CN102064788A - 用于均衡可变相位稳压器的小信号响应的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于可变相位稳压器的控制电路包括误差放大器以基于参考电压和代表可变相位稳压器的输出节点上的电压之间的差来产生差信号。控制电路还包括可变相位补偿器以放大差信号以产生修改的差信号，以补偿可变相位稳压器中的活动相位的数量变化的影响，其中所述放大与可变相位稳压器的相位总数和可变相位稳压器的活动相位的数量的比成比例。

Description

用于均衡可变相位稳压器的小信号响应的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及于2009年11月12日提交的名称为“EQUALIZING THE SMALL SIGNAL RESPONSE OF VARIABLE PHASE VOLTAGE REGULATORS”的序列号为61/260/,720(律师签号为SE-2661-IP)且本文中作为‘720申请被引用的美国临时专利申请。‘720申请通过引用并入本文。本申请要求第61/260,720号美国临时专利申请的优先权。
附图的简要描述
理解附图仅描述示例性的实施方式且因此不被理解为限制范围，在附图的使用过程中，示例性的实施方式将以另外的特征和细节来描述，在附图中：
图1是使用可变相位稳压器的系统的一个实施方式的块图。
图2是可变相位稳压器的一个实施方式的块图。
图3是可变相位稳压器的一个实施方式的电路图。
图4是可变相位稳压器的另一个实施方式的电路图。
图5描绘了具有可变相位补偿器的可变相位稳压器的一个实施方式的示例性相位转变瞬态响应以及没有可变相位补偿器的可变相位稳压器的示例性相位转变瞬态响应的波形。
图6是描绘均衡可变相位稳压器的小信号响应的方法的一个实施方式的流程图。
根据惯例，各种被描述的特征未按比例绘制，而是被绘制为强调与示例性实施方式相关的具体特征。
详细描述
在以下的详细描述中，参考形成该详细描述的部分的附图，且在其中通过示出具体的说明性的实施方式的方式示出参考。但是，应理解可使用其他的实施方式且可以作出逻辑的、机械的和电的修改。另外，附图和说明书中所示出的方法不应被理解为限制各个行为可被执行的顺序。因此，以下的详细描述不具有限制意义。
本文所使用的术语“可变相位稳压器”和“多相位稳压器”可互换地使用来指具有多个相位、每个相位可被选择性地开或关的稳压器。因此，本文所使用的术语“N相位模式”和“N相位操作”是指给出的时间点上的活动的或“开”相位的数量，此处N是整数。例如，3相位操作是指有3个相位活动或开的稳压器的操作模式。类似地，术语“全相位模式”和“全相位操作”是指稳压器的所有相位都是活动的操作模式。
图1是使用可变相位稳压器101的系统100的一个实施方式的块图。系统100还包括电源103和负载105。负载105通过可变相位稳压器101从电源103抽取电力(draw power)。例如，负载105可被实现为但不限于一个或多个处理器(例如微型处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等)、显示设备(例如发光二极管或LED显示器、阴极射线管或CRT显示器、液晶显示器或LCD等)、存储设备(例如常规硬盘、电可擦除可编程ROM或EEPROM、快擦型存储器等)，或本领域技术人员已知的其他的可应用的外围设备。另外，电源103可被实现作为但不限于常规的交流(AC)到直流(DC)电源或电池。
可变相位稳压器101调整来自电源103的输入电压以供负载105使用。可变相位稳压器101可操作来选择性地开或关多个相位中的一个或多个相位。当活动的相位的数量减少时，可变相位稳压器的等效输出电感增加。等效输出电感的这个增加使可变相位稳压器的电感器/电容器(LC)谐振频率变低，并能减少可变相位稳压器的整个带宽和相位裕度。减小的带宽可表现在较低的负载瞬态响应中，并表现出需要更多的输出电容器以改进调整。
为了补偿这个效应，本文所描述的非常规可变相位稳压器的实施方式包括可变相位补偿器118，以调整可变相位稳压器101的增益以实质上消除等效输出电感的变化的影响。具体地，该增益与稳压器中的活动相位的数量和相位的总数量的比成比例(例如，该增益是该比值的常数倍)。另外，本文所描述的实施方式能够以多于2个的操作模式操作。例如，在具有4个相位的可变相位稳压器的一个实施方式中，可变相位稳压器能够通过调整所应用的增益调整以补偿活动相位的变化的影响的方式，以1相位、2相位、3相位和4相位操作的方式操作。
图2是描绘可在以上的系统100中实现的可变相位稳压器201的一个实施方式的高级块图。可变相位稳压器201包括控制电路202和耦合到控制电路202的多个驱动器和切换电路204-1…204-N(本文还称为相位)。虽然图2中示出的三个相位204，应理解在其他的实现方式中可应用不同数量的相位204。在这个示例性实现方式中，可变相位稳压器201被实现作为多相位降压模式脉冲宽度调制(PWM)DC-DC转换器。但是，还应理解，在其他的实施方式中，稳压器201还可被实现作为其他类型的多相位稳压器，例如但不限于，升压模式和降压-升压模式转换器。
控制电路202包括向相位204-1…204-N中的每个相位提供相应的PWM信号(也称为控制信号)的调制器206。调制器206基于来自信号发生器208的斜变信号Vramp和来自误差放大器214的差信号产生PWM信号。在一些实施方式中，斜变信号是模拟信号，而在其他实施方式中，斜变信号是数字斜变信号。
响应于PWM信号，每个相位204-1…204-N当处于活动状态时调整输入电压信号Vin，并向共用输出节点210提供调整后的电压以向负载输出一输出电压信号VOUT。特定地，处于活动状态的相位204-1…204-N(即活动相位)可操作来交错向共用节点210提供调整后的电压以减小VOUT信号中的电压脉动。
另外，代表VOUT信号的信号通过反馈网络212反馈到控制电路202中的电压误差放大器214。每个相位204还被耦合到控制电路202中的电流检测电路216。电压误差放大器214耦合到电流检测电路216和调制器206，其调制PWM信号的占空比以使节点210上的VOUT信号维持在规定的一组参数内。该参数可包括例如，限定VOUT的电压响应于增加的负载电流而减小的固定比值量的下降(droop)或增益参数。
稳压器201选择性地在活动状态和非活动状态之间切换多个相位204中的每个相位(即，每个相位被开或关)。例如，在一些实施方式中，稳压器201基于负载的电流和/或电压要求的动态检测选择性地切换多个相位204中的每个相位。在其他实施方式中，相位204选择性地基于来自负载的信号选择性地开或关，该信号例如为从负载被提供到可变相位稳压器以指示轻负载状态的功率状态指示器(PSI#)。
稳压器201包括可变相位补偿器218以在活动相位的数量变化时补偿稳压器201的等效电感的变化。可变相位补偿器218放大误差放大器214的输出，这实质上消除等效电感的变化的影响。特定地，该放大与稳压器201中的活动相位的数量和相位的总数量的比成比例(例如，该放大是该比值的常数倍)。在一些实施方式中，可变相位补偿器218被实现作为调制器206的部分，如以下所描述和图4中所示出的那样。在其他的实施方式中，可变相位补偿器218被实现作为单独的电路，例如插入在误差放大器214和调制器206之间的高通滤波器，如以下所描述和图3中所示出的那样。
通过利用各种相位补偿器218来补偿等效电感中的变化，稳压器201产生对负载瞬态的快速响应，同时用足够的增益和相位裕度来维持稳定性。另外，只有单个固定补偿网络220包括在稳压器201中。补偿网络220可被设计为在以全相位模式操作时允许有快速响应，同时减少用于保持输出电压被很好调整的输出电容器的数量。另外，可选择补偿网络220的极点和零点以帮助补偿由输出电感器和电容器产生的LC谐振频率上的双极点，来改善稳定裕度。因此，通过使使用单个补偿网络成为可能，稳压器201不会因使用另外的部件而被过度设计，这降低了稳压器201的成本和复杂度。
另外，稳压器201能够以多于两个的不同操作模式操作。例如，如果可能的相位的总数是4，稳压器201为4相位、3相位、2相位和1相位操作中的每个提供快速瞬态响应和稳定性。这种灵活性增加了稳压器201的效率。
图3是示出了可变相位稳压器301的一个实施方式的电路图。与可变相位稳压器201一样，稳压器301包括控制电路302和多个相位304-1…304-N。在这个示例性实施方式中，每个相位304包括驱动器307，其基于从调制器306中的相应比较器313接收的PWM信号来控制一对电子功率切换设备309和311的开或关。特定地，驱动器307产生被提供到上部(或高边)开关309的控制端(例如栅极)的上部栅极切换信号和被提供到下部(或低边)开关311的控制端的下部栅极切换信号。在所示出的特定的设置中，开关309和311被实现为其漏极源极电流路径串联耦合在一对供电轨(例如VIN和接地(GND))之间的N沟道金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关309的漏极在相位节点315耦合到开关311的源极，相位节点315耦合到输出电感器317的一个末端。每个相位304中的电感器317的另一个末端耦合到输出节点310。
每个相位304中的相位节点315还耦合到电流检测电路316，其检测来自每个相位304的电流输出。被检测的电流被提供到误差放大器318。另外，电压反馈回路将来自节点310的被检测的输出电压通过反馈网络312提供到误差放大器318。当减小活动相位的数量时，稳压器301的小信号模型中的等效电感改变。
如图3中所示，在这个实施方式中，可变相位补偿器318被实现为高通滤波器。可变相位补偿器318可被实现为任意类型的高通滤器。例如，在使用数字控制电路302的实施方式中，可变相位补偿器318可被实现为数字高通滤波器。对于使用数字控制电路的实现方式，电流和电压反馈信号从模拟信号被转换为数字信号。数字控制电路即操作数字信号。
在误差放大器314的输出和调制器306之间插入可变相位补偿器318补偿了相位304-1…304-N的等效LC滤波器中的增益的损失。将可变相位补偿器318实现为高通滤波器还帮助确保不管所使用的活动相位的数量如何，误差放大器314的输出都收敛到相同的电压。特定地，可变相位补偿器318放大误差放大器314的输出。该放大与稳压器301中的相位总数和活动相位的数量的比成比例。特定地，在一些实施方式中，该放大与稳压器301中的相位的总数和活动相位的数量的比相等。
示例性稳压器301的增益和相位曲线以及小信号响应对于任何数量的活动相位来说都大约相同，如果可变相位补偿器318的放大设定为稳压器301中的相位的总数与活动相位的总数的比的话。例如，如果稳压器301中的相位的总数是4相位，且活动相位的数量是从4到1，那么等效电感从1/4*Lo到Lo。在高通滤波器的极点频率以上的频率的放大即实质上等于4。当稳压器301以全相位模式操作时，放大实质上等于1。
以下的等式示出了相位的数量和示例性可变相位补偿器318之间的关系。
Figure BSA00000281796900061
其中NPH是相位的总数，且NA是活动相位的数量。
在以上的等式中，Rhpf1和/或Rhpf2被实现为可变电阻器。因此，控制电路302基于操作条件例如活动相位的数量改变电阻器Rhpf1和/或Rhpf2的值，以调整从误差放大器314输出的差信号的放大。例如，在一些实施方式中，Rhpf2具有固定值，且Rhpf1被实现为可变电阻器。
在一些实现方式中，选择可变相位补偿器318的参数的一个准则是将可变相位补偿器318的极点/零点频率设定为远小于等效LC滤波器谐振频率。因为示例性稳压器301的增益和相位曲线和小信号响应对于任何数量的活动相位来说都大致相同，在补偿网络320和反馈网络312中使用的部件的数量可被减少以用于全相位模式，这改善了稳压器301的效率和成本。
图4中示出了可变相位稳压器401的可选实施方式。可变相位稳压器还在维持稳定的同时支持快速瞬态响应，而无需接入另外的补偿网络或过度设计稳压器401。稳压器401与稳压器301相类似地操作。但是，在图4的实施方式中，可变相位补偿器被实现为调制器406的部分，而不是作为如图3的实施方式中的误差放大器414和调制器406之间的高通滤波器。
特定地，调制器增益通过Vin除以Vpp来确定。Vpp由信号发生器例如图2中的信号发生器208生成的斜变信号Vramp信号控制。因此，电流源幅度被调整来调整Vramp的斜率和电压Vpp的峰间幅度。特定地，电压Vpp和Vramp的斜率被调整为使得调制器406与相位的总数量和活动相位的数量的比成比例地放大差信号。因此，补偿网络420和反馈网络412可针对全相位模式来设计，以减小所使用的部件的数量，这改善了电压调制器401的效率和成本。因此，可变相位稳压器401还能够与示例性稳压器301类似地支持对于多于两个操作模式的快速瞬态响应。
但是，改变调制器增益可能改变稳压器401的DC操作点，而插入高通滤波器，如在稳压器301中，提供期望的增益的同时保持了相同的DC操作点。在一些实现方式中，DC操作点被测量，且偏移校正被应用到电路，以补偿所测量的DC操作点和所计算的DC操作点的差。但是应理解可使用其他的技术补偿DC操作点中的变化。
图5描绘了具有可变相位补偿器的可变相位稳压器(例如稳压器301)的一个实施方式的示例性相位转变瞬态响应502以及不带有以上在图2-4中所描述的可变相位补偿器的可变相位稳压器的示例性相位转变瞬态响应504的波形。如图5中所示，不带有可变相位补偿器的可变相位稳压器的输出电压504比具有可变相位补偿器的可变相位稳压器(例如稳压器301或401)的相位转变瞬态响应502在输出电压上具有更大的干扰。另外，相位转变瞬态响应504环绕接近于振荡，因此其可能有不稳定或可能不稳定的时候。因此，可变相位稳压器例如301或401的实施方式提供了快速且稳定的相位转变瞬态响应。
图6是均衡可变相位稳压器的小信号响应的方法600的一个实施方式。在块602，差信号产生。该差信号是基于参考电压和代表可变相位稳压器的输出节点上的电压的信号之间的差。在块604，差信号被放大以产生修改了的差信号。该放大与可变相位稳压器的相位总数和可变相位稳压器的活动相位的数量成比例。该放大帮助补偿可变相位稳压器中的活动相位的数量变化的影响。在一些实施方式中，通过如以上所描述地使差信号通过高通滤波器来放大该差信号。在其他实施方式中，如以上所描述，差信号基于来自信号发生器的信号在调制器中被放大。
在块606，基于修改后的差信号产生对于多个相位中的每个相位的相应的控制信号。在块608，输入电压基于相应的控制信号在每个活动相位上被调整。
尽管本文中示出和描述了具体的实施方式，但是本领域技术人员应意识到被设计以实现相同目的的任何安排都可适合于所示出的具体的实施方式。因此，本发明显然意图仅被权利要求和其等效方式所限制。

Claims (22)

1.一种可变相位稳压器，包括：
多个相位，其中所述多个相位中的单个相位可操作来在活动状态和非活动状态之间选择性地切换；以及
控制电路，包括：
误差放大器，用于基于参考电压和代表所述可变相位稳压器的输出节点上的调整电压的信号之间的差来产生差信号；以及
可变相位补偿器，用于放大所述差信号以产生修改的差信号，其中所述放大与所述多个相位中的相位总数和所述活动状态中的相位的数量的比成比例；
其中所述控制电路基于所述修改的差信号针对所述多个相位中的每个相位产生相应的控制信号；以及
其中处于所述活动状态的每个相位基于所述相应的控制信号调整输入电压并在所述可变相位稳压器的所述输出节点上提供所述调整电压。
2.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述多个相位中的相位的总数是四。
3.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述可变相位稳压器是可变相位降压模式脉冲宽度调制(PWM)DC-DC转换器。
4.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述控制电路被实现为数字控制电路。
5.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述控制电路还包括：
调制器，用于基于所述修改的差信号和来自信号发生器的信号产生所述相应的控制信号；
其中所述可变相位补偿器是耦合在所述误差放大器和所述调制器之间的高通滤波器。
6.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述可变相位补偿器在设置为产生所述相应的控制信号的调制器中实现；其中所述调制器还设置为基于来自信号发生器的信号放大所述差信号。
7.如权利要求1所述的可变相位稳压器，其中所述多个相位中的每个相位包括：
具有第一终端和第二终端的第一切换设备，所述第一切换设备的所述第一终端耦合到所述输入电压，且所述第一切换设备的所述第二终端耦合到相位节点；
具有第一终端和第二终端的第二切换设备，所述第二切换设备的所述第一终端耦合到所述相位节点，且所述第二切换设备的所述第二终端耦合到地；
驱动器，用于基于来自所述控制电路的所述相应的控制信号来控制开和关所述第一切换设备和所述第二切换设备中的每个切换设备；以及
电感器，耦合在所述可变相位稳压器的所述相位节点和所述输出节点之间。
8.一种系统，包括：
电源，其可操作来提供电压信号；
可变相位稳压器，其可操作来调整来自所述电源的所述电压信号，所述可变相位稳压器具有多个相位，每个相位可操作来在活动状态和非活动状态之间选择性地切换；以及
负载，其耦合到所述可变相位稳压器以接收经调整的电压信号；
其中所述可变相位稳压器放大在控制所述多个相位中所使用的信号，所述放大与所述多个相位中的相位的总数和处于所述活动状态的相位的数量的比成比例。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述可变相位稳压器的所述多个相位中的相位的总数是四。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述可变相位稳压器是可变相位降压模式脉冲宽度调制(PWM)DC-DC转换器。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述负载包括处理器、显示设备或存储设备中的一个。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述可变相位稳压器包括：
误差放大器，用于基于参考电压和代表所述可变相位稳压器的输出节点上的调整电压的信号之间的差来产生差信号；以及
可变相位补偿器，用于放大所述差信号以产生修改的差信号；
其中所述可变相位稳压器基于所述修改的差信号针对所述多个相位中的每个相位产生相应的控制信号；以及
其中处于所述活动状态的每个相位基于所述相应的控制信号来调整来自所述电源的所述电压信号，并在所述可变相位稳压器的所述输出节点上提供所述经调整电压信号。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述可变相位稳压器还包括：
调制器，用于基于所述修改的差信号和来自信号发生器的信号来产生所述相应的控制信号；
其中所述可变相位补偿器是耦合在所述误差放大器和所述调制器之间的高通滤波器。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述可变相位补偿器在设置为产生所述相应的控制信号的调制器中实现；其中所述调制器还设置为基于来自信号发生器的信号放大所述差信号。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述可变相位稳压器中的所述多个相位中的每个相位包括：
第一切换设备，其具有第一终端和第二终端，所述第一切换设备的所述第一终端耦合到所述输入电压，且所述第一切换设备的所述第二终端耦合到相位节点；
第二切换设备，其具有第一终端和第二终端，所述第二切换设备的所述第一终端耦合到所述相位节点，且所述第二切换设备的所述第二终端耦合到地；
驱动器，其基于来自所述控制电路的所述相应的控制信号控制开和关所述第一切换设备和所述第二切换设备中的每个切换设备；以及
电感器，其耦合在所述可变相位稳压器的所述相位节点和所述输出节点之间。
16.一种用于可变相位稳压器的控制电路，所述控制电路包括：
误差放大器，用于基于参考电压和代表所述可变相位稳压器的输出节点上的电压的信号之间的差来产生差信号；以及
可变相位补偿器，用于放大所述差信号以产生修改的差信号以补偿所述可变相位稳压器中的活动相位的数量变化的影响，其中所述放大与所述可变相位稳压器中的相位的总数和所述可变相位稳压器中的活动相位的数量的比成比例。
17.如权利要求16所述的控制电路，其中所述控制电路还包括：
调制器，其基于所述修改的差信号和来自信号发生器的信号产生对于所述可变相位稳压器中的每个相位的相应的控制信号；
其中所述可变相位补偿器是耦合在所述误差放大器和所述调制器之间的高通滤波器。
18.如权利要求16所述的控制电路，其中所述可变相位补偿器在设置为产生对于所述可变相位稳压器的每个相位的相应的控制信号的调制器中实现；其中所述调制器还设置为基于来自信号发生器的信号放大所述差信号。
19.一种均衡可变相位稳压器的小信号响应的方法，所述方法包括：
基于参考电压和代表所述可变相位稳压器的输出节点的调整的电压的信号之间的差来产生差信号；
放大所述差信号以产生修改的差信号，其中所述放大与所述可变相位稳压器的相位的总数和所述可变相位稳压器的活动相位的数量的比成比例；以及
基于所述修改的差信号针对所述多个相位中的每个相位产生相应的控制信号。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：
基于所述相应的控制信号在每个活动相位处调整输入电压。
21.如权利要求19所述的方法，其中放大所述差信号包括使所述差信号通过高通滤波器。
22.如权利要求19所述的方法，其中放大所述差信号包括基于来自信号发生器的信号在调制器中放大所述差信号。
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