模拟数字转换器和带有在弱负载时低静电流的调节电路

申请号 CN201410444402.0 申请日 2014-09-03 公开(公告)号 CN104426551A 公开(公告)日 2015-03-18
申请人 英飞凌科技股份有限公司; 发明人 E.博达诺; P.博格纳; J.皮希勒; M.绍尔;
摘要 本 发明 公开了模拟数字转换器和带有在弱负载时低静 电流 的调节 电路 。电路包括 逐次逼近寄存器 和可调整的电容器,该电容器带有用于调整该可调整的电容器的电容值的调整输入端。该电路此外包括带有输入端和输出端的第一比较器,该输入端与可调整的电容器的 端子 耦合,该输出端与逐次逼近寄存器的输入端耦合。该电路此外包括与可调整的电容器的端子耦合的模拟输入端,以及与可调整的电容器的端子耦合的第二比较器。该电路可以置于第一运行状态中和第二运行状态中,其中该电路的输出端在第一运行状态中由逐次逼近寄存器控制并且在第二运行状态中由第二比较器控制。
权利要求

1.电路(1),包括
-逐次逼近寄存器(9),
-可调整的电容器(4),该可调整的电容器带有用于调整该可调整的电容器(4)的电容值的调整输入端(41),
-带有输入端和至少一个输出端的比较级,该输入端与可调整的电容器(4)的端子耦合,所述至少一个输出端与逐次逼近寄存器(9)的输入端耦合,
-模拟输入端(21),其与可调整的电容器的端子耦合,
-其中该电路(1)能够置于第一运行状态中和第二运行状态中,
其中该电路的输出端(7)在第一运行状态中由逐次逼近寄存器(9)控制并且在第二运行状态中不由逐次逼近寄存器(9)、而由比较级的输出端控制。
2.根据权利要求1所述的电路,其中在第二运行模式中该逐次逼近寄存器(9)被关断。
3.根据权利要求1或2所述的电路,其中所述比较级具有
-与可调整的电容器(4)的端子耦合的第二比较器(3),以及
-带有输入端和输出端的第一比较器(8),该输入端与可调整的电容器(4)的端子耦合,该输出端与逐次逼近寄存器(9)的输入端耦合。
4.根据权利要求3所述的电路,其中在第一运行模式中,该第二比较器(3)被关断。
5.根据权利要求1至4之一所述的电路,其中在第一运行模式中,该调整输入端(41)与逐次逼近寄存器(9)的输出端耦合。
6.根据权利要求1至5之一所述的电路,其中在第二运行模式中,该调整输入端(41)与另外的寄存器(101)的输出端耦合。
7.根据权利要求6所述的电路,其中该电路具有用于接收所述另外的寄存器的输出值(targ)的参考值输入端(22),其中该参考值输入端(21)至少在第一运行模式中与比较器(10)的输入端耦合,该比较器(10)的第二输入端与逐次逼近寄存器(9)的输出端耦合。
8.根据上述权利要求1至7之一所述的电路,其中该电路具有用于刷新可调整的电容器(4)的电荷的刷新开关(6)。
9.根据权利要求8所述的电路,其中该电路还具有用于操控该刷新开关(6)的低能量振荡器(104)。
10.根据权利要求1至8之一所述的电路,其中该电路还具有调节器,该调节器至少设置在逐次逼近寄存器(9)的输出侧和该电路(1)的输出端(7)的输入侧中。
11.根据权利要求1至9之一所述的电路,其中该电路还具有时钟振荡器用于产生用于逐次逼近寄存器的时钟信号,其中在第二运行模式中该时钟振荡器被关断。
12.单元(100),具有
-根据权利要求1至11之一所述的电路(1),
-用于产生输出电压(VOUT)的执行器(11),其中该执行器具有输入端,该输入端与该电路的输出端连接,
-从输出电压(VOUT)到模拟输入端(21)的反馈路径(FB)。
13.用于调节输出电压的方法,具有下面的步骤:
-在第一运行模式中,利用逐次逼近寄存器(9)通过调整可调整电容器(4)来运行模拟数字转换器,其中该可调整的电容器以其端子与输出电压的反馈信号耦合,以及根据逐次逼近寄存器(9)的输出信号来操控用于驱动输出电压(VOUT)的执行器(105),-在第二运行模式中,运行与可调整的电容器(4)的端子连接的比较器(3),并且根据比较器(3)的输出信号而不根据逐次逼近寄存器(9)来操控所述用于驱动输出电压的执行器(105)。
14.根据权利要求13所述的方法,其中在第二运行模式中将逐次逼近寄存器(9)关断。
15.根据权利要求13或14所述的方法,其中在第一运行模式中将比较器(3)关断。
16.根据权利要求13至15之一所述的方法,其中在第二运行模式中由另外的寄存器(102)来调整所述可调整的电容器(4)。

说明书全文

模拟数字转换器和带有在弱负载时低静电流的调节电路

技术领域

[0001] 本申请涉及模拟数字转换器和带有在弱负载时低静电流的调节电路以及用于调节输出电压的方法。

背景技术

[0002] 在电压调节器(例如开关电源)中,通常功率效率取决于电流负载。在弱负载电流的情况下,静电流的损耗是占主导的并且在开关电源的情况下附加地还通过开关过程导致损耗。引入了专的运行模式如脉频调制(PFM),以便减少开关过程的数量。这可以与智能功率控制概念(智能功率管理概念)组合,以便减少静电流。在数字控制的开关电源转换器中,通常借助模拟数字转换器(ADC)进行反馈电压的检测。示例性的模拟数字转换器在DE10 2005 030 562 B4中示出。
发明内容
[0003] 本发明的任务是提供模拟数字转换器(AD转换器)、用于调节输出电压的电路和用于调节模拟数字转换器的方法,利用该方法可以进一步减少静电流。
[0004] 电路包括逐次逼近寄存器和可调整的电容器,该电容器带有用于调整该可调整的电容器的电容值的调整输入端。该电路此外包括带有输入端和至少一个输出端的比较级,该输入端与可调整的电容器的端子耦合,其中比较级的输出端的至少之一与逐次逼近寄存器的输入端耦合。该电路此外包括与可调整的电容器的端子耦合的模拟输入端。该电路可以置于第一运行状态中和第二运行状态中,其中该电路的输出端在第一运行状态中由逐次逼近寄存器控制并且在第二运行状态中不由逐次逼近寄存器、而由比较级控制。
[0005] 用于调节输出电压的方法具有下面的步骤:在第一运行模式中,利用逐次逼近寄存器通过调整可调整的电容器来运行模拟数字转换器,其中该可调整的电容器以其端子与输出电压的反馈信号耦合,以及为了驱动输出电压而根据逐次逼近寄存器的输出信号来操控执行器。在第二运行模式中,运行与可调整的电容器的端子连接的比较器,并且根据比较器的输出信号而不根据逐次逼近寄存器来操控用于驱动输出电压的该执行器。
附图说明
[0006] 图1示出了用于产生输出电压的电路在第一运行模式中的实施方式。
[0007] 图2示出了在第二运行模式中的图1的电路。
[0008] 图3示出了用于产生输出电压的单元。

具体实施方式

[0009] 图1示出了带有五个输入端和一个输出端7的电路1。这些输入端是模拟输入端21、参考值输入端22、命令输入端23、参考电压输入端24和时钟输入端25。电路1此外包括AD转换器装置2,该AD转换器装置2包括第一比较器8、逐次逼近寄存器、减法器10和调节器11。电路1此外包括电容器5、可调整的电容器4、刷新开关6、第一模式选择开关13和第二模式选择开关14。可调整的电容器4包括调整输入端41,利用该调整输入端能以数字方式调整可调整的电容器4的电容。在一种实施方式中,可调整的电容器包括单电容器场,这些单电容器可以单个可开关地与其他单电容器并联连接。在调整输入端41上的输入信号确定有多少和哪些单电容器并联连接,以便一起提供可调整的电容器4的电容。
[0010] 电容器5以其第一端子连接到模拟输入端21上和以其第二端子与第一比较器8的输入端连接。刷新开关6具有用于负载段的两个端子和控制端子。该控制端子与命令输入端23连接。负载段的一个端子与第一比较器8的输入端连接,而负载段的另一端子与参考电压输入端24连接。可调整的电容器4具有两个端子,这两个端子分别与可调整的电容器4的电极之一连接。这些端子之一与第一比较器8的输入端连接,而这些端子中的另一端子与参考电压输入端24连接。参考电压输入端24此外与第二比较器3的第一输入端连接,该第二比较器3具有与第一比较器8的第一输入端连接的第二输入端。
[0011] 第一比较器8的输出端与逐次逼近寄存器的输入端连接,该逐次逼近寄存器的输出端与减法器10的非反相输入端连接。减法器10的反相输入端与参考值输入端22连接。减法器10的输出端与调节器11的输入端连接。调节器11的输出端与第二模式选择开关
14的第一输入端连接,而第二模式选择开关14的第二输入端与第二比较器3的输出端连接。第二模式选择开关14的输出端与电路1的输出端7连接。第二模式选择开关14此外还具有在该图中未示出的控制输入端。根据该控制输入端的位置而定地,这些输入端之一与第二模式选择开关14的输出端连接。
[0012] 第一模式选择开关13具有两个输入端,其中的第一输入端与参考值输入端22耦合并且其中的第二输入端与逐次逼近寄存器9的输出端耦合。第一模式选择开关13的输出端与调整输入端41连接。第一模式选择开关13此外还具有在该图中未示出的控制输入端。根据该控制输入端的位置而定地,这些输入端之一与第一模式选择开关13的输入端连接。
[0013] 时钟输入端25与逐次逼近寄存器9、减法器10和调节器11的时钟输入端连接。
[0014] 图1示出第一运行模式,当负载中等大或大时,所述电路切换到该第一运行模式中。该运行模式下面也称为脉宽调制模式。
[0015] 在该运行模式中,第一比较器3、逐次逼近寄存器、减法器10和调节器11被接通并且第一模式选择开关13将逐次逼近寄存器9的输出端与调整输入端41连接。第二模式选择开关14在该运行模式中将调节器11的输出端与输出端7连接。
[0016] 电容器5和4构成电容式分压器,在该分压器的连接节点kn上形成电势,该电势处于输入端21上的电势和输入端24上的电势之间。一方面在输入端21和连接节点kn之间的电压与另一方面在连接节点kn和输入端24之间的电压的比例相应于电容器4和5的电容相互之间的比例。调整输入端41确定可调整的电容器4的电容多大以及由此也确定所述电压的比例是多少。
[0017] 第一比较器8将连接节点kn上的电势与预先确定的、这里未示出的电势进行比较。第一比较器8的数字输出值表明,在连接节点kn上的电势高于还是低于该预先确定的电势。逐次逼近寄存器接收第一比较器8的输出值作为二进制的数字信号并且该逐次逼近寄存器自身在逐次逼近的范畴中改变其输出值。该输出值通过第一模式选择开关13与调整输入端41连接,该调整输入端41引起可调整的电容器的电容根据在调整输入端41上的信号而改变。在可调整的电容器4的电容改变时,在输入端21和24上的电势保持相同的情况下在连接节点kn上的电势改变。
[0018] 逐次逼近寄存器9在由其时钟输入端上的时钟所预先给定的时刻改变其输出值。逐次逼近寄存器一直改变其输出值,直至在连接节点上的电势尽可能好地相应于所述预先确定的电势。逐次逼近寄存器的输出值在逼近之后为在输入端21上的反馈电压和在输入端24上的参考电势之间的电压的度量。
[0019] 在减法器10中从逐次逼近寄存器9的输出信号减去数字输入信号targ 22。数字输入信号targ相应于输出电压的目标值,使得在减法器12的输出端上输出误差信号12作为反馈电势与参考值的差的度量。该误差信号12被输送给调节器11。该调节器11是PID类型的调节器。该调节器11通过第二模式选择开关14和输出端7将信号发送给这里未示出的、用于驱动所希望的输出电压的执行器。
[0020] 比较器8和比较器3一起形成比较器83。在另外的、这里未示出的实施方式中,比较器块83仅仅包括一个唯一的比较器,其输出端既与逐次逼近寄存器9连接又可切换地与输出端7连接。该比较器在第一运行模式中构成用于逐次逼近寄存器的输入端,该逐次逼近寄存器9自身控制输出端7。而在第二运行模式中该输出端不再由逐次逼近寄存器控制,而是绕开逐次逼近寄存器地由所述比较器直接控制。
[0021] 图2示出了在第二运行模式中的电路1,所述第二运行模式也称为弱负载模式或脉频调制模式。在此,第一比较器3、逐次逼近寄存器9、减法器10和调节器11关断并且第一模式选择开关13将参考值输入端22与调整输入端41连接。第二模式选择开关14在该运行模式中将第二比较器3的输出端与输出端7连接。
[0022] 可调整的电容器4根据信号targ来加以调整,该信号targ相应于调节的目标值。在连接节点kn上可调整的电势在第二比较器3中与在参考电压输入端24上的电势进行比较。当在两个电势之间的差别小于预先确定的阈值时,第二比较器3在其输出端上输出脉冲,该脉冲通过输出端7使得在图2中未示出的执行器改变输出电压,在大多数实施方式中是通过提高输出电压来改变。
[0023] 在正常运行中、也即在第一运行模式中,模拟数字转换器以高速率对反馈电压采样。而在脉频调制的低负载运行中应当对电压进行连续并且缓慢的观察。
[0024] 开关电源转换器在实施方式中具有多个工作点或者至少是可微调的。当反馈结构在正常运行和弱负载运行之间被不同地设计时,必须两次地设置微调选项和用于微调电路的编程电路。
[0025] 描述了一种方法,借助其可以将SAR ADC的可调整的电容器重新用于在第二运行模式中的连续的电压检测电路。
[0026] 所介绍的SAR ADC的实施方式可以在中等负载和强负载运行中如传统SAR ADC一样地工作。此外在PFM意义上的弱负载运行期间,使用例如被构造为电容器场的可调整的电容器。ADC的其他部分在实施方式中被关闭。可调整的电容借助数字值来加以调整,该数字值等于脉宽调制的起振值。第二比较器探测:反馈电压是否在目标值之下以及是否需要PFM脉冲。
[0027] 电容器必须不时地被重新刷新,以便补偿泄漏电流。这通过在命令输入端23上的相应脉冲来进行,该命令输入端将刷新开关6闭合短的时间段。这可以或者在PFM脉冲期间进行或者当在两个PFM脉冲之间的时间高于预先确定的时间段时进行。
[0028] 实施方式实现了下面的优点:–仅仅需要设置一个用于选择和用于微调电压的电路。
[0029] –得到减少的测试时间和较少的保险装置(Fuses)。
[0030] -无需另外的用于测量反馈电压的电位计。
[0031] -无需用于可编程的另外的电位计的面积。
[0032] -没有使得系统功能变慢或者相移的电位计。
[0033] -存在用于脉宽调制调节和脉频调制调节的相同的目标值,当在这些模式之间变换时避免了在输出端上的电压跳跃。
[0034] -总体上减少了损耗功率。
[0035] 在实施方式中,用于可调整的电容器的再刷新电路可以通过小消耗和低频振荡器来加以触发。该频率可以通过如下方式来产生,即检测可调整的电容器的复制体的泄漏电流
[0036] 数字的目标值使得能够观察多个电压电平。通过将偏移加到工作点上可以以时间交错的方式执行所谓的对静止状态的观察,例如通过位于工作点的-10%和+10%之间的窗口。
[0037] 可选地,可以通过在PFM脉冲期间改变上电压值来实现滞后的PFM运行。
[0038] 图3示出了用于产生输出电压VOUT的单元100。该单元具有如在图1和2中所阐述的电路1。此外,单元100包括寄存器101、参考电压产生装置102、时钟振荡器103、低能量振荡器104、执行器105、电位计106和负载107。寄存器101的输出端与参考值输入端22连接。寄存器101提供用于输出电压的目标值并且在实施方式中可以从该单元外部通过软件来加以编程。此外,在实施方式中可以微调该寄存器101,也即输出电压的默认值可以借助保险装置来加以调整。
[0039] 参考电压产生装置102在其输出端上提供针对参考电压输入端24的参考电压。该参考电压在电容器的重新刷新期间应当以现有的、但是受限的输出阻抗来加以提供。在该重新刷新之外,该参考电压可以借助电容器来加以存储并且被提供使用,其中参考电压产生装置102被切换至低能量模式中。
[0040] 时钟振荡器103在其输出端上提供针对时钟输入端25的时钟。时钟振荡器103可以如上所述地在第二运行模式中被关断。
[0041] 低能量振荡器104提供具有比时钟振荡器103低的频率的时钟并且也需要比时钟振荡器103少的能量。
[0042] 在输出端7上设置有执行器105的输入端,该执行器以其输出端与输出节点ak连接。该执行器例如是功率晶体管,其负载段设置在这里未示出的供给电压和输出节点ak之间,而其控制端子与输出端7连接。在输出节点ak和地之间设置有负载107。因此在该负载107上施加有输出电压VOUT。与负载107并联地还设置有分压器106,该分压器由两个串联连接的电阻构成。这两个电阻的连接节点通过反馈路径108与模拟输入端21连接。
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