数字功率管理单元及管理方法技术

本发明专利技术提供一种数字功率管理单元及管理方法，数字功率管理单元包括：1个电源路径管理器；至少1个开关变换器，与电源路径管理器相连；1个数字控制环路，通过切换模块与各开关变换器和电源路径管理器分别相连，包括：采样模块，将开关变换器或电源路径管理器的输出信号采样量化成样值；比较模块，将样值和基准参考信号比较，获得误差数据；补偿模块，对误差数据进行补偿校正，获得补偿数据；数字脉宽调制模块，将补偿数据转换成脉冲宽度信号，用以对开关变换器或电源路径管理器进行管理控制。本发明专利技术采用多个开关变换器和PPM共享一个数字控制环路的方案，控制稳定，精确性高，使得产品设计周期缩短一半，成功概率增加3倍，成品率提高3%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子电路
，涉及一种功率管理器，特别是涉及一种数字功率管理单元及管理方法。
技术介绍
PMU(PowerManagementUnit)是一种高度集成的针对便携式电子应用的电源管理方案，在单个芯片中集成了若干个开关和线性电源，这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗，及更少的组件数可以适应缩小的板级空间。便携式电子设备是IT类数字产品，市场更新周期短，用电池供电，要求控制精度高，还要求性能参数高度一致。现在的PMU是用模拟电路设计的，受分布参数和模拟器件离散性影响，输出电压精度差，不同批次的产品参数一致性差。例如市面上具有代表性的产品AXP221(全志科技公司)、RC5T619(RICOH)、WM8321(Wolfson)都具有上述缺点。这些缺点造成PMU的设计和生产速度明显跟不上便携式电子器件的发展速度，技术水平落后于整机中的其它部件。PMU中的基本单元是独立的功率模块，具体讲由Buck变换器、Boost变换器、充电器、电量计、电源路径管理模块、I2C总线、寄存器等模块组成。在传统PMU中，Buck变换器、Boost变换器、充电器都需要独立的稳压控制电路，这些稳压控制环路是用模拟电路设计的。但是模拟电路容易受寄生参数、温度和噪声影响，制造工艺的偏差也容易造成器件参数的变化，从而影响控制的精度和产品的一致性。针对这一情况，本专利技术的控制环路用数字电路实现，利用数字电路的抗干扰性强，对温度和工艺偏差的敏感性低的特点提高控制精度和一致性。并利用高速ADC能使多个稳压电源共用一个控制环路，进一步节约面积和成本，这在模拟电源中是不可行的。如：稳压控制环路的延迟在模拟电路中直接影响频率和相位裕度，它是不确定和无法预测的，只能通过仿真来估计大小，结果有可能造成相位裕量不够，引起控制不稳定。在数字系统中延迟是采样周期为单位计算的，延迟周期可展开成Pade函数或Talor级数，按需要的精度取有限项就可精确表示环路延迟，得到一致性很高的相位裕度，从而提高了稳定性。模拟PMU中，稳定性补偿是在OP的反馈回路中进行的，受OP有限开环增益和频率响应的影响，补偿参数会产生较大的误差，补偿元件是R，C，集成电阻的误差是20％，集成电容的误差是10％。在数字电源中稳定性补偿是通过PID算法进行的，误差趋近于零，而且一致性极好。数字电路设计可通过FPGA实时验证，所见即所得，有效保证了研发成功概率和缩短了研发时间。此外，消费电子设备使用电池供电，在使用过程中需要实时检测电池的剩余电量。电池的容量受材料、工艺，温度、老化等因素影响，离散性大于40％。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种数字功率管理单元及管理方法，用于解决现有PMU中的模拟控制环路易受寄生参数、温度和噪声影响，控制不稳定，控制误差大的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种数字功率管理单元，所述数字功率管理单元包括：1个电源路径管理器；至少1个开关变换器，与所述电源路径管理器相连；1个数字控制环路，通过切换模块与各开关变换器和所述电源路径管理器分别相连，用以分别对各开关变换器和所述电源路径管理器单独进行管理控制；所述数字控制环路包括：采样模块，将所述开关变换器或所述电源路径管理器的输出信号采样量化成样值；比较模块，与所述采样模块相连，将所述样值和基准参考信号比较，获得误差数据；补偿模块，与所述比较模块相连，对所述误差数据进行补偿校正，获得补偿数据；数字脉宽调制模块，与所述补偿模块相连，将补偿数据转换成脉冲宽度信号，用以对所述开关变换器或所述电源路径管理器进行管理控制。可选地，所述开关变换器包括Buck变换器，Boost变换器，Buck-Boost变换器，Sepic变换器，Cuk变换器，或/和Zeta变换器。可选地，所述补偿模块包括：查找表，存储有与各开关变换器和所述电源路径管理器对应的通道补偿参数；所述通道补偿参数包括通道滤波参数和通道环路延迟；运算器，与所述查找表相连，根据所述通道补偿参数对所述误差数据进行补偿运算。可选地，所述数字脉宽调制模块包括：Δ-Σ调制器，利用噪声整形技术降低所述补偿数据的噪声提高信噪比，获得第一时钟频率的脉冲；多相移相器，与所述Δ-Σ调制器相连，将所述第一时钟频率的脉冲分割成8相，获得第二时钟频率的脉冲；计数量化器，与所述Δ-Σ调制器和多相移相器分别相连，利用所述第一时钟频率的脉冲和所述第二时钟频率的脉冲生成与所述补偿数据的精度对应的第三时钟频率的脉冲。可选地，所述电源路径管理器包括：锂电池充电器，用于将外接电源的电压转换成充电电池的充电电压；路径开关模块，用于对所述充电电池的充放电进行管理；数字逻辑管理模块，与所述锂电池充电器和路径开关模块分别相连，根据所述外接电源和充电电池的电压大小输出用于控制所述外接电源或充电电池供断电的驱动信号。可选地，所述电源路径管理器还包括与所述数字逻辑管理模块和充电电池分别相连的电量计，所述电量计包括：电池温度检测模块，与所述充电电池和所述数字逻辑管理模块分别相连，在充电过程中实时检测所述充电电池的温度；电池电压电流检测模块，与所述充电电池和所述数字逻辑管理模块分别相连，在所述数字逻辑管理模块的控制下开始或停止实时检测所述充电电池的电压或/和电流；ADC模块，与所述电池电压电流检测模块和所述数字逻辑管理模块分别相连，将所述充电电池的电压或/和电流转换成电压或/和电流数据，传送至所述数字逻辑管理模块；所述数字逻辑管理模块还用于在充电过程中根据所述充电电池的充电电流和充电时间获取所述充电电池的实时容量，在放电过程中利用安时积分、内阻测试、和开路电压测试精确测量出所述充电电池的剩余电量。本专利技术提供一种数字功率管理方法，所述数字功率管理方法包括：利用一个数字控制环路分别对功率管理单元中的各开关变换器和电源路径管理器单独进行管理控制，所述数字控制环路的稳压控制方法包括：将所述开关变换器或所述电源路径管理器的输出信号采样量化成样值；将所述样值和基准参考信号比较，获得误差数据；对所述误差数据进行补偿校正，获得补偿数据；将补偿数据转换成脉冲宽度信号，用以对所述开关变换器或所述电源路径管理器进行管理控制。可选地，所述对所述误差数据进行补偿校正的一种实现过程包括：存储与各开关变换器和所述电源路径管理器对应的通道补偿参数，根据所述通道补偿参数对所述误差数据进行补偿运算；所述通道补偿参数包括通道滤波参数和通道环路延迟；所述将补偿数据转换成脉冲宽度信号的一种实现过程包括：利用噪声整形技术降低所述补偿数据的噪声提高信噪比，获得第一时钟频率的脉冲；将所述第一时钟频率的脉冲分割成8相，获得第二时钟频率的脉冲；利用所述第一时钟频率的脉冲和所述第二时钟频率的脉冲生成与所述补偿数据的精度对应的第三时钟频率的脉冲。可选地，所述数字功率管理方法还包括：将外接电源的电压转换成充电电池的充电电压；对所述充电电池的充放电进行管理；实时检测所述外接电源和所述充电电池的电压或/和电流；根据所述外接电源和充电电池的电压大小输出用于控制所述外接电源或充电电池供断电的驱动信号；在充电过程中实时检测所述充电电池的充电电流和充电时间获取所述充电电池的实时容量；或在放电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字功率管理单元，其特征在于，所述数字功率管理单元包括：1个电源路径管理器；至少1个开关变换器，与所述电源路径管理器相连；1个数字控制环路，通过切换模块与各开关变换器和所述电源路径管理器分别相连，用以分别对各开关变换器和所述电源路径管理器单独进行管理控制；所述数字控制环路包括：采样模块，将所述开关变换器或所述电源路径管理器的输出信号采样量化成样值；比较模块，与所述采样模块相连，将所述样值和基准参考信号比较，获得误差数据；补偿模块，与所述比较模块相连，对所述误差数据进行补偿校正，获得补偿数据；数字脉宽调制模块，与所述补偿模块相连，将补偿数据转换成脉冲宽度信号，用以对所述开关变换器或所述电源路径管理器进行管理控制。

【技术特征摘要】
1.一种数字功率管理单元，其特征在于，所述数字功率管理单元包括：1个电源路径管理器；至少1个开关变换器，与所述电源路径管理器相连；1个数字控制环路，通过切换模块与各开关变换器和所述电源路径管理器分别相连，用以分别对各开关变换器和所述电源路径管理器单独进行管理控制；所述数字控制环路包括：采样模块，将所述开关变换器或所述电源路径管理器的输出信号采样量化成样值；比较模块，与所述采样模块相连，将所述样值和基准参考信号比较，获得误差数据；补偿模块，与所述比较模块相连，对所述误差数据进行补偿校正，获得补偿数据；数字脉宽调制模块，与所述补偿模块相连，将补偿数据转换成脉冲宽度信号，用以对所述开关变换器或所述电源路径管理器进行管理控制。2.根据权利要求1所述的数字功率管理单元，其特征在于：所述开关变换器包括Buck变换器，Boost变换器，Buck-Boost变换器，Sepic变换器，Cuk变换器，或/和Zeta变换器。3.根据权利要求1所述的数字功率管理单元，其特征在于，所述补偿模块包括：查找表，存储有与各开关变换器和所述电源路径管理器对应的通道补偿参数；所述通道补偿参数包括通道滤波参数和通道环路延迟；运算器，与所述查找表相连，根据所述通道补偿参数对所述误差数据进行补偿运算。4.根据权利要求1所述的数字功率管理单元，其特征在于，所述数字脉宽调制模块包括：Δ-Σ调制器，利用噪声整形技术降低所述补偿数据的噪声提高信噪比，获得第一时钟频率的脉冲；多相移相器，与所述Δ-Σ调制器相连，将所述第一时钟频率的脉冲分割成8相，获得第二时钟频率的脉冲；计数量化器，与所述Δ-Σ调制器和多相移相器分别相连，利用所述第一时钟频率的脉冲和所述第二时钟频率的脉冲生成与所述补偿数据的精度对应的第三时钟频率的脉冲。5.根据权利要求1所述的数字功率管理单元，其特征在于，所述电源路径管理器包括：锂电池充电器，用于将外接电源的电压转换成充电电池的充电电压；路径开关模块，用于对所述充电电池的充放电进行管理；数字逻辑管理模块，与所述锂电池充电器和路径开关模块分别相连，根据所述外接电源和充电电池的电压大小输出用于控制所述外接电源或充电电池供断电的驱动信号。6.根据权利要求5所述的数字功率管理单元，其特征在于，所述电源路径管理器还包括与所述数字逻辑管理模块和充电电池分别相连的电量计，所述电量计包括：电池温度检测模块，与所述充电电池和所述数字逻辑管理模块分别相连，在充电过程中实时检测所述充电电池的温度；电池电压电流检测模块，与所述充电电池和所述数字逻辑管理模块分别相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新成，吴旭，李亮，施乐宁，
申请(专利权)人：福州瑞芯微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35