張永水 邢建力

【摘要】本文介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)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(gè)功能：一是在未加同步信號(hào)時(shí)提供自身的內(nèi)部振蕩頻率;二是當(dāng)存在外同步信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)利用數(shù)字技術(shù)能夠?qū)ν獠啃盘?hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的同步頻率輸出;三是在同步過(guò)程中，系統(tǒng)將會(huì)記住這一外加信號(hào)頻率值，并且在外部信號(hào)突然斷開(kāi)之后使電路繼續(xù)工作在與原本所加的外同步信號(hào)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(jìn)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(kù)對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，能夠得到較好的預(yù)想效果。

【關(guān)鍵詞】外同步;簡(jiǎn)單實(shí)用;記憶功能

一、引言

電源管理應(yīng)用中，很多時(shí)候需要用到多塊芯片進(jìn)行同時(shí)操作，而由于工藝和制造產(chǎn)生的失配誤差會(huì)使得即使是相同型號(hào)的芯片，其內(nèi)部的振蕩頻率也會(huì)出現(xiàn)一些誤差。為了消除多個(gè)頻率接近的芯片并聯(lián)或者串聯(lián)產(chǎn)生的差頻噪聲問(wèn)題，需要通過(guò)芯片的同步功能使得各個(gè)芯片間能夠同時(shí)工作在一個(gè)頻率上[1]。同時(shí)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(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)于同步外部頻率可以不需要那么精確的頻率，因?yàn)樾酒旧砭涂梢允峭揭粋€(gè)范圍的頻率，所以對(duì)于芯片內(nèi)部的工作頻率不必那么精確。注意兩個(gè)易混淆的詞，一個(gè)是片間頻率需要準(zhǔn)確相等，才用到同步單元;另一個(gè)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(jì)有三個(gè)功能，這也是對(duì)于純同步單元或者是利用常規(guī)鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相同步所擁有的三個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1）當(dāng)外部沒(méi)有同步頻率時(shí)，電路自身能夠產(chǎn)生一個(gè)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(méi)有加信號(hào)時(shí)，本身是不能提供一個(gè)穩(wěn)定的工作頻率的[2]。對(duì)于純粹的同步單元也是如此。

（2）利用數(shù)字技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部頻率的準(zhǔn)確同步。相對(duì)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(jì)[3]，雖然系統(tǒng)不能對(duì)外部頻率實(shí)現(xiàn)像常規(guī)鎖相環(huán)那樣非常精確的鎖相同步，但是對(duì)于芯片工作來(lái)說(shuō)誤差是可以接受的范圍，這就使得本系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)外部同步的電路顯得簡(jiǎn)單、實(shí)用。

（3）當(dāng)系統(tǒng)加外部同步信號(hào)一段時(shí)間后，由于未知原因使得所加同步信號(hào)出現(xiàn)斷開(kāi)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(shí)才同步或鎖相，而當(dāng)斷開(kāi)外部信號(hào)時(shí)，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(cuò)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(qiáng)。

當(dāng)然，本同步系統(tǒng)電路相對(duì)于常規(guī)鎖相環(huán)而言也有其缺點(diǎn)，一個(gè)是鎖定頻率不如常規(guī)鎖相環(huán)精確;另一個(gè)是沒(méi)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(shí)際特性，這兩點(diǎn)都是可以忽略的。首先，對(duì)于片內(nèi)工作頻率，芯片本身就是設(shè)定為一個(gè)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(duì)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(méi)有必要這么寬的鎖定范圍[4]。同時(shí)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(jì)了一個(gè)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(hào)時(shí)，系統(tǒng)自身振蕩工作頻率是560KHZ。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hào)端SYNC_MODE沒(méi)有加同步信號(hào)，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(rèn)模塊SYNC_Comfirmed的輸出SYNC_OSC_Comfirmed為1，表示沒(méi)有外同步信號(hào);使能信號(hào)Counter&Inner_OSC_EN為1，表示內(nèi)部振蕩頻率可用，并且該信號(hào)經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器輸出一個(gè)計(jì)數(shù)器使能信號(hào)Counter_EN=1給雙向計(jì)數(shù)器模塊Bothway_Counter，表示計(jì)數(shù)器使不能。此時(shí)的計(jì)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(gè)信號(hào)接到調(diào)整頻率輸出模塊Regulator_OSC_Out中，作為五個(gè)給電容C0充電的電流源的開(kāi)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(gè)電流源的電流值設(shè)置比例為16：8：4：2：1，以此來(lái)表示每次計(jì)數(shù)減少一位，只增加一個(gè)單位的總充電電流。因?yàn)榉烹婋娏髟O(shè)置為一個(gè)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(hào)接到比較器[5]的輸入端，與所加的偏置電壓進(jìn)行比較后輸出一個(gè)方波脈沖OSC2，然后經(jīng)過(guò)Regulated_OSC_Out模塊中的調(diào)整形成一個(gè)負(fù)反饋而輸出最終脈沖OSC。

當(dāng)有加外同步信號(hào)時(shí)，如果信號(hào)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(rèn)模塊SYNC_Comfirmed會(huì)用四個(gè)周期來(lái)確認(rèn)是否是真實(shí)的有加外同步信號(hào)，而不是一時(shí)的噪聲或者是其他影響，若四個(gè)周期后確認(rèn)了是有加同步信號(hào)，則SYNC_Comfirmed模塊將輸出經(jīng)過(guò)整形和取樣的外同步信號(hào)，即為SYNC_OSC_Comfirmed確認(rèn)同步信號(hào)。并且使能信號(hào)Counter&Inner_OSC_EN變?yōu)?，意味著內(nèi)部頻率將被屏蔽。在確認(rèn)是否同步的四個(gè)周期內(nèi)，電路還是按照原本的內(nèi)部振蕩頻率進(jìn)行工作。而在四個(gè)周期之后，電路同步工作只是利用Regulated_OSC_Out模塊中幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字門電路來(lái)屏蔽之前的內(nèi)部振蕩頻率，轉(zhuǎn)而將外同步頻率確認(rèn)信號(hào)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(hào)變?yōu)?，D觸發(fā)器觸發(fā)使得雙向計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)Counter_En變?yōu)?，使得雙向計(jì)數(shù)器[6]可以工作。Counter_EN為0，表示計(jì)數(shù)器內(nèi)部的RS_D觸發(fā)器中的R、S兩端同時(shí)都為0，輸出nQ5～nQ1將可以隨著振蕩周期而計(jì)數(shù)（但是此時(shí)的計(jì)數(shù)器啟動(dòng)信號(hào)Counter_clk_EN還沒(méi)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(hào)，只是屏蔽掉內(nèi)部振蕩頻率在Regulated_OSC_Out模塊中對(duì)最終輸出OSC的影響，但是內(nèi)部振蕩頻率還是會(huì)根據(jù)計(jì)數(shù)器對(duì)五個(gè)給C0充電的電流源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)調(diào)整頻率，使之不斷與外部所加的信號(hào)頻率相等。正是由于內(nèi)部振蕩頻率會(huì)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(hào)斷開(kāi)之后繼續(xù)工作在原來(lái)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(hào)與兩個(gè)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(huì)比AMP2大一點(diǎn)，并且當(dāng)電容電壓大于比較器AMP1的門檻值Ref1時(shí)，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(shí)，輸出OSC2將變高。輸出的兩個(gè)振蕩信號(hào)OSC1和OSC2進(jìn)入到鑒相器進(jìn)行鑒相以決定計(jì)數(shù)器是實(shí)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(gè)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(gè)上升沿D觸發(fā)器和一個(gè)異或門構(gòu)成，D觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)鐘邊沿是最終輸出的頻率OSC。值得注意的是，此時(shí)的同步過(guò)程，實(shí)際上跟其余模塊，比如計(jì)數(shù)器、鑒相器和比較器，甚至是調(diào)整輸出模塊中的五個(gè)充電電流源都無(wú)關(guān)。此時(shí)的同步，只是在Regulated_OSC_Out模塊中，簡(jiǎn)單的利用幾個(gè)數(shù)字門電路，將從確認(rèn)模塊來(lái)的SYNC_OSC_Comfirmed外同步信號(hào)直接調(diào)整輸出。而鑒相器利用此時(shí)的輸出同步頻率對(duì)OSC1和OSC2進(jìn)行取樣和比較，其實(shí)就是一個(gè)外部頻率和內(nèi)部頻率比較的過(guò)程。在OSC上升沿時(shí)，對(duì)OSC1和OSC2進(jìn)行比較，當(dāng)是圖3第一種情況時(shí)，采樣得到OSC1和OSC2為0、1，表示此時(shí)在所給的同步信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，電容C0的充電電流過(guò)大，導(dǎo)致電容C0上的電壓升到很大的值。異或門得到的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能信號(hào)Counter_clk_EN為1，表示計(jì)數(shù)器模塊開(kāi)始計(jì)數(shù)，而得到的U_D=nOSC1=1，對(duì)于nQ5～nQ1而言，表示計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，這樣就會(huì)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(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，電容C0的充電電流過(guò)小，幾乎都不足以讓兩個(gè)比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。異或門同樣得到Counter_clk_EN為1，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，而此時(shí)的U_D為0，表示計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)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(gè)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(shí)，OSC對(duì)OSC1和OSC2的采樣才會(huì)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(duì)外部同步信號(hào)的頻率記憶完畢，隨時(shí)可以為系統(tǒng)提供持續(xù)性的與所加同步信號(hào)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(shí)為0的情況，因?yàn)樯鲜鎏徇^(guò)這兩個(gè)比較器對(duì)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)在采樣時(shí)，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(guò)本系統(tǒng)主要是為高頻上的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，比如電源管理中的DC/DC應(yīng)用。針對(duì)于此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率限制的模塊用來(lái)限制同步的頻率，以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)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(jì)

由于不管外同步信號(hào)的占空比是多大，經(jīng)過(guò)整形和取樣模塊后，得到SYNC_OSC_Freq信號(hào)都只是一個(gè)占空比很小的窄脈沖。在脈沖為高電平時(shí)，晶體管Q1將導(dǎo)通，Q1作為一個(gè)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(hào)SYNC_EN為1。對(duì)于頻率較低時(shí)，外同步信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)除了窄脈沖為高電平時(shí)，其他更多的時(shí)間Q1是處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)電容將通過(guò)電流源I1進(jìn)行放電（注意，圖中I1是處于常開(kāi)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(gè)周期內(nèi)，電容C1上的電壓值不會(huì)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(hào)SYNC_EN一直維持在高電平。由上述可知，此時(shí)系統(tǒng)的后續(xù)電路就將進(jìn)行同步的一系列操作;而若超過(guò)了一定周期，這就意味著C1將會(huì)放電更久，C1上的電壓值就會(huì)而下降到使反相器NOT1翻轉(zhuǎn)的值，如此同步使能信號(hào)SYNC_EN就無(wú)法輸出持續(xù)為1，這表示電路無(wú)法對(duì)此外同步信號(hào)進(jìn)行同步。這時(shí)候的電路是工作在上面分析過(guò)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(hào)時(shí)，在信號(hào)的前幾個(gè)周期，電路會(huì)依照前面所介紹的原理對(duì)外補(bǔ)信號(hào)進(jìn)行同步。并且系統(tǒng)會(huì)通過(guò)調(diào)整計(jì)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(guò)高，系統(tǒng)在調(diào)整過(guò)程中，計(jì)數(shù)器的輸出nQ5～nQ1已經(jīng)達(dá)到00111，而系統(tǒng)的內(nèi)部振蕩頻率還未達(dá)到與外同步頻率一致。這時(shí)，由于nQ5和nQ4同時(shí)為0，圖4中電流源I2也將因?yàn)殚_(kāi)關(guān)K1的導(dǎo)通而起作用，所以C1變成將通過(guò)I1和I2兩個(gè)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(lái)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(hào)SYNC_EN將不再保持為高電平。這也就意味著系統(tǒng)不再對(duì)外同步頻率進(jìn)行同步。此時(shí)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。