簡單實用并有記憶功能的外同步系統(tǒng)

張永水 邢建力

【摘要】本文介紹了一種簡單實用并具有記憶功能的外同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電源管理中，并且能夠提供三個功能：一是在未加同步信號時提供自身的內(nèi)部振蕩頻率;二是當(dāng)存在外同步信號時，系統(tǒng)利用數(shù)字技術(shù)能夠?qū)ν獠啃盘栠M行準確的同步頻率輸出;三是在同步過程中，系統(tǒng)將會記住這一外加信號頻率值，并且在外部信號突然斷開之后使電路繼續(xù)工作在與原本所加的外同步信號幾乎相等的頻率值上。其中的誤差為5%以下，并且這一誤差是可以不斷改進縮小的。系統(tǒng)能鎖定的外同步頻率范圍為350KHZ到770KHZ。利用CSMS 0.6um CMOS工藝庫對所設(shè)計的電路進行仿真，能夠得到較好的預(yù)想效果。

【關(guān)鍵詞】外同步;簡單實用;記憶功能

一、引言

電源管理應(yīng)用中，很多時候需要用到多塊芯片進行同時操作，而由于工藝和制造產(chǎn)生的失配誤差會使得即使是相同型號的芯片，其內(nèi)部的振蕩頻率也會出現(xiàn)一些誤差。為了消除多個頻率接近的芯片并聯(lián)或者串聯(lián)產(chǎn)生的差頻噪聲問題，需要通過芯片的同步功能使得各個芯片間能夠同時工作在一個頻率上[1]。同時外同步功能也可以控制芯片工作在某一特定需要的頻率上，以控制電路性能呈現(xiàn)某種“八邊形法則”上的參數(shù)平衡。

本系統(tǒng)正是基于這種實際需求，設(shè)計了一個可以應(yīng)用于電源管理等高頻應(yīng)用中的外同步電路。雖然同步也可以使用常規(guī)鎖相環(huán)等精確的同步電路，但這一類的應(yīng)用對于同步外部頻率可以不需要那么精確的頻率，因為芯片本身就可以是同步一個范圍的頻率，所以對于芯片內(nèi)部的工作頻率不必那么精確。注意兩個易混淆的詞，一個是片間頻率需要準確相等，才用到同步單元;另一個是片內(nèi)工作頻率則由于芯片工作特性，可以不需要非常精確的頻率。

二、具有記憶功能的同步系統(tǒng)的功能及架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計有三個功能，這也是對于純同步單元或者是利用常規(guī)鎖相環(huán)進行鎖相同步所擁有的三個優(yōu)勢：

（1）當(dāng)外部沒有同步頻率時，電路自身能夠產(chǎn)生一個工作頻率，以供電源管理芯片系統(tǒng)使用。而常規(guī)鎖相環(huán)雖然內(nèi)部也有振蕩電路，但更多的是用于鎖相外部頻率，當(dāng)外部沒有加信號時，本身是不能提供一個穩(wěn)定的工作頻率的[2]。對于純粹的同步單元也是如此。

（2）利用數(shù)字技術(shù)，實現(xiàn)對外部頻率的準確同步。相對于常規(guī)鎖相環(huán)所需要的鑒相器、濾波器、壓控振蕩器等復(fù)雜電路的設(shè)計[3]，雖然系統(tǒng)不能對外部頻率實現(xiàn)像常規(guī)鎖相環(huán)那樣非常精確的鎖相同步，但是對于芯片工作來說誤差是可以接受的范圍，這就使得本系統(tǒng)對于實現(xiàn)外部同步的電路顯得簡單、實用。

（3）當(dāng)系統(tǒng)加外部同步信號一段時間后，由于未知原因使得所加同步信號出現(xiàn)斷開或者短路，系統(tǒng)可以繼續(xù)維持工作在已經(jīng)調(diào)整后的與之前所加外部頻率幾乎相等的頻率上（誤差5%以下，且可以繼續(xù)減?。?，這就是本系統(tǒng)的記憶功能。而普通同步單元或者是常規(guī)鎖相環(huán)則是在外部頻率存在時才同步或鎖相，而當(dāng)斷開外部信號時，電路就將停止工作。記憶功能的存在，使得系統(tǒng)在外部電路產(chǎn)生一定錯誤后能夠繼續(xù)工作在原本所需的頻率上，使得系統(tǒng)的持續(xù)性、穩(wěn)定性增強。

當(dāng)然，本同步系統(tǒng)電路相對于常規(guī)鎖相環(huán)而言也有其缺點，一個是鎖定頻率不如常規(guī)鎖相環(huán)精確;另一個是沒有常規(guī)鎖相環(huán)那么大的鎖定范圍。但是，基于電源管理芯片的實際特性，這兩點都是可以忽略的。首先，對于片內(nèi)工作頻率，芯片本身就是設(shè)定為一個可接受的范圍，所以與外同步頻率相比，很小的誤差幾乎不影響芯片的任何性能;其次，電源管理芯片一般工作在較高頻率，所以對于鎖相環(huán)的鎖定范圍從幾赫茲到幾百千赫茲或者是更高，完全沒有必要這么寬的鎖定范圍[4]。同時為了保證外圍電路和工作芯片本身的性能平衡，本系統(tǒng)也設(shè)計了一個頻率限制的單元，限定可以同步的頻率在350KHZ～770KHZ之間。而當(dāng)未加同步信號時，系統(tǒng)自身振蕩工作頻率是560KHZ。

本系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示：

圖1 具有記憶功能的外同步系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)框圖所展現(xiàn)的原理是，若同步信號端SYNC_MODE沒有加同步信號，而只是接穩(wěn)定的高電平或低電平，則整形取樣模塊的輸出SYNC_OSC_Freq單純?yōu)?;頻率限制模塊輸出SYNC_EN也為0;同步確認模塊SYNC_Comfirmed的輸出SYNC_OSC_Comfirmed為1，表示沒有外同步信號;使能信號Counter&Inner_OSC_EN為1，表示內(nèi)部振蕩頻率可用，并且該信號經(jīng)過D觸發(fā)器輸出一個計數(shù)器使能信號Counter_EN=1給雙向計數(shù)器模塊Bothway_Counter，表示計數(shù)器使不能。此時的計數(shù)器初始輸出值nQ5～nQ1是被內(nèi)部的RS觸發(fā)器置定為01111，此五個信號接到調(diào)整頻率輸出模塊Regulator_OSC_Out中，作為五個給電容C0充電的電流源的開關(guān)控制端。01111，即表示只有nQ5控制的電流源是導(dǎo)通可充電的。并且nQ5～nQ1所控制五個電流源的電流值設(shè)置比例為16：8：4：2：1，以此來表示每次計數(shù)減少一位，只增加一個單位的總充電電流。因為放電電流設(shè)置為一個固定的較大值，所以總充電電流的大小在一定程度上可以表示頻率的快慢。電容C0上的鋸齒波輸出電壓Ch_DisCh_V信號接到比較器[5]的輸入端，與所加的偏置電壓進行比較后輸出一個方波脈沖OSC2，然后經(jīng)過Regulated_OSC_Out模塊中的調(diào)整形成一個負反饋而輸出最終脈沖OSC。

當(dāng)有加外同步信號時，如果信號是在頻率限制范圍內(nèi)，那么頻率限制模塊輸出SYNC_EN將為1，表示可以同步。同步確認模塊SYNC_Comfirmed會用四個周期來確認是否是真實的有加外同步信號，而不是一時的噪聲或者是其他影響，若四個周期后確認了是有加同步信號，則SYNC_Comfirmed模塊將輸出經(jīng)過整形和取樣的外同步信號，即為SYNC_OSC_Comfirmed確認同步信號。并且使能信號Counter&Inner_OSC_EN變?yōu)?，意味著內(nèi)部頻率將被屏蔽。在確認是否同步的四個周期內(nèi)，電路還是按照原本的內(nèi)部振蕩頻率進行工作。而在四個周期之后，電路同步工作只是利用Regulated_OSC_Out模塊中幾個簡單的數(shù)字門電路來屏蔽之前的內(nèi)部振蕩頻率，轉(zhuǎn)而將外同步頻率確認信號SYNC_OSC_Comfirmed輸出到最終的OSC輸出端。

由于SYNC_EN變?yōu)?，且Counter&Inner_OSC_EN信號變?yōu)?，D觸發(fā)器觸發(fā)使得雙向計數(shù)器的使能信號Counter_En變?yōu)?，使得雙向計數(shù)器[6]可以工作。Counter_EN為0，表示計數(shù)器內(nèi)部的RS_D觸發(fā)器中的R、S兩端同時都為0，輸出nQ5～nQ1將可以隨著振蕩周期而計數(shù)（但是此時的計數(shù)器啟動信號Counter_clk_EN還沒確定狀態(tài)，這留待下文討論）。值得注意的是，屏蔽掉內(nèi)部信號，只是屏蔽掉內(nèi)部振蕩頻率在Regulated_OSC_Out模塊中對最終輸出OSC的影響，但是內(nèi)部振蕩頻率還是會根據(jù)計數(shù)器對五個給C0充電的電流源的開關(guān)狀態(tài)來調(diào)整頻率，使之不斷與外部所加的信號頻率相等。正是由于內(nèi)部振蕩頻率會調(diào)整等于外部同步頻率值，并且系統(tǒng)將重新使用內(nèi)部振蕩頻率，才使得系統(tǒng)能夠在外同步信號斷開之后繼續(xù)工作在原來的頻率上。這就是上述所提到的系統(tǒng)化記憶功能。

由圖1可知，電容上的電壓Ch_DisCh_V信號與兩個輸出極性相反的比較器相連。其中比較器AMP1的比較門檻值設(shè)置的會比AMP2大一點，并且當(dāng)電容電壓大于比較器AMP1的門檻值Ref1時，輸出OSC1將變低;相反，當(dāng)電容電壓大于比較器AMP2的門檻值時，輸出OSC2將變高。輸出的兩個振蕩信號OSC1和OSC2進入到鑒相器進行鑒相以決定計數(shù)器是實現(xiàn)加法或者是減法的功能。

三、鑒相器模塊

系統(tǒng)中設(shè)置了一個鑒相器，其架構(gòu)和工作原理分別如圖2和圖3所示。

圖2 鑒相器的構(gòu)成

圖3 鑒相器工作原理

由圖2可以知道鑒相器由兩個上升沿D觸發(fā)器和一個異或門構(gòu)成，D觸發(fā)器的觸發(fā)時鐘邊沿是最終輸出的頻率OSC。值得注意的是，此時的同步過程，實際上跟其余模塊，比如計數(shù)器、鑒相器和比較器，甚至是調(diào)整輸出模塊中的五個充電電流源都無關(guān)。此時的同步，只是在Regulated_OSC_Out模塊中，簡單的利用幾個數(shù)字門電路，將從確認模塊來的SYNC_OSC_Comfirmed外同步信號直接調(diào)整輸出。而鑒相器利用此時的輸出同步頻率對OSC1和OSC2進行取樣和比較，其實就是一個外部頻率和內(nèi)部頻率比較的過程。在OSC上升沿時，對OSC1和OSC2進行比較，當(dāng)是圖3第一種情況時，采樣得到OSC1和OSC2為0、1，表示此時在所給的同步信號的一個周期內(nèi)，電容C0的充電電流過大，導(dǎo)致電容C0上的電壓升到很大的值。異或門得到的計數(shù)器計數(shù)使能信號Counter_clk_EN為1，表示計數(shù)器模塊開始計數(shù)，而得到的U_D=nOSC1=1，對于nQ5～nQ1而言，表示計數(shù)器進行加計數(shù)，這樣就會控制給C0的總充電電流減小，從而可以知道內(nèi)部振蕩頻率減小，以逐漸向外同步頻率靠近。

而若是采樣到的OSC1和OSC2是圖3中的第二種情況，為1、0，則表示在所給的同步信號的一個周期內(nèi)，電容C0的充電電流過小，幾乎都不足以讓兩個比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。異或門同樣得到Counter_clk_EN為1，計數(shù)器開始計數(shù)，而此時的U_D為0，表示計數(shù)器進行減計數(shù)，如此控制給電容C0的總充電電流增大，使得內(nèi)部振蕩頻率增大，以逐漸趨向外部同步頻率。當(dāng)經(jīng)歷幾個周期的調(diào)整后，內(nèi)部振蕩頻率幾乎等于外部同步頻率時，OSC對OSC1和OSC2的采樣才會出現(xiàn)第三種情況，表示內(nèi)部振蕩頻率已經(jīng)調(diào)整完畢，即對外部同步信號的頻率記憶完畢，隨時可以為系統(tǒng)提供持續(xù)性的與所加同步信號頻率大小相等的振蕩頻率。

顯然，這里是不可能出現(xiàn)采樣的OSC1和OSC2同時為0的情況，因為上述提過這兩個比較器對于同樣的輸入比較值，輸出的極性是相反的。只有當(dāng)電容C0上的電壓大于AMP1的比較電壓Ref1，時，AMP1才將輸出0，而由于AMP2的比較電壓Ref2的值比Ref1小，所以如果AMP1翻轉(zhuǎn)，則AMP2必將翻轉(zhuǎn)，得到OSC2為1，這就變成了圖3中的第一種情況。所以，不會出現(xiàn)在采樣時，OSC1和OSC2為0、0的情況。

四、系統(tǒng)中的頻率限制模塊

上文提過本系統(tǒng)主要是為高頻上的應(yīng)用而設(shè)計，比如電源管理中的DC/DC應(yīng)用。針對于此，系統(tǒng)設(shè)計了一個頻率限制的模塊用來限制同步的頻率，以滿足實際應(yīng)用中對于芯片外圍元器件和芯片性能的要求。頻率限制的原理如圖4所示。

圖4 頻率限制模塊的設(shè)計

由于不管外同步信號的占空比是多大，經(jīng)過整形和取樣模塊后，得到SYNC_OSC_Freq信號都只是一個占空比很小的窄脈沖。在脈沖為高電平時，晶體管Q1將導(dǎo)通，Q1作為一個大電流源在一瞬間將電容C1充至高電平，使得輸出同步使能信號SYNC_EN為1。對于頻率較低時，外同步信號的一個周期內(nèi)除了窄脈沖為高電平時，其他更多的時間Q1是處于關(guān)閉狀態(tài)，這時電容將通過電流源I1進行放電（注意，圖中I1是處于常開狀態(tài)，而電流源I2是處于常閉狀態(tài)的）。在設(shè)置好合適的放電電流和電容大小后，可以保證在一個周期內(nèi)，電容C1上的電壓值不會下降到反相器NOT1的翻轉(zhuǎn)門檻值，這樣就能保證同步使能信號SYNC_EN一直維持在高電平。由上述可知，此時系統(tǒng)的后續(xù)電路就將進行同步的一系列操作;而若超過了一定周期，這就意味著C1將會放電更久，C1上的電壓值就會而下降到使反相器NOT1翻轉(zhuǎn)的值，如此同步使能信號SYNC_EN就無法輸出持續(xù)為1，這表示電路無法對此外同步信號進行同步。這時候的電路是工作在上面分析過的第一種狀態(tài)，即系統(tǒng)產(chǎn)生的振蕩頻率是自身的振蕩頻率，為560KHZ。

高頻限制的原理跟低頻限制差不多，不同的是當(dāng)SYNC_MODE端加高頻外同步信號時，在信號的前幾個周期，電路會依照前面所介紹的原理對外補信號進行同步。并且系統(tǒng)會通過調(diào)整計數(shù)器的輸出nQ5～nQ1，使內(nèi)部振蕩頻率的大小趨向于外同步頻率。由于外同步頻率過高，系統(tǒng)在調(diào)整過程中，計數(shù)器的輸出nQ5～nQ1已經(jīng)達到00111，而系統(tǒng)的內(nèi)部振蕩頻率還未達到與外同步頻率一致。這時，由于nQ5和nQ4同時為0，圖4中電流源I2也將因為開關(guān)K1的導(dǎo)通而起作用，所以C1變成將通過I1和I2兩個電流源放電。在設(shè)置好適當(dāng)?shù)腎2放電電流大小后，電容C1上的高電平原來不能降到NOT1的翻轉(zhuǎn)值，現(xiàn)在在同樣的周期內(nèi)可以放電到致使反相器NOT1翻轉(zhuǎn)的門檻值，外同步信號SYNC_EN將不再保持為高電平。這也就意味著系統(tǒng)不再對外同步頻率進行同步。此時的系統(tǒng)是工作在內(nèi)部振蕩頻率上，其值等于頻率限制的最高值上，本系統(tǒng)將其設(shè)置為770KHZ。