CN102299628A - 电源供应电路、及其控制电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电源供应电路、及其控制电路与方法。该电源供应电路的控制方法包含：接受一动态电压识别讯号；以及当该动态电压识别讯号要求电源供应电路将目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号用以缩短目前输出电压达到该目标值的时间。

Description

电源供应电路、及其控制电路与方法
技术领域
本发明涉及一种电源供应电路、及其控制电路与方法，特别是根据动态电压识别(dynamic voltage identification)讯号产生补偿讯号以调整输出电压的电源供应电路、及其控制电路与方法。
背景技术
动态电压调整系统的概念主要是希望能够提供一可变动的工作电压，当整个系统需要高速地处理大量资料时，便将电压提高以增快数字讯号处理器或是微处理器的处理速度。而当系统不需要高速处理资料或只是处于待命状态时，则系统便通过指令将其电压降低，如此便可以节省不必要的能源消耗。因此，提供上述工作电压的电源供应电路要能快速调整输出电压，以实时满足处理器所需。
图1标出用于供应处理器动态电压的一现有技术的电源供应电路。电源供应电路10包含有控制电路12，控制一个功率级电路14；功率级电路14中包含两个功率晶体管开关Q1及Q2与电感L。控制电路12根据从输出端Vout经反馈电路20萃取出的反馈讯号FB(或是输出电压Vout)、通过电感L的电感电流IL、及来自中央处理器(CPU)11的指令的DVID讯号，产生开关控制讯号控制晶体管Q1、Q2的开与关，以将电能从输入端Vin传送给输出端Vout。通过电感L的电感电流IL会将电容C充电，电容C的跨压即为输出端的输出电压Vout，又负载电流ILOAD由输出端输出并供应中央处理器11。
DVID讯号规定定义于英特尔(Intel)的电源供应电路模块(VoltageRegulator Module；VRM)的说明书中，其中包括预定电压及电压转换速率(slew rate)指令。例如：中央处理器11于DVID讯号中要求输出电压Vout以10mV/μs的电压转换速率由0.5V调整至0.8V，因此电源供应电路10需要于(0.8-0.5)/0.01＝30μs内将输出电压Vout提升至0.8V。另外，英特尔也在上述说明书中列出负载线阻抗(load line impedance)的传输要求规格，其以ΔVout/ΔILOAD表示。例如：电源供应电路10的负载线阻抗为1mohm，则可能要求ΔVout/ΔILOAD＝1mV/A，即输出电压Vout下降10mV，则负载电流ILOAD会上升10A。然而，现有的电源供应电路10仅侦测电感电流IL，而不会于输出路径上另增耗能元件以侦测负载电流ILOAD。
参见图2A，当电源供应电路10的输出电压Vout于稳定状态，则电感电流IL的平均值等于负载电流ILOAD，故上述现有技术可采用平均电感电流IL仍可代表负载电流ILOAD。参见图2B，但当电源供应电路10因应中央处理器11的DVID讯号要求将输出电压Vout由0.5V调整至0.8V，则电感电流IL得增加，并大于负载电流ILOAD，以提供使电容C充电的额外电流，从而输出电压Vout才可能被提升至输出电压Vout。此时，电源供应电路10会因侦测到升高的电感电流IL，而误认为负载电流ILOAD也已被提升。然而根据上述负载线阻抗的传输要求，反而会令输出电压Vout意外下垂(droop)。结果实际输出电压Vout的反应会因此延迟，而晚于预定输出电压Vout欲到达目标电压0.8V的设定时点，即可能无法满足DVID讯号中电压转换速率的要求。反之，若预定输出电压Vout要由0.8V降至0.5V，则会有不希望的负下垂(negative droop)或上升(boost)发生于输出电压，同样实际输出电压Vout的反应也会被延迟。纵使令电源供应电路10的负载线阻抗为零，然而受限于该电路中反馈回路的有限频宽，上述输出电压Vout的反应延迟仍会发生。
有鉴于以上所述，本发明即针对现有技术的不足，提出一种根据动态电压识别讯号产生补偿讯号以调整输出电压的电源供应电路、及其控制电路与方法，其可改善实际输出电压Vout因下垂或负下垂而造成反应延迟的问题。
发明内容
本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种改善实际输出电压因下垂或负下垂而造成反应延迟的电源供应电路。
本发明的又一目的在于，提出一种电源供应电路的控制电路。
本发明的再一目的在于，提出一种电源供应电路的控制方法。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种电源供应电路，包含：一功率级电路，包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；一反馈控制回路，根据该输出电压或与输出电压有关的反馈讯号而反馈控制该功率晶体管开关的切换；以及一补偿讯号产生电路，接受一动态电压识别讯号，当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号输入该反馈控制回路，以缩短目前输出电压达到该目标值的时间。
上述电源供应电路中，该反馈控制回路可包括：一误差放大器，其根据输出电压或与输出电压有关的反馈讯号及一由动态电压识别讯号决定的电压讯号，而产生误差放大讯号；及一脉宽调变(PWM)比较器，其根据该误差放大讯号及一斜坡讯号，而产生输出讯号，以直接或间接控制功率级电路中的该功率晶体管开关；且其中该补偿讯号输入该反馈控制回路中以下位置之一：
(1)该补偿讯号与该反馈讯号相加，输入该误差放大器的一输入端；
(2)该补偿讯号与由动态电压识别讯号决定的该电压讯号相加，输入该误差放大器的另一输入端；
(3)该补偿讯号与该误差放大讯号相加，输入该PWM比较器的一输入端；或
(4)该补偿讯号与该斜坡讯号相加，输入该PWM比较器的另一输入端。
在其中一种实施型态中，该补偿讯号产生电路包括一查表电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的补偿讯号。
在其中一种实施型态中，该补偿讯号产生电路包括一判断电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的选择讯号，及一转换电路，根据该选择讯号而将一设定电压转换为补偿讯号；其中该设定电压可为固定值，或根据不同的动态电压识别讯号而为不同的值。
就另一个观点言，本发明提供了一种电源供应电路的控制电路，用于控制一电源供应电路将输入电压转换为输出电压，该控制电路包含：一误差放大器，其根据输出电压或与输出电压有关的反馈讯号及一由动态电压识别讯号决定的电压讯号，而产生误差放大讯号；一脉宽调变(PWM)比较器，其根据该误差放大讯号及一斜坡讯号，而产生输出讯号，以直接或间接控制将输入电压转换为输出电压；以及一补偿讯号产生电路，接受一动态电压识别讯号，当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号以缩短目前输出电压达到该目标值的时间，其中该补偿讯号输入以下位置之一：
(1)该补偿讯号与该反馈讯号相加，输入该误差放大器的一输入端；
(2)该补偿讯号与由动态电压识别讯号决定的该电压讯号相加，输入该误差放大器的另一输入端；
(3)该补偿讯号与该误差放大讯号相加，输入该PWM比较器的一输入端；或
(4)该补偿讯号与该斜坡讯号相加，输入该PWM比较器的另一输入端。
就又另一个观点言，本发明提供了一种电源供应电路的控制方法，用于控制一电源供应电路将输入电压转换为输出电压，所述控制方法包含：提供一反馈控制回路，根据该输出电压或与输出电压有关的反馈讯号而反馈控制将输入电压转换为输出电压；接受一动态电压识别讯号；以及当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号输入该反馈控制回路，以缩短目前输出电压达到该目标值的时间。
本发明可运用于脉宽调变控制模式或脉频调变控制模式的降压、升压、反压、及升降压等同步或异步切换式电源供应电路中。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1标出用于供应处理器动态电压的一现有技术的电源供应电路；
图2A及2B标出现有技术的电源供应电路的输出电压Vout的波形图；
图3标出本发明电源供应电路的控制方法的流程图；
图4标出本发明电源供应电路的一个实施例；
图5标出本发明电源供应电路输出电压的波形示意图；
图6-8标出本发明控制电路的另外数个实施例；
图9A-9B标出本发明补偿讯号产生电路的两个实施例；
图10标出图9B中转换电路的一个实施例；
图11A-11J标出电源供应电路中功率级电路的其它型式；
图12标出本发明电源供应电路的另一个实施例；
图13说明图12实施例中的导通时间产生器64可改为关闭时间产生器65。
图中符号说明
10        电源供应电路
11        中央处理器
12        控制电路
14        功率级电路
20        反馈电路
31～38    步骤
40、60    电源供应电路
41、61    控制电路
42        误差放大器
43        PWM比较器
44        驱动级
45        补偿讯号产生电路
451       查表电路
452       判断电路
453       转换电路
46        加法器
47        数字模拟转换器
48        反馈电路
49        功率级电路
64        导通时间产生器
65        关闭时间产生器
71        电压电流转换器
72、73    电流镜
711       运算放大器
712       晶体管
74        选择电路
75        电流电压转换器
C         电容
FB        反馈讯号
L         电感
IL        电感电流
ILOAD     负载电流
Q1、Q2    功率晶体管
R1、R2    电阻
Sel       选择讯号
Vin       输入电压
Vout      输出电压
Vset      设定电压
Rset      电阻
具体实施方式
图3标出本发明电源供应电路的控制方法的流程图。如步骤31所示，一电源供应电路接受来自中央处理器的DVID讯号，要求电源供应电路改变输出电压。接着执行步骤32的检查，当该讯号要求输出电压提升至一目标值或目标电压，则跳至步骤33；但当该讯号要求输出电压下降至一目标值或目标电压，则跳至步骤34。如步骤33及35所示，电源供应电路会产生一第一补偿讯号，加速输出电压的上升，以加快目前输出电压的电压转换速率而更接近DVID讯号中预定的电压转换速率，由此缩短目前输出电压达到该目标值的时间。当目前输出电压升至目标值时，则如步骤37所示结束流程；反之，则跳回步骤33。
如步骤34及36所示，电源供应电路会产生一第二补偿讯号，加速输出电压的下降，以加快目前输出电压的电压转换速率而更接近DVID讯号中预定的电压转换速率，由此缩短目前输出电压达到该目标值的时间。当目前输出电压降至目标值时，则如步骤38所示结束流程；反之，则跳回步骤34。
可执行上述控制方法的电源供应电路可以有多种实施例，亦即第一补偿讯号及第二补偿讯号能用于直接或间接改变晶体管Q1、Q2的开关时间，从而缩短输出电压达到该目标值所需的时间，以符合DVID讯号的要求。图4标出本发明电源供应电路的一个实施例，其中假设电源供应电路为同步降压型功率转换电路，且为脉宽调变控制模式；但本发明可类推至其它同步或异步降压、升压、反压、升降压型功率转换电路，且其控制方式可为脉宽调变控制模式或脉频调变控制模式。参阅图4，本实施例的电源供应电路40包含控制电路41，其控制功率级电路49中功率晶体管Q1、Q2的开与关，以将电能从输入端Vin传送给输出端Vout。控制电路41中包含误差放大器42、PWM比较器43及驱动级44，此外并包含补偿讯号产生电路45、加法器46和数字模拟转换器(digital to analog converter；DAC)47。补偿讯号产生电路45及数字模拟转换器47均会接受DVID讯号，又数字模拟转换器47会根据DVID讯号的要求输出相应的电压讯号VDAC，且补偿讯号产生电路45会根据DVID讯号产生补偿讯号，此补偿讯号可为正讯号或负讯号，视输出电压Vout的转换方向而定。加法器46加总电压讯号VDAC及补偿讯号，并输出加总讯号至误差放大器42，作为参考讯号。补偿讯号提供加速输出电压Vout转换的作用，如果仅以电压讯号VDAC作为参考讯号而未提供补偿讯号，则输出电压Vout转换速率将不够理想。误差放大器42将反馈讯号FB与前述加总讯号相比较，产生误差放大讯号Comp。PWM比较器43将误差放大讯号Comp与斜坡讯号Ramp比较，产生工作讯号Duty。而驱动级44根据工作讯号Duty，驱动功率晶体管Q1、Q2开关。反馈电路48包括两串接电阻R1与R2，其中R1的一端与输出电压Vout耦接，R2的一端耦接至接地电位，反馈讯号FB撷取自电阻R2上的分压。
图5标出本发明电源供应电路输出电压的波形示意图。于T1期间，DVID讯号要求输出电压Vout以预定的波形或最佳的波形提升。如前所述，现有电源供应电路的输出电压Vout会有严重的下垂问题，参见图中未改善的Vout的波形。若采用本发明，则因为补偿讯号产生电路提供补偿讯号之故，可改善前述下垂问题，参见图中改善的Vout的波形，亦即其电压转换速率较未改善的Vout的电压转换速率更高。于T2期间，DVID讯号要求输出电压Vout以预定的波形或最佳的波形下降。如前所述，现有电源供应电路的输出电压Vout会有严重的负下垂(下降量不足)问题，参见图中未改善的Vout的波形。若采本发明，则因为补偿讯号产生电路提供补偿讯号之故，可改善前述负下垂问题，参见图中改善的Vout的波形，亦即其电压转换速率较未改善的Vout的电压转换速率更低。
以上图4所示仅为其中一种实施方式，也可将补偿讯号改提供至控制电路41中其它合适的地方，仅需能够直接或间接改变晶体管Q1、Q2的开关时间，从而缩短输出电压达到目标值所需的时间，即可。例如请参阅图6，可将加法器46移至误差放大器42的输出端，亦即将补偿讯号和误差放大讯号Comp相加，或如图7所示，将补偿讯号和斜坡讯号Ramp相加，或如图8所示，将补偿讯号和反馈讯号FB相加，等等。当然，亦可根据DVID讯号补偿讯号或来直接调整工作讯号Duty。
补偿讯号产生电路45有各种方式可以实施；图9A-9B标出本发明补偿讯号产生电路的两个实施例。图9A显示，可以根据DVID讯号，以查表电路451的方式，来产生对应的补偿讯号。图9B显示，补偿讯号产生电路45可以包括判断电路452，根据目前接收的DVID讯号，判断是要对输出电压Vout进行升压或降压转换，并产生选择讯号Sel，再以转换电路453，根据选择讯号Sel而将设定电压Vset转换为适当的补偿讯号，其中设定电压Vset可以是一个固定值，或根据不同的DVID讯号而为不同的值。转换电路453的实施例可如图10所示，包括电压电流转换器71，电流镜72、73，选择电路74及电流电压转换器75。电压电流转换器71包括一运算放大器711、一晶体管712及一电阻Rset，当运算放大器711的正输入端有Vset讯号输入，流过电阻Rset的电流等于Vset/Rset。电流镜72复制产生正电流Vset/Rset，而电流镜73复制产生负电流-(Vset/Rset)。选择电路74根据选择讯号Sel而决定选择正电流或负电流；电流电压转换器75再将选择电路74的输出转换为电压讯号，输出作为补偿讯号。以上实施例仅为例示，可根据DVID讯号或其它相关讯号(例如，根据输出电压Vout的变化)产生补偿讯号的电路，均应包含在本发明的范围之内。
功率级电路49不限于为以上实施例所示的同步降压型功率级电路，亦可为其它同步或异步降压、升压、反压、升降压型功率级电路，如图11A-11J所示，且功率级电路的控制方式不限于为以上实施例所示的脉宽调变控制模式，亦可为其它模式，例如图12所示的脉频调变控制模式。图12中，电源供应电路60包含控制电路61，以控制功率级电路49；控制电路41中包含误差放大器42、PWM比较器43、导通时间产生器64及驱动级44，此外并包含补偿讯号产生电路45、加法器46和DAC 47。加法器46加总电压讯号VDAC及补偿讯号，并输出加总讯号至误差放大器42，作为参考讯号。误差放大器42将输出电压Vout与前述加总讯号相比较，产生误差放大讯号；PWM比较器43将误差放大讯号与电感电流侦测讯号相比较(电感电流侦测讯号亦具有斜坡讯号的特性)，其结果触发导通时间产生器64，产生固定长度的单次脉冲。而驱动级44根据导通时间产生器64的输出讯号，驱动功率晶体管Q1、Q2开关。以上脉频调变控制模式的架构中，同样因为补偿讯号的作用，可加速输出电压Vout的转换。又，类似地，补偿讯号产生电路45的输出，可改为与误差放大器42的负输入端(输出电压Vout)相加、或与误差放大器42的输出相加、或与PWM比较器43的负输入端(电感电流侦测讯号)相加；当然，亦可根据DVID讯号补偿讯号或来直接调整导通时间产生器64所产生的导通时间。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，各比较器、误差放大器、运算放大器的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。又如，在所示直接连接的两电路单元间，可以插入不影响主要功能的电路。再如，图12实施例中的导通时间产生器64可改为图13中的关闭时间产生器65，此仍为脉频调变控制模式的电源供应电路，仅是将固定的导通时间改为固定的关闭时间，也仍然可以应用本发明。以上种种，及其它各种等效变化，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种电源供应电路，其特征在于，包含：
一功率级电路，包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；
一反馈控制回路，根据该输出电压或与输出电压有关的反馈讯号而反馈控制该功率晶体管开关的切换；以及
一补偿讯号产生电路，接受一动态电压识别讯号，当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号输入该反馈控制回路，以缩短目前输出电压达到该目标值的时间。
2.如权利要求1所述的电源供应电路，其中，该反馈控制回路包括：
一误差放大器，其根据输出电压或与输出电压有关的反馈讯号及一由动态电压识别讯号决定的电压讯号，而产生误差放大讯号；及
一脉宽调变比较器，其根据该误差放大讯号及一斜坡讯号，而产生输出讯号，以直接或间接控制功率级电路中的该功率晶体管开关；
且其中该补偿讯号输入该反馈控制回路中以下位置之一：
1)该补偿讯号与该反馈讯号相加，输入该误差放大器的一输入端；
2)该补偿讯号与由动态电压识别讯号决定的该电压讯号相加，输入该误差放大器的另一输入端；
3)该补偿讯号与该误差放大讯号相加，输入该脉宽调变比较器的一输入端；或
4)该补偿讯号与该斜坡讯号相加，输入该脉宽调变比较器的另一输入端。
3.如权利要求2所述的电源供应电路，其中，该反馈控制回路还包括一固定导通时间产生器或固定关闭时间产生器，根据该脉宽调变比较器的输出讯号而产生固定导通时间或固定关闭时间，以控制该功率晶体管开关的切换，且其中该斜坡讯号为侦测该功率级电路中一电感电流所得的讯号。
4.如权利要求1所述的电源供应电路，其中，该补偿讯号产生电路包括一查表电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的补偿讯号。
5.如权利要求1所述的电源供应电路，其中，该补偿讯号产生电路包括一判断电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的选择讯号，及一转换电路，根据该选择讯号而将一设定电压转换为补偿讯号。
6.如权利要求5所述的电源供应电路，其中，该设定电压为固定值，或根据不同的动态电压识别讯号而为不同的值。
7.如权利要求5所述的电源供应电路，其中，该转换电路包括：
一电压电流转换器，根据该设定电压产生一电流；
第一电流镜，复制该电流产生一正电流；
第二电流镜，复制该电流产生一负电流；
一选择电路，根据该选择讯号而选择该正电流或负电流；以及
一电压电流转换器，根据选择电路的选择结果，而将该正电流或负电流转换为正或负电压讯号作为该补偿讯号。
8.一种电源供应电路的控制电路，用于控制一电源供应电路将输入电压转换为输出电压，其特征在于，该控制电路包含：
一误差放大器，其根据输出电压或与输出电压有关的反馈讯号及一由动态电压识别讯号决定的电压讯号，而产生误差放大讯号；
一脉宽调变比较器，其根据该误差放大讯号及一斜坡讯号，而产生输出讯号，以直接或间接控制将输入电压转换为输出电压；以及
一补偿讯号产生电路，接受一动态电压识别讯号，当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号以缩短目前输出电压达到该目标值的时间，其中该补偿讯号输入以下位置之一：
1)该补偿讯号与该反馈讯号相加，输入该误差放大器的一输入端；
2)该补偿讯号与由动态电压识别讯号决定的该电压讯号相加，输入该误差放大器的另一输入端；
3)该补偿讯号与该误差放大讯号相加，输入该脉宽调变比较器的一输入端；或
4)该补偿讯号与该斜坡讯号相加，输入该脉宽调变比较器的另一输入端。
9.如权利要求8所述的电源供应电路的控制电路，其中，还包含一固定导通时间产生器或固定关闭时间产生器，根据该脉宽调变比较器的输出讯号而产生固定导通时间或固定关闭时间。
10.如权利要求8所述的电源供应电路的控制电路，其中，该补偿讯号产生电路包括一查表电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的补偿讯号。
11.如权利要求8所述的电源供应电路的控制电路，其中，该补偿讯号产生电路包括一判断电路，根据该动态电压识别讯号而产生对应的选择讯号，及一转换电路，根据该选择讯号而将一设定电压转换为补偿讯号。
12.如权利要求11所述的电源供应电路的控制电路，其中，该设定电压为固定值，或根据不同的动态电压识别讯号而为不同的值。
13.如权利要求11所述的电源供应电路的控制电路，其中，该转换电路包括：
一电压电流转换器，根据该设定电压产生一电流；
第一电流镜，复制该电流产生一正电流；
第二电流镜，复制该电流产生一负电流；
一选择电路，根据该选择讯号而选择该正电流或负电流；以及
一电压电流转换器，根据选择电路的选择结果，而将该正电流或负电流转换为正或负电压讯号作为该补偿讯号。
14.一种电源供应电路的控制方法，用于控制一电源供应电路将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制方法包含：
提供一反馈控制回路，根据该输出电压或与输出电压有关的反馈讯号而反馈控制将输入电压转换为输出电压；
接受一动态电压识别讯号；以及
当该动态电压识别讯号要求目前输出电压改变至一目标值，则产生一补偿讯号输入该反馈控制回路，以缩短目前输出电压达到该目标值的时间。
15.如权利要求14所述的电源供应电路的控制方法，其中，该反馈控制回路包括：
一误差放大器，其根据输出电压或与输出电压有关的反馈讯号及一由动态电压识别讯号决定的电压讯号，而产生误差放大讯号；及
一脉宽调变比较器，其根据该误差放大讯号及一斜坡讯号，而产生输出讯号，以直接或间接控制将输入电压转换为输出电压；
且其中该补偿讯号输入该反馈控制回路中以下位置之一：
1)该补偿讯号与该反馈讯号相加，输入该误差放大器的一输入端；
2)该补偿讯号与由动态电压识别讯号决定的该电压讯号相加，输入该误差放大器的另一输入端；
3)该补偿讯号与该误差放大讯号相加，输入该PWM比较器的一输入端；或
4)该补偿讯号与该斜坡讯号相加，输入该PWM比较器的另一输入端。
16.如权利要求14所述的电源供应电路的控制方法，其中，该产生一补偿讯号输入该反馈控制回路的步骤包括：根据该动态电压识别讯号而查表产生对应的补偿讯号。
17.如权利要求14所述的电源供应电路的控制方法，其中，该产生一补偿讯号输入该反馈控制回路的步骤包括：根据该动态电压识别讯号而判断输出电压应进行升压或降压；根据升压或降压而产生对应的正或负电流；以及将该正或负电流转换为正或负电压讯号作为该补偿讯号。
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