專利名稱：具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，用于向低壓、低功耗的數(shù)字集成電路提供電源。
背景技術(shù)：
數(shù)字集成電路的能耗Etot包括兩部分:動(dòng)態(tài)能耗Eact和靜態(tài)能耗EmK。動(dòng)態(tài)能耗是由數(shù)字集成電路的開關(guān)動(dòng)作引起的，EACT=a NCVdd2,其中α是數(shù)字集成電路的活動(dòng)因子，N是完成給定任務(wù)所需要工作的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)，C是數(shù)字集成電路對(duì)電源的等效負(fù)載電容，Vdd是數(shù)字集 成電路的電源電壓。靜態(tài)能耗是由數(shù)字集成電路的各種漏電機(jī)制引起的，ELEAK=lLEAKVDDNTclk,其中1_是數(shù)字集成電路的漏電流，Tclk是數(shù)字集成電路的工作時(shí)鐘周期。當(dāng)工作電壓Vdd升高時(shí)，電路完成給定任務(wù)，數(shù)字集成電路動(dòng)態(tài)能耗增加；同時(shí)，電壓Vdd的升高會(huì)弓I起Tcdk減小，Tclk減小則會(huì)弓I起漏能耗減小。所以，當(dāng)數(shù)字集成電路工作時(shí)，存在一個(gè)電壓VMEP，當(dāng)數(shù)字集成電路的工作電壓為Vmep時(shí)，完成給定任務(wù)，電路總能耗最小，這個(gè)工作電壓定義為最小能量消耗點(diǎn)(MEP, Minimum Energy Point)。Benton H.Calhoun等人驗(yàn)證了最小能量點(diǎn)的存在(見文獻(xiàn)“Characterizing and modeling minimum energy operation for subthresholdcircuits” , ISLPED, 2004, pp.90-95)。Yogesh K.Ramadass 等人利用 DAC> 電容能量米樣及最小能量追蹤算法模塊構(gòu)成環(huán)路做成降壓式最小能量消耗點(diǎn)追蹤(MEPT, Minimum energypoint tracking) DC-DC 變換器(見文獻(xiàn)“Minimum energy tracking loop with embeddedDC - DC converter enabling ultra-low-voltage operation down to250mV in65nm CMOS”，JSSC，2008, Vol.43，N0.1, pp.256-265)，該變換器用雙電容法進(jìn)行能量采樣，電容占用了較大的芯片面積，功率變換器采用PFM (Pulse Frequency Modulation)調(diào)制模式。本發(fā)明提出的最小能量消耗點(diǎn)追蹤電路結(jié)合固定導(dǎo)通時(shí)間的方法構(gòu)建了一個(gè)能夠追蹤數(shù)字集成電路最小能量消耗點(diǎn)的降壓式穩(wěn)壓電源，利用固定導(dǎo)通時(shí)間的方法，保證每次傳送的能量相等，相比于利用雙電容的方法，節(jié)省了芯片面積，更利于系統(tǒng)集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，就是提供一種具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，該降壓式穩(wěn)壓電源能夠?qū)ふ邑?fù)載最小能量消耗點(diǎn)。負(fù)載數(shù)字電路工作的時(shí)鐘周期為Tcdktj MEPT控制電路通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓以及功率管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)使得每次功率管開啟時(shí)電源輸出到負(fù)載的能量相同。同時(shí)，檢測(cè)負(fù)載在當(dāng)前輸出電壓下，工作M個(gè)周期內(nèi)功率管導(dǎo)通個(gè)數(shù)，將當(dāng)前輸出電壓下M.Tclk時(shí)間內(nèi)的功率管的導(dǎo)通次數(shù)與上個(gè)輸出電壓下M-Tdk時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通次數(shù)比較。以一定的步長(zhǎng)將輸出電壓由初始電壓由高調(diào)低，同時(shí)調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通時(shí)間，保證每次功率管開啟時(shí)送到負(fù)載的能量恒定。如果某個(gè)Μ.Τ[；11 時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通次數(shù)大于上一個(gè)輸出電壓下M.Tclk時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)，輸出電壓向上調(diào)節(jié)一個(gè)步長(zhǎng)，此輸出電壓即負(fù)載的最小能量消耗點(diǎn)工作電壓。
本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案為:具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，如圖1所示，包括BUCK功率變換器和控制電路。所述BUCK功率變換器至少包括一個(gè)功率PMOS管MP和一個(gè)功率NMOS管MN，所述功率PMOS管MP和功率NMOS管麗共漏連接，其中功率PMOS管MP的源極接直流偏置電壓V1,功率NMOS管MN的源極接地，功率PMOS管MP的柵極接?xùn)趴仉妷篜G，功率NMOS管MN的的柵極接?xùn)趴仉妷篘G，功率PMOS管MP和功率NMOS管麗的共漏連接點(diǎn)通過(guò)一個(gè)儲(chǔ)能電感L輸出BUCK功率變換器的輸出電壓\ (外接負(fù)載LOAD所需工作電壓Vtj),輸出電壓\與地之間連接有一個(gè)濾波電容C。所述控制電路包括比較器、數(shù)字控制模塊、壓控振蕩器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊。BUCK功率變換器的輸出電壓Vtj和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vkef分別輸入比較器的反相輸入端和同相輸入端進(jìn)行比較，比較器的輸出信號(hào)CMP_0UT分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的輸出電壓\給壓控振蕩器提供電源，壓控振蕩器的輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK_VC0輸入到數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM，其頻率為PSM模式下功率管的開關(guān)頻率，分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊。所述數(shù)字控制模塊具有兩個(gè)輸出信號(hào)，一個(gè)輸出信號(hào)DT輸入導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊以控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同的占空比信號(hào)控制信號(hào)PG和NG，另一個(gè)輸出信號(hào)DV輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓Vkef ;導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)PG作為BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵極，導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)NG作為BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵極。如圖2所示，所述導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊，包括一個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG的子模塊和一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊。產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dm串接而成的第一延遲線，第一 k路選擇器MUXl’與門I和與門3 ;其中延遲單元Dmi (i=l，2，"'k)的輸出端分別接延遲單元Dm(i+1)的輸入端和第一 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端。產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dn串接而成的第二延遲線，第二 k路選擇器MUX2，與門2和與門4 ;其中延遲單元Dni (i=l,2,…，k)的輸出端分別接延遲單元Dn(i+1)的輸入端和第二 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端。比較器CMP的輸出信號(hào)CMP_0UT接D觸發(fā)器的觸發(fā)端D (高電平有效)，D觸發(fā)器的Q輸出端分別接與門3和與門4的一個(gè)輸入端；在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM—方面接與門I的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第一延遲線和第一 k路選擇器MUXl后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDP接與門I的另一輸入端；與門I的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門3相與后得到BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG。在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM—方面接與門2的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第二延遲線和第二 k路選擇器MUX 2后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDN接與門2的另一輸入端；與門2的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門4相與后得到BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)NG。數(shù)字控制模塊的輸出信號(hào)DT分別接第一 k路選擇器MUXl和第二 k路選擇器MUX2的控制端用以選通具有不同延遲時(shí)間的延遲信號(hào)CLKMDP或CLKMDN并輸出。所述數(shù)字控制模塊檢測(cè)在當(dāng)前輸出電壓\下，外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，并且與上個(gè)輸出電壓Vtj下負(fù)載工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)相比較，以此來(lái)選取適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷篭作為外接負(fù)載LOAD最小能量消耗點(diǎn)電壓；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DT，對(duì)應(yīng)著不同的BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管MN的導(dǎo)通時(shí)間；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DV，對(duì)應(yīng)著不同的基準(zhǔn)電壓Vkef。如圖3所示，所述數(shù)字控制模塊由分頻器、計(jì)數(shù)器、寄存器、數(shù)字比較器、可逆計(jì)數(shù)器、譯碼器I和譯碼器2組成。壓控振蕩器的延遲與外接負(fù)載LOAD的關(guān)鍵路徑相同，外接負(fù)載LOAD每工作M個(gè)周期，壓控振蕩器產(chǎn)生M/2個(gè)周期的CLK_VC0信號(hào)，分頻器對(duì)CLK_VC0信號(hào)進(jìn)行M/2分頻，這樣，當(dāng)外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)，分頻器就產(chǎn)生一個(gè)高信號(hào)。當(dāng)比較器輸出信號(hào)CMP_0UT為高時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)分頻器輸出產(chǎn)生上升沿時(shí)，表示負(fù)載工作了 M個(gè)周期。數(shù)字比較器將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和寄存器中存儲(chǔ)的上個(gè)M周期的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，比較完成后，將本周期的計(jì)數(shù)值存入寄存器。可逆計(jì)數(shù)器根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行加I或減I操作?？赡嬗?jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器I譯碼后產(chǎn)生DT信號(hào)用來(lái)控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG ;可逆計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器2譯碼后產(chǎn)生DV信號(hào)用來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓VKEF。所述數(shù)字控制模塊中，通過(guò)設(shè)置可逆計(jì)數(shù)器的值可以設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓Vkef及BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG，以保持每個(gè)功率管的開關(guān)周期內(nèi)電源輸送給外接負(fù)載LOAD的能量不變。本發(fā)明所提出的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源利用固定導(dǎo)通時(shí)間的方法，保證每次功率管開啟時(shí)電源傳送給外接負(fù)載LOAD的能量相等，通過(guò)計(jì)數(shù)和比較功率管導(dǎo)通的次數(shù)來(lái)追蹤外接負(fù)載LOAD的最小能量消耗點(diǎn)?？刂齐娐犯嗟夭捎昧藬?shù)字電路實(shí)現(xiàn)，和利用雙電容能量采樣的方法相比，本發(fā)明所提出的方法可以節(jié)省芯片面積，更利于電源的集成。


圖1為具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)框圖。圖2為導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖3為數(shù)字控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖4為最小能量消耗點(diǎn)追蹤算法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，如圖1所示，包括BUCK功率變換器和控制電路。 所述BUCK功率變換器至少包括一個(gè)功率PMOS管MP和一個(gè)功率NMOS管MN，所述功率PMOS管MP和功率NMOS管麗共漏連接，其中功率PMOS管MP的源極接直流偏置電壓V1,功率NMOS管MN的源極接地，功率PMOS管MP的柵極接?xùn)趴仉妷篜G，功率NMOS管MN的的柵極接?xùn)趴仉妷篘G，功率PMOS管MP和功率NMOS管麗的共漏連接點(diǎn)通過(guò)一個(gè)儲(chǔ)能電感L輸出BUCK功率變換器的輸出電壓\ (外接負(fù)載LOAD所需工作電壓Vtj),輸出電壓\與地之間連接有一個(gè)濾波電容C。所述控制電路包括比較器、數(shù)字控制模塊、壓控振蕩器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊。BUCK功率變換器的輸出電壓Vtj和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vkef分別輸入比較器的反相輸入端和同相輸入端進(jìn)行比較，比較器的輸出信號(hào)CMP_0UT分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的輸出電壓\給壓控振蕩器提供電源，壓控振蕩器的輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK_VC0輸入到數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM，其頻率為PSM模式下功率管的開關(guān)頻率，分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊。所述數(shù)字控制模塊具有兩個(gè)輸出信號(hào)，一個(gè)輸出信號(hào)DT輸入導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊以控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同的占空比信號(hào)控制信號(hào)PG和NG，另一個(gè)輸出信號(hào)DV輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓Vkef ;導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)PG作為BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵極，導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)NG作為BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵極。本發(fā)明提供的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源中，數(shù)字控制模塊、導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊是本發(fā)明的兩個(gè)關(guān)鍵 模塊。數(shù)字控制模塊輸出不同的控制字DT和DV到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生不同的功率管導(dǎo)通時(shí)間和基準(zhǔn)電壓。同時(shí)，數(shù)字控制模塊檢測(cè)在當(dāng)前輸出電壓下，在給定的負(fù)載工作時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，并且與上個(gè)輸出電壓下給定的負(fù)載工作時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)相比較，來(lái)選取適當(dāng)?shù)碾妷鹤鳛樨?fù)載最小能量消耗點(diǎn)電壓。導(dǎo)通時(shí)間模塊的輸入是數(shù)字控制模塊的輸出控制字DT，不同控制字對(duì)應(yīng)了不同的導(dǎo)通時(shí)間。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字控制模塊的輸出控制字DV，不同的控制字對(duì)應(yīng)了不同的基準(zhǔn)電SVKEF。如圖2所示，所述導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊，包括一個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG的子模塊和一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊。產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dm串接而成的第一延遲線，第一 k路選擇器MUX1，與門I和與門3 ;其中延遲單元Dmi (i=l，2，"'k)的輸出端分別接延遲單元Dm(i+1)的輸入端和第一 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端。產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dn串接而成的第二延遲線，第二 k路選擇器MUX2，與門2和與門4 ;其中延遲單元Dni (i=l,2,…，k)的輸出端分別接延遲單元Dn(i+1)的輸入端和第二 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端。比較器CMP的輸出信號(hào)CMP_0UT接D觸發(fā)器的觸發(fā)端D (高電平有效)，D觸發(fā)器的Q輸出端分別接與門3和與門4的一個(gè)輸入端；在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM—方面接與門I的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第一延遲線和第一 k路選擇器MUXl后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDP接與門I的另一輸入端；與門I的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門3相與后得到BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG。在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM—方面接與門2的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第二延遲線和第二 k路選擇器MUX2后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDN接與門2的另一輸入端；與門2的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門4相與后得到BUCK功率變換器中功率NMOS管MN的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)NG。數(shù)字控制模塊的輸出信號(hào)DT分別接第一 k路選擇器MUXl和第二 k路選擇器MUX2的控制端用以選通具有不同延遲時(shí)間的延遲信號(hào)CLKMDP或CLKMDN并輸出。所述數(shù)字控制模塊檢測(cè)在當(dāng)前輸出電壓\下，外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，并且與上個(gè)輸出電壓Vtj下負(fù)載工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)相比較，以此來(lái)選取適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷篭作為外接負(fù)載LOAD最小能量消耗點(diǎn)電壓；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DT，對(duì)應(yīng)著不同的BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管MN的導(dǎo)通時(shí)間；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DV，對(duì)應(yīng)著不同的基準(zhǔn)電壓Vkef。如圖3所示，所述數(shù)字控制模塊由分頻器、計(jì)數(shù)器、寄存器、數(shù)字比較器、可逆計(jì)數(shù)器、譯碼器I和譯碼器2組成。壓控振蕩器的延遲與外接負(fù)載LOAD的關(guān)鍵路徑相同，外接負(fù)載LOAD每工作M個(gè)周期，壓控振蕩器產(chǎn)生M/2個(gè)周期的CLK_VC0信號(hào)，分頻器對(duì)CLK_VC0信號(hào)進(jìn)行M/2分頻，這樣，當(dāng)外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)，分頻器就產(chǎn)生一個(gè)高信號(hào)。當(dāng)比較器輸出信號(hào)CMP_0UT為高時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)分頻器輸出產(chǎn)生上升沿時(shí)，表示負(fù)載工作了 M個(gè)周期。數(shù)字比較器將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和寄存器中存儲(chǔ)的上個(gè)M周期的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，比較完成后，將本周期的計(jì)數(shù)值存入寄存器?？赡嬗?jì)數(shù)器根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行加I或減I操作。可逆計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器I譯碼后產(chǎn)生DT信號(hào)用來(lái)控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG ;可逆計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器2譯碼后產(chǎn)生DV信號(hào)用來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓VKEF。所述數(shù)字控制模塊中，通過(guò)設(shè)置可逆計(jì)數(shù)器的值可以設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓Vkef及BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG，以保持每個(gè)功率管的開關(guān)周期內(nèi)電源輸送給外接負(fù)載LOAD的能量不變。下面介紹控制電路MEPT工作的基本原理。BUCK變換器的能量平衡模型為Δ Ein= Δ Ee+ Λ Ec+ Λ El (I)其中，ΛΕιν、ΛΕκ、ΛΕ。、Λ 分別為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電源提供給BUCK輸入端的能量、負(fù)載消耗的能量、電容儲(chǔ)能的變化量及電感儲(chǔ)能的變化量。第i個(gè)周期電容儲(chǔ)能的變化量，等于第i+ι個(gè)周期開始時(shí)電容的儲(chǔ)能減去第i個(gè)周期開始時(shí)電容的儲(chǔ)能，Δ Ec-Ec； (i+i)x_Ec；iT (2)在DCM 模式下，Δ El ξ O對(duì)于輸入能量ΔΕιν,
權(quán)利要求
1.具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，包括BUCK功率變換器和控制電路； 所述BUCK功率變換器至少包括一個(gè)功率PMOS管MP和一個(gè)功率NMOS管MN，所述功率PMOS管MP和功率NMOS管麗共漏連接，其中功率PMOS管MP的源極接直流偏置電壓V1,功率NMOS管麗的源極接地，功率PMOS管MP的柵極接?xùn)趴仉妷篜G，功率NMOS管麗的的柵極接?xùn)趴仉妷篘G，功率PMOS管MP和功率NMOS管麗的共漏連接點(diǎn)通過(guò)一個(gè)儲(chǔ)能電感L輸出BUCK功率變換器的輸出電壓Vtj，輸出電壓\與地之間連接有一個(gè)濾波電容C ； 所述控制電路包括比較器、數(shù)字控制模塊、壓控振蕩器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊；BUCK功率變換器的輸出電壓\和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vkef分別輸入比較器的反相輸入端和同相輸入端進(jìn)行比較，比較器的輸出信號(hào)CMP_0UT分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的輸出電壓\給壓控振蕩器提供電源，壓控振蕩器的輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK_VC0輸入到數(shù)字控制模塊；BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM，其頻率為PSM模式下功率管的開關(guān)頻率，分別輸入到導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊和數(shù)字控制模塊；所述數(shù)字控制模塊具有兩個(gè)輸出信號(hào)，一個(gè)輸出信號(hào)DT輸入導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊以控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生不同的占空比信號(hào)控制信號(hào)PG和NG，另一個(gè)輸出信號(hào)DV輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓Vkef ;導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)PG作為BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的柵極，導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間控制信號(hào)NG作為BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵控電壓接BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊，包括一個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG的子模塊和一個(gè)產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊； 產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dm串接而成的第一延遲線，第一 k路選擇器MUX1，與門I和與門3 ;其中延遲單元Dmi的輸出端分別接延遲單元Dm(i+1)的輸入端和第一 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端；產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管MN的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊，包括k個(gè)延遲單元Dn串接而成的第二延遲線，第二k路選擇器MUX2，與門2和與門4;其中延遲單元Dni的輸出端分別接延遲單元Dn (i+1)的輸入端和第二 k路選擇器MUXl的第i個(gè)輸入端；其中i=l，2，…，k ; 比較器CMP的輸出信號(hào)CMP_0UT接D觸發(fā)器的觸發(fā)端D，觸發(fā)端為高電平有效，D觸發(fā)器的Q輸出端分別接與門3和與門4的一個(gè)輸入端；在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間PG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM —方面接與門I的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第一延遲線和第一 k路選擇器MUXl后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDP接與門I的另一輸入端；與門I的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門3相與后得到BUCK功率變換器中功率PMOS管MP的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG ;在產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率NMOS管麗的導(dǎo)通控制時(shí)間NG的子模塊中，BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM—方面接 與門2的一個(gè)輸入端，另一方面通過(guò)第二延遲線和第二 k路選擇器MUX2后產(chǎn)生的延遲信號(hào)CLKMDN接與門2的另一輸入端；與門2的輸出信號(hào)與D觸發(fā)器的Q輸出端輸出信號(hào)經(jīng)與門4相與后得到BUCK功率變換器中功率NMOS管MN的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)NG ;數(shù)字控制模塊的輸出信號(hào)DT分別接第一 k路選擇器MUXl和第二 k路選擇器MUX2的控制端用以選通具有不同延遲時(shí)間的延遲信號(hào)CLKMDP或CLKMDN并輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述數(shù)字控制模塊檢測(cè)在當(dāng)前輸出電壓\下，外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)，并且與上個(gè)輸出電壓Vo下負(fù)載工作M個(gè)周期時(shí)間內(nèi)BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管麗導(dǎo)通的周期個(gè)數(shù)相比較，以此來(lái)選取適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷篭作為外接負(fù)載LOAD最小能量消耗點(diǎn)電壓；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DT，對(duì)應(yīng)著不同的BUCK功率變換器中功率PMOS管MP或功率NMOS管MN的導(dǎo)通時(shí)間；數(shù)字控制模塊輸出的不同控制信號(hào)DV，對(duì)應(yīng)著不同的基準(zhǔn)電壓Vkef。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述數(shù)字控制模塊由分頻器、計(jì)數(shù)器、寄存器、數(shù)字比較器、可逆計(jì)數(shù)器、譯碼器I和譯碼器2組成；壓控振蕩器的延遲與外接負(fù)載LOAD的關(guān)鍵路徑相同，外接負(fù)載LOAD每工作M個(gè)周期，壓控振蕩器產(chǎn)生M/2個(gè)周期的CLK_VC0信號(hào)，分頻器對(duì)CLK_VC0信號(hào)進(jìn)行M/2分頻，這樣，當(dāng)外接負(fù)載LOAD工作M個(gè)周期時(shí)，分頻器就產(chǎn)生一個(gè)高信號(hào)；當(dāng)比較器輸出信號(hào)CMP_0UT為高時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)BUCK功率變換器的工作時(shí)鐘信號(hào)CLKM進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)分頻器輸出產(chǎn)生上升沿時(shí)，表 示負(fù)載工作了 M個(gè)周期；數(shù)字比較器將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和寄存器中存儲(chǔ)的上個(gè)M周期的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，比較完成后，將本周期的計(jì)數(shù)值存入寄存器；可逆計(jì)數(shù)器根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行加I或減I操作；可逆計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器I譯碼后產(chǎn)生DT信號(hào)用來(lái)控制導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊產(chǎn)生BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG;可逆計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果經(jīng)譯碼器2譯碼后產(chǎn)生DV信號(hào)用來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓Vkef。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，其特征在于，通過(guò)設(shè)置可逆計(jì)數(shù)器的值可以設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓Vkef及BUCK功率變換器中功率管的導(dǎo)通控制時(shí)間信號(hào)PG或NG，以保持每個(gè)功率管的開關(guān)周期內(nèi)電源輸送給外接負(fù)載LOAD的能量不變。
全文摘要
具有負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)追蹤功能的降壓式穩(wěn)壓電源，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，用于向低壓、低功耗的數(shù)字集成電路提供電源。包括BUCK功率變換器和控制電路構(gòu)成?？刂齐娐钒▽?dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊、數(shù)字控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器和壓控振蕩器。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓VO以及BUCK功率變換器中功率管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)使得每個(gè)功率管的開關(guān)周期內(nèi)電源輸送到外接負(fù)載LOAD的能量相同。同時(shí)，通過(guò)降壓追蹤方式檢測(cè)負(fù)載最小能量消耗點(diǎn)，降壓追蹤過(guò)程中同時(shí)調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通時(shí)間，保證每次功率管開啟時(shí)送到負(fù)載的能量恒定。本發(fā)明更多地采用了數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，和利用雙電容能量采樣的方法相比，本發(fā)明所提出的方法可以節(jié)省芯片面積，更利于電源的集成。
文檔編號(hào)H02M3/157GK103199705SQ20131009221
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者羅萍, 李航標(biāo), 陳劍洛, 莫易昆, 劉磊, 羅明, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)