數字控制PFC中3路8bits時分復用SARADC的設計

王青　汪榮昌

摘要：本文設計了3通道8bits時分復用SAR ADC，采用電荷再分配方法實現8位DAC，自校準比較器降低比較器的偏移誤差。所設計的模數轉換器采樣頻率1.6MHz，輸入電壓范圍為0-3.3V。該設計在Chartered 0.18μm工藝中實現，后仿真表明，當以1.6MHz采樣頻率采樣30kHz正弦輸入信號時，INL和DNL分別在-1.00LSB/+1.11LSB和-0.72LSB/+0.95LSB內。

關鍵詞：數字PFC控制器；逐次逼近型模數轉換器；時分復用

中圖分類號：TP303+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0003-02

數字控制的功率因數校正（PFC，Power Factor Correction）器以其可編程性、對噪聲的魯棒性、對參數變化的低敏感性等優點被越來越廣泛的選擇[1]。模數轉換器（ADC，Analog-to-Digital converter）是數字控制PFC整流器中一個重要的組成部分，它負責對整流器的反饋信號進行采樣，并將其提供給數字補償器[2]。

相比于高的采樣速度的流水線型ADC和高分辨率Σ-Δ型ADC，逐次逼近型（SAR，Successive Approximation Register） ADC具有低功耗、低成本和小的芯片面積，這使得它成為超大規模集成電路設計中一個有競爭力的選則[3]。

常規數字P FC整流器由于需要多個ADC對不同模擬量進行處理，使得成本較高。本文采用時分復用技術，只引入一個SAR ADC，來優化優化PFC芯片面積。

1 時分復用SAR ADC

圖1是時分復用SAR ADC的結構圖，包含DAC、比較器和一個數字邏輯電路。其中DAC的電容也作為采樣保持電容。在逐次逼近過程采用二進制搜索算法以獲得最佳數字值。模擬信號的采樣值與DAC所產生不同的參考電壓相比，比較的結果將決定DAC下一個輸出的反轉。當DAC的輸出與采樣信號相匹配，可以得到最佳的數字值。整個過程由數字控制邏輯電路來完成[3，4]。

1.1 DAC和采樣保持電路

電荷再分配法是DAC中經常采用的方法，因為它的電容陣列同時可用作采樣保持電容，這樣可以降低功耗[4，5]。一個典型的8bits并聯電容陣列如圖2所示，它包含二進制加權電容、開關和一個比較器。其轉換過程可分為三個階段。第一階段是采樣階段，這期間所有電容的上極板被連接到Vcm，下極板連接到輸入電壓Vin，開關SP1和SPD關閉來采樣Vin和共模電壓Vcm。第二級是保持級，在此期間關閉上板開關，下板連接到地。從采樣階段到保持階段，電容上極板不釋放電荷，因此電荷保持守恒，即Qs=QH。這兩個階段中電容上極板的電荷為：

（1）

第三階段是再分配階段。首先最大電容的下極板連接在參考電壓Vref上，Vref是從兩個相同的串聯電容上分壓使Vp以1/2Vref步長增加。如果Vp比Vcm大則認為是邏輯1，電容連接到Vref。否則就認為是邏輯0，電容連接到地。最后，下一個電容有效位被切換到Vref以進一步轉換。該位重復n次循環，直到所以數據完成轉換。

1.2 比較器

高速，低偏移，低功耗的比較器對SAR ADC非常有吸引力。雖然MOS晶體管技術可以實現高速低功耗，但是晶體管失配會導致比較器的失調電壓增加[6]。本文采用了一種自校準動態鎖存式低噪聲比較器。如圖3所示，由于采用了電荷泵電路替代前置放大器，所以此失調校準技術不需要靜態直流電流來消除偏移。與傳統的比較器相比，它不僅實現了低失調電壓，而且還實現了低功耗。在校準模式期間，比較器的所有輸入節點從信號輸入切換到共模電壓Vcm。在這種情況下，如果比較器的輸出為高電平，則電容器充電以提升Vc。否則Vc下降。C1/C2比值定義了校準的準確度。每個采樣周期對比較器進行校準，校準精度由C1/C2確定。

2 仿真結果

采用Chartered 0.18μm工藝實現所設計的ADC，其版圖如圖4所示，占版面積約為0.062mm2。在輸入30kHz信號時， INL在-1.00LSB/+1.11LSB之間（圖5），DNL在-0.72LSB/+0.95LSB之間（圖6）。

參考文獻

[1]Wanfeng Z， Guang F， Yan-Fei L. A Direct Duty Cycle Calculation Algorithm for Digital Power Factor Correction（PFC） Imlementation[C]. IEEE 35th Annual on Power Electronics Specialists Conference， Germany，2004：2326-2332.

[2]Chao Y， Ye Z， Yumei Z. A Design of Embedded SAR ADC for Digital PFC[J]. Micro. & computer，2011，28（2）：77-81.

[3]Tong S， Dongmei L. Overview of Successive Approximation Analog-to-Digital Converters[J]. Micro.，2007，37：523-530.

[4]Peilei X. A Design of 10-bit SAR ADC[D]. Chengdu： University of Electronic Sci. and Tech. of China，2010.（Chinese）

[5]Hwang-Cherng C， Yi-Hung C. 1V 10-bit successive approximation ADC for low power biomedical applications[C]. 18th European Conference on Circuit Theory and Design，2007：196-199.

[6]Masaya Miyahara， Yusuke Asada， Daehwa Paik and Akira Matsuzawa. A Low-Noise Self-Calibrating Dynamic Comparator for High-Speed ADCs[C]. IEEE Asian Solid-State Circuits Conference， Japan，2008：269-272.