一种用于低纹波电荷泵dc-dc转换器控制的数字状态机的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明专利涵盖开关电容DC-DC转换器原理、纹波噪声抑制技术、数字状态机控制领域。
【背景技术】
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[0002]随着集成电路技术的不断发展，便携式移动终端的大量出现，尤其是近几年，智能手机，平板电脑，GPS等产品，对供电电源的要求也越来越高，从而对供电源也提出了更多的要求，例如:便携性、低功耗、输出稳定、高效率等。推动了便携式电子设备电源的迅速发展。电子系统通常不能由电池或电源适配器为其直接供电，通常需要一个电压调制器将不稳定的直流电压转换为稳定的系统供电电源。目前，DC-DC转换器主要分为两类:线性稳压器(LDO)和开关电源调制器。LDO具有低纹波、低噪声、设计简单等优点，广泛应用于对噪声敏感的场合；但其也有诸多缺点，比如只能实现降压，并且效率较低。开关电源又分为电感型和电容型。其中电感型由于储能元件为电感，导致较高的电磁干扰(EMI)，；电容型(又称电荷泵型)使用电容作为储能元件，大大降低了 EMI，转换效率也较高，缺点是纹波噪声较大。
[0003]传统电荷泵型开关电源一般采用固定转换比和固定开关频率线性控制电荷泵的充放电，具有低噪声，高EMI抑制的优点，但其转换效率低，尤其工作在低负载的转换效率较低。为了提高效率，可采用多转换比模式的电容泵，这就带来了如何控制不同转换比协调工作的问题。
[0004]多转换比电荷泵型开关电源的控制方式主要有两种:一种是不采用状态机，直接用组合逻辑电路进行模式控制，另一种是采用状态机控制。直接用组合逻辑控制的优点是逻辑简单、响应速度快，其缺点就是两种调制机制之间容易产生竞争，从而导致输出震荡，输出电压纹波较大。采用状态机控制可以避免模式间的竞争，目前已发表的控制流程为:当输出电压高于高门限电压时，电荷泵处于等待状态(即脉冲跳跃调制模式PSM)，此时由输出电容给负载放电，输出电压降低；当输出电压降低到高门限电压以下，但仍高于低门限电压时，开关电容阵列开始以低增益向输出电容和负载放电，此时如果负载持续增大，输出电压低于低门限电压时，电荷泵变回跳到一个高增益模式放电，直到高于低门限电压，之后回到低增益模式。这种控制方法是通过在两个转换比之间来回跳转，使输出保持在额定值范围内，逻辑简单，但在某些负载条件下，会因为转换比的频繁跳转而导致输出纹波较大。
【发明内容】
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[0005]本发明针对上述多转换比电荷泵型开关电源控制方法的不足，提出了一种采用改进的数字状态机控制方法，根据负载电流的变化由数字状态机动态控制几种调制机制，在降低输出电压纹波的同时，保证快速的数字化动态响应。
[0006]本发明以改进的数字状态机为核心，采用增益跳变调制技术GHM(框图见附图2)和脉冲跳跃调制技术PSM(框图见附图3)，数字状态机根据负载状态完成增益之间的选择切换和开关频率的调整。核心思想是通过状态机控制两种调制机制，两种机制不同时工作，避免产生竞争效应，合理分配工作时序，有效地控制调整输出；同时使系统数字化，使更多复杂的控制算法的实现成为可能。本文件中状态机虽然以控制三转换比电荷泵开关电源为例(见附图4)，但本发明可以扩展到其它多转换比的情况。
【附图说明】
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[0007]附图1采用状态机控制的开关电容DC-DC转换器系统框图
[0008]附图2增益跳变技术原理图
[0009]附图3脉冲跳变技术原理图
[0010]附图4状态图
[0011]附图5采用数字状态机控制下的系统输出电压纹波变化曲线【具体实施方式】:
[0012]状态机的输入为Cl1Cl2AB,信号d2和dl是输入电压经ADC后的2bit数字量，d2为高位，dl为低位；信号A和B是输出检测电路的输出信号；输出信号en和t32是开关电容阵列中拓扑结构的控制信号，即转换比控制信号，S1为PSM模式控制信号。
[0013]状态机的设计包括了 QO至Q8共九个状态，其中QO为初始状态，Q2和Q3状态对应X2 / 3和Xl两个转换比，这两个状态不能开启脉冲跳跃调制PSM模式；Q1、Q4和Q5分别对应Xl / 2、X2 / 3和Xl三个转换比，在这三个状态下可以开启PSM模式；Q6、Q7和Q8分别对应在Χ1/2、Χ2/3和Xl三个转换比下开启PSM的状态。
[0014]系统正常工作时，首先根据输入电压确定初始的转换比，进入Ql、Q2或Q3。此时，输出如果高于高门限电压，则状态可由Q3至Q2，再由Q2向Ql跳变，即减小转换比。在Ql模式下，如果输出仍然高过高门限，则进入Q6，启动PSM。在Ql和Q2状态下，如果输出低于低门限，则分别向状态Q4和Q5跳变，即提高转换比。状态02与04都对应父2 / 3转换比，同样Q3与Q5都对应X I转换比。采用不同状态对应同一个转换比的目的是区别前一个状态。在Q4和Q5状态下，如果输出高于高门限，并且已知它们之前的状态转换比低于当前的转换比(即前一个状态输出低于低门限)，则进入状态Q7或Q8，启动PSM状态。由此，PSM成为固定转换比下对电压进行微调降压的手段。
[0015]为了防止在动态负载下，状态机被锁在某个高转换比的PSM状态，计数器counterl和counter2分别对应状态Q7和Q8，用以控制在X 2 / 3和X I转换比时PSM开启的最大时间。如果计数器的值达到预设的最大值，状态由从高增益切换到下一级的低增益状态，从而提闻效率。
[0016]由此可见，状态机实际是利用不同转换比作为对输出电压进行粗调的手段，而将PSM作为输出细调的手段，使两个机制相互配合，在保证高效率的同时降低输出电压纹波。
【主权项】
1.一种采用增益跳变技术和跳周期调制(PSM)技术的基于数字状态机控制的开关电容DC-DC转换器，其特征在于数字状态机采用了 一种创新的模式转换的控制方法，将增益跳变作为输出电压的“粗调”手段，并将调整等效时钟频率的PSM技术作为输出电压的“细调”手段，在保证高效率的同时减小输出电压纹波。
2.对于权利要求1所述的数字状态机控制方法的具体实现方法(对存在三种电压转换比的控制方法如附图4):首先根据输入电压选择初始电压转换比，然后输出电压与设定的两个高、低门限进行比较，进一步调整电压转换比。某个状态下电压转换比的设定不仅由当前的输出电压决定，还要被上一个状态影响。当前输出比高门限高时，如果上一个状态比当前状态的转换比高，则继续降低转换比，如果已经是最低转换比则开启PSM ;如果上个状态比当前的转换比低，则在当前转换比下进入PSM状态。当前输出比低门限低时，如果当前是PSM状态，则跳出PSM;如果不是PSM状态，则跳至更高的电压转换比；如果已经在最高转换t匕，则报警输出过载。在非最低转换比条件下，跳出PSM状态的方式除了输出电压超出门限电平以外，还包括在PSM状态下的时间超过预先设定的值，这时下个状态应跳转至更低的转换比下。
3.对权利要求2所述的作用于具有三种电压转换比的开关电容DC-DC转换器的数字状态机控制方法，对于其它具有多电压转换比的开关电容DC-DC转换器同样适用。
【专利摘要】开关电源具有高效率、低EMI、体积小等优点，是电源管理系统的重要组成部分。本发明针对开关电容型DC-DC转换器，采用增益跳变调制技术和脉冲跳跃调制(PSM)技术，提出一种基于数字状态机的模式控制方法。该根据负载电流的变化选择合适的调制机制，首先通过增益跳变对输出电压进行“粗调”，再由脉冲跳跃技术对输出电压进行“微调”，在保证系统得到较高效率的同时，减小输出电压纹波。此控制方法适用于对效率和噪声比较敏感的应用领域。
【IPC分类】H02M3-07, H02M1-14
【公开号】CN104852569
【申请号】CN201410055568
【发明人】卜刚, 邹志鹏, 邹鹭
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2014年2月19日