[发明专利]一种数字自动选频直流转换器

说明书

技术领域

本发明属于直流转换器技术领域，具体涉及移动设备中使用的数字开关直流转换器。

背景技术

随着大规模集成电路技术的飞速进步，基于电池供电的移动消费类电子设备正向着多功能、高性能的方向不断前进，但随之而来的是日益增加的系统功耗。为了提高设备的持航时间，高效率的直流转换器的作用至关重要。通常情况下，移动设备存在高负载工作和低负载待机两种工作模式。以手机为例，当处于通话状态时，手机就工作在高负载模式，而在待机时，则工作在低负载模式下。这样的特点决定了直流转换器需要在一个很宽的负载范围内都维持高的转换效率。

传统的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式的直流转换器在高负载情况下可以维持很高的效率；而在低负载情况下，随着开关功耗和门驱动的功耗所占的比例越来越大，效率随着负载电流的减小越来越低。为了解决低负载情况下的低效率问题，通常需要采用多模控制方案。目前主要的多模控制方案是在高负载情况下采用PWM方式控制，在低负载情况下采用脉频调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）方式控制。采用这种多模控制方案的直流转换器可以在低负载情况下，利用PFM显著降低开关频率，从而提高了效率。但是多模控制在开关时钟驱动下工作，会对移动设备中其他的敏感芯片产生干扰，甚至直接影响其正常工作。所以，通常直流转换器后级需要滤波，降低电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。在PWM模式下，系统开关频率固定，谐波分量也在固定频率的倍数处，能够进行有效的滤波；但PFM模式下，开关频率是随着负载电流变化而大范围变化，EMI电路无法有效处理。所以在敏感场合，多模直流转换器仍然会强制工作在PWM模式，效率较低。

因此，Tsz Yin Man等提出了一种自动选频（Auto Selectable Frequency PWM，ASFPWM）的方案。直流转换器在整个负载区间都用PWM方式调制。在高负载情况下时，PWM采用高工作频率，在低负载情况下，将工作频率降低为高工作频率的1/N（N为一个固定的常数，通常取2n），降低了开关损耗，解决了低负载情况下低效率的问题。同时，无论在高负载情况下还是在低负载情况下，直流转换器都工作在几个固定的预设开关频率，可以设计参数合理的EMI滤波电路在后级进行有效的处理，显著降低对其他芯片的干扰。

采用模拟方式实现的ASFPWM存在一定的问题：1、容易受干扰；2、当负载电流较小时，电流采样电路存在一定的误差，无法准确判断负载电流；3、由于在负载突变时，频率同时进行切换，系统瞬态特性较差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种高精度数字自动选频直流转换器。

采用数字方式实现的直流转换器不易受外界环境的干扰，稳定性高，而且数字电路受工艺偏差影响小，成品率高。由于电流采样电路的局限性，本发明提出了一种新的估算负载电流区间的方法。该方法结合Buck电路工作模式信号和DCM模式下的占空比信号判断负载电流区间，在低负载情况下依然能达到较高的精度，同时省去了电流采样电路。另外针对系统的瞬态特性，添加了非线性控制模块，可以有效的减少过冲。

本发明提供的高精度数字自动选频直流转换器，硬件包括降压Buck电路、模数转换器ADC、数字控制电路。其中：数字控制电路分别与降压Buck电路、模数转换器ADC相连；模数转换器ADC与降压Buck电路相连；三者构成负反馈环路，控制降压Buck电路电压输出。结构如图1所示。

本发明中，所述的降压Buck电路为一集成电路芯片。它包含一个Vx点过零比较器。

本发明中，所述的数字控制电路，包括：锁相环，时钟产生模块，有限状态机控制模块，误差处理模块，数字补偿器模块，数字脉宽调制器以及非线性控制模块。其连接关系如下：锁相环分别与外部时钟Sys_clk信号、时钟产生模块相连；时钟产生模块分别与锁相环、有限状态机控制模块、数字补偿器模块、数字脉宽调制器相连；有限状态机控制模块分别与时钟产生模块、数字补偿器模块、Vx点过零比较器输出信号相连；误差处理模块分别与外部数字参考电压值VID_I信号、数字补偿器模块、模数转换器ADC相连；数字补偿器模块分别与时钟产生模块、误差处理模块、有限状态机控制模块、数字脉宽调制器相连；数字脉宽调制器分别与时钟产生模块、数字补偿器模块、非线性控制模块相连；非线性控制模块分别与模数转换器ADC、数字脉宽调制器模块相连。见图2所示。