基于MASH结构的多级电源调制器设计

　    本文提出了一种基于多阶噪声成型(MASH)结构控制的电源调制器，该调制器跟踪带宽超过100KHz，直流转换效率高达87%，并具有很小的电源纹波。

　　MASH调制器

MASH通过将几个低阶的sigma-delta调制器级联而成，前一级的量化误差作为后一级的输入，这样通过误差校正函数可以将前几级的量化误差抵消，调制器的最终输出只保留最后一级的量化误差，并将该误差噪声整型到高频区，从而使得量化器的通带信噪比大大提高。

一个典型的2阶MASH调制器如图1所示。其中为输入信号， 为输出信号，和分别为2个1-bit量化器的量化误差。

一阶sigma-delta调制器的传输函数为：(2)

在2阶MASH中，第一个sigma-delta调制器的量化误差作为第二个调制器的输入，因此MASH2的传输函数为：

传输函数中第一阶的量化噪声被抵消了，噪声中只剩下。同样地，可以推导出N阶MASH调制器的传输函数为：

量化噪声可以看作带限高斯白噪声，而系数则是一个线性相移的高通滤波器，幅频响应特性如图2所示。

bi

因此MASH调制器能将量化噪声推到高频，起到了噪声整形的作用。当输入信号的频率远小于系统采样率(即的输出码率)时，MASH调制器后接的低通滤波器能将大部分噪声滤除，使得。

在Simulink中，使用MASH2结构对一个100kHz的正弦波以5MHz速率调制，得到输出功率谱如图3所示，量化噪声功率都集中在高频区域，只要一个低通滤波器就可以获得大于40dB的信噪比。

        MASH结构控制的电源调制器

2阶MASH调制器有四种输出：2、1、0、-1，正好可用作四级开关电源的控制，如图4所示。MASH调制器输出2时，电压最高的电源打开，其余三个电源关断;输出-1时，打开电压最低的电源，其余关断;输出1或0时，同理。

假设这四级开关电源的电压从低到高依次为，由于MASH2调制器的输入在0～1之间，因此电源调制器的输出在之间，为了扩大电源的输出范围，需要MASH1和MASH2相结合。当输出电压在之间，使用MASH1;电压在之间，使用MASH2;电压在之间，使用MASH1。这种一阶和二阶MASH相结合的方式同时兼顾了输出电压范围和纹波大小。包络的采样值可分为整数和小数部分，假设采样ADC为10bit，高2bit为整数部分，有00、01、10三种取值，低8bit作为小数部分输入到MASH调制器，输入包络与输出电压之间的关系见表1所示。

由此，可计算得到电源调制器输出电压为：

其中第一项为对输入信号包络的跟踪输出电压，第二项即为电源的纹波，由于量化噪声被系数整型，因此纹波的能量都集中在高频。

　　MASH调制器的FPGA实现

如图5所示的一个累加器，传输函数为：

因此一个累加器即可实现一阶Sigma-Delta调制器结构，加法器的进位输出即为1bit量化输出，而加法器的和是量化误差的相反数。

前文所描述的MASH1和MASH2相结合的控制电路如图6所示。 为2bit整数部分，用以选择MASH1或MASH2的译码输出。 为8bit小数部分，范围在0～1之间，作为MASH调制器的输入。该电路在Xilinx的Spartan 3E平台上实现。

开关电源阵列设计

开关电源阵列主要采用MOSFET实现，如图7所示。

高速数字隔离器ISO722将FPGA产生的四个开关控制信号与右侧的开关电源隔离。MOSFET驱动选择MC33152，驱动电压选为15V，MOSFET为普通的IRF540，肖特基二极管IN5822用以防止当高电压MOSFET导通时，电流倒流进低电压的MOSFET管中。这四组电源输入选为8V、6V、4V、2V。

开关电源阵列后接一个4阶LC滤波器用以滤波开关噪声，如图8所示，其中以5Ω电阻负载来替代功放。该滤波器的幅频响应如图9所示。

　　测试结果

使用上述调制器生成如图10(a)所示的一个频率101kHz，幅值为1V～6.5V的正弦波(在负载电阻上测得)，可以看出其中间值处的纹波小于波峰和波谷处的纹波，这是因为MASH2的噪声远比MASH1的噪声小，这是本设计中采用MASH2和MASH1相结合的一个重要原因。图10(b)是FPGA产生的四个MOSFET的控制信号，高电平打开，低电平关断，在任一时刻有且只有一个MOSFET是打开的。

为了计算电源调制器的效率，使用该调制器在不同的开关频率下生成若干个直流电压加到5Ω电阻负载上，并记录下此时各组电源的输出电流，计算并绘制得到效率曲线如图11。

由测试结果可知，该电源调制器能获得高于87%的调制效率，开关频率越高，电源调制器的输出纹波越小，但其效率越低，因为此时MOSFET的开关功耗增大。