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最近几年,数字电源异军突起,发展迅猛。相较传统的模拟方式控制的电源,采用数字方式控制的电源易于集成,便于配置,灵活性高。随着工艺技术的进步,在纳米级别工艺下模拟电路设计遇到匹配、噪声和有效增益等问题的情况下,数字控制功率集成技术具有更加显而易见的可实现性与工艺兼容性。因此对需要集成电源管理功能的SoC应用来说,数字电源的优势尤为明显。典型的数字控制DC-DC变换器中,由模数转换器(ADC,Analog to Digital Converter)负责比较反馈电压与基准电压的大小并将其转换为数字误差信号,再通过数字补偿器(Digital Compensator)进行适当的补偿,最后经数字脉宽调制器(DPWM,Digital Pulse Width Modulation)形成一个占空比信号,实现对数字闭环系统的调控。其中,ADC的精度决定了数字控制DC-DC变换器的精度,ADC的增益对系统增益亦有贡献。与传统的ADC不同,数字控制DC-DC变换器对ADC在面积、转换速度和功耗上等问题上也提出了新的要求。传统的ADC不适合直接用在数字电源中,因此应用在数字电源中的新结构ADC的研究显得很有必要。本文在分析数字电源系统中对ADC的指标要求基础上,总结了目前常用的ADC结构,并进行了分析对比。在此基础上,本文基于0.13μm CMOS工艺,设计了一种适用于数字控制DC-DC变换器的ADC的结构,差分环形振荡ADC。差分环形振荡ADC由运算跨导放大器(OTA,Operational Transconductance Amplifier)和2个电流控制振荡器和数字计数器组成。OTA作为ADC模块的模拟前端(AFE,Analog Front End),将差分输入电压转换为差分电流,具有较大的共模输入范围;2个流控振荡器的计数结果输出之差表示了输入电流的偏差,具有很好的工艺稳定性。本文采用的差分环形振荡ADC结构采用与绝对温度成正比(PTAT,Proportional to absolute temperature)电流进行偏置,进一步抑制了工艺参数对温度的敏感性。在设计OTA和差分环形振荡ADC的基础上,整体仿真显示本文所述ADC具有20mV的最低有效位(LSB ,Least Significant Bit),DNL为0.641,INL为1.643。在2MHz采样率下,其功耗(包括模拟和数字后处理部分)为380μW(模拟部分供电3.3V,数字部分供电1.2V)。最后,差分环形振荡ADC经过后端设计和验证后,应用在一款数字控制DC-DC变换器芯片中。此数字控制DC-DC变换器芯片采用0.13μm 1P8M CMOS工艺流片。测试结果表明,本文所设计的差分环形振荡ADC表现出了良好的性能。整个变换器芯片可以稳定可靠工作,具有较高的负载调整率和瞬态响应能力。