CN104797998A

CN104797998A - 电压调节器

Info

Publication number: CN104797998A
Application number: CN201380044061.1A
Authority: CN
Inventors: 唐·J·恩古岩; 维卡斯·希林卡尔
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-07-22
Also published as: KR20150038091A; TW201432407A; US20140077776A1; WO2014043642A1; JP2015527040A

Abstract

提供了一种包括变换器的电压调节器，变换器包括第一开关晶体管、第二开关晶体管和电容器。变换器可以接收直流（DC）电压，并且可以向电容器提供电压。变换器可以作为降压变换器操作，并且变换器可以作为升压变换器操作。电压调节器还可以包括电压控制器，以控制变换器作为降压变换器或作为升压变换器操作。

Description

电压调节器

技术领域

实施例可以涉及一种用于电子设备的电压调节器。

背景技术

电子设备（或平台负载）可以由电池和电压调节器供电。电压调节器（VR）损耗可能是总平台功率损耗中的主要贡献者。电压调节器输出电流的驻留（或概率）可以示出何处该功率在大部分时间都损耗。例如，近似50％的时间，电压调节器可以以空闲状况操作。空闲状况可以是无负载状况或低负载状况。电子设备可以在显著部分的电池寿命中处于空闲。对于电压调节器高功率损耗的一个贡献者可能是在直流（DC）-直流（DC）降压型电压调节器中的开关损耗。

附图说明

可以参考以下附图详细描述布置和实施例，其中同样的参考标号指代同样的元件，并且其中：

图1示出电子设备的示例；

图2示出用于电子设备（或平台负载）的功率系统的示例；

图3示出根据示例布置的电压调节器；

图4示出根据示例实施例的电压调节器；以及

图5示出根据示例布置的电池系统。

具体实施方式

在以下的详细描述中，同样的参考标号可以用来在不同图的附图中指明相同的、对应的和/或类似的组件。此外，在以下的详细描述中，可以提供示例尺寸/模型/值/范围，虽然实施例不局限于所述。在阐述具体的细节以便描述示例实施例的情况下，对于本领域技术人员应当显而易见的是：可以在没有这些具体细节的情况下实行实施例。

在以下的描述中，可以将信号描述为断言的。这可以对应于是HIGH（高）信号（或1）。也可以将信号描述为解除断言（deasserted）的。这可以对应于是LOW（低）信号（或0）。

电子设备（下文中也称为平台负载）可以从电压调节器（VR）接收直流（DC）电压。可以在电子设备或平台负载的外部提供电压调节器。可以从电池和/或电池组提供DC电压。

图1示出电子设备的示例。也可以提供其它配置。电子设备（或平台负载）可以是许多电池供电的设备中的任意一个，诸如但不限于移动电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器和/或膝上型或笔记本电脑。可替代地，电子设备可以是通常在固定位置处使用的AC供电的设备，诸如台式计算机、电视、数字视频盘（DVD）或其它类型的媒体播放器、环绕声和/或其它媒体接收器，仅举几例。

如图1中所示，电子设备可以包括处理器1、芯片集2、图形接口3、无线通信单元4、显示器5、存储器6和多个功能电路，所述多个功能电路包括通用串行总线（USB）接口7、扬声器和麦克风电路8以及闪速存储器卡9。还可以提供媒体播放器。在其它实施例中，可以包括电路和功能的不同组合或布置。

图2示出用于电子设备（或平台负载）的功率系统的示例。也可以提供其它配置。图2的特征也可以被认为是装置、系统和/或电子设备。

图2示出电池10可以向电压调节器（VR）20提供直流（DC）电压（或电压输入）。电压调节器20可以将接收的电压输入调整成电压输出，电压输出然后可以被提供给平台负载30（或电子设备）。功率系统可以包括电压调节器20和电池10。电压调节器20可以向平台负载30提供DC电压，平台负载30是电子设备。

布置可以使用（一个或多个）电容器或（一个或多个）超级电容器，以在轻负载状况期间存储和/或供给功率。实施例可以将存储在输出电容器中的能量回收到电池、电池组和/或在电池轨（rail）上的电流吸收器（sink）。

图3示出根据示例布置的电压调节器。也可以提供其它布置和配置。图3中所示的电压调节器可以对应于图2中所示的电压调节器20。图3的特征也可以被认为是装置、系统和/或电子设备的部分。

更具体地，图3示出电压调节器100，电压调节器100包括电压控制器120、降压变换器150和超级电容器设备170（或电容器设备）。电压调节器100可以耦合到电池110，电池110可以对应于图2的电池10。电池110可以向电压调节器100提供DC电压（V_i）。

电压调节器100也可以被称为电压调节器模块（VRM）。

电压调节器100（并且更具体地，电压控制器120）可以包括脉宽调制（PWM）控制设备122、晶体管驱动器电路126（或场效应晶体管（FET）驱动器）、电压感测设备132和电流感测设备136。虽然未示出，但电压调节器100还可以包括电容器控制设备（或超级电容器设备）和/或空闲控制设备。

降压变换器150可以包括第一开关晶体管Q₁、第二开关晶体管Q₂、电感器156和电容器C_b。电感器156和电容器C_b可以形成降压变换器150的滤波器。第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂中的每一个可以是场效应晶体管（FET）。如图3中所示，第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂在电池110和接地之间串联耦合。

第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂之间的中间节点153耦合到电感器156的第一端。电感器156的第二端可以被认为是输出节点160，输出节点160可以向平台负载（或电子设备）提供输出电压V_o。

如图3中所示，降压变换器150的电容器C_b可以耦合在输出节点160和接地之间。电容器C_b的第一端可以耦合（经由阻抗Z_b）到电感器156的第二端（即输出节点160）。电容器C_b的第二端可以耦合到接地。

降压变换器150可以向电压控制器120提供反馈信号，使得电压控制器120可以控制降压变换器150。例如，第一反馈信号I_感测可以是跨电感器156的第一端（或节点153）和电感器156的第二端（或节点160）的电压。第一反馈信号I_感测可以是到电压控制器120的电流感测设备136的输入。电流感测设备136可以接收指示降压变换器150中电流的反馈信号。

基于输出节点160（在电感器156和电容器C_b之间）和接地处的电压，降压变换器150可以还提供第二反馈信号V_感测。可以将第二反馈信号V_感测输入到电压控制器120的电压感测设备132。电压感测设备132可以接收指示输出电压的反馈信号。也可以从平台负载接收第二反馈信号。

电压感测设备132可以接收指示输出电压V_o的第二反馈信号V_感测。电流感测设备136可以接收指示降压变换器150中电流（即通过电感器156的电流）的第一反馈信号I_感测。

第二反馈信号V_感测和第一反馈信号I_感测可以有助于将电压调节器100的输出电压V_o稳定在期望的容差内。第一反馈信号I_感测也可以有助于保护电压调节器100免受过电流状况。

电压感测设备132可以向PWM控制设备122提供输出信号，并且电流感测设备136可以向PWM控制设备122提供输出信号。PWM控制设备122可以从电压感测设备132和电流感测设备136接收信号。

晶体管驱动器电路126可以提供驱动信号以控制降压变换器150的第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂。更具体地，晶体管驱动器电路126可以将脉宽调制信号（或驱动信号）施加到降压变换器150的第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂。信号（或驱动信号）的宽度可以控制第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂的定时。可以基于反馈信号而调整（或提供）驱动信号。

超级电容器设备170可以包括通过寄生元件Z_s连接的电容器C_s。元件Z_s可以表示互连和电容器C_s的寄生电阻和电感。图3示出裸片上去耦（一个或多个）电容器C_裸片。此外，元件Z_mb、Z_pkg和Z_裸片可以分别表示母板、封装和裸片的寄生阻抗。

可以将第一输入信号VR_EN提供给电压控制器120。第一输入信号VR_EN可以表示平台负载的开启或关断。当平台负载上电时，第一输入信号VR_EN可以为HIGH（高），并且当平台负载未上电时，第一输入信号VR_EN可以为LOW（低）。

图3示出降压变换器150可以从电池110接收DC电压V_i。图3示出从电池110到降压变换器150的电流I_i。降压变换器150可以在节点160处提供输出电压V_o。输出电压V_o可以被提供给平台负载。电压控制器120可以从降压变换器150接收反馈信号。基于（一个或多个）反馈信号，电压控制器120可以向第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂提供驱动信号。

第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂可以由电压控制器120控制，使得来自电池110的功率可以被提供给平台（即被示为节点160处的电压V_o）。

第一和第二开关晶体管Q₁和Q₂可以作为降压变换器操作，以逐步减低来自电池110的电压V_i，并在节点160处提供输出电压V_o。图3示出来自电池110的电流I_i，其穿过第一开关晶体管Q₁和电感器156，并且可以被提供为电流I_o。

当不再要提供负载或平台时，可以关断降压变换器（或第一开关晶体管Q₁）。这可以对电容器C_b、C_s和C_裸片中的电压进行放电。

更具体地，在电压调节器100的上电时，可以将功率递送网络（PDN）中的所有电容器充电到输出电压V_o。也就是说，可以将电池110中存储的能量转移到电容器C_b，C_s，……，C_裸片。当VR_EN信号解除断言（或关断）时，输出轨（在节点160处）可以通过第二开关晶体管Q₂或平台上的放电晶体管而放电。

当关断功率轨时，通过关断电压调节器并通过平台上的晶体管将轨短接到接地，轨上的电压可以被强制为零。然而，这可能导致在轨上电容器中存储的能量损耗。在唤醒事件期间，功率递送网络上的所有电容器可以被充电，以将所述轨带回到指定的电压电平。然而，在电压调节器的功率循环期间，这可能导致能量损耗。

实施例可以将输出电容器中存储的能量回收到电池、电池组和/或平台上的（一个或多个）其它负载。电压调节器可以用作升压变换器，以将电压调节器（VR）输出电容器电压提升到电池电压电平。（一个或多个）电容器中存储的能量可以被转移到电池（和/或电池组），并且电池可以再充电。（一个或多个）电容器中存储的能量可以转移到另一负载。

图4示出根据示例实施例的电压调节器。也可以提供其它实施例和配置。

图4示出电压调节器200，电压调节器200包括电压控制器220和变换器250（或降压/升压变换器）。图4中所示的电压调节器200可以对应于图3中所示的电压调节器100和/或图2中所示的电压调节器20。当（或同时）向电容器C_s提供电流（或功率）时，变换器250可以作为降压变换器操作，并且当（或同时）将电流（或功率）提供回到电池110时，变换器250可以作为升压变换器操作。图4中所示的电流源180可以表示被提供给平台负载的电流。作为降压变换器操作的变换器250可以向电池110和负载（即被示为电流源180）中的至少一个提供能量。

电压调节器200也可以称为电压调节器模块（VRM）。

电压调节器200（并且更具体地，电压控制器220）可以包括脉宽调制（PWM）控制设备122、晶体管驱动器电路126（或场效应晶体管（FET）驱动器）、电压感测设备132和电流感测设备136。虽然未示出，但电压调节器200还可以包括电容器控制设备（或超级电容器设备）和/或空闲控制设备。

变换器250可以包括第一开关晶体管Q₁、第二开关晶体管Q₂、电感器156和电容器C_b。电感器156和电容器C_b可以形成降压变换器250的滤波器。第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂中的每一个可以是场效应晶体管（FET）。如图4中所示，第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂串联耦合在电池110和接地之间。

电压调节器200可以包括超级电容器设备，诸如图3中所示的超级电容器设备170。超级电容器设备可以包括电容器C_s，以存储从电池110接收的能量（或电压）。也可以提供其它电容器。

第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂之间的中间节点153耦合到电感器156的第一端。电感器156的第二端可以被认为是可以向平台负载（或电子设备）提供输出电压V_o的输出节点160。

如图4中所示，变换器250的电容器C_b可以耦合在输出节点160和接地之间。电容器C_b的第一端可以耦合（经由寄生阻抗Z_b）到电感器156的第二端（即输出节点160）。电容器C_b的第二端可以耦合到接地。

变换器250可以向电压控制器220提供反馈信号，使得电压控制器220可以控制变换器250。例如，第一反馈信号I_感测可以是跨电感器156的第一端（或节点153）和电感器156的第二端（或节点160）的电压。第一反馈信号I_感测可以是到电压控制器220的电流感测设备136的输入。电流感测设备136可以接收指示电流（在变换器250中）的反馈信号。

基于在输出节点160（在电感器156和电容器C_b之间）和接地处的电压，变换器250可以还提供第二反馈信号V_感测。第二反馈信号V_感测可以输入到电压控制器220的电压感测设备132。电压感测设备132可以接收反馈信号（指示输出电压）。也可以从平台负载取得第二反馈信号。

电压感测设备132可以接收指示输出电压V_o的第二反馈信号V_感测。电流感测设备136可以接收指示电流（即通过电感器156的电流）的第一反馈信号I_感测。

第二反馈信号V_感测和第一反馈信号I_感测可以有助于将电压调节器200的输出电压V_o稳定到期望的容差内。第一反馈信号I_感测还可以有助于保护电压调节器200免受过电流状况。

晶体管驱动器电路126可以提供驱动信号以控制变换器250的第一开关晶体管Q₁和第二开关晶体管Q₂。更具体地，晶体管驱动器电路126可以将脉宽调制信号（或驱动信号）施加到变换器250的第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂。信号（或驱动信号）的宽度可以控制第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂的定时。可以基于反馈信号而调整（或提供）驱动信号。至少部分地基于反馈信号中的至少一个，电压控制器220可以改变变换器250的占空比。

可以将第一输入信号VR_EN提供给电压控制器220。第一输入信号VR_EN可以表示平台负载的开启或关断。当平台负载上电时，第一输入信号VR_EN可以是HIGH（高），并且当平台负载未上电时，第一输入信号VR_EN可以是LOW（低）。

变换器250可以从电池110接收DC电压V_i。可以将电流从电池110提供给变换器250。变换器250可以在节点160处提供输出电压V_o。可以将输出电压V_o提供给平台负载。电压控制器220可以从变换器250接收反馈信号。至少部分地基于（一个或多个）反馈信号，电压控制器220可以向第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂提供驱动信号。至少部分地基于反馈信号和电池节点电压，可以提供驱动信号。

第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂可以由电压控制器220控制，使得可以将来自电池110的功率（或能量）提供给平台（即示出为节点160处的电压V_o）。

第一和第二开关晶体管Q₁和Q₂可以作为降压变换器操作，以逐步减低（或降低）来自电池110的电压V_i，并在节点160处提供输出电压V_o。当变换器250正作为降压变换器操作时，来自电池110的电流可以穿过第一开关晶体管Q₁和电感器156，并且可以向电容器C_b、C_s提供功率（或能量）。

在功率节省周期（睡眠模式）期间，可以开启和关断电压调节器200。在电压调节器（VR）功率循环期间，变换器250可以用作降压变换器和用作升压变换器。例如，跨充电的电容器C_b、C_s的电压可以用作到变换器250的输入，变换器250作为升压变换器操作。

电压调节器220可以感测来自电池110的电压和/或电流，诸如至少部分地通过反馈信号。当第一输入信号VR_EN解除断言时，PWM控制设备122和晶体管驱动器电路126可以控制第一和第二开关晶体管Q₁、Q₂，使得基于反馈信号而将功率返回到电池110（和/或其它负载组件）。也就是说，晶体管驱动器电路126可以将输出功率级（即开关晶体管Q₁、Q₂和电感器156）当作升压变换器。升压变换器可以将电压（或能量）从电容器放电到电池110。图4示出来自电容器的电流I_i，其穿过变换器250并且被提供为电流I_i。电流I_i可以用作到电池110的电流I_c和/或到平台负载的电流I_p。

电压感测设备132和电流感测设备136可以用来确定变换器250的占空比，以便作为升压变换器操作。此外，电池组可能需要用恒定电流充电。这可以通过电池充电速率来确定。可以通过使用I_感测反馈信号来控制充电速率。

当电压调节器200将提供输出功率（即第一输入信号VR_EN为HIGH（高））时，变换器250可以作为降压变换器操作。另一方面，当电压调节器200将不提供输出功率时，诸如当电子设备将被提供在睡眠模式或空闲模式中时，变换器250可以作为升压变换器操作。

当使能第一开关晶体管Q₁并且禁用第二开关晶体管Q₂时，变换器250可以作为降压变换器操作，并向电压电容器提供电压。当禁用第一开关晶体管Q₁并且使能第二开关晶体管Q₂时，变换器可以作为升压变换器操作，并从电容器向电池或向另一负载提供电压。

图5示出根据示例实施例的电池系统。也可以提供其它实施例和配置。可以将图5中所示的电池系统300提供给笔记本系统、上网本系统、平板系统、智能电话平台和/或其它系统。

电池系统300可以包括电池组310、AC/DC适配器330、充电器340和电压调节器模块（VRM）350。例如，VRM 350可以对应于图4中所示的电压调节器200。

电池组310可以包括电池单元312、314以及开关316、318。开关316可以是基于充电（CHG）信号而操作的充电开关。开关318可以是基于放电（DIS）信号而操作的放电开关。CHG信号和DIS信号可以由平台中的固件控制器生成，作为功率管理特征的部分。

AC/DC适配器330可以耦合到充电器340，以便提供适当的功率。当闭合开关S1时，功率可以用来为电池组310充电。开关S₁可以操作成线性模式，并且可以提供涓流充电或连续充电模式。

图5还示出电容器C_eq（或等效电容器），电容器C_eq表示所有充电的电容器，诸如图4中所示。

在智能电话（或智能电话平台）的示例中，可以不提供和/或可以不使用开关S₁。在该示例中，可以通过将电池组310内的充电开关316和放电开关318操作成线性操作模式来提供充电控制。这可以实现适当的电池充电特性。

实施例可以提供为电子设备、系统和/或装置供电的方法。这可以包括：在电压调节器200处接收输入电压，操作（电压调节器200的）变换器250作为降压变换器，从电压调节器200提供输出电压V_o，并且为电压调节器200的（一个或多个）电容器充电。通过将变换器250用作升压变换器，可以为（一个或多个）电容器中的电压（或能量）进行放电。可以将放电的电压从（一个或多个）电容器提供给电池110和/或其它平台负载。

在本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的任何提及意味着结合实施例所述的特定的特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。这样的短语在说明书中各种地方中的出现不一定都指代相同的实施例。此外，当结合任何实施例描述特定的特征、结构或特性时，认为：结合实施例中的其它实施例而影响这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的见识范围内。

虽然已经参照其许多说明性实施例描述了实施例，但是应当理解：可以由本领域技术人员设计将落入本公开原理的精神和范围内的众多其它的修改和实施例。更具体地，在公开、附图和所附权利要求范围内的主题组合布置的组成部分和/或布置中，各种变化和修改是可能的。除了组成部分和/或布置中的变化和修改外，可替代的使用对本领域技术人员也将是显而易见的。

Claims

1.一种电压调节器，包括：

变换器，当变换器将作为降压变换器操作时，所述变换器接收直流（DC）电压并向电容器提供电压，并且当变换器将作为升压变换器操作时，所述变换器将电压从电容器放电到电池和负载中的至少一个；以及

电压控制器，用以控制变换器作为降压变换器操作，并且所述电压控制器控制变换器作为升压变换器操作，这至少部分地基于至少一个反馈信号。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中电压控制器至少部分地基于至少一个反馈信号而改变变换器的占空比。

3.根据权利要求1所述的电压调节器，其中当电压调节器将提供输出功率时，变换器作为降压变换器操作。

4.根据权利要求3所述的电压调节器，其中当电压调节器将不提供输出功率时，变换器作为升压变换器操作。

5.根据权利要求1所述的电压调节器，其中变换器包括第一开关晶体管、第二开关晶体管和电容器。

6.根据权利要求5所述的电压调节器，其中在使能第一开关晶体管并且禁用第二开关晶体管时，变换器将作为降压变换器操作并向电容器提供电压。

7.根据权利要求6所述的电压调节器，其中在禁用第一开关晶体管并且使能第二开关晶体管时，变换器将作为升压变换器操作并从电容器向电池或负载提供电压。

8.根据权利要求5所述的电压调节器，其中电压控制器包括电压感测设备和电流感测设备，电压感测设备接收指示输出电压的至少一个反馈信号，并且电流感测设备接收指示电流的至少一个反馈信号。

9.根据权利要求8所述的电压调节器，其中电压控制器还包括脉宽调制控制电路和晶体管驱动器电路，以至少部分地基于至少一个反馈信号而向第一开关晶体管提供第一驱动信号并向第二开关晶体管提供第二驱动信号。

10.一种电子设备，包括：

具有处理器的平台负载，以及

电压调节器，用以向平台负载提供输出电压，并向电池和负载中的至少一个提供电压，电压调节器包括：

　　变换器，当变换器将作为降压变换器操作时，所述变换器接收直流（DC）电压并向平台负载提供输出电压，并且在变换器将作为升压变换器操作时，所述变换器从电容器向电池和负载中的至少一个提供电压；以及

　　电压控制器，用以至少部分地基于至少一个反馈信号而控制变换器作为降压变换器操作或作为升压变换器操作。

11.根据权利要求10所述的电子设备，其中变换器至少部分地基于至少一个反馈信号而改变变换器的占空比。

12.根据权利要求10所述的电子设备，其中当处理器将被提供在睡眠模式中时，变换器作为升压变换器操作。

13.根据权利要求9所述的电子设备，其中变换器包括第一开关晶体管、第二开关晶体管和电容器。

14.根据权利要求13所述的电子设备，其中在使能第一开关晶体管并且禁用第二开关晶体管时，变换器将作为降压变换器操作。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其中在禁用第一开关晶体管并且使能第二开关晶体管时，变换器将作为升压变换器操作。

16.根据权利要求13所述的电子设备，其中电压控制器包括电压感测设备和电流感测设备，电压感测设备接收指示输出电压的至少一个反馈信号，并且电流感测设备接收指示电流的至少一个反馈信号。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中电压控制器还包括脉宽调制控制电路和晶体管驱动器电路，以至少部分地基于至少一个反馈信号而向第一开关晶体管提供第一驱动信号并向第二开关晶体管提供第二驱动信号。

18.一种为电子设备供电的方法，包括：

在具有变换器的电压调节器处接收输入电压；

从作为降压变换器操作的电压调节器向电子设备的平台提供输出电压；

当操作变换器作为降压变换器时，向电容器提供能量；

当操作变换器作为升压变换器时，为电容器中的能量进行放电；以及

向电子设备的电池和负载中的至少一个提供放电的能量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中提供输出电压包括使能变换器的第一开关晶体管并禁用变换器的第二开关晶体管。

20.根据权利要求19所述的方法，其中为能量进行放电包括禁用变换器的第一开关晶体管并使能变换器的第二开关晶体管。