CN104811037A - 具有增强的相电流共享的电源供应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有增强的相电流共享的电源供应器、用于增强相电流共享的系统、控制器和方法。例如，公开了一种用于增强相电流共享的电源供应器，其包括：多个电源模块；通信总线，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的输入端；和输出电压节点，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的电感器的第一侧，其中所述多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其耦接到所述电源模块的所述输入端；和RC电路，其能够生成反馈信号、耦接到所述电感器的第二侧和所述输出电压节点。在一些实施方式中，所述电源供应器是电源管理集成电路(PMIC)的至少部分或形成在半导体IC、晶圆、芯片或晶片上的电源供应器的至少部分。

Description

具有增强的相电流共享的电源供应器

相关申请的交叉参考

本申请涉及2013年10月28日申请且以引用方式并入本文中的题为“POWER SUPPLY WITH BALANCED CURRENT SHARING”的第61/896,636号美国临时专利申请。本申请据此要求第61/896,636号美国临时专利申请的权利。

本发明涉及的技术领域

本发明大体上涉及多相电源供应器，且特定来说，涉及在半导体集成电路、晶圆、芯片或晶片中且具有增强的相电流共享的多相电源供应器。

先前技术

下垂(droop)补偿控制可用来增大常规电压变换器(例如，在交换模式的电源供应器中)的DC输出阻抗且随着其负载电流增大而降低其输出电压。例如，下垂补偿控制可用于与相电流共享平行操作的常规DC到DC电压变换器(诸如常规多相脉冲宽度调制(PWM)控制器)和电压调节器以使共享的输出相电流平衡。有源下垂控制是下垂补偿控制，其感测通过常规电压变换器的输出电感器的电流并利用感测的电流信息以调整变换器的输出电压和维持所要下垂量。在常规多相电源供应器中，可在多个相之间发生下垂失配，且存在与造成电流共享变得不稳定的常规下垂补偿控制技术相关的固有延迟。

本发明的内容

一个实施方案涉及一种在半导体结构(诸如半导体集成电路(IC)、晶圆、芯片或晶片)上且具有增强的相电流共享的多相电源供应器。多相电源供应器提供有源下垂控制以自动补偿可在所述相之间发生的下垂失配，且还提供了数字校准控制以增强涉及的多个输出相电流的平衡。

附图简述

应了解，附图仅描绘示例性实施方案且因此不应被认为限制范围，所述示例性实施方案的额外特征和详情将通过附图的使用进行描述。

图1是电源供应器的示意方框图，其可用来实施本发明的一个或多个示例性实施方案。

图2是电压对电流图，其示出其中多个电源模块的负载线相同的理想情况。

图3是电压对电流图，其示出其中一个或多个从属模块的负载线的斜率不等于涉及的主控模块的负载线的斜率的实际情况。

图4是描绘根据本发明的一个或多个示例性实施方案的具有增强的相电流共享的电源供应器的操作的示例性方法的流程图。

图5描绘根据本发明的一个或多个示例性实施方案的将电压模式控制用于具有增强的相电流共享的电源供应器的电压交换器的连续时间域中反映的示例性控制图。

图6是描绘仅将数字下垂控制用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。

图7是描绘仅将模拟下垂控制用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。

图8是描绘根据本发明的一个实施方案的将模拟下垂控制和数字下垂控制用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。

图9是示例性系统的示意方框图，其可用来实施本发明的一个或多个示例性实施方案。

附图中的主要组件的参考符号的清单

100       电源供应器

102a-102n 电源模块

104       通信总线

106a-106n 数字控制器

108a-108n 功率晶体管

110a-110n 功率晶体管

112a-112n 节点

114a-114n 输入端

116a-116n 输出节点

118a-118n 电流感测器

120a-120n 输入端

C1a-C1n   电容器

C2a-C2n   电容器

L1a-L1n   电感器

R1a-R1n  电阻器

R2a-R2n  电阻器

122      输出电容器

124      输出电阻器

200      电压对电流图

202      电阻值

204      电阻值

206      输出电阻

300      电压对电流图

302      电阻值

304      电阻值

306      电阻值

310      电阻值

400      操作方法

500      控制图

502      模拟下垂部分

504      数字下垂部分

506      数字低通滤波器

508      电压补偿器

510   开放环路输出阻抗

512   输出传送函数

600   图表

602   电感器电流

604   输出电压

606   负载电流

700   图表

702   电感器电流

704   输出电压

800   图表

802   电感器电流

900   系统

902   电子电路

904   电源供应器

发明详述

在下文详述中，参考形成其一部分且其中通过特定说明性实施方案的方式示出的附图。然而，应了解，可以利用其它实施方案且可以作出逻辑更改、机械更改和电更改。此外，不应将附图和说明书中提出的方法解释为限制可以执行个别动作的次序。因此，不应在限制意义上解释下文详述。在任何可能的情况下，贯穿附图的相同或相似参考符号用来指代相同或相似结构组件或部件。

下垂补偿控制可用来增大电压变换器(例如，在交换模式的电源供应器中)的DC输出阻抗且随着其负载电流增大而降低其输出电压。例如，下垂补偿控制可用于与相电流共享平行操作的DC-DC电压变换器(举例而言，诸如多相脉冲宽度调制(PWM)控制器)和电压调节器以使共享的输出相电流平衡。有源下垂控制是下垂补偿控制，其感测通过电压变换器的输出电感器的电流并利用感测的电流信息以调整变换器的输出电压和维持所要下垂量。

本文中所述的实施方案提供具有增强的相电流共享的电源供应器。在一些实施方案中，具有增强的相电流共享的电源供应器可包括平行操作的多个DC-DC电压变换器和/或电压调节器。就这点而论，例如，具有增强的相电流共享的电源供应器可形成在半导体结构(诸如半导体集成电路(IC)、晶圆、芯片或晶片)上。在一个示例性实施方案中，在多相电源供应器中提供有源下垂控制以自动补偿可在多个相之间发生的下垂失配。此外，在多相电源供应器中提供数字校准控制以增强涉及的多个输出相电流的平衡。

更准确来说，本文中所述的实施方案提供具有增强的相电流共享的电源供应器。例如，在一个实施方案中，通过将各自模拟反馈信号添加到用来控制相的每个数字控制环路完成多相电源供应器中的增强的相电流共享。具体来说，电源供应器包括多个电源模块。多个电源模块中的每个电源模块包括数字控制器，且多个电源模块中的每个电源模块包括数字控制器，且多个数字控制器中的每个数字控制器耦接到通信总线以在其与其它数字控制器之间传送电流和电压数据。每个电源模块的输出端耦接到公共输出节点，且从而多个电源模块的组合形成具有输出相电流共享和有源下垂控制的多相电源供应器。例如，在一个实施方案中，多个电源模块中的每个电源模块可以是数字控制的电压变换器，诸如数字的、电压模式控制的PWM降压变换器。

多个电源模块中的每个电源模块包括跨生成所述模块的输出相电流的输出电感器耦接的RC电路。在负载侧处，RC电路的一侧耦接到电源模块的相节点，且RC电路的另一侧耦接到电源模块的公共输出电压节点。因此，在负载侧处，RC电路包括用来将电源模块耦接到电源供应器的输出端的印刷电路板(PCB)的电阻。RC电路还耦接到涉及的数字控制器的正电压感测输入端子。因此，RC电路用来感测且从而获得涉及的电源模块的模拟输出电压下垂信息。数字控制器与电源供应器中的其它数字控制器通信以利用每个电源模块的感测的模拟输出电压下垂信息且自动补偿由于涉及的PCB的不同布局和电阻发生的任何下垂失配。此外，数字控制器彼此通信且从而自动补偿发生的电压指令DC偏移的任何失配。具体来说，数字控制器彼此通信且自动移动其各自电源模块的负载线直到负载线对准或重叠为止，其与常规电源供应器相比明显增大有源下垂补偿的准确度和输出相电流平衡的精度。

根据一个示例性实施方案，具有增强的相电流共享的电源供应器具备有源下垂控制，其响应于负载瞬变而利用无源电路以感测模拟输出电压下垂信息并利用所述信息以增强相电流共享的准确度。此外，具有增强的相电流共享的电源供应器具备数字校准控制以通过补偿涉及的电源模块的输出电感器和PCB迹线的不同DC电阻使共享的输出相电流平衡。数字校准控制自动微调每个电源模块的参考电压以校正负载线偏移失配，且还提供电源模块用来补偿输出电感器的各种DC电阻和涉及的PCB阻抗所需要的下垂控制值。

图1是电源供应器100的示意方框图，其可用来实施本发明的一个或多个示例性实施方案。例如，在一个实施方案中，电源供应器100可用来实施用作电压变换器的多个负载点(POL)电源模块的增强的相电流共享。在一些实施方案中，电源供应器100可用来实施具有多个PWM降压变换器的多相电源供应器。在其它实施方案中，电源供应器100可用来实施一个或多个PWM控制器集成电路(IC)或电压调节器IC模块。在另一实施方案中，电源供应器100可用来实施具有增强的相电流共享的多个电压模式控制的DC-DC电压变换器。通常，电源供应器100可用来实施在半导体结构(举例而言，诸如半导体IC、晶圆、芯片或晶片)中且具有增强的相电流共享的电源供应器。在一些实施方案中，电源供应器100可用来实施集成电源管理IC(PMIC)的所有或部分。

参考图1中所示的示例性实施方案，电源供应器100包括多个电源模块102a-102n。第一电源模块102a和第二电源模块102b到第n电源模块102n耦接到通信总线104。在一些示例性实施方案中，电源模块102a-102n中的一个可操作为通信总线104上的“主控”装置，且其余电源模块102a-102n可操作为“从属”装置。例如，这个“主控”装置可以是开始与其它(“从属”)电源模块进行的通信的任何电源模块102a-102n，且“从属”装置可以是响应于来自“主控”装置的通信的任何电源模块102a-102n。在一些实施方案中，可利用根据I²C通信协议或SMBus通信协议操作的计算机总线实施通信总线104。在其它实施方案中，可利用合适的数字通信线实施通信总线104，所述合适的数字通信线能够在电源模块102a-102n之间传达数字数据且从而促进处理由驻留在涉及的电源模块上的软件/固件实施的算法。例如，数字处理器(例如，包括微控制器、微处理器等)可耦接到通信总线104以在阶层式(例如，主控/从属)操作中在电源模块102a-102n之间实施数字通信。就这点而论，在一个实施方案中，通信总线104用来将电流和电压数据从“主控”电源模块传送到涉及的“从属”电源模块。

在图1中所示的示例性实施方案中，每个电源模块102a-102n包括各自的数字控制器106a-106n。例如，电源模块102a包括数字控制器106a，电源模块102b包括数字控制器106b，以此类推。在一个实施方案中，数字控制器106a可以是实施程序代码(例如，固件)以将数据传达到其它电源模块102b-102n中的一个或多个和从其它电源模块102b-102n中的一个或多个传达数据的合适微控制器或微处理器，且还输出控制数据以开关一对功率电晶体108a、110a。例如，在一个实施方案中，电源模块102a可用来将电源模块实施为电压模式控制的降压变换器。在另一实施方案中，电源模块可实施为升压变换器。返回到图1中描绘的实施方案，功率电晶体108a可以是电源模块102a中的高侧场效应电晶体(FET)，且功率电晶体110a可以是低侧FET。数字控制器106a在第一输出端(UGATE)处提供第一开关控制信号，其被耦接来控制功率(开关)电晶体108a的端子。数字控制器还在第二输出端(LGATE)处提供第二开关控制信号，其被耦接来控制功率(开关)电晶体110a的端子。因此，数字控制器106a控制功率电晶体108a、110a的开关以在功率电晶体108a与110a之间的节点112a处产生方波信号(相a)。节点112a处的方波信号(相a)可以是脉冲宽度调制(PWM)信号。因此，在所示的示例性实施方案中，数字控制器106a可用来实施PWM电压变换器(例如，降压变换器)。

节点112a(相a)耦接到电感器L1a和电阻器R1a的一端。电阻器R1a的第二端耦接到电容器C1a的一端、第二电阻器R2a的一端和数字控制器106a的输入端(VSEN+)114a。第二电阻器R2a的第二端耦接到电容器C1a的第二端和输出节点116a。电感器L1a的第二端耦接到电流传感器(ISEN)118a，其耦接到数字控制器106a的第二输入端(ISEN)120a。电感器L1a的第二端还耦接到电阻器Rpcb-a(例如，指示涉及的铜制PCB迹线的电阻)的一侧且还耦接到电容器C2a(例如，指示涉及的PCB迹线的电容)的一侧。电阻器Rpcb-a的第二侧耦接到输出节点116a。输出节点116a耦接到输出电容器122(COUT)和负载124的一侧。输出电容器122和输出电阻器124的第二侧耦接到电路接地。因此，跨输出电容器122和负载124形成输出节点116a处的电压以产生电源供应器100的输出电压信号V_O。应注意，在所示的示例性实施方案中，多个电源模块102a-102n的配置实质上相同，且电源模块102a-102n用来以实质上相同的方式操作。因此，多个电源模块102a-102n在共享的输出节点116a-116n上且跨输出电阻器124到电路接地生成信号(输出电压信号V_O)。就这点而论，电源模块102a-102n共享(例如，由电流传感器118a-118n感测的)其各自相电流(其耦接到输出节点116a-116n)以形成输出电压信号V_O。

本质上，根据本发明的一个或多个实施方案，电源供应器100包括用来提供有源下垂输出电流共享的电路组件的无源网络。电源供应器100还包括用来校准共享的输出相电流并使所述共享的输出相电流平衡以补偿电源模块102a-102n中的电感器L1a-L1n的不同DC电阻值(例如，如DCR1a-DCR1n指示)的数字处理。数字处理还用来对每个相补偿PCB迹线(例如，铜制迹线)的不同电阻值(例如，如Rpcb-a-Rpcb-n指示)。在一个示例性实施方案中，通常在利用每个数字控制器106a-106n中的合适微控制器或微处理器的固件实施的一个或多个算法提供数字处理和校准。此外，在一个示例性实施方案中，有源下垂输出电流共享具备在一侧上耦接到输出节点116a-116n且在另一侧上耦接到每个电感器L1a-L1n的开关侧的各自电阻-电容(RC)网络。例如，在图1中所示的实施方案中，利用电阻器R1a-R1n、R2a-R2n和电容器C1a-C1n实施有源下垂输出电流共享的RC网络。

参考图1中描绘的示例性实施方案，此时有益的是利用迭代的循序算子K来描述后文描述用来实施有源下垂补偿和数字校准以使多个电源模块102a-102n的输出相电流共享平衡且从而增强所述输出相电流共享平衡的数字处理操作。就这点而论，对于每个电源模块#K，在负载侧，跨输出电压端子的各自相节点和正电轨连接RC网络(R_1-K、R_2-K和C_1-K)。电阻器R_1-K与R_2-K之间的结点处的电压耦接到每个电源模块102a-102n中的数字控制器的感测的电压输入端(VSEN+)。应注意，感测的电压输入(VSEN+)包括且因此考虑涉及的PCB迹线的电阻。“从属”电源模块中的每个的感测的电压(V_SEN+)的连续时间域中的传送函数可表示成如下：

       $V_{\mathrm{SEN}-K}\left(s\right)=V_o\left(s\right)+I_K\left(s\right)\frac{1+\frac{L_{1-K}s}{{\mathrm{DCR}}_{1-K}+R_{\mathrm{pcb}-K}}}{1+\frac{R_{1-K}{R}_{2-K}}{R_{1-K}+R_{2-K}}}({\mathrm{DCR}}_{1-K}+R_{\mathrm{pcb}-K})\frac{R_{2-K}}{R_{1-K}+R_{2-K}}$

其中K＝1,2,…,N    (1)

用来建立电源模块的电压下垂(例如，模拟下垂)的DC电阻可从方程式(1)导出且表示成如下：

       $R_{\mathrm{droo}{p}_a\left(K\right)}=({\mathrm{DCR}}_{1-K}+R_{\mathrm{pcb}-K})\frac{R_{2-K}}{R_{1-K}+R_{2-K}}---\left(2\right)$

其中K＝1,2,…,N。

应注意，在理想或理论情况下，如果多个相同电源模块用来生成多个相同输出相电流，利用的PCB布局相同(对称的PCB布局)，且利用的RC网络具有相同电阻和电容，那么方程式(2)将对所有相提供相同下垂电阻值。然而，与涉及的电源模块中利用的电感器的DC电阻相比，不同PCB迹线的电阻相对较小。因此，与方程式(2)中的参数DCR(建立电源模块的电压下垂所需的DC电阻)相比，模拟下垂方程式(2)中的参数R_pcb不是主要参数且可被认为无关紧要。

在操作中，每个“从属”数字控制器102a-102n中的固件处理方程式(1)的算法且导出各自感测的电压VSEN+。每个“从属”数字控制器102a-102n中的固件利用各自RC网络参数和感测的电压(VSEN+)处理方程式(2)的算法，且导出提供涉及的相的所要输出电压下垂补偿值所需的DC电阻值。每个数字控制器106a-106n输出合适的PWM控制信号(UGATE、LGATE)以导出各自开关电晶体(108a-108n、110a-110n)，且因此生成各自相电流112a-112n以在输出节点116a-116n处形成具有有源下垂补偿的输出电压。

应注意，除感测的输入电压VSEN+以外，耦接到各自数字控制器106a-106n的输入端120a-120n的感测电流(ISEN)还可用来生成输出电压下垂电阻值。例如，数字控制器106a-106n中的固件可利用合适算法以导出感测电流(ISEN)的传送函数，且使用各自Rpcb和DCR值处理方程式(2)以生成所要输出电压下垂。

图2是电压对电流图200，其示出其中所有电源模块102a-102n的各自负载线(和相关下垂电阻值)相同的理想或理论情况。例如，电阻值202(R_M)指示涉及的主控模块的负载线斜率。此外，电阻值204(R_S)指示涉及的从属模块的负载线斜率。应注意，在这种理论情况下，负载线202、204的斜率相同。然而，在实际操作环境中，每个模块102a-102n的指令电压V_S将具有略不同的偏移，其造成模块102a-102n的输出相电流之间的失衡(即使其负载线的斜率相同)。然而，在一个示例性实施方案中，每个从属模块中的固件用来“微调”其各自指令电压V_S以移动其各自负载线且从而使其各自负载线与涉及的主控模块的负载线对准。用来对准每个从属模块的负载线与主控电源模块的负载线的指令电压V_S的这个微调明显增大用于使涉及的电源模块的输出相电流平衡的程序的准确度。

例如，参考图2，主控模块的下垂电阻R_M 202可表示成如下：

       $R_M=\frac{V_{0\left(K\right)}-V_{0(K-1)}}{I_{M(K-1)}-I_{M\left(K\right)}}---\left(3\right)$

此外，例如，从属模块的下垂电阻R_S(K) 204可表示成如下：

       $R_{S\left(K\right)}=\frac{[V_{0\left(K\right)}-V_{0(K-1)}]-[V_{S\left(K\right)}-V_{S(K-1)}]}{I_{S(K-1)}-I_{\mathrm{SK}}}---\left(4\right)$

因此，可被从属模块用来将其负载线移动到主控模块的负载线的控制电压V_S(K)206可从方程式(3)和(4)导出，且表示成如下：

V_S(K)＝V_S(K-1)+K_S[I_M(K)-I_S(K)]  (5)

例如，参考图2和方程式(5)，如果主控模块的输出电流高于从属模块的检测的输出电流，那么从属模块可增大或上调其输出电压206或V_S(K)。因此，主控模块的电感器电流将减小，而涉及的从属模块的电感器电流将增大，直到其负载线对准为止。另一方面，也参考参考图2和方程式(5)，如果从属模块的检测的负载电流高于涉及的主控模块的输出电流，那么从属模块可减小或下调其输出电压206或V_S(K)。因此，主控模块的电感器电流将增大，而从属模块的电感器电流将减小，直到其负载线对准为止。应注意，当从属模块的负载线中的每个对准涉及的主控模块的负载线时，达成最佳或最准确的输出相电流共享或平衡。总的来说，每个数字控制器106a-106n能够自动微调其自身的指令电压V_S，且从而增强电源供应器100的输出相电流平衡的总准确度。

图3是电压对电流图300，其示出其中一个或多个从属模块102a-102n的各自负载线的斜率不等于涉及的主控模块的负载线的斜率的实际情况。例如，参考图3，电阻值302(R_M)指示主控模块的负载线，电阻值304(R_S(K))指示涉及的“第K”从属模块的负载线，且电阻值306(R_S(K-1))指示涉及的“第K-1”从属模块的负载线。应注意，通过上述方程式(3)描述从属模块的下垂电阻302(R_M)。然而，在这种情况下，可通过在各步骤加上或减去固定电阻值310(ΔR_S)修改第K从属模块的下垂电阻304，以在正确方向上递增地移动各自从属模块的负载线(R_S(K))以使其与涉及的主控模块的负载线302(R_M)对准。在这种情况下，从属模块的数字下垂电阻值可表示成如下：

       $R_{S\left(K\right)}=\frac{[V_{0\left(K\right)}-V_{0(K-1)}]-I_{S(K-1)}\mathrm{\Δ}{R}_S}{I_{S(K-1)}-I_{S\left(K\right)}}---\left(6\right)$

其中K＝1,2,…,N。

应注意，可由每个数字控制器106a-106n中的固件利用方程式(6)以通过将主控模块与从属模块之间传达的电压和电流数据输入到方程式(6)而自动计算使其负载线与主控模块的负载线对准所需的数字下垂电阻R_S。就这点而论，从属模块的这个数字校准还增强电源供应器100的输出相电流平衡的准确度。

图4是描绘根据本发明的一个或多个实施方案的具有增强的相电流共享的电源供应器的操作400的示例性方法的流程图。例如，可由图1中所示的每个数字控制器106a-106n利用示例性方法400以提供增强的相电流共享。参考图4，方法400开始于(402)确定电源供应器100是处于启动操作模式还是处于稳定状态操作模式。如果电源供应器处于启动操作模式，那么流程继续进行(404)以确定第K从属模块的负载线(例如，特性在于所述模块的下垂电阻)是否等于涉及的主控模块的负载线。如果第K从属模块的负载线的斜率等于涉及的主控模块的负载线的斜率，那么流程继续进行(406)以使得各自数字控制器能够利用其驻留固件处理上述方程式(5)且从而自动微调其各自指令电压V_S以补偿任何发生的电压偏移。然而，如果(406)第K从属模块的负载线不等于涉及的主控模块的负载线，那么流程继续进行(408)以使得第K数字控制器能够利用方程式(6)且加上或减去合适的固定电阻(ΔR_S)且从而自动微调其下垂电阻以补偿负载线失衡。

返回到开始((402)，如果电源供应器100处于稳定状态操作模式，那么流程继续进行(410)以使得主控模块的数字控制器能够处理方程式(3)且计算下垂电阻R_M或涉及的主控模块的负载线的斜率。例如，可通过更改主控模块的输出电流(例如，通过更改负载)或使涉及的从属模块中的一个失调完成计算主控模块的负载线的斜率的程序。接着，流程继续进行(412)以确定在先前处理步骤期间，主控模块的斜率和各自从属模块的斜率是否实质上相同和是否执行指令电压V_S的自动微调以补偿电压偏移。另一方面，在(412)处流程确定在先前处理步骤期间，主控模块的斜率和各自从属模块的斜率是否实质上不相同和是否执行从属模块的下垂电阻R_S的自动校准以使从属模块的负载线与主控模块的负载线对准。如果微调指令电压V_S，那么流程继续进行(414)以使得从属模块的数字控制器能够利用方程式(4)以使从属模块的负载线与涉及的主控模块的负载线对准。接着，流程继续进行以确定第K从属模块的负载线是否等于涉及的主控模块的负载线(404)，如上述。然而，如果(412)在最后处理步骤期间，主控模块的斜率和各自从属模块的斜率实质上不相等，那么流程继续进行(416)以使得从属模块的数字控制器能够利用方程式(6)以使从属模块的负载线与主控模块的负载线对准。接着，流程继续进行以确定第K从属模块的负载线(例如，特性在于所述模块的下垂电阻)是否等于涉及的主控模块的负载线(404)，如上述。

图5描绘根据本发明的一个或多个示例性实施方案的将电压模式控制用于具有增强的相电流共享的电源供应器的电压交换器的连续时间域(例如，传送函数)中反映的示例性控制图500。例如，在一个实施方案中，电压变换器可以是DC-DC电压变换器，举例而言，诸如PWM降压变换器。参考图5，从属模块(例如，图1中的“从属”电源模块102a-102n)的(在输出处观测到的)封闭环路输出阻抗可表示成如下：

       $Z_{\mathrm{cl}}\left(s\right)=\frac{-v_0\left(s\right)}{i_0\left(s\right)}=[R_{\mathrm{droop}\_d}F\left(s\right)+R_{\mathrm{droop}\_a}]\frac{T\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}+Z_{0l}\left(s\right)\frac{1}{1+T\left(s\right)}---\left(7\right)$

参数R_{droop_a} 502表示可利用RC网络(诸如包括图1中所示的R1a-R1n、R2a-R2n、C1a-C1n的RC电路)实现的有源下垂控制的模拟部分。例如，可通过图4中所示的方框406中的V_S微调方程式描述输出阻抗的模拟下垂部分502。应注意，不同电源模块的RC网络的时间常量失配可忽略不计且不包括在方程式(7)中。此外，应注意，利用的有源下垂控制在低于电压环路带宽的频率下有效。因此，如图5中所示，对于涉及的典型频率范围，可认为电感器电流iL(s)近似等于负载电流io(s)。参数R_{droop_d} 504表示可微调达利用的有源下垂控制的自动校准部分的数字下垂电阻。例如，可通过图4中所示的方框408中的R_S微调方程式描述有源下垂控制的数字下垂部分504。应注意，与数字下垂部分504相比，模拟下垂部分502是主要参数，且就这点而论，数字下垂部分504可主要用于微调以补偿可在利用模拟下垂部分502时发生的指令电压失配。本质上，数字下垂部分的电阻值是增益项，其可利用驻留在涉及的数字控制器的固件中的自动校准算法进行微调。利用低通数字滤波器506以传递感测的电流信号与移除的电流信号的高频分量。例如，滤波器506可以是具有相对较低的取样速率的数字移动平均滤波器，其可提供有源下垂的数字下垂部分的大延时。提供电压模式控制补偿器508以最小化其输出处的信号的误差。例如，在一个实施方案中，可利用数字控制的电压变换器(降压变换器)中的比例-积分-微分(PID)控制器实施电压模式控制补偿器508。方框510中描绘从电压变换器的输出观测到的开放环路输出阻抗。方框512中描绘用来输出传送函数Gvd(s)512的控制。参数Vref是在零负载电流下的电源模块102a-102n的参考电压。例如，参数Vref可以是主控电源模块的参考电压V_M，且是从属电源模块的参考电压V_S。总的来说，在电压模式控制实施中，模拟下垂部分502是主要参数，且提供数字下垂部分504以进行微调且从而校准可在实施模拟下垂部分502时发生的指令电压失配。

图6是描绘仅将数字下垂控制用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。换句话说，这个模拟中不包括用来提供模拟下垂控制的RC网络。在所示模拟中，从属模块的指令电压微调V_S通过电源供应器的数字通信总线发挥作用。参考图6，迹线602指示两个相的电感器电流(10A/div.)，迹线604指示输出电压(20mV/div.)，且迹线606指示负载电流(20V/div.)。应注意，图6示出由于数字下垂的固有延迟，相电流共享在电压环路带宽高时变得尤其不稳定。

图7是描绘仅将模拟下垂控制用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。换句话说，这个模拟中包括用来提供模拟下垂控制的RC网络。在这个模拟中，PCB布局不对称，且涉及的“n”个电源模块的RC网络的电阻和电容个别被调谐来达成相同下垂值且从而抵消PCB不对称性。在所示模拟中，从属模块的指令电压微调V_S通过电源供应器的数字通信总线发挥作用。参考图7，迹线702指示三个相的电感器电流(10A/div.)，迹线704指示输出电压(20mV/div.)。应注意，这个模拟展示可单独利用模拟下垂控制达成极佳的相电流共享，但这种方法的设计复杂度由于需要个别调谐涉及的RC网络的电阻和电容而增大。

图8是描绘根据本发明的一个示例性实施方案的将模拟下垂控制和数字下垂控制两者用于高电压环路带宽的具有动态相电流共享的模拟电压变换器的图表。在这种情况下，利用相同RC网络以生成每个涉及的电源模块的模拟下垂。此外，利用数字校准以抵消可由于涉及的PCB布局的不对称性发生的下垂失配。在所示模拟中，从属模块的指令电压微调V_S通过电源供应器的数字通信总线发挥作用。每个涉及的RC网络的电阻值和电容值是固定的。参考图8，迹线802指示三个共享相的电感器电流(10A/div.)。应注意，这个模拟展示可利用模拟下垂控制和数字下垂控制两者达成极佳的相电流共享，且这种方法的设计复杂度由于相同RC网络的使用而明显增大(与图7中所示的方法相比)。

图9是示例性系统900的示意方框图，其可用来实施本发明的一个或多个示例性实施方案。例如，在一个实施方案中，系统900包括一个或多个电子电路902和具有增强的相电流共享的一个或多个电源供应器904。例如，电源供应器904中的一个或多个可实施为图1中所示的电源供应器100。一个或多个电源供应器904的输出电压Vout耦接到一个或多个电子电路902的输入端子Vin。因此，与常规电子电路相比，一个或多个电子电路902的性能明显增强。例如，可在服务器系统、电信系统、数据存储系统、数据通信系统等中利用具有增强的电流共享的一个或多个电源供应器904。此外，例如，可利用具有增强的电流共享的一个或多个电源供应器904以对涉及的电子电路902中的一个或多个ASIC、FPGA、DSP和/或存储器级提供电力。

示例性实施方案

实例1包括一种电源供应器，其包括：多个电源模块；通信总线，其耦接到多个电源模块中的每个电源模块的输入端；和输出电压节点，其耦接到多个电源模块中的每个电源模块的电感器的第一侧，其中多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其耦接到所述电源模块的输入端；和RC电路，其能够生成反馈信号、耦接到电感器的第二侧和输出电压节点。

实例2包括实例1所述的电源供应器，其中RC电路还耦接到数字控制器的输入端。

实例3包括实例1-2中任一项所述的电源供应器，其中RC电路连接到数字控制器的输入端且能够生成与输出电压节点处的电压下垂相关的模拟反馈信号且将模拟反馈信号耦接到数字控制器的输入端。

实例4包括实例1-3中任一项所述的电源供应器，其中多个电源模块中的所述每个电源模块包括：多个脉冲宽度调制(PWM)开关；和相节点，其耦接到多个PWM开关的输出端子和电感器的第二侧。

实例5包括实例3-4中任一项所述的电源供应器，其中数字控制器能够接收与电压下垂相关的信号、确定用来补偿与电压下垂相关的指令电压失配的指令电压值和输出与指令电压值相关的控制信号。

实例6包括实例1-5中任一项所述的电源供应器，其还包括印刷电路板(PCB)组件，所述印刷电路板组件耦接在电感器的第一侧与输出电压节点之间。

实例7包括实例1-6中任一项所述的电源供应器，其中数字控制器能够生成用来使第一电源模块的负载线与第二电源模块的负载线对准的控制信号。

实例8包括实例1-7中任一项所述的电源供应器，其中多个电源模块中的第一电源模块是主控模块且多个电源模块中的第二电源模块是从属模块。

实例9包括实例1-8中任一项所述的电源供应器，其中通信总线包括能够根据I²C通信协议或SMBus通信协议操作的通信总线。

实例10包括一种电源供应器的操作方法，其包括：确定电源供应器是在启动模式下还是在稳定状态模式下进行操作；如果电源供应器是在启动模式下进行操作，那么确定电源供应器中的第一电源模块的负载线的斜率是否实质上等于电源供应器中的第二电源模块的负载线的斜率；如果第一电源模块的负载线的斜率实质上等于第二电源模块的负载线的斜率，那么生成用来使第二电源模块的负载线与第一电源模块的负载线对准的控制电压；和如果第一电源模块的负载线的斜率实质上不等于第二电源模块的负载线的斜率，那么生成用来使第二电源模块的负载线与第一电源模块的负载线对准的下垂电阻校正信号，其中下垂电阻校正信号与数字下垂电阻值和模拟下垂电阻值相关。

实例11包括实例10所述的方法，其还包括：如果电源供应器是在稳定状态模式下进行操作，那么确定第一电源模块的负载线的斜率；确定是先前控制电压值还是先前下垂电阻值用来使第二电源模块的负载线与第一电源模块的负载线对准；如果先前控制电压用来使第二电源模块的负载线与第一电源模块的负载线对准，那么利用先前控制电压值生成下垂电阻值；和如果先前下垂电阻值用来使第二电源模块的负载线与第一电源模块的负载线对准，那么利用先前下垂电阻值生成下垂电阻值。

实例12包括一种多相电源供应器，其包括：多个电源模块，其中多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其中数字控制器的输入端耦接到数据通信线，且数字控制器的输出端耦接到电压调节器的控制输入端；电阻组件，其耦接到电压调节器的电感器和多相电源供应器的公共输出电压节点；和RC电路，其跨电感器和电阻组件耦接。

实例13包括实例12所述的多相电源供应器，其中电阻组件包括印刷电路板或具有电阻值的组件。

实例14包括实例12-13中任一项所述的多相电源供应器，其中RC电路还耦接到数字控制器的电压感测输入端。

实例15包括一种系统，其包括：电子电路；和多相电源供应器，其耦接到电子电路，其中多相电源供应器包括：多个电源模块；通信总线，其耦接到多个电源模块中的每个电源模块的输入端；和输出电压节点，其耦接到多个电源模块中的每个电源模块的电感器的第一侧，其中多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其耦接到电源模块的输入端；和RC电路，其耦接到电感器的第二侧和输出电压节点。

实例16包括实例15所述的系统，其中系统包括端子系统、电信系统、数据存储系统或数据通信系统。

实例17包括实例15-16中任一项所述的系统，其中电子电路包括至少一个ASIC、FPGA、DSP、控制器或存储器存储装置。

实例18包括一种多相电源供应器，其包括：第一控制器，其能够在第一输入端处接收第一数字信号且在第二输入端处接收第一模拟信号，其中第一数字信号是第一控制信号且第一模拟信号是与电源供应器的输出节点处的电压下垂相关的第一反馈信号；第一功率变换器，其耦接到第一控制器的输出端且能够响应于第一数字信号和第一模拟信号生成多相电源供应器的第一相电流；第二控制器，其能够在第三输入端处接收第二数字信号且在第四输入端处接收第二模拟信号，其中第二数字信号是第二控制信号且第二模拟信号是与多相电源供应器的输出节点处的电压下垂相关的第二反馈信号；和第二功率变换器，其耦接到第二控制器的输出端且能够响应于第二数字信号和第二模拟信号生成电源供应器的第二相电流。

实例19包括实例18所述的多相电源供应器，其中第一控制器和第一功率变换器包括第一电源模块，第二控制器和第二功率变换器包括第二电源模块，且第一电源模块和第二电源模块形成在半导体集成电路(IC)、晶圆、芯片或晶片上。

实例20包括实例18-19中任一项所述的多相电源供应器，其中第一控制器和第一功率变换器包括第一电源模块，第二控制器和第二功率变换器包括第二电源模块，且第一电源模块和第二电源模块形成在电源管理IC(PMIC)上。

尽管本文中已示出和描述特定实施方案，但所属技术领域熟练人员将明白旨在达成相同目的的任何配置可以替换所示的特定实施方案。因此，显然希望本发明仅受权利要求书和其等效物限制。

Claims (20)

1.一种电源供应器，其包括：

多个电源模块；

通信总线，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的输入端；和

输出电压节点，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的电感器的第一侧，其中所述多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其耦接到所述电源模块的所述输入端；和RC电路，其能够生成反馈信号、耦接到所述电感器的第二侧和所述输出电压节点。

2.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述RC电路还耦接到所述数字控制器的输入端。

3.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述RC电路连接到所述数字控制器的输入端且能够生成与所述输出电压节点处的电压下垂相关的模拟反馈信号且将所述模拟反馈信号耦接到所述数字控制器的输入端。

4.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述多个电源模块中的所述每个电源模块包括：多个脉冲宽度调制(PWM)开关；和相节点，其耦接到所述多个PWM开关的输出端子和所述电感器的所述第二侧。

5.根据权利要求3所述的电源供应器，其中所述数字控制器能够接收与电压下垂相关的信号、确定用来补偿与所述电压下垂相关的指令电压失配的指令电压值和输出与所述指令电压值相关的控制信号。

6.根据权利要求1所述的电源供应器，其还包括印刷电路板(PCB)组件，所述印刷电路板组件耦接在所述电感器的所述第一侧与所述输出电压节点之间。

7.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述数字控制器能够生成用来使第一电源模块的负载线与第二电源模块的负载线对准的控制信号。

8.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述多个电源模块中的第一电源模块是主控模块且所述多个电源模块中的第二电源模块是从属模块。

9.根据权利要求1所述的电源供应器，其中所述通信总线包括能够根据I²C通信协议或SMBus通信协议操作的通信总线。

10.一种电源供应器的操作方法，其包括：

确定所述电源供应器是在启动模式下还是在稳定状态模式下进行操作；

如果所述电源供应器是在所述启动模式下进行操作，那么确定所述电源供应器中的第一电源模块的负载线的斜率是否实质上等于所述电源供应器中的第二电源模块的负载线的斜率；

如果所述第一电源模块的所述负载线的所述斜率实质上等于所述第二电源模块的所述负载线的所述斜率，那么生成用来使所述第二电源模块的所述负载线与所述第一电源模块的所述负载线对准的控制电压；和

如果所述第一电源模块的所述负载线的所述斜率实质上不等于所述第二电源模块的所述负载线的所述斜率，那么生成用来使所述第二电源模块的所述负载线与所述第一电源模块的所述负载线对准的下垂电阻校正信号，其中所述下垂电阻校正信号与数字下垂电阻值和模拟下垂电阻值相关。

11.根据权利要求10所述的方法，其还包括：

如果所述电源供应器是在所述稳定状态模式下进行操作，那么确定所述第一电源模块的所述负载线的所述斜率；

确定是先前控制电压值还是先前下垂电阻值用来使所述第二电源模块的所述负载线与所述第一电源模块的所述负载线对准；

如果所述先前控制电压值用来使所述第二电源模块的所述负载线与所述第一电源模块的所述负载线对准，那么利用所述先前控制电压值生成下垂电阻值；和

如果所述先前下垂电阻值用来使所述第二电源模块的所述负载线与所述第一电源模块的所述负载线对准，那么利用所述先前下垂电阻值生成所述下垂电阻值。

12.一种多相电源供应器，其包括：

多个电源模块，其中所述多个电源模块中的每个电源模块包括：

数字控制器，其中所述数字控制器的输入端耦接到数据通信线，且所述数字控制器的输出端耦接到至少一个功率晶体管的控制输入端；

电阻组件，其耦接到所述电源模块的电感器和所述多相电源供应器的公共输出电压节点；和

RC电路，其跨所述电感器和所述电阻组件耦接。

13.根据权利要求12所述的多相电源供应器，其中所述电阻组件包括印刷电路板或具有电阻值的组件。

14.根据权利要求12所述的多相电源供应器，其中所述RC电路还耦接到所述数字控制器的电压感测输入端。

15.一种系统，其包括：

电子电路；和

多相电源供应器，其耦接到所述电子电路，其中所述多相电源供应器包括：

多个电源模块；

通信总线，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的输入端；和

输出电压节点，其耦接到所述多个电源模块中的每个电源模块的电感器的第一侧，其中所述多个电源模块中的每个电源模块包括：数字控制器，其耦接到所述电源模块的所述输入端；和RC电路，其耦接到所述电感器的第二侧和所述输出电压节点。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统包括端子系统、电信系统、数据存储系统或数据通信系统。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子电路包括至少一个ASIC、FPGA、DSP、控制器或存储器存储装置。

18.一种控制器，其包括：

电压感测输入端，其能够接收与电源供应器的电压下垂相关的模拟反馈信号；

电流感测输入端，其能够接收与所述电源供应器的输出电流相关的电压信号；

控制输入端，其能够接收与所述电源供应器的所述电压下垂相关的数字信号；和

处理器，其能够从所述模拟反馈信号、所述数字信号和所述电压信号生成电压下垂补偿值。

19.根据权利要求18所述的控制器，其还包括：

至少一个控制输出端，其能够输出与所述电压下垂补偿值相关的控制信号。

20.根据权利要求18所述的控制器，其中所述控制器形成在半导体集成电路(IC)、晶圆、芯片或晶片上。