Digital Feedback Power Supply
Abstract
A digital feedback power supply circuit capable of adjusting the flow of power to a load includes a switching array having a plurality of switches. Each of the plurality of switches is individually controlled by a control circuit. A monitoring circuit measures the output voltage level at an output node and sends this measured output voltage to the control circuit as a feedback signal. The control circuit then compares the measured output voltage level with a reference voltage value. Based on this comparison, the control circuit determines how many of the switches contained in the switching array need to be active to satisfy the power drawn by the load. When the load requires more power, the control circuit sends control signals to turn ON a particular number of inactive switches to satisfy the power drawn by the load. In contrast, when the load requires less power, the control circuit sends control signals to turn OFF a particular number of active switches so that no more than the required power is delivered to the load.
Claims
1. An apparatus including an integrated digital feedback power supply circuit for providing a signal to an external circuit, the digital feedback power supply circuit comprising:
an output node configured to couple to an external circuit and convey an output power signal, wherein an amount of power the external circuit draws varies;
a switching array circuit comprising three or more switches, each of the three or more switches being individually controlled to provide a switching output signal;
an output circuit coupled to the switching array circuit and configured to receive the switching output signal and in accordance therewith generate the output power signal to the output node;
a monitoring circuit coupled to the output node and configured to monitor the output power signal from the output circuit and in accordance therewith generates a digital feedback signal; and
a control circuit coupled between the monitoring circuit and the switching array circuit,
wherein when the control circuit receives the digital feedback signal from the monitoring circuit, the control circuit compares a magnitude of the digital feedback signal to a reference signal value to determine a number of the three or more switches that need to be active to satisfy the amount of power drawn by the external circuit.
2. The apparatus of claim 1, wherein the number of the three or more switches that need to be active to satisfy the amount of power drawn by the external circuit may be successively arranged from a minimum voltage level, wherein none of the three or more switches are active, to a maximum voltage level wherein the three or more switches are active.
3. The apparatus of claim 2, wherein when the digital feedback signal changes, the control circuit adjusts the number of the three or more switches that are active.
4. The apparatus of claim 1, wherein the three or more switches comprise three or more transistors.
5. The apparatus of claim 1, wherein the output circuit comprises an inductor and a capacitor.
6. An apparatus including an integrated digital feedback power supply circuit for providing a power signal to an external circuit, the digital feedback power supply circuit comprising:
an output node configured to couple to an external circuit and convey an output power signal, wherein an amount of power the external circuit draws varies;
a switching array circuit comprising a plurality of switches wherein each of the plurality of switches is individually controlled to provide a switching output signal;
an output circuit coupled to the switching array circuit and configured to receive the switching output signal and in accordance therewith generate the output power signal to the output node;
an analog-to-digital circuit coupled to the output node and configured to monitor the output power signal from the output circuit and in accordance therewith generate a feedback signal; and
a digital logic control circuit coupled between the monitoring circuit and the switching array,
wherein when the digital logic control circuit receives the feedback signal from the monitoring circuit, the digital logic control circuit compares a magnitude of the feedback signal to a reference signal value to determine a number of the plurality of switches that need to be active to satisfy the amount of power drawn by the external circuit.
7. The apparatus of claim 6, wherein the plurality of switches comprises at least three switches.
8. The apparatus of claim 6, wherein the plurality of switches comprise a plurality of transistors.
9. The apparatus of claim 6, wherein the output circuit comprises an inductor and a capacitor.
10. The apparatus of claim 6, wherein the number of the plurality of switches that need to be active to satisfy the amount of power drawn by the external circuit may be successively arranged from a minimum voltage level, wherein none of the plurality of switches is active, to a maximum voltage level wherein the plurality of switches is active.
11. The apparatus of claim 10, wherein when the feedback signal changes, the logic control circuit adjusts the number of the plurality of switches that are active.
12. A method of controlling an integrated digital feedback power supply circuit to provide a power signal to an external circuit, the method comprising the steps of:
generating an output power signal;
receiving the output power signal by an output node and conveying the first output power signal to an external circuit, wherein an amount of power the external circuit draws varies;
monitoring the output power signal from the output node and in accordance therewith generating a digital feedback signal;
comparing a magnitude of
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数字反馈电源
摘要说明：
本发明提供了一种数字反馈电源。一种可以调整流入负载功率的数字反馈电源电路包括一个具有若干开关的开关阵列。每一个开关由控制电路单独控制。检测电路检测输出节点的输出电压级，并将检测到的输出电压作为反馈信号发送给控制电路。之后，控制电路将检测到的输出电压与参考电压值进行比较。根据比较结果，控制电路决定开关阵列中有多少开关需要被激活来满足负载需要的功率。当负载需要更多功率时，控制电路就发送控制信号打开一定数量的未激活开关，以此来满足负载需要的功率。相反，当负载需要较少功率时，控制电路就发送控制信号关闭一定数量的激活开关，这样分配给负载的功率就不会超过其所需要的值。
权利要求：
1、本发明提供了一种数字反馈电源，其特征是：一个包括集成数字反馈电源电路的装置，用于向外部电路提供一个信号，数字反馈电源电路包括：一个耦合在外部电路的输出节点，随着外部电路需要功率的改变传递输出功率信号；一个包括三个或更多开关的开关阵列电路，每一个开关都是通过单独控制来提供开关输出信号的；一个耦合在开关阵列电路上的输出电路，接收开关输出信号并由此向输出节点提供输出功率信号；一个耦合在输出节点上的检测电路，用于检测来自输出电路的输出功率信号，并由此产生数字反馈信号；一个耦合在检测电路和开关阵列电路之间的控制电路；其中，当控制电路接收到来自检测电路的数字反馈信号，控制电路就会将数字反馈信号的大小与参考信号值进行比较，以此来决定需要激活的开关数量，满足外部电路所需要的功率。
2、根据权利要求1所述的一种数字反馈电源，其特征是：需要激活来满足外部电路所需功率的开关的数量从最小电压（即没有开关激活）到最大电压（即所有开关都激活）连续分布；当数字反馈信号改变，控制电路就会调整激活的开关数量；开关中包括晶体管；输出电路包括一个电感和电容。
3、根据权利要求1所述的一种数字反馈电源，其特征是：一个包括集成数字反馈电源电路的装置，用于向外部电路提供一个信号，数字反馈电源电路包括：一个耦合在外部电路的输出节点，随着外部电路需要功率的改变传递输出功率信号；一个包括三个或更多开关的开关阵列电路，每一个开关都是通过单独控制来提供开关输出信号的；一个耦合在开关阵列电路上的输出电路，接收开关输出信号并由此向输出节点提供输出功率信号；一个耦合在输出节点的模数转换电路，检测来自输出电路的输出功率信号，并产生一个反馈信号；一个耦合在检测电路和开关阵列电路之间的数字逻辑控制电路；其中，当数字逻辑控制电路接收到来自检测电路的数字反馈信号，它就会将反馈信号的大小与参考信号值进行比较，以此来决定需要激活的开关数量，满足外部电路所需要的功率。
4、根据权利要求3所述的一种数字反馈电源，其特征是：开关的数量至少是三个；开关中包括晶体管；输出电路包括一个电感和一个电容；需要激活来满足外部电路所需功率的开关的数量从最小电压（即没有开关激活）到最大电压（即所有开关都激活）连续分布；当反馈信号改变，逻辑控制电路就会调整激活的开关的数量。
5、根据权利要求1所述的一种数字反馈电源，其特征是：一种控制集成数字反馈电源电路向外部电路提供功率信号方法，该方法的步骤包括：产生一个输出功率信号；通过输出节点接收输出功率信号，并将第一输出功率信号传送到外部电路，此时外部电路所需要的功率发生改变；检测来自输出节点的功率信号，由此产生数字反馈信号；将数字反馈信号的大小与参考信号值比较；根据比较结果决定需要激活的开关的数量；产生一系列控制信号，单独控制开关，根据需要激活的数量对开关进行激活，以此满足外部电路所需要的功率。
6、根据权利要求5所述的一种数字反馈电源，其特征是：需要激活的开关的数量是动态的，剩余的开关则是非动态的；当反馈信号大于参考值，至少有一个开关激活是无效的；当反馈信号小于参考值，至少有一个开关未激活是有效的；开关由晶体管构成。
7、根据权利要求1所述的一种数字反馈电源，其特征是：一种控制集成数字反馈电源电路向外部电路提供功率信号方法，该方法的步骤包括：产生一个输出功率信号；通过输出节点接收输出功率信号，并将第一输出功率信号传送到外部电路，此时外部电路所需要的功率发生改变；检测来自输出节点的功率信号，由此产生反馈信号；将数字反馈信号的大小与参考信号值比较；根据比较结果决定需要激活的开关的数量；产生一系列控制信号来接通或是断开至少一个开关晶体管；当反馈信号的大小在第一方向上超过参考信号值，至少激活一个开关对于降低加在外部电路上的功率是无效的；当反馈信号的大小在第二方向上大于参考信号值，至少有一个开关未激活对增加加在外部电路上的功率是有效的。
背景技术：
低压集成电路已经发展了很多年。如今，工作在三伏电压下的低压集成电路是人们最需要的。这样的低压集成电路具有低功耗的优点。因此，在靠电池工作的设备中，例如便携式电话和膝上电脑，低压集成电路就可以使得设备比需要高电压工作的设备工作更长时间。
在低压低功率应用中，源电压通常都是很小的。因此，电源电路已经被用来放大用于开关应用的源电压。
当电源电路向需要上升电压的电路提供一个上升电压时，提供的电压级就会随着负载和电池供电的变化而变化。因此，调整电源电路的输出电压是十分重要的。
未经调节的、波动的输入电压源经过稳压器向负载提供一个之前决定的连续输出电压。稳压器的一种形式就是开关稳压器。
图1是先前技术中的开关稳压器电路100的原理框图。开关稳压器电路靠一个耦合在端子111上的未经调节的电源电压VIN工作，用来在端子109处提供一个已调节的DC输出电压VOUT，驱动负载103，这个负载可以是便携式或是膝上电脑，或者是其他靠电池工作的系统。开关稳压器电路100使用一个功率开关101，例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），与负载103，控制电路105和输出电路113串联或并联耦合。
在这样的开关稳压器电路100中，功率MOSFET 101作为一个饱和开关交替地向输出电路113提供电流，输出电路113包括电感115和输出电容117。输出电路113使得电流的交替供应变平缓，这样，就会给负载103提供一个稳压VOUT。
特别的是，流过电感115的电流在来自时钟电路（图中未画出）的每一个时钟脉冲CLK间加强，在其磁场中储存能量。这些储存的能量之后又转移到输出端的电容117上，同样使得输出变平缓。
控制电路105检测输出电压VOUT，以此来提供一个与输出电压VOUT成比例的反馈电压VFB。控制电路105的工作是调整反馈电压VFB，使其大致等于由参考电路（图中未画出）提供的参考电压VREF。当反馈电压VFB获得调节时，输出电压VOUT也会变为高电压。
控制电路105控制功率MOSFET开关101的开ON与关OFF，用于调节流入负载103的功率。特别的是，控制电路105提供一个等时间间隔的OFF脉冲（例如2到10微秒），期间，功率MOSFET开关101保持OFF，在功率MOSFET开关101为ON时提供ON脉冲。因此，控制电路133交替改变功率MOSFET开关101的ON和OFF，以此来向输出电路113提供一个交变电流。
功率MOSFET开关101的占空比控制流入负载103的功率，并且可以通过各种方法来改变。例如，想要改变占空比，（1）可以通过固定脉冲流频率而改变每个脉冲ON或OFF的时间，（2）或者固定每个脉冲ON或OFF的时间而改变脉冲流频率。因此，开关稳压器电路100中的功率通过功率MOSFET开关101以离散电流脉冲的形式传输。
开关稳压器电路100通过改变脉冲宽度或开关频率来控制输出。开关频率指的是功率MOSFET 101每一次切换为ON或OFF的速率或时间间隔。例如，如果晶体管切换至ON，OFF持续1微秒，这时就说其具有1kHz的开关频率。
在每一个开关间隔期间，由于加在开关元件上的电压和电流有一定的转换率，所以开关元件会消耗一定功率。这些消耗的功率损耗在开关元件内。开关元件损耗的总功率包括转换损失和传导损失。转换损失的大小是开关和流过开关元件的电流（I）的函数。传导损失的大小是通过开关元件的电流（I）的函数。
这些损耗产生的功率由开关元件以热能的形式吸收，这就增加了开关元件的温度，最后通过热传递的方法从开关元件传递到周围环境中，例如辐射，对流和传导。
电路100的一个缺点是，开关稳压器电路100在电感115（用于恒定电压输出VOUT）中具有一个恒定的纹波电流，其频率随着VIN的变化而变化。纹波振荡频率由以下公式给出：
fRIP=(1/tOFF)/[1-VOUT/VIN]
该纹波振荡频率可以在低输入电压VIN下降低到可听见的级别。例如，当驱动开关稳压器电路100的电池接近放完电的时候。电感115之后会产生并发出噪声，引起设备使用者的反感。
开关稳压器电路100的第二个缺点是，其效能通常是输出电流的函数，并且在低输出电流时，其效能会降低。因此，尽管当开关稳压器电路100接近额定输出功率时，整个电路的效能会很高，但当其输出电流变小时，效能也会降低，这主要与开关稳压器电路100工作时的功率损耗有关。例如，在功率MOSFET开关101为OFF期间，流过电感115的电流总是以同样的大小斜降，而与开关稳压器电路100的输出电流无关。在低电流的情况下，这会引起电感115中的电流反转极性，并由此牵引来自负载103的功率。在下一个ON周期期间，该电流又会斜升，这样，平均电感电流就等于负载电流。与该纹波电流有关的损耗和开关损耗共同引起了功率MOSFET开关101栅极的充放电，开关稳压器电路100的控制电路中的静态电流损耗，开关驱动电流损耗以及电感变压器绕组和铁芯损耗在低电流时会大大降低电路的效能。该损耗对于由电池供电的系统是十分重要的，因为这些系统需要电池的续航能力达到最大值。
开关稳压器电路100的第三个缺点是，在极端工作条件下可能会受损，特别是功率开关101，在开关稳压器电路100切换至ON时，会在输出引起短路。
传统的开关稳压器电路100的第四个缺点是，功率MOSFET开关101必须要做得很大，这样当开关打开时，阻抗就接近于零（没有DC损耗）。例如，功率MOSFET开关101的沟道宽长比（W/L）为5000/0.5。因此，功率MOSFET开关101栅极处就有很大的电容，当功率MOSFET开关101为ON和OFF时就会消耗很大的功率，即便只需要很小的电流脉冲来保证输出电压。
开关稳压器电路100的第五个缺点是反应太慢了，不能应对快速的转变，例如电压瞬变。因此，如果开关稳压器电路100与其他模拟或数字元件集成在一块系统芯片上，那么在开关工作时出现的电压瞬变就会引起串扰的问题。
图2展示了另一个常规的开关稳压器电路200的原理图，这里参考了美国专利号5481178。开关稳压器电路200包括一个推拉式开关201，一个驱动电路203，一个输出电路205，以及一个控制电路207。
推拉式开关201包括两个同步开关功率MOSFET 211（P沟道）和213（N沟道），串联在电源VIN和接地端之间。功率MOSFET 211和213用来交替地向输出电路205提供电流，输出电路205包括电感215和输出电容217。为了提供交变电流，功率MOSFET 211和213分别由P沟道驱动器219和N沟道驱动器驱动。
控制电路207允许推拉式开关201进入工作状态，功率MOSFET 211和213同时为OFF，这时，输出电压VOUT就可以通过输出电容217保持为一个大致稳定的值。推拉式开关201进入“睡眠模式”的能力与其他常规稳压器形成对比，两个功率晶体管MOSFET 211和213中的一个几乎一直保持ON。
当输出电压低于该模式下的稳定电压，控制电路207就会短暂地将推拉式开关201转换至ON，对输出电容217再次充电，使其回到大于稳定电压的状态。
尽管常规开关电路“睡眠模式”的特点，即推拉式开关201并不浪费功率或是牵引负载RL的功率，从而降低了稳压电路的功耗，但是该开关稳压电路200仍有缺点。与开关稳压器电路100类似，开关稳压器电路200同样需要很大的开关，这样，当开关打开时，阻抗就接近于零（没有DC损耗）。因此，驱动开关的栅极仍然需要消耗很多功率，即便只需要很小的电流脉冲来保证输出电压。同样，开关稳压器200在大瞬变电压下也有串扰的问题。
另一个常规电源是开关电容式电源。如图3所示，开关电容式电源电路300包括充电泵301，输出端313，输出电容315，检测电路305和控制电路307。开关电容式电源电路300在输出端313提供一个稳定的输出电压VOUT。
充电泵301包括一个可变电容303以及一系列开关SW1-SW4。开关SW1-SW4用N沟道FET表示，在逻辑高电平时为ON，由补充的、非重叠的时钟信号CLK 20和CLKrsquo;20rsquo;控制。
充电泵301由电源VDD供电，工作在两级开关模式下，在输出端313提供一个放大的电压。在充电泵301工作的第一阶段，时钟信号CLKrsquo;20rsquo;为逻辑高电平，充电泵301为充电状态
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