調節穩壓器的操作參數的製作方法

2023-05-31 04:48:56 1

調節穩壓器的操作參數的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種穩壓器。在電子裝置內，穩壓器為負載供電。穩壓器具有可調節操作參數，其能夠在電子裝置操作期間被設置。可調節操作參數根據電子裝置的狀態或具有負載的電子裝置的部分被設置或重置，以便優化功率使用。該狀態可從至少三種預定狀態中選擇。操作參數的數值可從多組數值中選擇。每組數值對應於預定狀態中的至少一個。
【專利說明】調節穩壓器的操作參數
【技術領域】【背景技術】
[0001]許多電子裝置合併了一個或更多穩壓器，以便使系統電源電壓電平轉換為一個或更多用來在電子裝置內使電路偏置的已調節電壓。存在著多種不同拓撲結構的穩壓器，每種都具有獨特的優勢和弱點，當對電子裝置內給定的應用設計或選擇穩壓器時，這些優勢和弱點通常考慮在內。例如，在電子裝置的操作過程期間負載的級別可能有較大差異，因為電子裝置的各種功能會在不同時間激活或禁用。在這種情況下，穩壓器必須經設計以便響應預期的負載變化，同時使其輸出電壓保持在特定的限度內。
[0002]穩壓器的設計一般包含選擇各種參數，這取決於穩壓器的類型和預期的負載環境。例如，穩壓器可分為使用開關的結合(通常體現為電晶體包含MOSFET、BJT、IGBT, JFET等)的開關穩壓器、電感器和/或變壓器以及作為用於升壓和/或降壓電壓轉換的基礎的電容器。一些穩壓器的設計參數將會包含用作開關的電晶體的尺寸、電感器的尺寸/電感(或變壓器的尺寸/匝數比)、電容器的尺寸/電容、開關打開和關閉所在的頻率以及要打開/關閉開關而選擇的電壓電平，除其他參數以外。包含穩壓器的輸入電壓範圍、輸出電壓範圍以及負載範圍的附加參數將有助於確定穩壓器設計參數。
[0003]穩壓器的效率一般在很大程度上取決於每種穩壓器設計參數與輸入電壓範圍、輸出電壓範圍以及負載範圍的結合，除其他因素以外。然而，既然在電子裝置的操作期間負載可能改變，那麼不可能在設計階段就為這些穩壓器設計參數選擇「固定」值，這將會總是導致穩壓器的最高可能的操作效率。結果，既然這些穩壓器參數是靜態的，那麼穩壓器幾乎肯定會在其最高可能的操作效率以下操作了顯著百分比的時間。即使電子裝置的最普通的操作功率電平是已知的，並且相應地選擇了穩壓器的參數，這種情景也會發生。
[0004]在許多典型的情況下，穩壓器經設計以便在它們的最高操作功率狀態展示它們的最高效率。所以對於較低的功率狀態，它們一般是過分保險設計的。換句話說，在這些設計中在較低的功率狀態，效率顯著地更低。既然通常假設無論何時達到設計的最大額定功率功率損耗都應當最小化，那麼效率和功率狀態之間的這種關係一般被認為是可接受的。然而，對於為幾乎全部電子裝置在整個負載範圍內而不僅是在最大額定功率特別情況下繼續增加整體功耗效率，長期感到存在著需要。然而，到目前為止已經一般地推動了效率的提高，以致其達到這樣的水平，在該水平最高功率狀態的任一額外的改進都能僅導致相對較小的整體提聞。
[0005]當與在「正常」負載或者甚至是重負載的效率相比較時，一些穩壓器在相對較輕的負載條件下具有相當程度地較低的效率。所以許多這種穩壓器經設計以便在電子裝置內當發生輕負載狀態比如睡眠模式時改變其操作特性。不過，無論電子設備是處在輕負載狀態還是重/正常負載狀態，負載可能仍然有相當大的改變，從而導致穩壓器在顯著百分比的時間內的效率低下的操作。
[0006]本發明是相對於這些和其他背景考慮而逐步發展的。
【發明內容】

[0007]本發明的一些實施例一般涉及操作穩壓器，以便在電子裝置的至少一部分內為負載供電。穩壓器具有多個可調節的操作參數，其在操作期間能夠重複地設置和重置。電子裝置的至少一部分的狀態例如通過連接至穩壓器或其部分的控制器而確定。確定的狀態一般地從至少三個預定狀態中的一個選擇，即超過一個單一的重負載或輕負載狀態。依據確定的狀態，可調節操作參數設置為預定值，以便在穩壓器的操作期間在電子裝置的至少部分中優化系統的功率使用。預定值一般可從多組數值中選擇，其中每組數值都對應於預定狀態的至少一組。
[0008]在更加具體的實施例中，操作多個穩壓器以便為多個負載供電。每個穩壓器都具有多個可調節的操作參數，它們在操作期間設置，以便依據確定的狀態優化系統功率使用。另外，在一些實施例中，可調節的操作參數一般包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓。在一些涉及多個穩壓器的實施例中，用於至少一個穩壓器的可調節操作參數也可以包含輸出電壓電平。而且，在一些涉及多個穩壓器的實施例中，每個穩壓器的操作參數都可以獨立於其它穩壓器設置。
[0009]本公開及其範圍的更完整的評價以及它實現上述改善所用的方式能夠通過參考當前優選實施例的以下具體描述獲得，這些優選的實施例結合在下面簡要描繪的附圖和所附權利要求做出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示出帶有併入本發明的實施例的動態可優化系統電源架構的至少一部分電子裝置的簡化示意圖。
[0011]圖2示出用於使用在併入本發明的實施例的電子裝置中的穩壓器的簡化示意圖。
[0012]圖3示出根據本發明的實施例的用於使用在圖1所示的系統電源架構和/或圖2所不的穩壓器內的表格的不例。
[0013]圖4示出根據本發明的實施例的可調節的操作參數(例如可選的交換頻率)的曲線圖的示例，其中該可調節的操作參數作為在生成圖3所示的至少一部分表格中使用的負載的函數。
[0014]圖5-8示出根據本發明的實施例的效率的曲線圖的示例，其中該效率作為在生成圖3所示的至少一部分表格中使用的可調節的操作參數(例如電源總線電壓電平)的函數。
[0015]圖9示出與現有技術的曲線圖的示例相比較的用於併入本發明的實施例(例如圖1所示的)的至少一部分電子裝置的效率相對於負載的示例性曲線圖。
[0016]圖10示出用於併入本發明的實施例(例如圖1所示的)的至少一部分電子裝置的由於傳導損耗的功率損耗的示例性曲線圖和由於開關損耗的功率損耗的示例性曲線圖，它們是與現有技術的曲線圖的示例相比較的。
[0017]圖11示出根據本發明的實施例的用於控制圖1所示的動態可優化系統電源架構的示例性處理過程的簡化流程圖。
【具體實施方式】[0018]圖1示出了併入本發明的實施例的電子裝置或系統100 (或至少是其一部分)的示例。電子裝置100可能是計算機(例如伺服器、臺式機、筆記本、平板電腦等)、電話(例如手機、智慧型手機、有線電話等)、遊戲控制臺(例如手持電腦、機頂盒等)、網絡裝置(例如數據機、路由器、中繼器、交換機、集線器等)、音頻或視頻播放器、電視機或其他適當類型的電子系統。電子裝置100的具體示意圖經示出僅作為說明的目的，且不必旨在限制本發明的範圍，除非在權利要求中有具體要求。因此，除了所示出的以外的組件的結合一般地是在本發明的範圍內。例如，在圖1中示出為單個方框的一些組件在本發明的一些實施例中可能是多個物理組件，而在圖1中示出為多個分開的方框的一些組件可以如所希望的結合或適當地結合，並且仍然保持在本發明的範圍內。還有，在一些實施例中可能包含圖1中未示出的或本發明中未描述的其他組件，而圖1中特別地示出的和/或本發明中特別地描述的一些組件可能是可選的，或未包含在一些實施例中。
[0019]示例性電子裝置100 —般包含多個穩壓器101、102、103、104、多個負載105、106、107、控制器108以及存儲器109，除了其他可能的組件以外。對於電池操作的實施例，示例性電子裝置100也可能包含電池110和充電器111。
[0020]負載105-107 —般地代表適用於電子裝置100的類型的電路組件。例如，如果電子裝置100是筆記本計算機，那麼負載105-107可能代表一個或更多內核處理器、圖形處理器和/或存儲器子系統，除了其他適當的系統組件以外。在另一示例中，如果電子裝置100是手機，那麼負載105-107可能代表主處理器、無線收發器和/或顯示器，除了其他適當的組件以外。對於負載105-107的許多其他變化和示例也在本發明的範圍內。
[0021]雖然本發明於此參考具有多個穩壓器101-104的電子裝置一般地描述，但是應當明白的是本發明不必如此有限。相反，一些實施例可能僅使用單獨的穩壓器。依據實施例，可以使用任一數量的穩壓器。
[0022]穩壓器102-104—般代表用於向負載105-107提供在規定的電壓電平的功率的任一適當類型的負載點(POL)穩壓器。因此POL穩壓器102-104可能是任一適當的開關電源、降壓開關穩壓器、升壓型開關穩壓器、同步降壓穩壓器、DC/DC轉換器等。每個POL穩壓器102-104的具體類型或拓撲結構一般地取決於負載105的需要和整體電子裝置100的要求。
[0023]穩壓器101 —般代表用於向POL穩壓器102-104提供功率的任一適當類型的穩壓器。穩壓器101—般生產這種在電源總線或軌道(Vbus)112上在所希望的電壓的功率。然後，功率作為輸入功率供應到POL穩壓器102-104。因此穩壓器101可能通常被認為是電源總線穩壓器。電源總線穩壓器101從DC電源接收功率，該DC電源可能是AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、其它穩壓器或其他適當的電源。在一些實施例中可能會有穩壓器的上遊堆疊式層次結構，其使功率供給進電源總線穩壓器101，並沿著其供給到POL穩壓器102-104(以及可選地供給到充電器111)。
[0024]穩壓器101-104具有多個設計參數，其取決於每個穩壓器101-104的類型。在一些實施例中，這些設計參數可能包含一對開關電晶體的尺寸、輸出電感器的尺寸/電感、輸出電容器的尺寸/電容、電晶體打開和關閉所在的頻率、為了使電晶體打開/關閉而應用到電晶體柵極的電壓的電平、輸入電壓的電平以及輸出電壓的電平，除了其他參數以外。這些參數中的一些(例如操作參數，比如電晶體打開和關閉所在的頻率、為了使電晶體打開而用來驅動電晶體柵極的電壓的電平、輸入電壓的電平以及輸出電壓的電平)在電子裝置100的操作期間可能會容易地調節。(例如，當穩壓器101-104遇到較輕的負載時，可以向開關電晶體供應較低的柵極驅動電壓，如果開關電晶體能夠正常打開/關閉並且能夠恰當地保持轉換速率的話)。其他的這些參數(例如開關電晶體的尺寸、輸出電感器的尺寸/電感以及輸出電容器的尺寸/電容)在電子裝置100的操作期間不容易服從調節。然而，既然這些組件中的一些可調或可變版本是已知的，那麼在本發明的範圍內就有可能包含這樣的參數，比如部分可調參數。
[0025]作為本發明所描述的每個不同實施例的結果，電子裝置100 —般動態地優化了穩壓器101-104的性能，並因此動態地優化了系統效率。這種優化過程一般通過調節操作參數的數值來實現，該操作參數可能在穩壓器101-104的操作期間調節，它帶有如此高級別的分辨能力以致對於任一給定的應用或情況都是切實可行的。因此，而不是簡單地具有對於正常操作的「輕負載」的異常，穩壓器101-104能夠在如所希望的或所需要的那樣多的等級或電平的操作條件中操作，以便優化在POL電平的功率消耗。一些操作參數可以設置到的一些數值示例和其一些有益的影響的示例在下面參考圖3-10示出和描述。
[0026]控制器108使電子裝置100的基本操作一般地集中起來，該基本操作比如是協調其子組件的功能，例如穩壓器101-104的功能。因此，控制器108可以代表執行儲存在存儲器109中的指令的一個或更多適當的通用可編程嵌入式微處理器，存儲器109可以是任一適當的RAM和/或ROM儲存組件。除其他可能的編程和數據以外，存儲器109 —般地還儲存狀態查找表113、參數查找表114以及用於監視電子系統100 (或至少其一部分)的狀態的程序115，以便為穩壓器101-104重複地選擇和設置/重置參數。替換地，控制器108可以是一個或更多ASIC (專用集成電路)，其帶有用於控制固定嵌入它的電路中的其他子組件的功能(例如程序115等)和數據(例如表格113和114等)。
[0027]控制器108從電子裝置100的一些組件接收不同類型的系統數據(例如在系統數據線路116上)。因此系統數據一般地代表不同數據，它們中的至少一些可以與為了控制現有技術的電子裝置而通過現有技術的處理過程獲得的數據相同或與其類似。在本發明的一些實施例中，系統數據包含指示負載105-107的當前電流或功率消耗的反饋，即電流負載數據，因此控制器108能夠對當前負載條件做出反應。
[0028]另外，在一些實施例中，系統數據可能會進一步包含預測性或前瞻性(而不是回應性)的數據，它是關於電子裝置100的或者是關於其至少一部分例如負載105-107的即將來臨的操作條件的。一些負責電子裝置的系統管理的現有技術的控制器已經接收一些類型的功率信息。在一些情況下，這種信息與還沒有執行負載(例如負載105-107)的操作條件相關，這意味著在一些實例中，控制器108可能在其實際發生之前就已經知道在至少一部分電子裝置100內將會發生負載瞬變現象。
[0029]在一些實施例中，不同控制線路117使控制器108連接到一個或更多穩壓器101-104。控制器108為每個如下的穩壓器101-104在的控制線路117上一般地產生控制
數據或信號。
[0030]帶有當前負載數據和/或預測數據，在程序115的控制下且通過使用狀態查找表113，控制器108確定了電子裝置100和/或負載105-107的當前和/或即將來臨的狀態(或至少其一部分)。控制器108 —般通過在狀態查找表113中查找狀態信息而做出這種決定，它是基於當前負載數據和/或預測數據(該數據落入的數值範圍)。對於僅使用當前負載數據的實施例，控制器108能夠一般地僅確定當前狀態數據。然而，對於使用預測數據代替當前負載數據或添加到當前負載數據的實施例，控制器108能夠確定即將來臨的狀態數據，即電子裝置100 (或至少其一部分)和/或負載105-107的狀態即將進入。
[0031]接著，隨著狀態信息，在程序115的控制下和通過使用參數查找表114，控制器108為穩壓器101-104確定了用於每個可調節的參數的最佳電平。控制器108 —般通過在參數查找表113中查找用於可調節參數的數值(參數數據)而做出這種決定，它是基於所確定的狀態。
[0032]替換地，在一些實施例中，表格113和114結合在單獨的狀態/參數結合表格中。因此，這些查找任務可以一起做出。在這種情況下，控制器108為每個可調節的參數一般地查找(在結合的表格中)當前和/或即將來臨的狀態和最佳電平，其基於當前負載數據和/或預測數據(或該數據落入的數值範圍)。
[0033]在另一替換方案中，未獲得狀態數據，並且狀態查找表113不是電子裝置100的部分。相反，當前負載數據和/或預測數據是用來代表電子裝置100 (或至少其一部分)和/或負載105-107的狀態，或者用來代替它們。在這種情況下，控制器108為每個可調節的參數一般地查找(在參數查找表114中)最佳電平，這基於當前負載數據和/或預測數據(該數據落入的數值範圍)。
[0034]在再一替換方案中，控制器108 —般地查找(在狀態查找表113中)當前和/或即將來臨的狀態，這基於當前負載數據和/或預測數據(該數據落入的數值範圍)，但是對於每個可調節的參數不查找最佳電平。相反，參數查找表114 (或其相關部分)儲存在每個穩壓器101-104中，或者對於它們是可存取的，以致每個穩壓器101-104能夠基於由控制器108決定的當前和/或即將來臨的狀態數據為它的可調節參數查找最佳電平。
[0035]在前述實施例中，控制器108用來作為中央集線器，且相關數據聚集在其中，以便確定電子裝置100 (或至少其一部分，例如負載105-106)的當前和/或即將來臨的狀態，並且以便協調設置用於穩壓器101-104的可調節參數的最佳電平。然而，在其他替換方案中，確定狀態數據不在系統級別(或不在高於單獨的負載105-107的任一級別)執行。相反，每個穩壓器101-104都接收它自己的本地當前負載數據，並且含有(或有權訪問)表格113和114的相關版本(或子集)。因此，通過使用它的狀態查找表113的版本，每個穩壓器101-104都基於它的當前負載數據(該數據落入的數值範圍)確定了它的當前狀態。此外，通過使用它的參數查找表114的版本，每個穩壓器101-104都基於它的確定的當前狀態為它的可調節參數查找了最佳電平。替換地，每個穩壓器101-104都為它的可調節參數查找最佳電平，這是基於它的當前負載狀態(該數據落入的數值範圍)，所以確定它的當前狀態是可選的或不必要的。在另一替換方案中，每個穩壓器101-104都接收有關它的負載105-107的即將來臨的狀態的預測數據，所以穩壓器101-104能夠為它的可調節參數確定最佳電平，這是基於添加到它的負載105-107的當前狀態或者代替該當前狀態的即將來臨的狀態。
[0036]基於當前和/或即將來臨的狀態數據和/或最佳電平，其用於穩壓器101-104的可調節參數，控制器108在控制線路117上為每個穩壓器101-104彼此獨立地生成控制數據或信號。對於控制數據於其中代表用於可調節參數的最佳電平的實施例，每個穩壓器101-104都使用這種數據，以便當它的加載條件在其操作期間改變和/或預期會改變時獨立地選擇和設置/重置它的可調節參數。對於控制數據於其中僅代表電子裝置100 (或至少其一部分，例如負載105-106)的當前和/或即將來臨的狀態的實施例，每個穩壓器101-104都使用這種數據，以便內部地確定用於它的可調節參數的最佳電平，如上。每個穩壓器101-104接著在它的加載條件在其操作期間改變和/或預期會改變時獨立地設置或重置它的可調節參數。對於確定狀態數據於其中不在系統級別(或不在高於單獨的負載105-107的任一級別)執行的實施例，控制線路117可能沒有呈現，並且控制數據可能沒有由控制器108產生，這是由於每個穩壓器101-104可以基於它的當前負載數據而沒有來自控制器108的輸入而確定和設置/重置它的可調節參數。
[0037]對於僅使用當前負載數據或當前狀態數據的實施例，能夠使得穩壓器101-104在改變已經發生後以電抗的方式僅響應負載105-107的任一個。然而，對於使用預測數據或即將來臨的狀態數據的實施例，不管是在系統級別(例如通過控制器108)還是在負載點級另Ij (例如通過單獨的POL穩壓器102-104)，都能夠引起穩壓器101-104對它們的可調節參數提前準備做出改變。因此，在狀態改變和可調節參數改變之間的任一延隔時間都能夠減少或可能消除。
[0038]對於包含電池110和充電器111的實施例，電池110的輸出可以直接供給進POL穩壓器102-104 (虛線)，或者在供給進POL穩壓器102-104之前可以首先通過介於中間的穩壓器(實線)。既然電池110的輸出電壓在電池110充電或放電時可能會改變，那麼使用介於中間的穩壓器能夠更好地控制用於POL穩壓器102-104的輸入電壓電平。(在一些實施例中，用於POL穩壓器102-104的輸入電壓電平可能是在穩壓器100的操作期間設置或重置的參數中的一個，即使是在電池模式下。)既然電源總線穩壓器101已經供給進POL穩壓器102-104，那麼電源總線穩壓器101可以用來調節來自電池110的電壓(如圖所示)，但是替換地，分離的穩壓器(具有如本發明所描述的可調節參數)可以放置在電池110和POL穩壓器102-104之間。而且，充電器111可以是也具有如本發明所描述的可調節參數的穩壓器的形式。
[0039]圖2示出了併入本發明的實施例的示例性穩壓器118。在適當的設計中，穩壓器118可以用來作為任一穩壓器101-104 (圖1)。穩壓器118的具體示意圖經示出僅作為說明的目的，且不必旨在限制本發明的範圍，除非在權利要求中有具體要求。因此，除了所示出的以外的組件的結合一般地是在本發明的範圍內。例如，在圖2中示出為單個方框的一些組件在本發明的一些實施例中可能是多個物理組件，而在圖2中示出為多個分開的方框的一些組件可以如所希望的結合或適當地結合，並且仍然保持在本發明的範圍內。還有，在一些實施例中可能包含圖2中未示出的或本發明中未描述的其他組件，而圖2中特別地示出的和/或本發明中特別地描述的一些組件可能是可選的，或未包含在一些實施例中。
[0040]示例性穩壓器118 —般包含高端電晶體119、低端電晶體120、輸出電感器121以及輸出電容器122和控制器123。控制器123可能是PWM (脈寬調製)控制器或ASIC或其他適當的電路。在控制器123的控制下，組件119、120、121以及122從在線路125上接收的輸入電壓Vinl25產生在線路124上的調節的輸出電壓Vout。輸出電壓Vout對穩壓器118的負載供以功率。在POL穩壓器102-104 (圖1)的情況下，輸入電壓Vin是在Vbusll2上的電源總線穩壓器101的調節的輸出電壓，並且調節的輸出電壓Vout供應到負載105-107。在電源總線穩壓器101的情況下，輸入電壓Vin來自上遊DC電源，並且調節輸出電壓Vout供應到在Vbusl 12上的POL穩壓器102-104。[0041]控制器123 —般包含微控制器126、PWM (脈衝寬度調製)127、柵極電壓驅動器128和存儲器129。對於穩壓器118於其中控制確定它的負載的狀態和/或設置它的可調節參數(例如如上)的一些或全部功能的實施例，存儲器129 —般包含狀態查找表130、參數查找表131以及為了設置可調節參數用於監視負載的狀態的程序132。表格130和131以及程序132 —般地是圖1所示的表格113和114以及程序115的穩壓器特定的版本。所以它們是為穩壓器118的預定的優化要求特別地裁製的，這不同於表格113和114以及程序115，它們是針對基於更廣泛的要求的全部不同穩壓器101-104所裁製的。然而，對於狀態數據於其中在系統級別(例如通過使用狀態查找表113的控制器108)確定的實施例，狀態查找表130在控制器123中沒有呈現。另外，對於可調節參數的最佳電平於其中也在系統級別(例如通過使用狀態查找表114的控制器108)確定的實施例，參數查找表131在控制器123中也沒有呈現。
[0042]微控制器126可能是通用微處理器、ASIC或其他適當的電路。微控制器126 —般接收在線路133和134上的負載反饋信號，例如從輸出電感器121之前和之後。對於狀態數據和參數數據兩者於其中都不在系統級別(例如通過控制器108)確定的實施例，負載反饋信號可以提供僅有的信息，其中狀態數據和參數數據可能會隨該信息確定。在這種情況下，能夠使得穩壓器118在它的負載已經發生了變化之後僅以電抗的方式響應。替換地，微控制器126可能會接收來自它的負載或來自控制器108例如在系統數據線路135上的上述預測數據(或至少其減少的相關部分)。在這種情況下，能夠引起穩壓器118對它的可調節參數提前準備做出改變，從而減少或可能消除在狀態改變和可調節參數改變之間的任一延隔時間。
[0043]對於狀態數據和參數數據兩者於其中都不在系統級別(例如通過控制器108)確定的實施例，在程序132的控制下，微控制器126使用負載反饋信號來為它的負載確定當前負載數據。微控制器126以當前負載數據在狀態查找表130中查找它的負載的當前狀態。替換地，微控制器126以預測數據在狀態查找表130中查找它的負載的即將來臨的狀態。微控制器126以當前和/或即將來臨的狀態數據在參數查找表131中查找用於它的可調節參數的最佳電平。替換地，微控制器126使用當前負載數據和/或預測數據在參數查找表131中為它的可調節參數查找最佳電平，卻沒有做出狀態數據的分開的確定。微控制器126 —般以參數數據來控制柵極電壓驅動器128 (例如經由線路136)，以便設置電壓電平，柵極電壓驅動器128在該電壓電平上(即柵極驅動電壓)通過線路137和138驅動電晶體119和120。另外，根據參數數據，微控制器126—般地控制PWM127(例如經由線路139)，以便設置開關頻率，柵極電壓驅動器128在該開關頻率上替換驅動電晶體119和120，以便從輸入電壓Vin產生輸出電壓Vout。而且,微控制器126 —般以參數數據來控制輸出電壓Vout的電平，比如通過設置輸出電壓Vout調節到的參考電壓VrefHO (例如在電源總線穩壓器101的情況下)。本實施例可以描述為用於穩壓器118的自持反應環路。
[0044]對於當前和/或即將來臨的狀態數據(但不是參數數據)於其中在系統級別(例如通過如上的控制器108)確定的實施例，狀態數據例如經由狀態/參數控制線路141傳輸到控制器123，狀態/參數控制線路141可能來自圖1所示的控制線路117。在程序132的控制下，微控制器126使用狀態數據在參數查找表131中為它的可調節參數查找最佳電平。微控制器126以參數數據一般地設置柵極驅動電壓、開關頻率和輸出電壓Vout的電平，如上。[0045]對於參數數據於其中在系統級別(例如通過如上的控制器108)確定的實施例，參數數據例如經由狀態/參數控制線路141傳送到控制器123。在程序132的控制下，微控制器126使用參數數據來設置柵極驅動電壓、開關頻率和輸出電壓Vout的電平，如上。
[0046]在一些實施例中，不僅參數數據是在系統級別確定，而且穩壓器118不包含用來重置它的可調節參數的內置容量，或者是在設置可調節參數時也需要繞過微控制器126。在這種情況下，控制器108 (圖1)使用參數數據為穩壓器118生成柵極電壓控制信號(例如在線路142上)、Fsw (開關頻率)控制信號(例如在線路143上)和輸出電壓控制信號(例如在線路144上)。(例如，這些信號線路142-144可能會形成圖1所示的控制線路117的至少一部分。)柵極電壓控制信號設置電壓電平，該電壓電平是由柵極電壓驅動器128生成的，以便驅動電晶體119和120。Fsw控制信號設置開關頻率，該開關頻率是由PWM127提供的，以便控制柵極電壓驅動器128。輸出電壓控制信號設置參考電壓VrefHO的電平，從而設置輸出電壓Vout所調節到的電平(例如在電源總線穩壓器101的情況下)。
[0047]圖1所示的電子裝置100和圖2所示的穩壓器118說明本發明的一些特徵可以在控制器在108中的系統級別或在控制器123中的POL級別實施，或這兩者均可。任一給定的實施可能一般地取決於併入本發明的系統的類型。例如，對於具有充分容量的中央處理器或微控制器(例如控制器108)的電子裝置，可能需要在控制器108中具有儘可能多的這些功能。在這種情況下，單獨的穩壓器101-104可能會儘可能地簡單。在另一示例中，如果電子裝置不具有這樣的中央處理器，或者如果本發明所描述的功能不能輕易地併入其中央處理器(例如必要的數據不可用或無法使用或中央處理器沒有足夠容量)，那麼可能需要使這些功能內置在單獨的穩壓器中。其他考慮因素也可能影響到相關設計決策。例如，在一些實施例中，如果需要控制電源總線穩壓器101的輸出電壓電平(即POL穩壓器102-104的輸入電壓電平)，那麼控制特徵可能必須駐留在系統級別(例如在控制器108中)，以便存取所需要的級別的信息。否則，電源總線穩壓器101可能經設計帶有比在POL穩壓器102-104中的那些更強大的控制器，以便操縱優化功能的更高級別的複雜性。
[0048]圖3示出了參數查找表145的示例。狀態查找表的示例將會使批量的當前和/或即將來臨的狀態數據值(或其範圍)一般地映射到一組編號的狀態。接著編號的狀態一般地映射或對應到每個穩壓器101-104的參數查找表145中多組參數146。在圖3所示的示例中，五個示例性狀態147-151 (或負載105-107的電平的範圍)經示出帶有用於穩壓器
101-104的示例性參數數據152-156。
[0049]既然參數查找表145示出了用於全部穩壓器101-104的參數數據152-156，那麼參數查找表145 —般地是圖1所示的參數查找表114的示例。另一方面，用於圖2所示的參數查找表131的示例，對於使用數據的一個穩壓器101-104將可能具有僅用於參數數據152-156的條目。
[0050]示例性參數146經示出包含用於穩壓器101-104的高端柵極驅動電壓電平(Vgh)、低端柵極驅動電壓電平(Vgl)、開關頻率(Fsw)和輸出電壓電平(Vbus )。(如上，也可以包含其他類型的可調節參數)。Vgh參數值是用於由柵極電壓驅動器128在線路137上設置電壓電平輸出，以便驅動高端電晶體119(圖2)。Vgl參數值是用於由柵極電壓驅動器128在線路138上設置電壓電平輸出，以便驅動低端電晶體120。Fsw參數值用於設置由PWMl27生成的頻率，以便引起柵極電壓驅動器128打開和關閉電晶體119和120。Vbus參數經示出僅提供用於電源總線穩壓器101。既然負載105-107—般在單獨的電壓級別操作，那麼未示出用於其他的穩壓器102-104的輸出電壓參數值。然而，在一些實施例中，一些負載105-107可能在變量輸入電壓級別操作。在這種情況下，相應的穩壓器102-104可能具有類似於Vbus參數的輸出電壓參數值。
[0051]在參數查找表145中對於示例性參數數據152-156示出的數字僅出於說明的目的。可以使用其它數值，並且一般取決於任一給定設計方案的要求和能力。
[0052]在參數查找表145中示出的狀態147-151的數量也僅用於說明的目的。任一數量的預定狀態可以作為是可能的或實用的狀態使用，以便為效率優化提供任一所需的間隔尺寸。一般而言，提供了較大數量的功率或具有較大動態負載範圍的穩壓器可能會具有更多狀態，而提供了較少數量的功率或具有較小動態負載範圍的穩壓器可能會具有更少狀態，但不必須是這樣。
[0053]雖然參數查找表145對於每個電壓穩定器101-104示出了相同數量的狀態，但是應當明白的是本發明不必是如此地有限。相反，對於每個穩壓器101-104，沒有必要具有相同數量的狀態。因此，每個穩壓器101-104對於任一給定的設計一般都具有所希望的、恰當的或實用的任何數量的狀態(並帶有相應的最佳可調節參數)。另外，在一些實施例中，一些穩壓器101-104可能經提供帶有較少的狀態，這通過在兩個或更多狀態中具有相同的參數數據，從而有效地使兩個或更多狀態合併為一個狀態。
[0054]放置在參數查找表114、131或145中的數值一般在電路模擬中或在實驗或製造設置中實驗性地生成。要執行此操作，每個設計參數可以與穩壓器101-104的全部其他設計參數一起迭代地測試，以便為負載電平的預期範圍或預期可能操作負載數值確定參數值的最佳配置。因此，所測試的設計參數可以包含本發明所涉及的可調節的和不可調節的參數。作為迭代測試的結果，對於每個參數都生成了作為負載的函數的一組離散的最佳數值，也對於包含在測試中的每個非可調節的參數生成了單一的數值。
[0055]在圖4的曲線圖157中示出了一組這種最佳參數值相對於負載的示例。用於該示例的參數是開關頻率。隨著負載的增加，最佳開關頻率以離散的步驟增加或減少。於其中發生步驟的負載值可能會用於確定負載範圍的開始和結束，這是對於將會在狀態查找表113或130中限定的每個預定義狀態。在每個步驟內的曲線圖157的頻率值可用於生成參數查找表114、131或145的開關頻率部分。
[0056]對於在最佳開關頻率值內的每個步驟(例如5KHz、20KHz、25KHz、IOOKHz等)的可允許或可接受的大小可以確定間隔大小或狀態的數量。例如，較小的步驟大小可能會導致更高的間隔大小或較大數量的狀態，並且更大步驟的大小可以導致更低的間隔大小或更小數量的狀態。
[0057]較小的步驟大小和較大數量的狀態狀態可能導致電子裝置100的整體效率更接近最佳。然而，相對較大數量的狀態可能需要控制器108或123的更多處理功率，以便監測狀態並設置可調節參數，這可能會對電子裝置100的性能、功率使用和整體效率產生不利影響。另外，相對較大數量的狀態可能會導致在電子裝置100的操作期間調節參數改變得如此之快以致對效率產生負面影響。因此必須在電子裝置100的狀態總數和整體效率之間做出權衡和妥協。
[0058]作為迭代測試或模擬的結果，可以為其他可調節參數做出最佳參數值相對於負載的其他曲線圖，但為簡潔起見，此處未示出。因此，在每個這樣的曲線圖中呈現的最佳參數值可以示出與在曲線圖157中示出的類似的步驟。然而，對於每個可調節參數在數據中的這個步驟在相同的負載值可能會或可能不會發生。所以，考慮到用於全部可調節參數的數據中的全部步驟可能需要描繪相對較大數量的狀態，這可能是不希望的，如上。然而，為了使用較少狀態，可能會相對於最佳位點作出一些妥協方案，參數值在該最佳位點如由迭代測試或模擬所指示的改變。
[0059]為了對每個可調節參數確定最佳參數值，迭代測試或模擬導致使參數值與用於多個負載值的效率(以及操作模式或其他條件)相關的數據設置。例如，曲線圖158-169示出了用於在Vbusll2 (圖1)上的電壓電平參數的這樣的數據設置。這些曲線圖158-169由電路模擬生成，這通過使用帶有不同穩壓器和示例性負載的一般地代表性的筆記本計算機系統的電路。
[0060]曲線圖159、162、165和168使在Vbusl 12上的電壓電平與POL穩壓器102-104的結合的效率相關。曲線圖158、161、164和167使在Vbusl 12上的電壓電平與電源總線穩壓器101的效率相關。曲線圖160、163、166和169使在Vbusl 12上的電壓電平與POL穩壓器
102-104和電源總線穩壓器101的級聯的結合效率相關。
[0061]圖5和6的曲線圖158-163示出了對於電子裝置100由圖1所示的DC電源以適配器(即適配器模式中)供電的情景的這些效率。圖7和8的曲線圖164-169示出了對於電子裝置100由電池110 (即在電池模式中)供電的情景的這些效率。
[0062]圖5和7的曲線圖158-160和164-166示出了在相對較低的負載操作條件或狀態的這些效率。在這些條件下，POL穩壓器效率曲線圖159和165示出了對於Vbusl 12在相對較低的電壓電平的更高的效率。然而，與之相反地示出的是電源總線穩壓器的效率曲線圖158和164，其導向級聯的結合的效率曲線圖160和166，曲線圖160和166示出了對於Vbusl 12的在相對較低的電壓電平的最高的整體效率。
[0063]另一方面，圖6和8的曲線圖161-163和167-169示出了在相對較高的負載操作條件或狀態的這些效率。在這些條件下，POL穩壓器效率曲線圖162和168再次示出了對於Vbusll2在相對較低的電壓電平的更高的效率。並且再次與之相反地示出了電源總線穩壓器的效率曲線圖161和167，然而，級聯的結合的效率曲線圖163和169示出了對於Vbusl 12在相對較高的電壓電平的最大的整體效率。
[0064]對於其他的負載條件或狀態，可能繪出在Vbusl 12上的效率相對於電壓電平的其他曲線圖，但為簡潔起見，此處未示出。因此，在Vbusll2上的電壓電平的最佳數值可以從由這種曲線圖所表示的全部數據確定，其用於電子裝置100的一組完整的負載條件或狀態，並可以用來產生參數查找表114、131或145的Vbus參數部分。
[0065]另外，可以對用於其他可調節參數的數據做出一組類似的曲線圖，但為簡潔起見，此處未示出。因此，用於其他可調節參數的最佳數值可以從由這種曲線圖所表示的全部數據確定，其用於電子裝置100的一組完整的負載條件或狀態，並可以用來產生參數查找表114、131或145的其他部分。
[0066]圖9示出示例性效率相對於負載的曲線圖170(實線)，它是基於併入本發明的實施例的圖1所示的電子裝置100從示例性電路的模擬生成。該示例性效率相對於負載的曲線圖170在示例性現有技術的效率相對於負載的曲線圖171 (虛線)的旁邊示出。換句話說，曲線圖170是從模擬產生的，其中示例性電路的穩壓器的參數(如本發明所討論的)在模擬期間隨著負載的改變而調節。並且現有技術的曲線圖171是從相同的電路的模擬產生的，其中參數在其模擬的操作期間沒有調節。
[0067]虛線172表示負載級別,連續的導電模式(CCM)邊界在該負載級別橫穿過去。能夠在曲線圖170和171中在該位點附近看出稍微的不連續性。
[0068]另一虛線173指示負載級別，在該負載級別以下開關損耗佔主導地位，並且在其以上傳導損耗佔主導地位。在虛線173附近，曲線圖170和171示出在兩個模擬中的效率級別之間的相對緊密的匹配。然而，曲線圖170和171進一步從虛線173偏離，以致由本發明的實施例生成的曲線圖170示出了比現有技術的曲線圖171更高的效率級別。
[0069]圖10示出分別由於傳導損耗和開關損耗的示例性功率損耗(Ploss)相對於負載的曲線圖174和175 (實線)。這些曲線圖174和175是基於併入本發明的實施例的圖1所示的電子裝置100從示例性電路的模擬生成的。示例性Ploss相對於負載的曲線圖174和175經示出在由於傳導損耗和開關損耗的示例性現有技術的Ploss相對於負載的曲線圖176和177 (虛線)的旁邊。換句話說，曲線圖170是從模擬產生的，其中示例性電路的穩壓器的參數(如本發明所討論的)在模擬期間隨著負載的改變而調節，並且現有技術的曲線圖176和177是從相同電路的模擬產生的，其中參數在其模擬的操作期間沒有調節。
[0070]如圖9所示虛線178表示負載級別，在該負載級別橫穿了 CCM邊界。能夠在曲線圖174-177中在該位點附近看出稍微的不連續性。
[0071]另外，另一虛線179指示負載級別，在該負載級別以下開關損耗佔主導地位，並且在其以上傳導損耗佔主導地位。在虛線179附近，傳導損耗曲線圖174和176示出在兩個模擬中的效率級別之間的相對緊密的匹配。然而，傳導損耗曲線圖174和176進一步從虛線179偏離，以致由本發明的實施例生成的曲線圖174示出了比現有技術的曲線圖176更低的功率損耗級別。另外，開關損耗曲線圖175和177的比較揭示了由本發明的實施例生成的曲線圖175示出幾乎在其整個長度範圍內比現有技術的曲線圖177更低的功率損耗級別。
[0072]圖11示出根據本發明的實施例的示例性過程180的簡化的流程圖，它是用於控制(例如通過控制器108或123，並有可能連同其他組件一起)電子裝置100的至少一部分動態可優化系統的電源架構。應當明白的是過程180僅以說明的目的示出。因此，其他過程或單獨的子功能或子功能的順序可以用來實現與設置/重置一個或更多穩壓器101-104的可調節參數的相同或類似的整體功能，並且可以用來優化電子裝置100的效率或其至少一部分。
[0073]緊接著開始(在181)，假設在整體電子裝置100的啟動時，初始數值被分配(在182)到自適應參數。初始參數值可以是基於用於穩壓器101-104的已知的啟動條件。替換地，既然控制器108或123在這一位點可能還沒有運行，那麼初始參數值可能會固定地植入穩壓器101-104，以便能夠啟動。另外，其餘的過程180可能會延遲，以便允許電子裝置100或一個或更多穩壓器101-104在動態地調節可調節參數之前完成它的啟動程序。
[0074]接著在183讀取預測數據。替換地或除了讀取預測數據以外，穩壓器101-104的輸出電壓Vout和輸出電流1ut (即當前負載數據)還在183取樣。如果預測和/或當前負載數據表明電子裝置100或負載105-106或任一穩壓器101-104不穩定或不在穩定的狀態條件下，如在184所確定的，那麼可能不能確定使可調節參數設置到的適當的數值。另外，在這個操作條件下改變可調節參數可能也是不需要的。因此，在這種情況下，對可調節參數沒有做出改變，即保持了靜態操作(例如在185)。
[0075]在電子裝置100或穩壓器101-104的至少一個負載105-107處在穩定的系統狀態之前，如在184所確定的，預測和/或當前負載數據可能必須讀取或取樣(例如在183-185的迴路中)若干次。然而，一旦發生這種穩定性，那麼系統或其一部分的狀態就會從預測和/或當前負載數據確定(在186)，例如，通過使用狀態查找表113或130(圖1和2)。如果狀態從先前的狀態確定中(如在187所確定的)沒有變化，那麼沒有必要進行重置可調節參數的過程180的部分。因此，可能會保持(例如在185)靜態操作並從183-187重複過程180，直到在187檢測到狀態的改變。
[0076]當在187檢測到狀態的改變(用於電子裝置100或其一部分的)時，在參數查找表114、131或145 (圖1-3)中查找用於自適應或可調節參數的相應的數值。接著這些數值會分配(在189)到受影響的穩壓器101-104的自適應/可調節參數，如上面參考圖1和2所描述的。只要電子裝置100是可操作的，過程180就會接著返回到183，以便重複。
[0077]如替代方案所示，如果在183接收的預測數據(如果已使用)指示系統(或其一部分)趨於穩定所在的時間和/或它趨於穩定所在的狀態，那麼控制器108或123能夠提前準備，而不是僅在183-185的迴路中等待。在這種情況下，可能會進行過程180，以便查找即將來臨的狀態(類似於186)、確定即將來臨的狀態是否是變化狀態(類似於187)以及緊接著狀態趨於穩定(或可選地在其以前)查找用於預期設置參數數值(如在189 )的可調節參數(類似於188)的數值。其他的替換方案從本發明的完整描述中將會是明顯的。
[0078]已經以一定程度的特殊性描述了優選地示出的本發明的實施例及其改進方案。這種描述是以優選的示例的方式做出的。然而，應當明白的是所要求的主題的範圍是由權利要求所限定的，且不必由以上提出的優選實施例的詳細描述所限制。
【權利要求】
1.一種電子裝置，其包括: 在所述電子裝置的至少部分內的負載； 對所述負載提供功率並且具有能夠在操作期間被設置的操作參數的穩壓器；以及連接到所述穩壓器的控制器，所述控制器重複地確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態，並且響應確定所述狀態重複地設置所述穩壓器的所述操作參數，以便在所述穩壓器的操作期間優化在所述電子裝置的至少所述部分中的系統功率使用，所述狀態可從至少三種預定狀態中選擇，所述操作參數的數值可從多組數值中選擇，每組數值對應於所述預定狀態中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的電子裝置，進一步包括: 所述電子裝置的至少所述部分內的多個所述負載；以及 對多個所述負載提供功率並且每個具有能夠在操作期間被設置的所述操作參數的多個穩壓器； 並且其中: 所述控制器連接到所述多個穩壓器；以及 所述控制器響應確定所述狀態重複地設置所述多個穩壓器的所述操作參數，以便在所述穩壓器的操作期間優化所述電子裝置的至少所述部分中的系統功率使用。
3.根據權利要求2所述的電子裝置，其中: 每個所述穩壓器的所述操作參數包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓；以及 所述穩壓器中至少一個的所述操作參數進一步包含輸出電壓電平。`
4.根據權利要求2所述的電子裝置，其中: 每個所述穩壓器的所述操作參數獨立於其它穩定器被設置。
5.根據權利要求2所述的電子裝置，其中: 所述穩壓器中的一個以電壓電平向其它穩壓器提供功率； 所述電壓電平是所述一個穩壓器的所述操作參數中的一個；以及 所述一個穩壓器提供的所述電壓電平響應於確定所述狀態而被設置。
6.根據權利要求1所述的電子裝置，其中: 所述控制器基於所述負載確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
7.根據權利要求1所述電子裝置，其中: 所述控制器基於預測數據確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
8.根據權利要求1所述的電子裝置，其中: 所述控制器基於預測數據和所述負載確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
9.根據權利要求1所述電子裝置，其中: 所述操作參數包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓。
10.一種電子裝置，其包括: 用於穩定電壓的裝置，所述電壓用於為在所述電子裝置的至少一部分內的負載供電；所述穩定裝置具有多個可調節的操作參數，其包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓； 用於接收與所述負載相關的反饋的裝置； 用於接收與所述電子裝置的至少所述部分的狀態相關的預測數據的裝置； 用於存儲至少三個預定狀態的狀態定義的裝置，其中所述電子裝置的至少所述部分能夠在所述三個預定狀態操作； 用於儲存包含多組用於所述可調節操作參數值的操作參數數據的裝置，其中每組數據都對應於至少一種所述預定狀態； 用於通過使用與所述負載相關的所接收的反饋和所接收的預測數據，在所述狀態定義儲存裝置中查找所述狀態，以確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態的裝置； 用於通過查找對應於所確定的狀態的所述可調節操作參數的組，選擇所述可調節操作參數的裝置；以及 用於在穩定裝置操作期間設置在所述穩定裝置中所選擇的所述可調節操作參數的裝置。
11.根據權利要求10所述的電子裝置，進一步包括: 用於穩定多個電壓的多個所述穩定裝置，所述電壓用於為在所述電子裝置的至少所述部分內的多個負載供電，每個穩定裝置都具有所述多個可調節操作參數，其包含所述開關頻率和所述兩個柵極驅動電壓，所述穩定裝置中的一個在電壓電平向其他穩定裝置提供功率，所述電壓電平是所述穩定裝置中的一個的所述多個可調節操作參數中的一個，每個穩定裝置的所述可調節操作參數都獨立於所述其它穩定裝置被設置。
12.—種方法,其包括: 操作穩壓器以便為電子裝置的至少部分內的負載供電，所述穩壓器具有多種可調節操作參數； 確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態，所確定的狀態是至少三個預定狀態中的一個；以及` 依據所述確定的狀態，將所述可調節操作參數設置為預定值，以便在所述穩壓器的操作期間優化所述電子裝置的至少所述部分中的功率使用，所述預定值可從多組數值中選擇，每組數值都對應於所述預定狀態中的至少一個。
13.根據權利要求12所述的方法，進一步包括: 操作多個穩壓器以便為所述電子裝置的至少所述部分內的多個負載供電，每個所述穩壓器都具有所述多個可調節操作參數；以及 依據所述確定的狀態，設置所述多個穩壓器的所述可調節操作參數，以便在所述多個穩壓器的操作期間優化所述電子裝置的至少所述部分中的功率使用。
14.根據權利要求13所述的方法，其中: 用於每個所述穩壓器的可調節操作參數包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓；以及 用於至少一個所述電壓穩壓器的可調節操作參數進一步包含輸出電壓電平。
15.根據權利要求13所述的方法，進一步包括: 獨立於其它穩定器設置每個穩壓器的操作參數。
16.根據權利要求13所述的方法，進一步包括: 操作所述穩壓器中的一個，以便以電壓電平向其它穩壓器提供功率，所述電壓電平是所述一個穩壓器的所述多種可調節操作參數中的一個；以及 依據所確定的狀態，設置由所述一個穩壓器提供的所述電壓電平。
17.根據權利要求12所述的方法，進一步包括: 基於所述負載確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
18.根據權利要求12所述的方法，進一步包括:基於所述預測數據確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
19.根據權利要求12所述的方法，進一步包括:基於預測數據和所述負載確定所述電子裝置的至少所述部分的狀態。
20.根據權利要求12所述的方法，其中:所述可調節操作參數包含開關頻率和兩個柵極驅動電壓。
【文檔編號】G05F1/56GK103513687SQ201310237031
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月14日 優先權日:2012年6月15日
【發明者】S·M·默瑟, R·D·帕特爾 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司