい実施形態で開示したこれらの項目の数より少ないか、または多い場合があることが理解されるであろう。   In a preferred embodiment, compensator 300 includes three tables (for e (n), e (n-1), and e (n-2)). Preferably, the digital error signal 152 generated by the delay line ADC 700 may have nine possible values. In the preferred embodiment, the outputs from lookup tables 302, 304, and 306 have 8 bits, 9 bits, and 8 bits, respectively. Therefore, the total storage capacity of the on-chip memory is preferably 234 bits. However, in an alternative embodiment, the number of compensator 300 tables, the number of bits in the lookup table, the number of possible values of the digital error signal 152, and the total number of bits in the storage capacity of the on-chip memory are preferred as described above It will be appreciated that there may be fewer or more of these items disclosed in the embodiments.

好ましい実施形態において、テーブルエントリのビット長は、誤差信号152の値の範囲(±4)によって、また、所望の精度の極ゼロの配置によって決まる。加算器318は、10ビットの符号付き値を生成するのが好ましく、10ビット符号付き値は、符号ビットを排除することによって、また、最下位ビットを切り捨てることによって、8ビットデューティ比信号154に縮小されるのが好ましい。   In the preferred embodiment, the bit length of the table entry is determined by the range of values of error signal 152 (± 4) and by the arrangement of pole zeros with the desired accuracy. Adder 318 preferably generates a 10-bit signed value, which is added to 8-bit duty cycle signal 154 by eliminating the sign bit and by truncating the least significant bit. It is preferably reduced.

好ましい実施形態の閉ループ動作を示すために、制御器チップが、図1に示す同期降圧型変換器と共に用いられた。入力電圧V102は4Vと6Vの間に設定され、出力電圧104はV=2.7Vに調整され、負荷電流は0Aと2Aの間に設定され、スイッチング周波数は1MHzに設定された。用いられたフィルタ部品は、L210=1μH(マイクロヘンリ)およびC212=100μF(マイクロファラド)の値を有した。変換器200の標準的な平均化モデルに基づいて、補償器300は、極ゼロマッチング法を用いて設計されて、約50KHzのループクロスオーバ周波数および約50°の位相余裕が達成された。変換器200が電源投入されると、変換器は、外部メモリ160からテーブルエントリを補償器300にロードし、次に、出力電圧104をサンプリングし、パルス状波形c(t)156を生成することを始める。 To illustrate the closed loop operation of the preferred embodiment, a controller chip was used with the synchronous buck converter shown in FIG. The input voltage V g 102 was set between 4V and 6V, the output voltage 104 was adjusted to V O = 2.7V, the load current was set between 0A and 2A, and the switching frequency was set to 1 MHz. The filter parts used had values of L210 = 1 μH (microhenry) and C212 = 100 μF (microfarad). Based on the standard averaging model of the converter 200, the compensator 300 was designed using a pole zero matching method to achieve a loop crossover frequency of about 50 KHz and a phase margin of about 50 °. When the converter 200 is powered up, the converter loads the table entry from the external memory 160 into the compensator 300, then samples the output voltage 104 and generates a pulsed waveform c (t) 156. Begin.

図2は、図1の調整器100について得られる出力電圧104および出力電流の過渡応答のプロットである。実験での50%〜100%負荷の過渡波形が図2に示される。好ましい実施形態において、V104は、(ΔVmaxの範囲202内のままである。図13Aは、図1の電圧制御器100についての負荷電流に対する測定された負荷電圧104のプロットである。図13Bは、図1の電圧制御器100についての電源102に対する測定された負荷電圧104のプロットである。 FIG. 2 is a plot of output voltage 104 and output current transient response obtained for regulator 100 of FIG. The transient waveform of 50% to 100% load in the experiment is shown in FIG. In a preferred embodiment, V O 104 remains within the range 202 of (ΔV O ) max . FIG. 13A is a plot of measured load voltage 104 against load current for voltage controller 100 of FIG. FIG. 13B is a plot of measured load voltage 104 versus power supply 102 for voltage controller 100 of FIG.

新規なデジタル電圧制御器を述べてきた。図面で示し、本明細書内で述べられた特定の実施形態は、例を目的としており、添付特許請求項で述べられるであろう本発明を限定するものと解釈されてはならないことが理解されるべきである。さらに、当業者が、本発明の概念から逸脱せずに、述べられた特定の実施形態を数多く使用することおよび数多くの変更を行うことができることは明らかである。詳述された方法は、多くの例において、異なる順序で実行されることができること、または、等価な構造および処理が、述べられた種々の構造および処理と置き換えられることができることもまた明らかである。したがって、本発明は、本明細書で述べた本発明の中に存在する、かつ/または、本発明が所有するそれぞれのおよびすべての特徴ならびに特徴の新規な組み合わせを包含するものと解釈されるべきである。   A novel digital voltage controller has been described. It is understood that the specific embodiments shown in the drawings and described in this specification are for purposes of example and should not be construed as limiting the invention as set forth in the appended claims. Should be. Further, it will be apparent to those skilled in the art that many of the specific embodiments described can be used and numerous modifications can be made without departing from the inventive concepts. It will also be apparent that the methods detailed can in many instances be performed in a different order, or that equivalent structures and processes can be substituted for the various structures and processes described. . Accordingly, the present invention is to be construed as including each and every feature and novel combination of features that is present in and / or possessed by the invention described herein. It is.

本発明の好ましい実施形態によるデジタル電圧制御器を含む電圧調整器のブロック図である。1 is a block diagram of a voltage regulator including a digital voltage controller according to a preferred embodiment of the present invention. 図1の調整器を用いて得られる出力電圧および出力電流の過渡応答のプロットである。2 is a plot of output voltage and output current transient response obtained using the regulator of FIG. 図1のデジタル電圧制御器の動作のブロック図である。It is a block diagram of operation | movement of the digital voltage controller of FIG. 図1のデジタル電圧制御器に含まれるパルス幅変調器のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a pulse width modulator included in the digital voltage controller of FIG. 1. 図4のパルス幅変調器の信号波形の値のプロットである。5 is a plot of signal waveform values for the pulse width modulator of FIG. 図4のパルス幅変調器についての、デジタル入力の関数としてのデューティ比出力のプロットである。5 is a plot of duty cycle output as a function of digital input for the pulse width modulator of FIG. 図1の電圧制御器に含まれる遅延線ADCのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a delay line ADC included in the voltage controller of FIG. 1. 図7の遅延線に含まれる遅延セルに対応する遅延セルADCの略図である。8 is a schematic diagram of a delay cell ADC corresponding to a delay cell included in the delay line of FIG. 図7の遅延線ADCのタップ信号についてのタイミング波形のプロットである。8 is a timing waveform plot for a tap signal of the delay line ADC of FIG. 図7の遅延線ADCの変換特性のプロットである。8 is a plot of conversion characteristics of the delay line ADC of FIG. 図7の遅延線ADCについての好ましいデジタル較正方式のブロック図である。FIG. 8 is a block diagram of a preferred digital calibration scheme for the delay line ADC of FIG. 図11の較正方式のタイミング波形のプロットである。12 is a plot of timing waveforms for the calibration scheme of FIG. 図13Aは、図1の電圧調整器についての負荷電流に対する測定された負荷電圧調整のプロットである。FIG. 13A is a plot of measured load voltage adjustment versus load current for the voltage regulator of FIG.

図13Bは、図1の電圧調整器についての電源に対する測定された負荷電圧調整のプロットである。
図7の遅延線ADC700に含まれる符号化器730の機能のブロック図である。
FIG. 13B is a plot of measured load voltage adjustment versus power for the voltage regulator of FIG.
FIG. 8 is a block diagram of functions of an encoder 730 included in the delay line ADC 700 of FIG. 7.

Claims (16)

アナログ入力をデジタル入力に変換するアナログ/デジタル変換器(ADC)と、
ルックアップテーブル(302)を含んでおり、デジタル誤差信号に基づいてデジタル制御信号(154)を確定するための補償器(300)と、
前記確定されたデジタル制御信号に応答して電源制御信号(156)を供給するように動作する変調器(400)とを備える、スイッチング期間を有するスイッチング電力変換器の出力電圧を制御するための電圧制御器(150)であって、
前記アナログ/デジタル変換器(ADC)は、遅延セルアレイ(740)を含む遅延線アナログ/デジタル変換器(700)を備え、該遅延セルアレイ(740)は、複数の遅延線セルを備え、
前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間毎に一回検知電圧をサンプリングするために、前記遅延線アナログ/デジタル変換器に接続された検知電圧源(108が設けられ
前記遅延線アナログ/デジタル変換器に接続された基準電圧源(106が設けられ
前記遅延線アナログ/デジタル変換器に接続されたテスト電圧源(704)が設けられ
前記検知電圧及び基準電圧を、前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間と同期して、選択的に前記遅延線アナログ/デジタル変換器に供給するスイッチが設けられ
前記遅延線を通るテスト信号の伝播の程度を測定するための複数のタップ(752,754)が設けられ、
前記基準電圧が前記遅延線アナログ/デジタル変換器に供給された場合の前記遅延線を通るテスト信号の伝播の程度と、前記検知電圧が前記遅延線アナログ/デジタル変換器に供給された場合の前記遅延線を通るテスト信号の伝播の程度との差を、前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間内に確定し、前記検知電圧と前記基準電圧との差を表す前記デジタル誤差信号を供給する較正器が設けられ前記デジタル制御信号を確定するために、該デジタル誤差信号が前記補償器に提供され、
前記遅延線アナログ/デジタル変換器の前記遅延セルの各々は、前記スイッチング電力変換器の前記スイッチング期間内にリセットされる
ことを特徴とする電圧制御器。
An analog / digital converter (ADC) that converts analog input to digital input;
A compensator (300) including a look-up table (302) and determining a digital control signal (154) based on the digital error signal;
A voltage for controlling an output voltage of a switching power converter having a switching period, comprising a modulator (400) operative to provide a power control signal (156) in response to the established digital control signal A controller (150),
The analog / digital converter (ADC) includes a delay line analog / digital converter (700) including a delay cell array (740), and the delay cell array (740) includes a plurality of delay line cells;
In order to sample the detection voltage once every switching period of the switching power converter, a detection voltage source ( 108 ) connected to the delay line analog / digital converter is provided ,
A reference voltage source ( 106 ) connected to the delay line analog / digital converter is provided ;
A test voltage source (704) connected to the delay line analog / digital converter is provided ;
Wherein the detection voltage and the reference voltage, the synchronization with the switching period of the switching power converter, selectively said switch supplies the delay line analog / digital converter is provided,
A plurality of taps (752, 754) for measuring the degree of propagation of the test signal through the delay line are provided,
The degree of propagation of the test signal through the delay line when the reference voltage is supplied to the delay line analog / digital converter, and the detection voltage when the reference voltage is supplied to the delay line analog / digital converter. the difference between the degree of propagation of the test signal through the delay line, the switching fixed at the power converter within a switching period, the calibrator supplies the digital error signal representing a difference between the sensing voltage and the reference voltage provided, in order to determine the digital control signal, said digital error signal is provided to the compensator,
Each of the delay cells of the delay line analog / digital converter is reset within the switching period of the switching power converter ;
Voltage controller, characterized in that.
受動電子部品を含まないことを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller according to claim 1, wherein the controller does not include passive electronic components. 前記制御器は完全にデジタル論理ゲートを用いて実施されることを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller of claim 1, wherein the controller is implemented entirely using digital logic gates. 制御器内のすべてのエネルギー蓄積部品はデジタル論理ゲートであることを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller of claim 1, wherein all energy storage components in the controller are digital logic gates. 前記遅延線アナログ/デジタル変換器は、前記伝播の程度を表す温度計符号出力(772)を供給するように動作することを特徴とする請求項1に記載の制御器。The controller of claim 1, wherein the delay line analog / digital converter is operative to provide a thermometer code output (772) representative of the degree of propagation. 前記基準電圧源は、バンドギャップ電圧生成器を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御器。The controller of claim 1, wherein the reference voltage source comprises a bandgap voltage generator. 前記遅延線アナログ/デジタル変換器は、前記温度計符号を、前記デジタル誤差信号の確定に使用される符号化されたデジタル出力に変換するように動作する符号化器(730)を備えることを特徴とする請求項に記載の制御器。The delay line analog to digital converter comprises an encoder (730) that operates to convert the thermometer code into an encoded digital output that is used to determine the digital error signal. The controller according to claim 5 . 前記変調器はデジタルパルス幅変調器であることを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller of claim 1, wherein the modulator is a digital pulse width modulator. 前記変調器は、前記電源制御信号についてパルスオン期間の第1成分を確定するように動作するカウンタ(406)を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller of claim 1, wherein the modulator comprises a counter (406) that operates to determine a first component of a pulse-on period for the power control signal. 前記変調器は、前記電源制御信号についてパルスオン期間の第2成分を確定するように動作する遅延線(402)を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御器。  The controller of claim 1, wherein the modulator comprises a delay line (402) that operates to determine a second component of a pulse-on period for the power control signal. 前記変調器は、
前記電源制御信号についてパルスオン期間の第1成分を確定するように動作するカウンタと、
前記電源制御信号についてパルスオン期間の第2成分を確定するように動作する遅延線を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御器。
The modulator is
A counter that operates to determine a first component of a pulse-on period for the power control signal;
The controller according to claim 1, further comprising a delay line that operates to determine a second component of a pulse-on period for the power control signal.
スイッチング期間を有するスイッチング電力変換器の出力電圧を制御する方法であって、該方法は、
前記変換器出力電圧に関連する第1の電圧を、基準電圧に関連する第2の電圧と比較するステップ(700)と、
前記比較の結果を表すデジタル誤差信号を生成するステップと、
前記生成された誤差信号を表す電源制御信号(156)を供給するステップとを含み、
前記比較するステップは、
前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間毎に一回、前記スイッチング電力変換器の出力電圧を受け取るステップと、
前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間と同期して、前記出力電圧を遅延線アナログ/デジタル変換器の遅延セルアレイのパワー入力に供給し、前記遅延線アナログ/デジタル変換器を第1のパルス信号でパルス駆動して、前記遅延線アナログ/デジタル変換器の前記遅延セルアレイを通る前記第1のパルス信号の伝播の程度を測定することに基づき、未較正の誤差値を確定するステップと、
前記スイッチング電力変換器のスイッチング期間と同期して、前記基準電圧を前記遅延線アナログ/デジタル変換器の複数の遅延セルのパワー入力に供給し、前記遅延線アナログ/デジタル変換器を第2のパルス信号でパルス駆動して、前記遅延線アナログ/デジタル変換器の前記遅延セルアレイを通る前記第2のパルス信号の伝播の程度を測定することに基づき、基準誤差値を確定するステップと、
前記未較正の誤差値と前記基準誤差値との差を確定し、前記デジタル誤差信号を供給するステップとを備え、前記電源制御信号を確定するために、前記デジタル誤差信号が補償器に提供され
前記比較するステップ、前記生成するステップ、および前記供給するステップは、完全にデジタル論理ゲートを用いて実行され
前記遅延線アナログ/デジタル変換器の前記遅延セルアレイの各遅延セルは、前記スイッチング電力変換器の前記スイッチング期間内にリセットされる
ことを特徴とする方法。
A method for controlling an output voltage of a switching power converter having a switching period, the method comprising:
Comparing a first voltage associated with the converter output voltage with a second voltage associated with a reference voltage (700);
Generating a digital error signal representative of the result of the comparison;
Providing a power control signal (156) representative of the generated error signal;
The comparing step includes:
Receiving the output voltage of the switching power converter once every switching period of the switching power converter;
In synchronism with the switching period of the switching power converter, and supplying the output voltage to the power input of the delay cell array of the delay line analog / digital converter, a pulse of the delay line analog / digital converter in the first pulse signal Driving to determine an uncalibrated error value based on measuring a degree of propagation of the first pulse signal through the delay cell array of the delay line analog / digital converter ;
In synchronization with the switching period of the switching power converter, the reference voltage is supplied to power inputs of a plurality of delay cells of the delay line analog / digital converter, and the delay line analog / digital converter is supplied with a second pulse. Determining a reference error value based on pulse driving with a signal and measuring a degree of propagation of the second pulse signal through the delay cell array of the delay line analog / digital converter ;
Determining a difference between the uncalibrated error value and the reference error value and providing the digital error signal, wherein the digital error signal is provided to a compensator to determine the power control signal. ,
The comparing, generating, and supplying steps are performed entirely using digital logic gates ;
Each delay cell of the delay cell array of the delay line analog / digital converter is reset within the switching period of the switching power converter.
A method characterized by that.
前記比較するステップは、前記変換器出力電圧を用いて複数の遅延セルのアレイ(740)に電源供給するステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。The method of claim 12 , wherein the comparing step includes powering an array (740) of a plurality of delay cells using the converter output voltage. 前記供給するステップは、制御アルゴリズムに従って前記生成された誤差信号からデジタル制御信号を確定するステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。The method of claim 12 , wherein the step of providing includes determining a digital control signal from the generated error signal according to a control algorithm. 前記確定するステップは、前記生成された誤差信号の値に基づいてルックアップテーブルエントリを選択するステップを含むことを特徴とする請求項14に記載の方法。The method of claim 14 , wherein the determining step includes selecting a lookup table entry based on the value of the generated error signal. 前記供給するステップは、制御アルゴリズムに従って前記生成された誤差信号からデューティ比を確定するステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。The method of claim 12 , wherein the providing step includes determining a duty ratio from the generated error signal according to a control algorithm.
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