应用于数字电源控制器的模数转换器的设计

摘要

目前数字电源在手机、平板电脑、音乐播放器等电子设备中的应用越来越广泛。相比模拟电源，数字电源具有功耗低、鲁棒性强、方便集成、控制算法多样、可编程等诸多优势。而在数字电源控制器中，模数转换器(Analog to DigitalConverter, ADC)替代了模拟电源中的误差放大器，在数字电源中发挥关键作用。如何在保证ADC性能的前提下，降低其功耗和面积，成为一个重要课题。
　　本论文首先介绍了数字电源与模拟电源的基本原理，并对二者进行对比，总结出数字电源相比于模拟电源的优势。然后介绍了在数字电源控制器中较为流行的几种ADC架构，进而总结出不同ADC架构的优缺点，以及数字电源系统对ADC的要求。
　　基于数字电源系统的要求，本文提出一种新的ADC架构——脉宽调制型ADC，采用电压-时间，时间-数字两步转换的方法完成模拟电压到数字信号的转换。该ADC通过与数字脉宽调制器(Digital Pulse Width Modulator, DPWM)共用延迟锁定环(Delay Locked Loop，DLL)，节省了数字电源系统的功耗和面积。本文通过对共用DLL技术的分析，总结出了这一技术面临的难点和挑战。
　　该ADC的设计有效位为8bit，采样频率为1MS/s。在具体的电路设计中，重点对斜波信号发生器、比较器、时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)模块进行了设计与仿真。在斜波信号发生器的设计中，通过使用电流舵技术，兼顾功耗的同时，提高了斜波线性度;比较器采用轨到轨的静态比较器，保证在规定的输入摆幅内，比较器可以保持比较固定的失调;时间数字转换器采用计数器和延迟链两步量化的结构，并通过逻辑优化，保证了粗细量化的同步与匹配;在版图设计中，重点解决了模拟数字隔离、比较器对称、天线效应等问题。
　　芯片最终在SMIC0.13μm CMOS工艺下流片，并制作PCB板对芯片进行测试。芯片面积仅为0.03 mm2，功耗仅为60μW;积分非线性(Integral Nonlinearity,INL)为-0.5 LSB～1 LSB，微分非线性（Differential Nonlinearity，DNL）为-1 LSB～0.5LSB，单调性良好;信号噪声失真比（Signal to Noise and Distortion Ratio，SINAD）为42.1 dB，有效位6.7位。整体测试结果符合系统要求，同时也较好的实现了低功耗和低面积的设计目标，ADC与DPWM共用DLL技术得到了验证。

目录

图目录

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的应用背景与意义

1．2 论文的主要工作与贡献

1．3 论文的组织架构

第二章 数字电源控制器和模数转换器

2．1 数字环路直流直流转换器介绍

2．1．1 电感型直流直流转换器基本理论

2．1．2 模拟直流直流控制器介绍

2．1．3 数字直流直流控制器介绍

2．2 模数转换器概述

2．2．1 模数转换器简介

2．2．2 模数转换器工作原理

2．2．3 模数转换器性能指标

2．2．4 几种典型的模数转换器结构

2．3 模数转换器在数字电源控制器中的应用举例

2．3．1 全并行模数转换器

2．3．2 逐次逼近模数转换器

2．3．3 基于延迟线的非线性模数转换器

2．3．4 基于压控振荡器的模数转换器

2．4 数字电源控制器对模数转换器的要求

2．4．1 分辨率

2．4．2 采样频率

2．4．3 窗口输入

2．5 脉宽调制ADC的提出以及主要优势

2．5．1 在时间域处理信号

2．5．2 与DPWM共用DLL

2．5．3 节省功耗和面积

第三章 ADC与DPWM共用DLL技术

3．1 DPWM概述

3．1．1 基于计数器的数字脉宽调制器

3．1．2 基于延迟链的数字脉宽调制器

3．1．3 混合式数字脉宽调制器

3．2 DLL概述

3．2．1 工作原理

3．2．2 基本单元介绍

3．2．3 结构分类

3．3 ADC与DPWM共用DLL的意义

3．4 共用DLL技术的难点和挑战

第四章 脉宽调制ADC的设计与仿真

4．1 脉宽调制ADC整体架构和工作原理

4．2 ADC特性分析

4．2．1 比较器传播延迟

4．2．2 时间抖动

4．2．3 电路启动时序

4．3 斜波信号发生器

4．3．1 简单斜波信号发生器

4．3．2 自适应的斜波信号发生器

4．3．3 电路设计

4．3．4 电路仿真

4．4 比较器

4．4．1 电路设计

4．4．2 电路仿真

4．5 时间数字转换器

4．5．1 性能参数

4．5．2 结构分类

4．5．3 电路设计

4．5．4 粗细量化匹配与同步的分析与仿真

4．6 版图及后仿

4．6．1 版图设计

4．6．2 后仿真

第五章 芯片测试

5．1 PCB设计

5．2 测试环境

5．3 测试结果

5．3．1 静态特性

5．3．2 动态特性

5．4 测试结果分析

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

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