在同步降壓轉換器處提供死區時間調節的電路和方法與流程

2024-03-06 19:52:15

j·t·多伊爾、f·馬默帝、c·張、z·傅、s·沙赫魯尼亞

相關申請的交叉引用

本專利申請要求於2014年10月23日提交的美國臨時專利申請號62/067,906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。

附圖簡要說明

圖1是解說用於提供恆定或幾乎恆定的輸出電壓的示例反饋環路的架構圖。

圖2是根據一些實施例的可被用在本文的示例架構中的任一者中的示例性同步降壓轉換器的圖解。

圖3示出了供在一些實施例中使用的示例死區時間生成器。

圖4是根據一個實施例的圖3的第一和第二控制信號的下降沿的圖解。

圖5是根據一個實施例的用於將死區時間設為期望值的示例系統的圖解。

圖6是根據一個實施例的一種選擇和應用死區時間的示例方法的流程圖的圖解。

圖7示出了根據一個實施例的提供對死區時間的控制的另一示例系統。

圖8示出了可用在各種實施例(諸如圖7的實施例)中的數字脈寬調製器(dpwm)的一個示例電路實現。

詳細描述

本文公開了用於在電壓調節器中高效使用功率的電路和方法的實施例。在一個實施例中，同步降壓轉換器被包括在反饋環路中，其中同步降壓轉換器的輸出電壓被反饋到脈寬調製器(pwm)控制器。pwm控制器使用電壓輸出反饋來調節影響同步降壓轉換器操作的pwm信號的佔空比。反饋環路通過調節pwm信號來保持電壓輸出幾乎恆定。

同步降壓轉換器在其開關處接收兩個控制信號，其中該兩個控制信號具有定義開關的死區時間的相位差。另一反饋環路選擇相位差的期望值以使得同步降壓轉換器中的死區時間被優化。

圖1是解說用於提供恆定或幾乎恆定的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，並且響應於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。一般而言，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，而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可產生用於耦合的反相器的不同信號，或者可產生用於多相降壓轉換器的不同信號。然而，為了易於解說，本文將不進一步討論相位生成器104的操作，並且此示例假定死區時間生成器106接收pwm信號或者非常類似於pwm信號的信號。

死區時間生成器106接收pwm信號並且輸出兩個控制信號。如以下更詳細地解釋的，同步降壓轉換器110包括兩個開關111，並且這些開關中的每個開關與由死區時間生成器105產生的相應控制信號相對應。同樣，如以下更詳細地解釋的，第一控制信號與第二控制信號之間的相位差影響開關111的操作定時，由此定義了同步降壓轉換器110中的死區時間。本文所描述的各種實施例將第一控制信號與第二控制信號之間的相位差調節到期望值以節省同步降壓轉換器110處的能量。以下還參照圖3和5更詳細地描述了死區時間生成器106的操作和期望死區時間的選擇。

這兩個控制信號從死區時間生成器106輸出並且由開關驅動器108接收。開關驅動器108包括緩衝器驅動器，其增大控制信號中的每一者的功率以便提供足以導通和關斷降壓轉換器110內的開關111的功率。

降壓轉換器110接收v輸入，在一些實施例中v輸入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111根據來自開關驅動器108的控制信號來斷開和閉合。開關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包括根據收到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輸出降低或升高，則電壓變化被pwm控制器102看見，該pwm控制器102調節pwm信號的佔空比以將v輸出處的電壓返回到期望電平。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1未示出用於優化死區時間生成器106處的死區時間的控制環路。然而，圖1示出了其中死區時間反饋環路可被添加的針對電壓控制器的反饋環路。以下進一步描述的圖5示出了添加到圖1的反饋環路的第二控制環路以使得降壓轉換器110處的死區時間被設為期望值。

圖2是可被用作圖1的實施例中的降壓轉換器110的示例性同步降壓轉換器的圖解。在圖2中，v輸入被示為vdd，並且在v輸出與地之間示出了負載114。在片上系統(soc)實施例中，負載114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解說了兩個開關s0和s1，這些開關從圖1的死區時間生成器106接收第一和第二控制信號。同步降壓轉換器(諸如降壓轉換器110)可能經歷被稱為「擊穿」的現象，該現象包括其中s0和s1兩者均傳導電流達一時間量、由此允許vdd直接耦合到地的短路狀況。擊穿一般是不期望的，因為它是功率損耗，並且常規同步降壓轉換器算法尋求減少或消除擊穿。另一方面，如果s0和s1兩者同時關斷，則電感器112可將電流從地拉引通過s1的主體(體二極體功率損耗)，這也是功率損耗。

圖3示出了供在一些實施例中使用的示例死區時間生成器(dtg)106。死區時間生成器106接收pwm信號作為輸入，並且輸出以在s0和s1的切換中提供死區時間(其間s0和s1兩者均關斷的時間)的方式相移的兩個控制信號。該死區時間足夠長以使得不存在其中s0和s1兩者同時導通的時間段，但是足夠短以使得最小化或消除體二極體功率損耗。

在死區時間生成器106的左手邊解說了在一些實施例中將被死區時間生成器106接收的示例pwm信號。在死區時間生成器106的右手邊解說了由死區時間生成器106輸出的兩個控制信號。控制信號中的第一控制信號由虛線表示，而第二控制信號由實線表示。在圖2的示例中，第一控制信號(以虛線)被饋送到pmos開關s0的柵極，而第二控制信號(以實線)被饋送到nmos開關s1的柵極。當這兩個控制信號均為高時，開關s0關斷而開關s1導通；當這兩個控制信號均為低時，開關s0導通而開關s1關斷。

圖3中值得注意的是pwm信號是具有由分數d表示的佔空比的方波。從死區時間生成器106輸出的第一和第二控制信號是pwm信號的經稍微修改的版本並且具有相同或相似的佔空比。死區時間生成器106的控制輸入(cntrl)允許死區時間的值程序化設置，如以下更詳細地描述的。

圖4是根據一些實施例的圖3的第一和第二控制信號的下降沿的圖解。實線信號和虛線信號兩者的幅度通常是相同的，但是在圖4中被示為彼此偏移以將虛線信號與實線信號區分開。圖4是被標記以示出相位差401(也被稱為「死區時間」)的圖3的第一和第二控制信號的放大摘錄。死區時間401可以時間的形式來表達，以使得在一些實施例中死區時間的範圍可以在50與500ps之間，儘管實施例的範圍不限於死區時間的任何特定值。如果死區時間401較小，則同步降壓轉換器110可能經歷擊穿。另一方面，如果死區時間401較大，則同步降壓轉換器110可能經歷體二極體功率損耗。然而，在此實施例中存在使同步降壓轉換器110的功率損耗最小化的死區時間401的值。

在圖1的反饋系統100中，由於反饋環路將v輸出保持為幾乎恆定的電平，系統內的功率損耗通過pwm信號的佔空比的增大來補償。由此，降壓轉換器110中歸因於或擊穿或體二極體功率損耗的功率損耗導致pwm信號的較大佔空比。各種實施例通過標識給定負載的最小佔空比來標識死區時間401的最優值。

圖5是根據一個實施例的用於將死區時間設為期望值的示例系統500的圖解。示例系統500是圖1的系統100的經修改版本，其中控制反饋迴路被添加以調節死區時間。調節pwm信號以便保持v輸出近乎恆定的較大控制反饋環路與以上參照圖1所描述的那樣相同地操作。圖5的系統進一步包括pwm測量電路510和控制邏輯520以程序化調節死區時間生成器106處的死區時間設置。

在一個示例實施例中，系統500假定負載114是恆定的。當然，在真實世界系統中，負載114可能不保持恆定。然而，對於相對較短的時間段，系統假定負載114是恆定的以使得可為該負載標識最小pwm信號。當較大反饋環路操作時，pwm測量電路510測量pwm信號的佔空比。在一個示例實施例中，pwm測量電路510可包括具有眾多抽頭的延遲鎖相環(dll)，該dll具有小到足以精確地測量pwm信號的佔空比的解析度。例如，在其中死區時間的範圍可在50與500ps之間的系統中，合適的精確度等級在dll具有32或更多個抽頭的情況下可以為5到10ps。然而，實施例的範圍並不限於dll，因為能操作以測量pwm信號的任何恰適電路可在其他實施例中使用。

pwm測量電路510測量pwm信號的佔空比並且將該輸入傳遞給邏輯電路520。邏輯電路520關於由死區時間生成器106使用的死區時間設置來記錄測得值。邏輯電路520隨後使用控制輸入來遞增死區時間設置，並且一旦控制環路穩定，邏輯電路520就從電路510接收pwm信號的另一測量。邏輯電路520隨後關於該死區時間設置來記錄測得值。邏輯電路520重複該過程多次，並且將pwm測量與一系列死區時間值設置進行相關。在一個示例中，邏輯電路520可構建將pwm測量與相應死區時間設置進行相關的表。

在邏輯電路520已經將多個死區時間設置與它們對應的pwm測量進行相關之後，邏輯電路520可標識具有最小的對應pwm測量的死區時間設置。邏輯電路520隨後使用控制輸入使死區時間生成器106使用該標識出的死區時間設置以便最小化降壓轉換器110處的功率損耗。當然，負載114可隨時間而變化，由此使死區時間生成器106的重校準是期望的。相應地，控制邏輯520或在周期性基礎上或按需重複該過程以標識期望死區時間設置並且應用那些期望時間設置來最小化功率損耗。以此方式，pwm測量電路510和控制邏輯520充當另一反饋控制環路來調節死區時間值以減小貫穿系統500的操作的損耗。

圖6中解說了一種選擇和應用期望死區時間的示例方法600的流程圖。在一個示例中，方法600由邏輯電路(諸如圖5的邏輯電路520)執行以最小化應用於同步降壓轉換器中的開關的信號的佔空比。方法600在包括反饋環路和同步降壓轉換器的具有保持為幾乎恆定的電壓的輸出的系統(諸如圖5的系統500)中執行。降壓轉換器由pwm信號間接控制，其中對pwm信號的佔空比的調節使降壓轉換器或降低或升高輸出電壓。pwm信號被轉換成具有相位差的兩個控制信號，該相位差定義同步降壓轉換器中的開關的死區時間。

在動作610，邏輯電路向系統應用多個死區時間設置並且將pwm信號測量與所應用的死區時間設置中的每一者進行相關。在一些實施例中，邏輯電路將pwm信號測量及其相關聯的死區時間設置保存在表或其他恰適數據結構中。

在動作620，邏輯電路標識這些死區時間設置中與該pwm信號的最小佔空比相關聯的一者。在其相關聯的死區時間設置的pwm信號測量在表中的示例中，動作620包括在該表中搜索最小pwm信號測量並且標識與該最小pwm信號測量相關聯的死區時間設置。

在動作630，邏輯電路應用標識出的死區時間設置。在圖5的示例中，邏輯電路520將控制輸入用於死區時間生成器106以指令死區時間生成器106應用標識出的設置。

在動作640，邏輯電路周期性地或按需重複動作610到630的過程。例如，電路或相關聯的負載的溫度變化可能改變反饋環路的行為以使得特定死區時間設置可能不是最優的。相應地，動作640提供了重校準以使得最優死區時間設置在降壓轉換器操作時在進行中的基礎上被標識和應用。

諸實施例的範圍並不限於圖6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600可以是將降壓轉換器保持為幾乎恆定值的較大反饋操作的部分(以上參照圖1更詳細地描述了該較大反饋操作)。

以上所描述的實施例監視pwm佔空比並且調節死區時間設置來最小化pwm佔空比以提高效率。然而，各實施例的範圍並不僅限於調節死區時間設置。確切而言，pwm佔空比測量可被用於優化除死區時間以外的參數以便提高電路(諸如圖1的電路)中的效率。例如，在使用具有多個並行電晶體支路的降壓轉換器的系統中，pwm佔空比測量可與活躍並行支路的不同數目相關以使得最小佔空比可通過標識與最小pwm佔空比相關聯的活躍並行支路的數目來實現。類似地，在具有使用多個相位的降壓轉換器的系統中，pwm佔空比測量可與活躍相位的不同數目相關以使得最小佔空比可通過標識與最小pwm佔空比相關的活躍相位的數目來實現。換言之，當pwm佔空比被用作效率指示時，反饋環路系統中的任何恰適現象或參數可與pwm佔空比的最小值相關以便提高效率。

pwm佔空比還可被用作電流感測的粗糙測量，因為轉換比是供電電壓與輸出電壓之比。查找表(或計算)可轉換理論值並且所描述的技術可測量理論值與測得值之差，附加脈寬直接與負載電流相關。這種辦法可在非常高速的應用中用於相位下降和支路脫落。

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。

圖7示出了根據以上所討論的原理提供對死區時間的控制的系統700的另一實施例。誤差放大器接收參考電壓vref和輸出電壓v輸出並且輸出指示那些電壓之差(誤差)的模擬信號。模數轉換器(adc)704接收模擬誤差信號並且創建數字誤差信號。相位濾波器706接收數字誤差信號。相位濾波器706的示例可包括有限脈衝響應濾波器或比例積分微分(pid)控制器/補償器。相位濾波器706的作用是防止圖7的數字控制系統內的不想要的正反饋。相位濾波器706的輸出是指示要由數字脈寬調製器(dpwm)708實現的佔空比的數字碼。以下參考圖8來更詳細地解釋dpwm708。簡而言之，dpwm708將脈寬調製(pwm)信號輸出到降壓轉換器110的nmos開關(s1)和pmos開關(s0)。nmos開關與pmos開關之間的相位差定義死區時間——這在以上圖3和4處更詳細地解釋。

死區時間處理邏輯710與dpwm708處於通信以觀察死區時間設置和相關聯的dpwm佔空比。死區時間處理邏輯710創建將死區時間值與它們對應的佔空比值相匹配的表或其他數據結構。佔空比越低，降壓轉換器110的操作越高效。因此，對應於最低pwm佔空比的死區時間值可被認為是死區時間設置的最高效選擇。死區時間處理邏輯708創建此表或其他數據結構並且包括用於解析該表、標識與最低佔空比值相關聯的死區時間設置、以及在dpwm處應用該死區時間設置的邏輯。死區時間處理邏輯710可被實施為軟體和/或硬體，並且在一些實施例中可被實現為微控制器或其他合適的數字控制電路。以下在圖8的描述之後更詳細地討論死區時間處理邏輯710的操作。

圖8示出了圖7的dpwm708使用延遲鎖相環(dll)架構的一個示例電路實現。dpwm708包括環形振蕩器802，環形振蕩器802包括串聯且環形排列的眾多反相器，其中這些反相器被標記為1、2、……2n。換言之，在此示例實施例中，環形振蕩器802中存在2n個反相器、以及對應數目的2n個抽頭820。在一個示例中，這些抽頭中的每一者包括一個反相器與下一反相器之間的輸出。數字1(高)信號圍繞環形振蕩器802傳播，並且其每圍繞環形振蕩器802的循環在給定抽頭處出現一次。該數字1可通過選擇給定抽頭來感測。此外，數字1圍繞環形振蕩器802循環所花費的時間在很大程度上取決於環形振蕩器802中的反相器的數目2n。

反相器和抽頭820的數目2n可被選擇以適用於給定應用。例如，在其中pwm信號為200mhz信號的實施例中，pwm信號的每個循環可以為5ns。如果每個個體反相器對應於約10ps，則為了生成整個波形，反相器的數目應當為大約500。由此，n可被設為9(29為512)。然而，實施例的範圍並不限於pwm信號的任何特定頻率，也不限於反相器和抽頭820的任何特定數目。

如以上所提及的，包括死區時間的系統具有彼此偏移的兩個pwm信號，其中時間上的偏移定義死區時間。相應地，圖8的dpwm708包括用於生成彼此獨立的兩個pwm信號的電路系統，其中這兩個pwm信號對應於圖3和4的兩個控制信號。在此示例中，包括項目804、806、808的電路系統提供用於驅動nmos開關(s1)的pwm信號而包括項目814、816、和818的電路系統提供用於驅動pmos開關(s0)的另一pwm信號。

此外，在本示例中，dpwm708使用單個環形振蕩器802，但也使用不同的解碼器電路806、816。因為解碼器電路806、816兩者與單個環形振蕩器802對接，所以在輸出到pmos開關和nmos開關的不同的pwm信號中維持同步。

解碼器806、816中的每一者是可獨立編程的。首先聚焦在用於nmos開關的pwm信號上，dpwm708包括用於下降沿和上升沿的寄存器804。在正常操作期間，數字誤差信號(在其通過濾波器706之後)是標識環形振蕩器802中的抽頭的位串。例如，寄存器804中的一個位串標識關於下降沿的抽頭，而寄存器804中的另一位串標識關於上升沿的抽頭。解碼器806從寄存器804讀取位串並且選擇由那些位標識的抽頭，由此將環形振蕩器802內的振蕩信號與脈衝發生器808耦合。以此方式，上升沿和下降沿被標識，由此定義從脈衝發生器808輸出到nmos開關的方波的佔空比。在正常操作期間，位串由濾波器706輸入到寄存器804中，並且在死區時間設置過程期間由死區時間處理邏輯710輸入到寄存器804中。

現在聚焦在用於pmos開關的pwm信號上，項目814、816、818與以上所述的項目804、806、808類似地操作。具體地，或死區時間處理邏輯710或濾波器706將位串輸入到寄存器814中，其中位串標識上升沿和下降沿，由此定義佔空比。解碼器816從寄存器814讀取位並且選擇抽頭中的兩個抽頭來耦合到脈衝發生器818。脈衝發生器808、818包括放大器、緩衝器、或其他恰適電路系統以在恰適電壓電平處生成它們相應的pwm信號。解碼器806、816可包括能操作用於從二進位串輸入中選擇給定抽頭的and(與)門或復用器的布局。

舉一簡單示例，環形振蕩器802可包括16個抽頭820。相應地，位串中的每一個位串包括四個位，以使得每個抽頭可被唯一性地標識。然而，實施例的範圍並不限於任何特定數目的抽頭，也不限於任何長度的位串，並且隨著更多的抽頭被包括在應用中，更長的位串可被用於標識抽頭。例如，在具有大約500個抽頭的實施例中，每個串可以是九位長。

死區時間可通過將由解碼器806選擇的抽頭相對於由解碼器816選擇的抽頭進行偏移來定義。如果寄存器804具有與寄存器814相同的位串，則pwm信號具有零相位差，且死區時間為零。在其中可接受死區時間為50ps且其中每個抽頭對應於10ps的示例中，五個抽頭的偏移提供死區時間值。當然，可接受死區時間可能是設備相關的，並且進一步可通過以上所描述的算法來確定以最小化因擊穿或體二極體損耗而導致的損耗。

再次參考圖7，死區時間處理邏輯710可通過使用pwm信號的最小佔空比標識死區時間設置並且將該死區時間設置應用於dpwm708來執行圖6的動作620-640。

示例過程開始於設置特定佔空比以及設置特定死區時間。例如，佔空比可被設為50％，且死區時間可被設為50ps。死區時間處理邏輯710通過向寄存器804、814提供位串來設置這些值以定義佔空比和死區時間。誤差放大器702檢測vref與v輸出之間的誤差，並且該誤差信號傳播通過控制環路，由adc704數位化、以及傳遞給濾波器706，濾波器706通過將控制字應用於dpwm708的寄存器來向上或向下調節佔空比。當dpwm708將pwm信號應用於電壓轉換器110時，外部控制環路保持v輸出基本恆定，並且在某個時間量之後，外部控制環路穩定下來。死區時間處理邏輯710可隨後通過讀取指示佔空比的寄存器804和814的值來觀察pwm佔空比。

死區時間處理邏輯710隨後在表或其他數據結構中創建將該特定死區時間值與觀察到的佔空比進行相關的條目。死區時間處理邏輯710隨後調節死區時間(例如，40ps或60ps)，讓系統穩定，隨後觀察新的pwm佔空比。死區時間處理邏輯710重複該過程多次以在表中形成多個條目以使得最高效的死區時間值可被標識。

實施例的範圍包括用於調節死區時間並且將死區時間值與觀察到的dpwm佔空比進行相關的任何數目的迭代。在死區時間處理邏輯710搜集數據之後，其隨後解析該表以標識與最低pwm佔空比相對應的死區時間的值。死區時間處理邏輯710可隨後通過將定義兩個pwm信號之間的恰適偏移的值輸入寄存器804和814中來將該死區時間的值應用於dpwm708。

一旦死區時間值已經由死區時間處理邏輯710設置，系統就可進入正常操作模式，其中反饋環路根據輸出電壓與參考電壓之間的誤差來調節經脈寬調製信號的佔空比。死區時間處理邏輯710通過維持數字串之間的合適偏移來維持所設置的死區時間。以此方式，佔空比可通過外部控制環路來適當地向上或向下調節，同時維持由死區時間處理邏輯710應用的死區時間值。死區時間處理邏輯710可周期性地或按需重複動作610-630。在一些示例實施例中，以上所描述的用於死區時間處理邏輯710的動作可被實現為保存於計算機可讀介質(諸如ram)的計算機可執行代碼。死區時間處理邏輯710可包括隨後從計算機可讀介質讀取計算機可執行代碼並且根據計算機可執行代碼來執行上述動作的處理電路系統。

圖7和8的系統可提供勝過一些常規系統的各種優勢。例如，用於提供死區時間的一個示例常規相位生成器可包括具有p溝道串和n溝道串的電路，其中每個串包括串聯耦合到一個或多個反相器的nor(異或)門。每個串的輸出被反饋到相對串的nor門。每個串中的反相器數量決定了死區時間，並且反相器越多，死區時間越長。簡而言之，此類常規系統應用模擬反饋和遲滯。作為對比，圖7和8的系統包括環形振蕩器的解碼器，並且它是數字系統。相應地，圖7和8的各種實施例可比常規模擬反饋和遲滯系統快若干個數量級地操作。各種實施例可通過在現代電路中供應高頻性能來提供優勢。