在寬負載值範圍上提供高效率的電路和方法與流程

2023-06-05 00:30:41 2

f·馬默帝、j·t·多伊爾、c·張、z·傅

相關申請的交叉引用

本申請要求於2014年10月23日提交的美國臨時專利申請號62/067,897的優先權和權益，其通過援引全部納入於此。

本申請涉及電壓轉換器，尤其涉及同步降壓轉換器的反饋控制。

背景技術：

一些常規電壓轉換器系統包括並聯布置以向負載提供電流的多個降壓轉換器。一般而言，隨著負載汲取較多的電流，電壓轉換器可激活較多的降壓轉換器，並且隨著負載汲取較少的電流，電壓轉換器可激活較少的電壓轉換器。在一些示例中，並聯的降壓轉換器電路可被稱為相(phase)，且電壓轉換器被稱為多相降壓轉換器。

此類系統的能量效率可被定義為例如輸入電流除以輸出電流，其中值1將為100％效率。各種常規電壓轉換器在不同的負載電流下呈現不同的效率。此外，雖然一些常規系統可激活較多的降壓轉換器以處置較多的電流，但是對於給定量的功耗而言簡單地激活較多的降壓轉換器可能不會提高效率，並且實際上在一些場景中可能降低效率。相應地，存在在寬負載值範圍上提高多相降壓轉換器的效率的需要。

附圖簡述

圖1是解說用於提供恆定的或幾乎恆定的輸出電壓的示例反饋環路的架構圖。

圖2是實現圖1的實施例的反饋環路的另一種方式的示例解說。

圖3是包括右側的圖例的圖表的示例解說，該圖例解釋了示例實施例的五個不同的離散相/支路配置設置。

圖4是選擇和應用相/支路配置設置的示例方法的流程圖的解說。

詳細描述

本文中所公開的是一種使用脈寬調製(pwm)來在寬負載範圍上提供高水平的效率的電路和方法的實施例。反饋環路包括具有多個相的同步降壓轉換器，並且每一相具有多個開關支路。對於給定的負載值而言，支路和相的哪些組合提供較高水平的效率是預先已知的。當反饋環路操作時且當負載值改變時，電流傳感器將電流的值(負載的代理)反饋至控制器，該控制器選擇適於該特定負載值的開關支路和相的數目。

圖1是解說用於提供恆定的或幾乎恆定的v輸出的示例反饋環路的架構圖。pwm控制器102接收參考電壓(vref)以及提供v輸出的值的反饋信號，並響應於vref與v輸出之差而輸出pwm信號。pwm控制器102通過調節pwm信號的佔空比來調製該pwm信號。通常，pwm信號的較大佔空比增大同步降壓轉換器110的輸出處的電壓，並且pwm信號的較小佔空比減小同步降壓轉換器110的輸出處的電壓。以此方式，pwm控制器102持續地調節pwm信號的佔空比以保持v輸出幾乎恆定。

相位生成器104從pwm控制器102接收pwm信號並且通過調節其相位或產生具有不同相位的多個不同信號來處理pwm信號。例如，相位生成器104可為耦合的反相器產生不同的信號，或者可為多相降壓轉換器產生不同的信號。如參照圖2更詳細地討論的，電路102和104可以作為集中式控制器的一部分來提供，且電路106、108、和110解說了多相降壓轉換器的單個相併且是與集中式控制器分開的模塊的一部分。圖1僅解說了單個相，但是應理解，在一些實施例中，存在多個相以及多個模塊(每個模塊屬於特定的相)，且集中式控制器根據本文中進一步描述的邏輯來打開和關閉這些模塊。進一步，在一些實施例中，集中式控制器和眾多的模塊可以全部在相同的半導體管芯上。

失效時間生成器106接收pwm信號且輸出用於多相降壓轉換器的每個相的兩個控制信號。同步降壓轉換器110的每個相包括兩組開關支路111，並且這兩組開關支路中的每一組開關支路對應於由失效時間生成器106產生的相應的控制信號。第一控制信號與第二控制信號之間的相位差影響開關支路組111的操作定時，由此限定了同步降壓轉換器110中的失效時間以避免或減少擊穿和體二極體損耗。

這兩個控制信號是從失效時間生成器106輸出的並且由開關驅動器108接收。開關驅動器108包括緩衝器驅動器，這些緩衝器驅動器增加每個控制信號的功率以便提供足以打開或關閉降壓轉換器110內的開關111的功率。

降壓轉換器110接收v輸入，該v輸入在一些實施例中是來自半導體管芯上的電源軌的功率信號。在其他實施例中，v輸入可包括來自電池或其他電壓源的功率。開關支路111根據來自開關驅動器108的控制信號來斷開和閉合。開關支路111、電感器112、以及電容器113的操作在v輸出處提供穩定的輸出電壓。同步降壓轉換器110可包括現在已知或以後開發的任何同步降壓轉換器，並且在一些實施例中可以包括根據所接收到的控制信號的佔空比來降低來自v輸入的電壓的常規同步降壓轉換器110。如果v輸出下降或升高，則由pwm控制器102看見電壓改變，該pwm控制器102調節pwm信號的佔空比以將v輸出處的電壓返回至期望電平。類似地，圖1的系統100內的i2r功率損耗影響反饋環路的操作。具體而言，系統組件中的i2r損耗致使pwm控制器102將pwm信號的佔空比增大到足以計及那些損耗。

圖2是解說圖1的實施例的反饋環路的另一種方式。在圖2中，v輸入被示為vdd。在片上系統(soc)實施例中，負載(未示出)可包括例如處理核、數據機等等。然而，各實施例的範圍不限於soc。

圖2解說了可個體地選擇的多個降壓轉換器相115a-n。為了便於解說，以下討論專注於降壓轉換器相115a，但是應理解，每個可個體地選擇的降壓轉換器相115在結構上基本上類似且具有基本上相同的被選擇或被取消選擇的能力。

降壓轉換器相115a包括兩組開關支路111ax和111ay，其分別從圖1的失效時間生成器106接收第一和第二控制信號。每組開關支路111被示出其中具有三個電晶體，但是應理解，諸實施例的範圍包括具有任何恰適數目的電晶體的開關支路組。開關支路組111ax包括pmos電晶體，且開關支路組111ay包括nmos電晶體。每個nmos電晶體對應於一個相應的pmos電晶體，且對於可被選擇的每個支路，該支路包括對應的nmos和pmos電晶體一起。由此，這些支路是各自並聯的且每個支路包括一個pmos和一個nmos電晶體。由於這些支路是並聯的，因而更多的支路允許更多的電流經過降壓轉換器。一般而言，隨著消耗更多的電流，更多支路可被打開，且隨著消耗較少的電流，支路可被關閉。

降壓轉換器相115a還包括電流傳感器119a。電流傳感器119在它們相應的相下測量電流並且向電流處理器116傳遞指示電流的信息。佔空比測量118測量被饋送至支路中的電晶體的pwm信號的佔空比，以及向電流處理器116傳遞迴指示佔空比的值的信息。

每個降壓轉換器相115是可個體地選擇的，並且每個降壓轉換器相115處置一定量的電流。一般而言，隨著負載汲取更多的電流，系統可添加更多的相，且隨著負載的電流消耗下降，系統可減少它使用的相的數目。在這一示例中，時鐘生成器104通過打開至相應相的時鐘來選擇該相。類似地，時鐘生成器104通過關閉至相應相的時鐘來取消選擇該相。時鐘生成器104在電流處理器116的控制下起作用以選擇或取消選擇各相。電流處理器116自己打開和關閉個體相內的開關支路。由此，在這一示例中，降壓相115它們自己是可個體地選擇的，如同每個個體相115內的開關支路是可個體地選擇的。

圖1和2的系統是pwm系統，且pwm可跨一定範圍的負載值呈現變化的效率。圖3使用跨一定範圍的負載值的不同相/支路配置設置來解說圖2的系統內的效率。圖3解說了尤其在低負載值的情況下，效率在不同的相/支路配置設置之中極大地變化。

圖3包括右側的圖例，該圖例解釋了五個不同的離散相/支路配置設置。例如，頂部上列出的設置指示了一個相的使用，以及還指示「w＝1000μm」。在這一示例中，每個開關支路等於約500μm，所以在圖例頂部處列出的配置設置指示應當使用單個相和兩個開關支路。向下移動至第三個示例相/支路配置設置，其指示使用四個相併且還指示「w＝2000μm」。因此，該配置設置使用四個相，其中每個相具有四個開關支路。

各種實施例包括限定相/支路配置設置的數目，其中圖3的示例實施例具有五個預定義的配置設置。每個配置設置具有與負載值相關聯的不同的性能參數。例如，圖例中的第一相在最小負載(0.1a的負載)的情況下具有85％的最佳效率，而圖例中的倒數第二個配置設置在最小負載的情況下提供最差效率55％。通過建模和/或測試，預先已知每個配置設置之中的操作效率的差異。例如，在特定系統被製造之前，圖3的圖表中的信息作為管芯或其他系統的設計的一部分是已知的。

關於在每個不同負載水平情況下的每個不同配置設置的信息可使用任何恰適的數據結構(諸如查找表等)來存儲至例如控制器116內的存儲器在這一示例中，控制器116在製造期間被編程為包括關於每個不同負載水平情況下的每個不同配置設置的信息。另外，在這一示例中，控制器116被設計為狀態機，以使得當它從電流傳感器119接收到關於負載值的信息時選擇並且應用恰適的配置設置。

在一個操作示例中，電流傳感器119向處理器116發送回電流數據(其描述負載)，該處理器116聚集電流傳感器信息以生成由該負載汲取的電流的綜觀。在某些時間或周期性地，處理器116使用負載值來選擇恰適的配置設置，諸如在測量負載時已知的提供最高效率的配置設置。

例如，當圖2的系統工作時，操作電路116確定負載正在汲取0.5a並且使用查找表的值來確定具有兩個活躍的相以及每個相具有兩個開關支路的配置設置對於該負載值而言是最高效的配置設置。在稍後的時間，操作電路116確定負載正在汲取2.1a，所以操作電路116使用查找表的值來確定圖3的倒數第二個圖例所列出的配置設置提供最高效率，所以電路116激活四個相以及每個相九個開關支路。操作電路116周期性地或者在其他合意時間重複該過程以確保隨著負載的變化而進行高效的操作。

在一個實施例中，系統的開關頻率是250mhz，且電流傳感器119可以每4ns提供一電流測量。在大多數情況下，那將比負載改變的速率快得多。所以在每個時鐘循環期間測量電流以及選擇配置設置可能是浪費的或低效的，因此一些實施例以較大的間隔來執行測量和改變。當然，本文中描述的原理可被應用於任何恰適的時鐘頻率以及任何恰適的電流測量速率，因為在此討論中提供的那些僅是示例。另外，與給定效率相關聯的相的數目和支路的數目是舉例而言的，且應當理解，其他系統可包括更多或更少的預定義的配置設置，這些配置設置與這裡列出的那些配置設置不同且在不同的負載值下具有不同的效率。

一些實施例的優點是它們可以使用pwm來在寬負載值範圍上提供高效率。相應地，一些系統可排他地使用pwm並且避免使用脈衝頻率調製(pfm)，該脈衝頻率調製可能由於不想要的諧波和可能難以設計的寬頻率範圍而在處理器系統中較難實現。。使用pwm而不是在pfm與pwm之間切換的一些實施例的益處是消除與在pwm與pfm之間來回切換相關聯的複雜度以及轉換範圍中相關聯的效率下降。

在圖4中解說了選擇和應用相/支路配置設置的示例方法400的流程圖。在一個示例中，由邏輯電路(諸如圖2的控制器116)來執行方法400以激活或停用同步降壓轉換器中的數個開關支路和/或相。在包括反饋環路和保持在幾乎恆定電壓下的同步降壓轉換器的系統(諸如圖1和2的系統)中執行方法400。降壓轉換器由pwm信號來控制，其中pwm信號的佔空比的調節使降壓轉換器降低或提升輸出電壓。在這一示例中，邏輯電路包括連同關於一定範圍的負載值的效率信息一起存儲關於多個配置設置的信息的存儲器。

在動作410處，邏輯電路測量降壓轉換器的負載。例如，邏輯電路可以從與降壓轉換器的可個體地選擇的相相關聯的多個電流傳感器接收信息。在這一示例中，電流給出對負載的指示，因為電壓被保持在幾乎恆定的電平下。

在動作420處，邏輯電路標識與測得的負載值下的期望效率水平相關聯的配置設置。在一個示例中，邏輯電路標識與測得的負載值下的最高效率水平相關聯的配置設置。在其中多於一個配置設置可能針對測得的負載值呈現最高效率水平的示例中，邏輯電路可使用任何恰適的算法來選擇這些配置設置之一。另外，諸實施例的範圍不限於選擇與最高效率水平相關聯的配置設置，因為在其他實施例中，其他因素可能在選擇中起作用。

在動作430處，邏輯電路應用所標識的配置設置。在圖2的示例中，邏輯電路116指令時鐘生成器104根據所標識的配置設置來向活躍的相提供時鐘以及不向不活躍的相提供時鐘。在圖2的示例中，邏輯電路116打開每個相內期望數目的開關支路。

在動作440處，邏輯電路周期性地或按需重複動作410到430的過程。例如，負載的改變可影響給定配置設置的效率。相應地，動作440在降壓轉換器操作時在進行中的基礎上提供標識和應用恰適的配置設置。

諸實施例的範圍不限於圖4中示出的特定方法。其他實施例可添加、省略、重新安排、或修改一個或多個動作。例如，方法400可以是將降壓轉換器保持在幾乎恆定值下的較大反饋操作的一部分(以上參照圖1更詳細地描述了該較大反饋操作)。

另外，一些實施例可進一步包括調節pwm信號的頻率。例如，一些方法可包括調節諧波相關值中的時鐘。在一些實例中，降低奇次諧波下的開關頻率可能不會改變頻譜，由此由系統100的操作生成的rf幹擾可以保持大致相同。還可在一些實施例中使用偶次諧波，因為電流波形是三角形的。對於低負載而言，以具有相同時鐘參考的受控方式來降低pwm模式中的開關頻率也可提供功率和效率益處。

以上提及，在圖1的反饋系統100中，藉由反饋環路將v輸出保持在幾乎恆定的電平下，通過pwm信號的佔空比的增加來補償系統內的功率損耗。由此，可歸因於對降壓轉換器110的低效使用的功率損耗導致pwm信號的較大佔空比。作為以上使用查找表和狀態機來描述的實施例的補充或替換，各種實施例通過針對給定負載標識最小佔空比來標識期望的支路/相配置設置。由此，在另一示例中，圖2的系統針對給定負載周期性地嘗試多個設置且跟蹤每個設置如何影響pwm信號的佔空比。系統使用測量電流118來測量佔空比。針對給定負載的與最小佔空比相關聯的配置設置一般被認為是最高效的配置設置，且系統可選擇並應用該配置設置。系統隨後周期性地或按需使用pwm佔空比最小化來重新校準。在圖2的系統中，佔空比測量電流118可包括例如延遲鎖定環路(ddl)或準確地測量脈衝寬度且能將該脈衝寬度報告給電流處理器116的其他恰適的設備。電流處理器116隨後使用脈衝寬度信息和配置設置信息來揀選使脈衝寬度最小化的配置設置。

如本領域普通技術人員至此將領會的並取決於手頭的具體應用，可以在本公開的設備的材料、裝置、配置和使用方法上做出許多修改、替換和變化而不會脫離本公開的精神和範圍。有鑑於此，本公開的範圍不應當被限定於本文所解說和描述的特定實施例(因為其僅是作為本公開的一些示例)，而應當與所附權利要求及其功能等同方案完全相當。