专利名称：一种数字开关电源转换装置及方法
技术领域：
本发明涉及开关电源转换领域，特别涉及一种数字开关电源转换装置及方法。
背景技术：
为了实现电源的高效率，现在开关电源的使用已经很广泛。开关电源根据输入、输出电压的大小关系可以分为Buck(降压)、Boost (升压)和Buck/Boost (降压/升压)类型，其中实现降压的Buck型最为常用。随着便携产品的发展，对系统的功耗要求提高，要求电源的输出有自适应或动态调整的能力。而通常的开关电源电路都是用模拟电路来实现，模拟电路实现的开关电源对需要动态调整电压的应用场合就显得不是很方便。所以就需要对开关电源实现数字化，以方便和数字电路实现对接。数字开关电源的实现方法很多，主要的做法是用数字电路替代模拟开关电源中的误差放大器、比较器等电路，同时需要ADC、DAC等电路的配合，最终产生PWM(PUlse WidthModulation，脉冲频率调制)信号控制功率开关实现电源转换。美国专利US6005377，就是一个典型的数字开关电源。它的做法就是忠实的用数字电路替代了模拟开关电源中的比较器、误差放大器、ramp产生电路等，同时增加了一个ADC和一个DAC等电路，这种做法是简单并容易实现的，其缺点是采用查表法实现没有发挥数字电路灵活的特点，数字电路结构复杂。美国专利US7141956是另外一种实现数字开关电路的结构。它由两个控制环路组成，分别是快、慢速两个环路。快速环路实现电压的快速跟踪，慢速环路实现电压的精确控制，实现了速度和精度较好的折中。这个结构的缺点是使用了多个ADC、DAC等模拟电路，电路规模较大，另外，此结构在响应数字系统对电源变化的要求方面考虑不多。美国专利US7710092是美国专利US7141956的改进，其主要是简化了电路的结构，改进了系统环路的响应速度，采用了自跟踪技术实现了对输出电压变化的快速响应，但此专利对参考电压的响应速度考虑不多，电路上同时采用了 ADC、DAC等模拟模块的支持，电路规模较大。上述几种数字开关电源应用在数字系统中时均不能快速的响应数字系统对输出电源电压变化的要求，且电路规模较大，也不适应现在数字系统对节能的要求。
发明内容
本发明提供一种数字开关电源转换装置及方法，用以解决现有技术中数字开关电源不能快速的响应数字系统对输出电源电压变化的要求的问题。本发明技术方案包括一种数字开关电源转换装置，包括模数转换单元，用于对开关电源的输出电压信号进行模数转换后输出给第一求和单元；第一求和单元，用于将模数转换单元输出的数字电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号输出给第二求和单元；第三求和单元，用于确定当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值，将其输出给第二求和单元；第二求和单元，用于对第一求和单元的输出信号和第三求和单元的输出信号进行求和处理后输出给脉冲频率调制信号产生单元；驱动单元，用于根据第二求和单元的输出信号产生相应占空比的脉冲频率调制信号，根据所述脉冲频率调制信号的占空比控制开关电源的输出电压信号变化。进一步地，所述装置还包括数字滤波器，用于将所述第一求和单元输出的误差电压信号进行滤波处理后输出给第二求和单元。进一步地，所述数字滤波器提供至少两个零点来补偿输出双极点对环路稳定性的影响。进一步地，所述模数转换单元采用快闪式模数转换器或流水线模数转换器实现。进一步地，所述驱动单元根据所述脉冲频率调制信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对开关电源输出电压信号变化的控制。进一步地，所述开关单元为MOS双开关。进一步地，所述模数转换单元对经过电阻分压后的开关电源的输出电压信号进行模数转换后输出给第一求和单元。一种数字开关电源转换方法，包括步骤对开关电源的输出电压信号进行模数转换得到数字化的输出电压信号；将数字化的输出电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号；对误差电压信号，及当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值进行求和处理，根据求和结果产生相应占空比的脉冲频率调制信号，根据所述脉冲频率调制信号的占空比对开关电源的输出电压信号变化进行控制。进一步地，所述对开关电源的输出电压信号进行模数转换采用快闪式模数转换器或流水线模数转换器实现。进一步地，根据所述脉冲频率调制信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对开关电源输出电压信号变化的控制。本发明有益效果如下本发明所述技术方案克服了现有技术中数字开关电源不能快速的响应数字系统对输出电源电压变化的要求的问题，采用数模混合技术，同时对输出电压和参考电压都有快速的响应，能适应现在数字系统对电源电压变化的要求，能实现快速、灵活的输出电压控制，而且其电路规模较小，可以很方便的实现，有很好的适用性。
图1为本发明所述数字开关电源转换装置的电路原理图；图2为本发明所述数字开关电源转换方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合各个附图对本发明的具体实现过程予以进一步详细的说明。请参阅图1，该图为本发明所述数字开关电源转换装置的电路原理图，由图中可见，本发明所述数字开关电源转换装置主要包括模数转换(ADC)单元、三个求和单元、数字滤波器H(Z)、数字延迟单元Z-1、驱动单元和开关单元，其中，驱动单元进一步包括脉冲频率调制(PWM)信号产生单元和驱动控制单元。开关电源的输出电压信号Vtl经电阻分压后进入ADC单元的输入端，ADC单元的输出为N bits的数字信号，此数字信号和数字参考信号digital Ref的反相进入第一求和单元，第一求和单元电路的输出接数字滤波器H(Z)的输入，数字滤波器H(Z)的系数存储在相应的寄存器中，数字滤波器H(Z)的输出接第二求和单元的一个输入端，第二求和单元的另外一个输入端接第三求和单元的输出；第三求和单元的一个输入是数字参考信号digitalRef，其另外一个输入是数字参考信号digital Ref经过数字延迟单元Ζ—1后的信号；第二求和单元的输出接PWM信号产生单元，PWM信号产生单元的输出接驱动控制单元的输入，由驱动控制单元来控制开关单元的导通和关闭，然后经过滤波后形成输出电压信号％。上述数字开关电源转换装置中各组成部分的具体功能如下ADC单元，用于将经过电阻分压后的开关电源的输出电压信号进行模数转换后输出给第一求和单元，考虑环路响应速度的需要，这里的ADC单元要有快的转换速度；第一求和单元，用于将ADC单元输出的数字电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号，将其通过数字滤波器H(Z)的滤波处理后输出给第二求和单元；数字滤波器H(Z)还用于补偿环路的响应和增加环路的稳定性；第三求和单元，用于确定当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值，将其输出给第二求和单元；第二求和单元，用于对第一求和单元的输出信号和第三求和单元的输出信号进行求和处理后输出给PWM信号产生单元；PWM信号产生单元，用于根据第二求和单元的输出信号产生产生相应占空比的PWM信号输出给驱动控制单元；驱动控制单元，用于根据接收到的PWM信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对开关电源的输出电压信号变化的控制，所述开关单元为MOS双开关。其中，驱动控制单元根据接收到的PWM信号的占空比控制开关电源输出电压信号的变化的具体过程如下驱动控制单元接收PWM信号，根据接收到的PWM信号的占空比产生两路非交叠的PWM信号分别驱动MOS双开关的上、下两个MOS开关，上面的MOS开关的驱动和输入PWM信号同相位，下面的MOS开关的驱动和输入PWM信号反相位，即上面的MOS开关导通时，下面的MOS开关是不导通的，反之亦然。当上面的MOS开关导通、下面的MOS开关不导通时电源给电感L充电，同时输出；当上面的MOS开关不导通，下面的MOS开关导通时，由于电感的电流不能突变，电感L产生反电动势，通过下面的MOS开关续流。电感L和电容C组成的滤波器为输出提供稳定的输出电压。上述数字开关电源转换装置的具体工作过程如下输出电压Vtl经过电阻分压、ADC采样后转换为N bits的数字信号，这里ADC单元可以采用flashADC(快闪式模数转换器)以实现快速的模拟数字转换，也可以采用其他高速的ADC，比如高速的pipeline ADC(流水线模数转换器)实现快速的模拟数字转换。将已经数字化的输出电压采样信号和系统期望的参考电压digital Ref进行比较，得到一个误差电压，如果用误差电压直接产生和误差电压成比例的PWM信号，则由于输出级的LC产生的双极点使得环路会出现稳定性的问题，所以这里就要增加一个数字滤波器H(Z)来补偿，这里的数字滤波器H(Z)要提供至少两个零点来补偿输出双极点对环路稳定性的影响。这里数字滤波器H(Z)的传输函数可以表示为卵) = 411項々气2其中α lk、α 2k、β lk、β 2k等系数可以存储在寄存器中，由应用环境的不同设置不同的值，满足整个开关电源环路为低通滤波器的特性和满足系统的稳定性要求即可。在数字系统中，特别是便携设备中，对系统的功耗要求很高，需要实时控制输出电压。当需要高速度、高频率运行时就会调高输出电压，当需要待机或低功耗运行时，就会调低输出电压。这时就需要调整开关电源的参考电压digitalRef，对开关电源的要求就是开关电源对参考电压要有快速响应的能力。本发明所述数字开关电源转换装置中，当参考电压digital Ref的值发生变化时，会先计算前一个参考电压值和预备调整的参考电压值的差值，确定输出电压的调整方向，也就是PWM信号的占空比的调整方向，然后直接和数字滤波器H(Z)的输出一起影响PWM占空比的调整。比如，如果要输出变高，即参考电压digitalRef变高，则参考电压的差值为正，会直接增加输入给PWM信号产生单元的输入信号使得占空比增加，从而使得输出电压提高。这样就快速的响应了参考电压的变化，而环路会使得输出电压快速稳定在设定的值。相应于本发明上述装置，本发明还提供了一种数字开关电源转换方法，请参阅图2，该图为本发明所述数字开关电源转换方法的流程图，其主要包括如下步骤步骤S21、对经过电阻分压后的开关电源的输出电压信号进行模数转换得到数字化的输出电压信号；本步骤中，对开关电源的输出电压信号进行模数转换采用flash ADC或pipelineADC实现。步骤S22、将数字化的输出电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号，对该误差电压信号进行滤波处理；步骤S23、对滤波后的误差电压信号，以及当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值进行求和处理，根据求和结果产生相应占空比的PWM信号；步骤S24、根据PWM信号的占空比对开关电源的输出电压信号变化进行控制。本步骤中，根据所述脉冲频率调制信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对控制开关电源的输出电压信号变化的控制。本发明所述方法的其他具体实现细节请参阅本发明上述装置中相应部分的描述，这里不再给予过多赘述。综上所述，本发明所提出的数字开关电源转换装置及方法克服了现有技术中数字开关电源不能快速的响应数字系统对输出电源电压变化的要求的问题，采用数模混合技术，同时对输出电压和参考电压都有快速的响应，能适应现在数字系统对电源电压变化的要求，能实现快速、灵活的输出电压控制，而且其电路规模较小，可以很方便的实现，有很好的适用性。 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种数字开关电源转换装置，其特征在于，包括模数转换单元，用于对开关电源的输出电压信号进行模数转换后输出给第一求和单元；第一求和单元，用于将模数转换单元输出的数字电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号输出给第二求和单元；第三求和单元，用于确定当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值，将其输出给第二求和单元；第二求和单元，用于对第一求和单元的输出信号和第三求和单元的输出信号进行求和处理后输出给脉冲频率调制信号产生单元；驱动单元，用于根据第二求和单元的输出信号产生相应占空比的脉冲频率调制信号，根据所述脉冲频率调制信号的占空比控制开关电源的输出电压信号变化。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括数字滤波器，用于将所述第一求和单元输出的误差电压信号进行滤波处理后输出给第二求和单元。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述数字滤波器提供至少两个零点来补偿输出双极点对环路稳定性的影响。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换单元采用快闪式模数转换器或流水线模数转换器实现。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动单元根据所述脉冲频率调制信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对开关电源输出电压信号变化的控制。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述开关单元为MOS双开关。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换单元对经过电阻分压后的开关电源的输出电压信号进行模数转换后输出给第一求和单元。
8.一种数字开关电源转换方法，其特征在于，包括步骤对开关电源的输出电压信号进行模数转换得到数字化的输出电压信号；将数字化的输出电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号；对误差电压信号，及当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值进行求和处理，根据求和结果产生相应占空比的脉冲频率调制信号，根据所述脉冲频率调制信号的占空比对开关电源的输出电压信号变化进行控制。
9.如权利要求8所述的方法，所述对开关电源的输出电压信号进行模数转换采用快闪式模数转换器或流水线模数转换器实现。
10.如权利要求8所述的方法，根据所述脉冲频率调制信号的占空比，通过控制开关单元的导通和关闭，实现对开关电源输出电压信号变化的控制。
全文摘要
本发明公开了一种数字开关电源转换装置及方法，所述装置包括模数转换单元、三个求和单元和驱动单元。所述方法包括将数字化的输出电压信号与当前参考电压信号进行比较，得到误差电压信号；对误差电压信号，及当前参考电压信号和上一参考电压信号的差值进行求和处理，根据求和结果产生相应占空比的脉冲频率调制信号；根据所述脉冲频率调制信号的占空比对开关电源的输出电压信号变化进行控制。本发明采用数模混合技术，能够同时对输出电压和参考电压都有快速的响应，能适应现在数字系统对电源电压变化的要求。而且其电路规模较小，有很好的适用性。
文档编号H02M3/156GK102594141SQ20111000606
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者林满院 申请人:中兴通讯股份有限公司