CN101286698B - 动态调整的多相调节器 - Google Patents

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Abstract

在本发明一些实施例中，提供了一种带有动态相调整的多相变换器。

Description

动态调整的多相调节器
技术领域
本发明大致涉及一种电压调节器，且更具体地，涉及一种开关型调节器，其包括但不局限于多相开关型降压(buck)、升压(boost)、升降压(buck-boost)调节器以及其同步版本。
背景技术
现有技术提供的电压调节器存在着不少缺点。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种带有促进高效多相调节器的部件的集成电路，包括：控制多个相脚以向负载提供负载电流的控制器，所述控制器具有监测所述负载电流以基于所述监测负载电流而使能多个所述相脚的电路。
本发明的另一方面又提供了一种电压调节器，包括：可控制地耦合到负载以向其提供负载电流的多个相脚；以及控制器，所述控制器耦合到所述多个相脚，以监测所述负载电流，并基于所监测的负载电流而控制有多少个所述相脚参与，以提供电流至所述负载。
附图说明
本发明的实施例通过范例的方式而不是限制的方式在附图中的图形中示出，在附图中相似附图标记表示类似的部件。
图1是根据一些实施例的电压调节器的框图。
图2是实施根据一些实施例的实现动态定相电压调节器的程序。
图3是根据一些实施例的动态定相多相电压调节器的示图。
图4是根据一些实施例的适用于图3中的电压调节器的脉冲宽度调制器的部分示图。
图5是根据一些实施例的带有动态定相电压调节器的计算机系统的示图。
具体实施方式
这里公开的不同实施例描述了动态可调节的多相电压调节器(VR)，其能够提供增强的效率响应特性。
多相开关型调节器例如所谓的降压变换器(buck converter)通常用于将稳定直流电压传输至组件，这些组件包括但不局限于微处理器、芯片组、记忆卡以及图像加速器。开关型调节器通常使用至少一个或多个开关和/或整流元件和电感器来实现“相脚”(phase-leg)，以通过调整电压节点(regulated voltagenode)从施加的电压源将开关控制的电流传输至负载。当负载需要更大的电流时，该一个或多个开关被控制以在开关周期内以较长的持续时间从施加的电压为负载提供电流。相反的，当负载需要更小的电流时，在周期内以较短的持续时间施加电流。
开关元件中的开关损耗趋于在轻载时在整个功率损耗中占支配地位，而传导损耗则趋于在较大负载时在功率损耗中占支配地位。结果，功率转换效率典型的在相对中等的负载条件下达到最高，并且在常规运行下在轻载和较大负载时都趋于减小。
至于多相调节器，若干相脚通常耦合至调整电压节点以将它们的电流传送至此。每个相脚的导电时间在开关间隔内是交错的，典型的是均匀交错的，以使输出电压/电流的纹波最小化，并且降低需要滤去开关噪声的输出电容的大小。这种技术通常被称作多相功率变换。为了降低传导型功率损耗，多相变换器在相对高负载电流条件下通常是优化的。但不幸的是，电子组件，例如在计算平台上，在低电流“空闲”模式下耗费了大量时间，其导致低效的调节器运行以及不希望的功率损耗。例如在电池运行平台这样的损耗会被放大。因此，就需要新方法。
图1概括示出了根据一些实施例的多相电压调节器(VR)。其包括VR控制器102(有时称作脉冲宽度调制器，PWM)、驱动器-滤波电路104、以及反馈电路106，这些全部如示出的耦合起来为负载110提供调整电压供给VR。该VR控制器包括逻辑和电路，以为驱动滤波电路104内的相脚提供脉冲宽度调制驱动信号(P1:PN)。反馈电路耦合至VR节点，也至/入驱动滤波电路104，用以为控制器102提供电压和电流反馈信号以调节输出电压VR，以及动态控制不同相位的相脚，以维持期望的运行效率。电压反馈相应于VR，而电流反馈(其可能实际上采用电压信号传送)表示相脚中提供给负载110的电流。
控制器控制相脚，从而负载电流大致均匀地分配在到所有激活的相脚(或相(phase))上。取决于负载电流的需要，多个相被使能，以使得各每一相在给定的负载电流范围内都运行在合适的效率水平下处。在一些实施例中，控制器监控整体平均负载电流并使能选定数目的相，以使得每相的平均电流维持在所期望的效率的合适窗口内。当整体负载电流的需要增大时，相可能被激活，且相反地的，当负载电流减小，它们可去除(drop out)。在一些实施例中，随着负载变轻，相能够以一次一个的方式不参与，在最轻的负载运行时由单一相支持。
图2示出了根据一些实施例的用于动态控制多相VR的程序。在202，多个相脚被提供以用于为公共负载(common load)供应电流和调整电压。在204，选定数目的相脚被不同相位的驱动信号驱动。选定的数目是动态地基于负载需要的电流量的。
图3示出了根据图1的变换器的一些实施例的带有动态定相控制的多相开关DC-DC变换器(电压调节器)300。变换器300通常包括脉冲宽度调制器(PWM)(或控制器)302、驱动器部分312、输出滤波部分322、电流反馈部分332以及电压反馈部分342，所有这些如示出地耦合起来，以向负载350提供调整电压(VR)。(电流和电压反馈部分对应于图1中的反馈电路106)。
在描述的实施例中，驱动器部分312包括N个驱动器(Di)；电流反馈部分332包括N个电流传感器(I-Sensei)，且输出滤波部分322包括N个电感(Li)以及一个电容C。驱动器(Di)通过电流传感器(I-Sensei)耦合至电感(Li)，形成N个相脚304i。如示出的，相脚304i耦合至公共输出电压节点(VR)来馈给电流到调节负载350。
如这里所使用的，术语“相脚”指的是一驱动器(也就是，一个或多个开关和/或整流部件)，该驱动器耦合至一个或多个电感和/或电容，并耦合至调整电压节点，以通过该一个或多个电感和/或电容将施加电源(appliedsupply)的供给(例如Vin)可控制地耦合至调节负载。相脚可以实现多相变换器中的一相用于任何期望的变换器方案，这些方案包括但不局限于降压、同步降压、升压、升降压、或反激变换器(fly back converter)。例如，在同步降压型变换器中，相脚中的驱动器(Di)可以包括互补的PMOS和NMOS晶体管，它们的漏极相连并共同耦合至电感器，以可开关地将其耦合至施加的高侧电源，耦合至低侧电源，或者使其三态。另一方面，相脚可配置以完成标准降压型驱动器(buck type driver)，例如，带有开关，例如耦合至电感的晶体管，该电感具有从参考低电源耦合至开关电感节点的二极管，以在开关打开时为电感提供电流。并且在本发明的范围内，不计其数的其它驱动器和电感/电容的实现将能被本领域技术人员所意识到。
沿着相同的思路，应当意识到，电感可以由任何形式的电感实现(或就此而言的变压器技术)，以提供期望的电感量，电感量取决于设计关注点以及运行环境而变化。例如，它们可能被制造成具有磁芯或者被实施为具有所谓的“气芯(air-core)”。它们可能被设置成相互磁耦合，或者可选择地，其中一些或全部能处于破坏性的耦合设置中。在一些情况下，取决于诸如开关频率和设计所关心的因素，它们甚至有可能被实施为具有简单的轨迹(trace)或类似物。
(术语“PMOS晶体管”指的是P型金属氧化物半导体场效应晶体管。同样的，“NMOS晶体管”指的是N型金属氧化物半导体场效应晶体管。应当意识到，只要术语“晶体管”，“MOS晶体管”，“NMOS晶体管”，或“PMOS晶体管”被使用，除非另外明确指出或规定它们应用的性质，否则它们都是以示范方式被应用。它们包括不同种类的MOS装置，包括具有不同VT和氧化物厚度的装置，这里只提及了一部分。另外，除非指定为MOS或类似，术语晶体管包括其它合适的晶体管类型，比如，已知的或尚未开发的结型场效应晶体管、双极结型晶体管、以及各种类型的三维晶体管)。
在描述的实施例中，电流反馈部分332包括电流传感器334(I-Sensei)，其串联耦合在相关联的驱动器(Di)和电感(Li)之间，以提供指示相脚中电流的信号(I)。它们可以由任何合适的装置或装置的组合来实现，以监测相脚中的电流，但基本上不会阻止其电流。在描述的实施例中，每个传感器放置在驱动器和电感之间，但这不是必需的。例如，它们可以插入在相脚中的任何地方来指示其电流。实际上，单独的传感器元件甚至可以不插入在相脚的电流通路中。例如，在一些实施例中，晶体管可能以电流反射镜结构跨相脚驱动器中的晶体管而耦合(例如，耦合至外加源的P型晶体管)，以指示相脚中的电流。该形成反射镜的附加晶体管可以例如与电阻串连耦合以提供指示相脚中电流的电压信号。在描述的实施例中，相脚电流信号(Ii)是指示它们的相应相脚中的电流的电压信号。
电流反馈部分332还包括对功率脚电流(power leg currents)求和并为负载340提供总平均负载电流信号(IAVG)的电路(未示出)。(例如，电容可以被用来对来自使能的(激活的)相脚304i的感测电流信号进行积分(integrate)。)平均负载电流(IAVG)以及各个感测电流信号(I1:IN)都返回至PWM302。
描述的实施例中，电流反馈部分312还包括电路，该电路产生激活电压位置信号(VAVP)以提供给电压反馈部分342，用于调节输出(VR)的偏置调整，以计及负载线阻抑(load-line impedance)。
电压反馈部分342接收来自调节输出(VR)的感测电压(Vsense)以及VAVP信号，以产生PWM 302使用的比例-积分-微分(PID)信号来相对于期望的参考电压(未示出)追踪调节输出电压(VR)。此外，在一些实施例中，电压反馈部分342可提供合适的反馈补偿(例如，具有宽带反馈补偿器电路)，以提供用于相增加和去除的稳定的系统响应。(以下详细讨论)
PWM 302产生应用到相脚以可控制地将它们从相关联的施加电压(Vin)耦合或者去耦合的控制(例如驱动)信号(P1到PN)。PWM 302还产生相使能(EN2到ENN)信号，以根据需要拉起多少负载电流(由IAVG表示)而有选择地分别使能或禁用各个相脚3042到304N。
在运行中，PWM产生驱动信号(P1到PN)来可控制地将相关联电感耦合到施加电压(Vin)上。基于其施加的驱动信号(Pi)，驱动器(Di)以与其施加的驱动信号的占空比成比例的方式控制通过其电感(Li)而提供给负载的电流的平均量，这样就能够用于调节负载电压(VR)。驱动信号(Pi)因此被称为“脉冲宽度调制”以调节输出负载电压(VR)。
驱动信号(P1到PN)根据时间(相移位转换)而倾斜，从而来自每个电感的开关噪声在时间上被分配。这降低了纹波，并且允许为负载提供比否则仅由单一相脚提供的更大的总电流量。PWM 302监测平均负载电流(IAVG)并将其与一个或多个阈值比较，以为了运行负载电流范围内的预期效率而使得合适数目的相(相脚)被使能。随着负载电流增大至下一个更高的“窗口户”，PWM使另外的相(相脚)参与。相反的，如果负载电流下降至下一个更低的“窗口户”，它就会去除(停止)相。以这样的方式，在很大程度上，它将平均每相电流维持在期望的效率范围内。
当相被加入或去除，PWM 302在开关周期上重新分配剩余的相。反馈回路以及输出电容应当被选择，从而在相重对准时使调整电压中的噪声维持在稳定的运行限度内。
负载条件的快速改变可能会造成输出调整电压的尖峰(spike)或下降(droop)。因此，可以引入检测负载瞬变的电压感测部件(图中所示)来监测这样的瞬变。PWM 302可以被配置成使得，当检测到这样的负载瞬变时，PWM快速响应来激活所有的相以允许响应于瞬态事件而对输出电容进行快速充电和放电。为了稳定地处理负载瞬变以及相应的相调整事件，可能期望(如果不是必要的话)具有相对较低带宽的电流感测(current sensing)，比如上面讨论的具有IAVG产生的平均方案。
图4示出了根据用于3相多相变换器例子的一些实施例的PWM 302的部分。它一般包括控制/DLL(延迟锁定环)电路402、求和电路404-408、2∶1开关410、比较器412-416以及滞后比较器418、420，如图所示耦合在一起。
控制/DLL电路402接收参考信号401并从其产生四个参考相信号：CP1到CP4。CP1具有0°的相位角；CP2具有120°的相位角；CP3具有240°的相位角；CP4具有180°的相位角。在描述的实施例中，参考信号是时钟(例如脉冲序列)信号，其被用作用于DLL电路的参考相以产生具有期望相位角的时钟。不同定相的脉冲时钟接着被转换成具有相应的相位角的三角形信号，以提供CPi信号。然而，也可以使用其他方法。例如，其它PWM方法中，脉冲时钟可以用作CP信号，或者可选择的，如果需要的是三角形CP信号，就可以用三角形参考波作为输入参考，且可以用合适的延迟电路来从其产生不同定相的三角形信号。在一些实施例中，可以采用频率超过10MHz，例如50Mhz的参考相和不同相位的信号。
在描述的实施例中，DLL具有带至少四个抽头点(tap point)的延迟级来提供四个具有其指示关系的控制相信号(CP1至CP4)。这些信号接着被转换为三角形信号，其具有相应的相位角，且用于CPi信号。控制/DLL还可以包括调整各控制相信号中偏移的电路(例如，电平偏移电路)，用来实现用于调整电压(VR)控制的脉冲宽度调制。
求和电路404接收PID信号和来自相1的传感电流感测电流信号I1，并且将它们相叠加来求和，该和被耦合到比较器412的负输入。另一个输入接收CP1控制相信号。比较器输出产生相信号P1，P1是占空比由PID+I1和CP1的比较结果控制的脉冲序列。PID+I1的和实质上作为相对比于CP1三角波的移动比较器阈值。当CP1小于PID+I1，那么P1就是低了。相反的，当CP1上升超过PID+I1，那么P1变的高了。这样，PID和I1信号提供了负反馈，因为当它们上升时，较少的CP1三角将会上升超过它们，导致具有较小占空比的P1。另一方面，当它们减小时，每个CP1三角波的较大部分将会大于它们，导致具有较大占空比的P1。(应当意识到，有很多方式可以达到期望的反馈，也就是，关于PID和I1的负反馈。例如，在可选实施例中，DC直流参考在正负输入处被施加，并且CP1信号被施加到求和电路404与PID和I1相加。以这样的方式，DC参考而不是三角波能够被调整，以控制输出电压值。可选择的，CP1和PID可以合起来，例如相加，并一起施加到负输出，并且DC参考可以与负版本的I1相加，此相加的和蜘加到正端。在本发明范围内的其它不同的方式以及细合也可以被实施。)
求和电路408以及比较器416功能相似，除了它们作用于CP3、PID、以及I3以产生相信号P3。求和电路406和比较器414的运行也是相似的，除了它们作用于CP2或者CP4(取决于开关410的选择)、PID信号和I2来产生相信号P2。
滞后比较器(hysteretic comparator)418和420用于决定三相(P1，P2和P3)中有多少相应当参与。和这里描述的其它功能电路块一样，它们可以用任何合适的电路来实现，这些电路包括但不局限于模拟电路部件、数字逻辑部件、机器码以及类似物。这两个比较器在它们的正输入处接收平均负载电流信号(IAVG)，但是比较器418在其负输入处接收固定参考信号(Vref3)，而比较器420在其负输入处接收固定参考信号(Vref2)。(Vref3的值大于Vref2)。当IAVG高于Vref3(因此也高于Vref2)，EN3和EN2信号都将被断言以使能全部三相。另一方面，当IAVG高于Vref2但小于Vref3，那么EN3将不被去断言(de-assert)但EN2将被断言以使得相3被去除而只有相1和2被激活的。最后，当IAVG小于Vref2(因此也小于Vref3)，那么EN3和EN2都将被去断言以禁用相3和相2，从而只有相1保持激活。因此，Vref3应当一致于当对于三个激活的相而言的平均每相电流变得无效率的低的点，而Vref2应当被选择为一致于当对于两个激活的相而言的平均每相电流变得无效率的低的点。
图4的电路不仅动态地控制基于负载电流而激活的开关功率脚的数目，而且，它还在当相被去除时重新分配(必要时)剩余的相。此外，它提供用于激活的相的负载平衡。这能够最简单地由当相3被去除时其是怎样工作的说明来描述。
当IAVG小于Vref3，EN3被去断言，这造成相3禁用。(注意，当被去除时，相能够与负载隔离或者以任何合适的方式禁用一些通路。例如，由对应使能信号控制的晶体管开关可以被用于从负载隔离相关的开关功率脚。)
EN3的去断言还造成开关410选择CP4代替CP2。这导致比较器414处的参考三角现在位于相对相位角180°处而不是120°处。因此，两个激活的相，相1和相2在0°和180°上相应地平均重新分配。此外，注意每相的感测电流被以负反馈的方式(加到PID信号)施加到相关的比较器。这导致在稳态和瞬态条件下的合理的负载平衡，因为如果任何开关功率脚“升高”太快，它将被其相关驱动信号(Pi)占空比的减小而抑制。应当意识到，这些电路技术可以扩大到更多数目的相。更多的开关被要求，但是由于参考相源具有足够数目的抽头点，不同相的必要的相组合(如其它相被去除或加入)可以合理地被实现用于足够平均的相分配。
参考附图5，计算机系统的例子被示出。描述的系统一般包括耦合至多相电压调节器504的处理器502、存储器506、以及无线接口508。其耦合至电压调节器504以在运行时从其接收功率。无线接口508耦合至天线509，以通过无线接口芯片508通信式地耦合处理器至无线网络(未示出)。多相电压调节器具有如本文公开的动态相调整(例如，相使能/禁用)。
应当注意到，描述的系统可以以不同的形式实施。也就是，它可以以单一芯片模块、电路板或者具有多个电路板的底盘来实现。相似的，它可以组成一个或多个完整的计算机，或可选择的，它可以组成计算系统内的有用的部件。
本发明不局限于描述的实施例，而且能够在所附权利要求的精神和范围内以改变和变更的形式被实施。例如，应当意识到，本发明可以应用于所有形式的半导体集成电路(“IC”)芯片。这些IC芯片的例子包括但不局限于处理器、控制器、芯片组部件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储器芯片、网络芯片以及类似物。
进一步的，应当意识到尽管示例的大小/模型/值/范围已经给出，但本发明并不局限于相同物。随着制造技术(例如，光蚀刻法)日益成熟，期待更小尺寸的装置能够被制造出。此外，为了说明和讨论的简便以及不混淆本发明，耦合至IC芯片或其它部件的已知的功率/接地连接可以或可以不被附图示出。进一步的，为了避免混淆本发明，以及还考虑到相应于这样的框图设置实现的细节高度取决于本发明实施的平台，也就是说，这样的细节可以在本领域技术人员的范围内知晓，设置被以框图的形式示出来。为了描述本发明的实施例，其中具体细节(例如，电路)被提出，对于本领域技术人员明显的是本发明可以在不改动或改动这些具体细节的情况下被实践。因此描述应当被视为说明性的而不是限制性的。

Claims (1)

1.一种具有便于实现高效多相调节器的部件的集成电路，所述集成电路包括：
多个相脚以将负载电流供给负载，其中多个所述相脚能够操作来被使能或禁用；以及
控制所述多个相脚以向所述负载供给负载电流的控制器，所述控制器具有监测所述负载电流以基于所述监测的负载电流而使能多个所述相脚的电路，
其中，所述控制器包括：
多个比较器，生成相应的多个用于所述多个相脚的相信号；以及
多个求和电路，生成多个求和信号，所述多个求和电路用于将所述多个求和信号提供给所述多个比较器。
2、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器将每个使能的相脚的平均电流维持在所期望范围内。
3、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器监测所述负载电流的平均。
4、根据权利要求3所述的集成电路，其中所述控制器包括：多个滞后比较器，用于比较平均负载电流和多个参考，所述参考相应于相被使能或禁用之处的电平，并用于生成使能信号以从所述多个相脚中选择地使能或禁用相脚。
5、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多个相脚用于多相同步降压变换器。
6、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器响应于相脚的使能或禁用而重新分配使能的相脚的选定数目。
7、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器具有负载平衡电路，以提供所述使能相脚的负载平衡。
8、根据权利要求1所述的集成电路，其中每个相脚都包括电流传感器以指示相脚电流。
9、根据权利要求8所述的集成电路，其中所述电流传感器被放置于所述相脚中的驱动器和电感器之间。
10、根据权利要求8所述的集成电路，其中每个相脚包括具有晶体管的驱动器，以及其中所述电流传感器由包括所述晶体管的电流反射镜形成。
11、根据权利要求4所述的集成电路，其中所述多个参考具有不同的参考阈值。
12、根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器包括基于所述相脚中监测的负载电压和感测电流来驱动每个相脚的电路。
13、根据权利要求12所述的集成电路，其中所述电路控制所述相脚中的驱动器，以响应于监测的负载电压和感测电流之和增加而减小所述相脚中的电流。
14、根据权利要求12所述的集成电路，其中所述控制器具有开关电路，以采用至少一些所述相脚的选定参考三角形信号来驱动所述相脚。
15、根据权利要求1所述的集成电路，其中每个相脚都包括可控制地耦合在施加电源节点和电感器的第一节点之间的P型晶体管。
16、根据权利要求15所述的集成电路，其中所述电感器的第二节点耦合至所述负载。
17. 根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多个求和电路接收比例-积分-微分信号和来自所述多个相脚的感测电流信号，并且将所述比例-积分-微分信号与来自所述多个相脚的感测电流信号分别相叠加来生成多个求和信号。
18、一种计算机系统，包括：
处理器；
天线，耦合至所述处理器以将所述处理器与无线网络通信地链接；以及
电压调节器，将负载电流供给所述处理器，所述电压调节器根据权利要求1-17中任一项所述的集成电路。
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