CN105871208A - 具有非对称相电感的多相开关电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种具有非对称相电感的多相开关电压调节器，包括控制器和均被配置成通过电感器将输出电流传递至负载的多个功率级。电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感。控制器被配置成控制功率级的开关以便调节多相开关电压调节器的输出电压，包括：在负载处的满功率事件期间，允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且在负载处的低功率事件期间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级以外的所有功率级向负载提供电流。

Description

具有非对称相电感的多相开关电压调节器

技术领域

本申请涉及多相开关电压调节器，特别是具有非对称相电感的多相开关电压调节器。

背景技术

开关电压调节器因为其高的效率和由这样的转换器所消耗的小量的面积/体积而被广泛地使用在用于诸如计算(服务器和移动)等的多种应用的现代电子系统和用于电信的POL(负载点系统)中。被广泛接受的开关电压调节器拓扑包括降压、升压、升降压、正激、反激、半桥、全桥和SEPIC拓扑。多相降压转换器特别适合于以诸如微处理器、图形处理器和网络处理器等的高性能集成电路所需要低电压提供高电流。降压转换器利用诸如脉冲宽度调制(PWM)控制器IC(集成电路)、驱动器电路、包括功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的一个或多个相等的有源部件和诸如电感器、变压器或耦合的电感器、电容器和电阻器等的无源部件来实施。多个相(功率级)可以通过相应的电感器并联地连接至负载以满足高输出电流的要求。

用于CPU内核电压(V_内核)应用的典型的多相降压转换器设计利用了从两个至六个或更多的相，其中V_内核是被供给至CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)或含有处理内核的其它装置的电源电压。设计用于V_内核应用的常规的多相降压转换器使用了针对各相的相同的电感值。用于V_内核应用的调节器必须支持当处理器操作活动水平及其电流消耗高时的高负载操作和当处理器操作活动水平及其电流消耗低时的轻负载操作两者。另外，调节器往往具有当在轻负载与高负载操作之间切换时迅速地适应而同时维持良好调节的硬性瞬态规范，并且因此要求诸如每相150nH的相对低的电感值。对于终端用户而言，期望的是设计通过这样严格的瞬态规范，同时还以良好的轻和峰值负载效率操作。为了提高轻负载效率，相应该具有较高的电感值，因为这降低了电感器中的纹波电流。然而，电感值被限制以支持高的相电流。一般情况下，对于相同的物理尺寸而言，针对电感器的饱和电流随着电感增加而减小，所以较低电感可以支持较高的输出电流。另外，具有较高电感值的相远不可能通过V_内核快速瞬态负载响应规范，所以存在着在选择用于这些设计的最佳电感上所需的权衡。除V_内核应用之外，多相电压调节器可以被用在其中非对称相电感手段可以用类似的积极结果来实施的存储器应用中。

发明内容

根据一种多相开关电压调节器的实施例，多相开关电压调节器包括控制器和均被配置成通过电感器将输出电流传递至负载的多个功率级。电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感。控制器被配置成控制功率级的开关以便调节多相开关电压调节器的输出电压，包括：在负载处的满功率事件期间，允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且在负载处的低功率事件期间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级以外的所有功率级向负载提供电流。

根据一种用于多相开关电压调节器的数字控制器的实施例，多相开关电压调节器具有多个功率级，多个功率级中的每一个被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感，数字控制器包括控制电路，控制电路被配置成控制功率级的开关，以便调节多相开关电压调节器的输出电压。这包括：在负载处的满功率事件期间，允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且在负载处的低功率事件期间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级以外的所有功率级向负载提供电流。

根据一种多相开关电压调节器的另一实施例，多相开关电压调节器包括控制器和均被配置成将电流传递至负载的多个功率级。功率级中的每一个包括在共用节点处通过电感器被耦合至负载的高侧晶体管和低侧晶体管。功率级电感器中的至少一个具有比其它功率级电感器更高的开路电感，使得至少一个功率级具有与其它功率级相比不同的输出电感。控制器被配置成控制功率级的开关以调节多相开关电压调节器的输出电压。

本领域技术人员将在阅读下面的详细描述时和在查看附图时认识到附加的特征和优点。

附图说明

图中的元件不一定相对于彼此成比例。同样的附图标记指定了对应的类似部分。各种图示出的实施例中的特征可以组合，除非它们彼此排斥。实施例被描绘在图中并且被详述在如下的描述中。

图1图示出具有非对称相电感的多相开关电压调节器的实施例的框图。

图2图示出具有非对称相电感的多相开关电压调节器的另一实施例的框图。

图3图示出用于具有非对称相电感的多相开关电压调节器的数字控制器的实施例的框图。

图4图示出被布置在板上的多相开关电压调节器的非对称相电感器的实施例的平面图。

具体实施方式

本文中所描述的多相开关电压调节器的实施例提供了具有与其它相不同的电感值的至少一个相(功率级)。术语“相”和“功率级”在本文中可互换地用来描述多相开关电压调节器的输出部件(例如，驱动器电路、高侧和低侧晶体管、电感器等)，其中的每一个贡献了在调节下被传递至负载的总电流的一部分。在一些情况中，一个相具有与其它相不同的电感值。在其它情况中，两个或多个相具有与其它相不同的电感值。在又一些其它情况中，所有相具有不同的电感值。在各情况中，较高的电感值、例如多达用于其它相的标称电感的2倍或更高的电感值可以被应用于在功率节省模式(多个)中总是作为单个相操作或与另一相组合地操作的相。通过对于在功率节省模式(多个)中操作的至少一个相使用较高的电感值(多个)，提供了在轻负载效率上的提升(提高)。输出纹波、高负载效率和电流感测误差通过为多相开关电压调节器的至少一个相提供与其它相不同的电感值而降低。

图1图示出多相开关电压调节器的实施例，包括多个功率级(相)100和用于控制各个功率级100的操作的诸如微控制器、微处理器、ASIC(专用集成电路)等的数字控制器102。功率级100中的每一个表示开关电压调节器的一个相并且被配置成通过单独的电感器(L_N)将相电流(I_Ln)传递至负载104。负载104经由电感器和输出电容器(C_O)被连接至多相开关电压调节器。负载104可以是诸如微处理器、图形处理器、网络处理器等的高性能集成电路或者是诸如POL(负载点)等的要求电压调节的其它类型的集成电路。

各功率级100包括：高侧晶体管(Q1)和低侧晶体管(Q2)，用于通过对应的电感器耦合至负载104；和驱动器电路110，用于从控制器102接收PWM信号并生成栅极驱动信号GH和GL以驱动Q1和Q2接通和断开。各功率级100的高侧晶体管可开关地将负载104连接至多相开关电压调节器100的输入电压(Vin)，并且对应的低侧晶体管在不同时段可开关地将负载104连接至接地。为了便于说明仅示出三个功率级100。一般情况下，多相开关电压调节器100具有至少两个功率级100、例如典型地多达六个功率级或甚至更多，其中的至少一个具有与其它功率级100相比不同的开路电感L_N。如本文中所使用的，术语“开路电感”是指与标称/平均值相对的真实/确切值。

数字控制器102包括控制电路106，用于通过调整被传递至负载104的相电流(I_L1、I_L2…I_LN)来调节由功率级100传递至负载104的电压(V_out)。控制电路106可以包括多相脉冲宽度调制器(mPWM)108，用于经由对应的PWM控制信号(PWM1、PWM2…PWMn)来开关各功率级100的高侧和低侧晶体管，使得各功率级100可以响应于施加至那个功率级100的PWM信号而通过对应的电感器和高侧或低侧晶体管拉(source)电流或灌(sink)电流至负载104。当PWM控制信号处于逻辑电平高时，对应的高侧晶体管被置于导通状态，电感器电流通过高侧晶体管被拉出或灌入，并且通过电感器的电流在持续时间内增加。这一般被称作“接通时间”并且那个功率级100被认为是“打开”。当PWM控制信号处于逻辑电平低时，对应的低侧晶体管被置于导通状态，电流被从低侧晶体管拉出或灌入，并且通过电感器的电流在持续时间内减小。这一般被称作“断开时间”并且那个功率级100被认为是“关闭”。当PWM控制信号处于三值或高阻抗逻辑电平(PWM控制信号既不是高也不是低)时，对应的高侧和低侧晶体管两者都被置于非导通状态，电流通过或低侧或高侧晶体管体二极管被拉出或灌入，并且通过电感器的电流的幅值朝向零减小。这一般被称作“HiZ时间”或“不活动时间”并且那个功率级100被认为是“高Z”或不活动的。

多相降压调节器一般在固定频率CCM(连续电流模式)中操作。在固定频率CCM中，用于各相的PWM信号对于开关周期的一部分是高的，并且对于开关周期的一部分是低的，并且开关周期从周期到周期相对恒定。对于时间上的固定时段而言，在针对各脉冲的相对恒定的接通和断开时间的情况下预期固定数量的脉冲。调节器调整PWM周期以便在调整电感器电流以匹配负载要求的同时维持输出电压恒定。电感器电流在各周期上升和下降，所以不是恒定的，但是在具有对应于各周期的纹波电流的稳态操作期间产生了恒定的平均电流，其中纹波电流取决于开关频率、电感、PWM控制信号的占空比和输入及输出电压(Vin、Vout)。通过以相同频率但是以等间隔的相偏移操作相中的每一个，并调节各相以使得各相中的平均电流相对匹配，这允许了各相中的纹波电流被消除并且由所有相供给至负载的总电流将具有较低的总纹波。多相降压调节器因为将负载电流要求在很多相之间均等地划分这个能力而理想地适合于将高电流传递至负载，同时通过利用在负载处通过固定频率多相操作而被消除的高纹波电流支持低电感值而允许了物理上小的实施方式。然而，该手段也不适合于轻负载操作，因为纹波电流相对于负载电流较高，并且对于各相的开关损耗也高。轻负载操作一般要求多相降压调节器修改其操作模式使得：一些相是不活动的，其中PWM控制信号处于高Z并且高侧和低侧晶体管都不接通，并且活动的相或多个相以最大可能的效率操作，诸如在DCM(不连续导通模式)中操作。

在诸如PFM(脉冲频率调制)等的DCM开关模式中，在DCM中活动的各功率级100的低侧晶体管一旦其电感器电流达到零就不允许是导通的。周期于是由接通时间跟着是断开时间跟着是HiZ时间构成。电容器电流在接通时间期间上升并且在断开时间期间下降。在HiZ时间期间，电感器电流接近零并且一旦它是零就在周期的持续时间内不改变。如果当电感器电流接近零时发生从断开时间到HiZ时间的过渡，则DCM中的功率损失被最小化。作为结果，在DCM中电感器电流会在开关周期的一部分期间达到零。多相开关电压调节器典型地在轻负载操作期间被配置处于DCM中。在CCM中，如果负载电流超过作为纹波电流的函数的值，则电感器电流在整个周期内是正的。如果负载电流低于该值，那么电感器电流将在开关周期的一部分内是负的。也就是在DCM中，电感器电流总是正的或零，并且在CCM中电感器电流可以是正的或负的但是不会停留在零。电感器电流可以跨越零并且成为负的、例如在无负载时，并且多相开关电压调节器可以在其中三角形电感器电流(triangular inductor current)以零为中心的CCM中操作。多相开关电压调节器典型地在负载104处满功率条件期间被配置处于CCM中。

在或者CCM或者DCM中，各功率级100的驱动器电路100响应于由数字控制器102提供的PWM控制信号而将栅极驱动信号(GHn/GLn)提供至对应的功率级100的相应的高侧和低侧晶体管的栅极。功率级100的活动状态和高侧和低侧晶体管的占空比至少部分基于施加至负载104的输出电压(V_out)来确定，使得多相开关电压调节器可以尽可能迅速且可靠地对改变负载状态做出反应。

在轻负载调节下，负载拉取较少电流。多相开关电压调节器的轻负载效率可以通过使用具有最高电感值(多个)的功率级(多个)来提高。为此目的，多相开关电压调节器的电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级100中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感。例如在图1中，第一功率级具有较高输出电感(L1)并且其它功率级100具有较低输出电感(L2、L3)。在其它情况中，功率级100中的两个或多个具有比其它功率级更高的输出电感。在又一些其它情况中，所有功率级100具有不同的电感值。

在各情况中，具有较高值输出电感(多个)的功率级(多个)100具有与具有较低值输出电感(多个)的功率级100相比较小的电流处理能力。因此，数字控制器102在轻负载条件期间使用这些功率级(多个)100、例如通过在DCM中操作这些功率级100。具有较低值输出电感的其余功率级100在负载104处的较高功率条件期间是活动的。这样，多相开关电压调节器在DCM中以高的轻负载效率操作而在CCM中提供充分高的电流处理能力。

数字控制器102可能知道或可能不知道功率级输出电感的非对称性质。在任一个情况中，控制器102被配置成控制功率级100的开关以便：通过在负载104处的满功率事件期间允许所有功率级100将电流通过相应的电感器提供至负载104，并且在负载处的低功率事件期间(例如当多相开关电压调节器被配置处于诸如PFM等的DCM中时)防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级100以外的所有功率级100将电流提供至负载104，在负载104处的轻负载和满功率条件两者的情况下调节多相开关电压调节器的输出电压(Vout)。

如果数字控制器102不知道功率级输出电感的非对称性质，则功率级100的输出电感可以被选择成使得电感非对称性对调节器性能具有很小的或者没有不利影响。也就是，最大和最小功率级输出电感之间的差异可以被选择在不要求控制器102考虑差异的范围内。例如，功率级100中的一个或多个可以具有220nH和/或180nH的输出电感并且其余功率级100可以具有150nH的输出电感。具有220nH和/或180nH输出电感的功率级100在轻负载条件期间是活动的，并且包括了具有150nH输出电感的功率级100的所有功率级100在负载104处的满功率条件期间是活动的。在该情况中，控制器102被提供了作为在确定功率级100的各个开关控制时由数字控制器102所利用的调节器配置参数112的一部分的单个输出电感值(图1中的Lx)。

再次考虑上面给出的示例性150nH至220nH输出电感范围，被提供至数字控制器102的单个输出电感值Lx可以设定为最高输出电感器与最低输出电感值之间的一些值，例如140nH或者是150nH与220nH之间的一些其它值。控制器102执行作为单个输出电感的函数f(Lx)的诸如电流平衡、相停止(phase dropping)、电流感测、相电流保护、动态响应等的各种(标准)多相调节器功能。尽管如果控制器102不能考虑功率级输出电感之间的差异则诸如电流估计、峰值电流、输入电流估计、电流传感器增益(APC或Apms/代码)等的由控制器102执行的计算受到影响并有些欠佳，但是非对称功率级电感的使用提高了轻负载效率，同时仍然提供了在不同负载阶跃瞬态条件的情况下的在多相应用设计中的可接受的瞬态响应。控制器102还包括相停止逻辑114，用于管理在不同负载条件下哪个功率级是活动的并且哪几个是不活动的(即，停止的)。控制器102进一步包括DCM/CCM控制逻辑116，用于控制在DCM和CCM开关模式中的调节器操作。控制器102还包括电压和相电流感测电路118，用于分别感测、测量或估计输出电压(Vout)和各个相电流(I_L1、I_L2…I_LN)。

图2图示出其中数字控制器102在控制功率级100的开关时考虑功率级100的不同(非对称)开路电感的多相开关电压调节器的另一实施例。根据该实施例，不同的开路电感值或等效参数(图2中的L1、L2、L3)和与不同的开路电感中的每一个相关联的功率级100的指示一起被存储在存储器中。功率级100中的一个或多个利用与其余功率级100相比更高的(非对称)相电感操作，并且控制器102被配置成支持作为功率级输出电感中的非对称的函数(图2中的f(L1，L2，L3))的非对称的电流平衡、相停止、电流感测、相电流保护、动态响应等，同时还支持以当利用所缺的相或者在处于操作的较低功率模式的PFM中操作操作时的通过优化的效率进行多相操作。

不管控制器102是否考虑功率级100的不同(非对称)开路电感，控制器102都可以以相同频率但是不以均匀间隔对功率级100进行开关。备选地，控制器102可以以不同频率对功率级100进行开关。在又另一实施例中，控制器102可以以不均匀的排序对功率级100进行开关。因此控制器102不限于固定频率、均匀间隔的多相操作，并且还可以在当所有相都活动且传递最大负载电流时而且在当负载电流低且各相于是可以被优化用于使整个系统的效率、瞬变或纹波性能最大化时考虑各相的不同电感和电流处理能力以使操作优化。

图3图示出数字控制器102和可以在控制功率级100的开关时利用(非对称)功率级输出电感的知识的控制器逻辑单元的更详细的视图。为了便于说明，功率级100和负载104在图3中被图示为单个方块。

数字控制器102包括电压感测单元200，用于将模拟电压反馈信号(vsen)转换成输出电压Vout的数字控制器表示。电流感测单元202将模拟相电流反馈信号(isenx)转换成相电流I_L1、I_L2…I_LN的数字控制器表示，包括所有相电流的总估计(itot)。控制器202还包括电流平衡单元204，用于生成针对相占空比(duty)的补偿差异(ibal)以维持相电流之间的目标平衡。正电流极限(PCL)/负电流极限(NCL)单元206限制相占空比(duty)以防止超过各相的正和负电流极限。AVP(自适应电压定位)单元208基于目标负载线下垂(droop)和输出电流计算调节器设定点中的改变(dvavp)。动态电压过渡(DVID)斜坡单元210生成从以前的VID(电压ID)至目标VID(vtarg)的斜坡率控制的过渡(vid_ramp)。

数字控制器102进一步包括DVID滤波器212，用于生成控制器目标电压(vtarg)并且通过使DVID和AVP计算的输出电压形成波形形状而响应于VID中的改变来提供期望的输出电压。PID(比例-积分-微分)控制回路补偿滤波器214使用对应的比例、积分和微分增益项由控制器102实施。前馈(FF)控制回路216基于目标输出电压vtarg和输入电压(Vin)计算开环占空比(ff)。控制器102的活动瞬态响应(ATR)单元218提供了异步非线性控制回路，其提高了系统对大的瞬变的瞬态响应。控制器102的相位频率调制(PFM)单元220控制在轻负载条件下的功率级开关以使功率效率优化。控制器102的频率活动瞬态响应(FATR)单元222是自适应控制回路优化器，用于使输出阻抗的峰值和在动态负载重复频率内的电压偏移最小化。控制器102的mPWM单元224基于PID、电流平衡、PFM、ATR和FATR控制来生成各个相响应(pwmx)。控制器102的相停止(PD)单元224被配置成控制操作中的功率级(相)的数量以使负载电流的范围内的效率最大化。PD单元224在轻负载条件期间使具有较低输出电感的功率级100中的一个或多个停止(排除)，使得具有较高输出电感的功率级(多个)100是在这些条件下将电流提供至负载104的功率级(多个)100。当负载电流需求增加时，PD单元224添加具有较低输出电感的以前停止的功率级100中的一个或多个，用于将电流供给至负载104。

在图3中，vsen是表示输出电压的模拟反馈信号，isenx是表示通过电感器中的每一个的各个相电流的模拟反馈信号，itot是相电流的总和(或者总输出电流)的控制器表示，iph是通过电感器中的每一个的各个相电流的控制器表示，vid_ramp是具有从以前的VID到目标VID的斜坡率控制的过渡的输出设定点电压ID(VID)的控制器表示，dvavp是作为输出电流的函数的AVP输出电压下垂的控制器表示，vavp是作为设定点电压ID(vid)和输出电流下垂的函数的AVP输出电压的控制器表示，vtarg是考虑了来自DVID滤波器的形成波形形状以响应于VID上的改变提供期望的输出电压的目标电压的控制器表示，verr是误差电压的控制器表示，pid是基于可配置的PID补偿器的控制回路响应的控制器表示，ff是占空比的前馈计算的控制器表示，duty是待基于pid和ff分量的总和而生成的占空比的控制器表示，pwmx是表示以由控制回路设置的占空比生成的期望的功率级状态(高侧接通、低侧接通、高阻抗)的控制器数字输出，并且L1、L2、L3是表示每功率级100的输出电感或者各个相电感的控制器参数。

接下来更详细地描述可以利用非对称功率级输出电感的知识以更好地优化功率级100的开关控制的控制器单元的操作。例如，电流感测单元202可以被进一步优化成考虑不同的相电感和它们对相纹波电流的影响，提高了电流感测精度。电流平衡单元204可以被进一步优化成考虑不同的相电流处理能力，并且归因于所使用的不同相电感而对占空比中的改变做出反应。PCL/NCL单元206可以被进一步优化成归因于所使用的不同相电感考虑在各功率级100中的不同占空比限制。PD单元214可以被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑针对动态相排除的不同最佳电流加载。AVP单元208可以被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑不同最佳带宽。PID补偿器214可以被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑不同最佳增益和带宽。FF单元216可以被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑不同最佳开环占空比。PFM单元220可以被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑不同最佳脉冲宽度。数字控制器102可以实施这些基于非对称电感的控制功能中的零个、单个或者各个，其中的一些接下来甚至更详细地描述。

PFM是DCM的一个版本，其中降压转换器利用“接通时间”(或只Ton)、“断开时间”(或只Toff)和“HiZ时间”(或只HiZ)操作，使得在Ton期间电感器中的电流从0沿斜坡增至最大电流Imax，在Toff期间电感器中的电流从Imax沿斜坡降至0，并且在HiZ期间电感器电流保持为0。PFM可以被实施在如下数字控制器中：其中Ton和Toff被作为Vin、Vout和L的函数计算，并且比较器被用来确定保持在HiZ中多久，使得输出电压被调节。Ton和Toff计算可以以使PFM模式中的调节器的最大电流(Imax)处理能力优化或者以使输出纹波电压最小化的方式来完成。针对在PFM中操作的具有非对称相电感的调节器的控制器102可以通过支持多个相中的PFM操作并通过选择最适当的电感以提供取决于预期负载电流的最小纹波来利用电感非对称性。在一个实施例中，控制器102的PFM单元220如以下公式所给出地计算Imax、Ton和Toff：

$I_{\max }=T_{on}\frac{V_{in}-V_{out}}{Lph}=T_{off}\frac{V_{out}}{Lph},$

$T_{off}=\frac{I_{\max }*Lph}{V_{out}},$ 和

$T_{on}=\frac{I_{\max }*Lph}{V_{in}-V_{out}}---\left(1\right)$

其中Lph表示在操作的PFM开关模式中所使用的所有功率级100的总(有效)开路电感，并因此考虑在功率级输出电感中的非对称性。返回至图1和图2中的3相示例，其中如果第一功率级100是操作的PFM开关模式中使用的唯一的级，则第一功率级100具有最高输出电感L1，Lph＝L1。如果超过一个功率级100具有比其余功率级100更高的输出电感并且被用在操作的PFM开关模式中，那么Lph变成这些输出电感器的总(有效)并联电感，即Lph＝Lph1||Lph2||…||Lphn，其中“L”表示开路电感并且“phn”对应于针对PFM期间在使用中的n个功率级100的相索引。

根据该实施例，控制器102的PFM单元220作为如等式(1)中的Lph所表示的功率级100的不同的开路电感的函数计算接通(Ton)和断开(Toff)PFM时间。PFM单元220可以选择具有最适合于使在PFM开关模式中操作时提供至负载104的电流中的纹波最小化的开路电感的(多个)功率级100。

数字控制器102的PCL/NCL单元206可以在当限制相占空比时考虑功率级输出电感中的非对称性，以防止超过各功率级100的正和负电流极限。例如，PWM控制的降压转换器中的操作的CCM开关模式中的电流极限可以通过限制接通时间(Ton)或占空比(D)以便限制峰值电流(Ipeak)来获得。标称占空比通过Vin/Vout给出，其中Vin是降压输入电压并且Vout是降压输出电压。纹波电流通过((Vin-Vout)*Vout)/(Vin*L*Fsw)给出，其中L是降压电感并且Fsw是针对其中Ton+Toff＝1/Fsw的CCM中的固定频率操作的开关频率。给定平均或周期中间电流(Io)，针对下一周期的峰值电流是针对下一周期的Ton或占空比D＝Ton/Toff的函数。基于Io、Vout、Vin、Fsw和L来限制占空比或Ton因此是限制峰值电流的有效方法。

根据一个实施例，数字控制器102的PCL/NCL单元206通过监测各相中的Io(Io_phn)并且如以下公式所给出地通过基于各功率级100的开路电感(Lphn)独立地计算针对各相的占空比极限(Dlimit_phn)和/或时间极限(Tlimit_phn)：

$I_{peak\_phn}=I_{o\_phn}+(D-\frac{V_{out}}{2V_{in}})\frac{V_{in}-V_{out}}{Lphn*F_{sw}}$

$D_{\lim it\_phn}=\frac{(I_{\lim it\_phn}-I_{o\_phn})*Lphn*F_{sw}}{V_{in}-V_{out}}+\frac{V_{out}}{2V_{in}}$

$T_{\lim it}=\frac{(I_{\lim it}-I_o)*L}{V_{in}-V_{out}}+\frac{V_{out}}{2V_{in}*F_{sw}}---\left(2\right)$

再次返回至图1和图2中的3相示例，其中第一功率级100具有比其它功率级100的(多个)输出电感L2、L3更高的输出电感L1，在公式(2)中Lph1＝L1、Lph2＝L2且Lph3＝L3。一般情况下，Lphn对应于将第n功率级100耦合至负载104的电感器的特定开路电感。

数字控制器102的电流感测单元202可以在当获得作为横跨诸如串联电阻、电流镜或并联传感器等的对应感测元件的电压的各个电感器电流(I_L1、I_L2…I_LN)的表示时考虑功率级输出电感上的非对称性。例如，DCR电流感测是通过时间常数匹配的RC网络滤波的使用了横跨电感器及其寄生DC电阻(r)的电压的并联方案，使得横跨电容器的电压与流过电感器的电流成正比。在具有非对称相电感的系统中，电感(Lphn)和电阻(r_phn)两者对于功率级100中的至少一些而变化，导致对于各相电流测量(Isen_phn)的在比例缩放和时间常数上的差异。时间常数失配可以通过如以下公式给出地考虑不同的功率级输出电感Lphn而由控制器102中的数字滤波器补偿：

$I_{sen\_phn}=k*I_{o\_phn}*r\frac{1+sLphn/r\_phn}{1+sRC},$ 和

$\frac{dl}{dt}=\{\begin{array}{cc}\frac{V_{in}-V_{out}}{Lphn}& pwm=1\\ -\frac{V_{out}}{Lphn}& pwm=0\end{array}---\left(3\right)$

这样，数字控制器102的电流感测单元202可以基于各功率级100的开路电感(Lphn)独立地将针对功率级100中的每一个的电流估计缩放并且调整用来计算电流估计的时间常数另外，估计方法可以用来提高电流感测单元202的精度，例如使用给定对应的PWM控制信号和相电感(Lphn)的状态的预期的dl/dt的知识。数字控制器102可以通过提供独立的缩放和时间常数补偿以及独立的电流估计以使电流感测精度最大化来支持利用非对称相电感的提高的电流感测。

数字控制器102的电流平衡单元204可以作为由电流平衡单元204实施的相电流平衡功能的一部分考虑在功率级输出电感上的非对称性。例如在多相降压转换器中，各个相电流被测量并且各相中的电流可以被以使得在各功率级100上的总电流的分布被平衡的方式调整(即，相电流被调整成在所有相上基本相同)。相电流的平衡可以通过在施加至各功率级100的PWM宽度(duty)中实施增量差异来获得。略宽的PWM宽度导致增加的相电流并且略窄的PWM宽度导致减小的相电流。电流平衡单元204检测各个相电流与目标电流(例如，相电流的平均)之间的差异，并且将对应的改变施加至与该差异成正比的脉冲宽度(duty)。在相电流上的相应改变于是与相位宽度调整成正比并且与对应的相电感成反比。

在一个实施例中，电流平衡单元204施加与差异的积分成正比的在脉冲宽度上的改变，或者比例(P)和积分(I)项的总和也可以被使用，并且一般被限定为电流平衡(IBAL)滤波器。由于电流平衡单元204的各IBAL滤波器在不同相电流上操作，所以一般存在有被提供以支持多相操作的多个滤波器。电流平衡单元204可以通过如下方式来支持针对具有非对称相电感的系统的提高的电流平衡功能：测量各个相电流(Isen_phn)(例如如公式(3)给出)、基于相电流的期望的分布计算针对各功率级100的目标相电流、为各相提供独立的滤波器并且根据各个相电感(Lphn)调整增益和滤波器设定。一般情况下，数字控制器102可以计算针对功率级100中的每一个的目标电流并且根据针对各功率级100的目标电流来控制该功率级100的开关。电流平衡单元204可以基于各功率级100的开路电感(Iphn)独立地调整目标电流。

图4图示出被附接至诸如PCB(印刷电路板)等的板300且具有非对称输出电感的多相开关电压调节器的功率级电感器(Ln)的实施例。图4中示出六个功率级电感器。一般情况下，提供具有不同的开路电感的至少两个电感器。电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感。在一个实施例中，电感器中的至少一个具有180nH或更大的开路电感并且其它电感器具有150nH或更小的开路电感。在另一实施例中，电感器中的至少一个具有220nH或更大的开路电感并且其它电感器具有150nH或更小的开路电感。

取决于控制器102的特定应用和复杂程度，可以实现功率级输出电感的不同组合。一般情况下，在轻负载条件期间使用较高输出电感并且在满功率条件期间使用所有电感器。在一个情况中，电感器中的一个具有比其它电感器更高的开路电感并且其它电感器具有相同的开路电感。在图4中示出的示例中，两个最外侧电感器具有最高的开路电感(L0)并且在轻负载条件下被用在操作的DCM开关模式中。接下来的两个内侧电感器具有较低开路电感(L1)，并且两个最内侧电感器具有最低开路电感(L2)。例如，L0＝220nH，L1＝180nH并且L2＝150nH。

一般情况下，功率级输出电感器中的至少一个具有与其它功率级电感器相比不同的开路电感。还有，各输出电感器Lx具有特定长度(L)和宽度(W)。在一个实施例中，所有电感器都具有相同的长度(L)和跨度(W)而不管相电感非对称性。例如，不同电感器可以根据相电感非对称性具有不同的长度(L)和/或宽度(W)。在另一配置中，耦合的电感器可以被用于相电感器中的一些或所有。耦合的电感器包括绕在相同芯上的两个或多个单独的电感器。耦合的电感器的绕组可以被串联、并联或者作为变压器连接。

耦合电阻器在高电流多相降压转换器中提供的益处在于，相移允许了来自多个耦合相的磁场被消除，这使纹波电流最小化。在纹波上的该降低允许了较低电感被使用，使得提高了瞬态性能并且可以增加最大相电流或者可以降低电感器的物理尺寸。然而，耦合的电感器不是非常适合于轻负载操作，因为电感低并且没有磁场消除，所以如果不是所有相都活动的话纹波电流会高。因此，使非对称相具有标准(单个)电感器和高电感允许了具有耦合的电感器的多相降压转换器通过使耦合的电感器相不活动并且只操作具有标准(单个)电感器的相而具有高的轻负载效率。例如在图4中，电感器部件Lx中的一个可以是具有较高电感的标准(单个)电感器并且其余相可以被实施为耦合的电感器、例如被布置为成对的耦合的电感器，虽然也有可能使超过两个的相耦合。

不同的相电感器类型(标准和耦合)可以根据相电感非对称性具有不同的程度(L)和/或宽度(W)。在任何情况中，电感器可以被并联地布置在板300上并且在板300上占据同样的覆盖区，其中术语“覆盖区”是指为了安装电感器中的一个而在板300上的针对各电感器所需的物理布局。

诸如“第一”、“第二”之类的术语被用来描述各种元件、区域、部分等并且也不意在限制性的。同样的术语贯穿描述是指同样的元件。

如在本文中使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包括”之类是指示出所陈述的元件或特征的存在的开放式术语，并不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意在包括复数以及单数，除非上下文另外清楚指示。

需要理解的是，在本文中所描述的各种实施例的特征可以彼此组合，除非另有具体指出。

虽然在本文中图示出并描述了具体实施例，但本领域普通技术人员应该领会的是，各种各样的可替代的和/或等效的实施可以取代所示出和描述的具体实施例而不脱离本发明的范围。该申请意在涵盖本文中所讨论的具体实施例的任何修改和变化。因此，意在该发明仅由权利要求及其等效替换限制。

Claims (27)

1.一种多相开关电压调节器，包括：

多个功率级，均被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，所述电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得所述功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感；以及

控制器，被配置成控制所述功率级的开关以便调节所述多相开关电压调节器的输出电压，包括：在所述负载处的满功率事件期间，允许所有所述功率级都通过相应的电感器将电流提供至所述负载，并且在所述负载处的低功率事件期间，防止除了具有所述更高的开路电感的所述至少一个功率级以外的所有所述功率级向所述负载提供电流。

2.根据权利要求1所述的多相开关电压调节器，进一步包括存储器，被配置成存储不同的开路电感值以及与所述不同的开路电感中的每一个相关联的所述功率级的指示。

3.根据权利要求1所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成在控制所述功率级的开关时考虑所述功率级的所述不同的开路电感。

4.根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成根据所述功率级的所述不同的开路电感计算针对所述多相开关电压调节器的不连续导通开关模式的接通和断开时间。

5.根据权利要求4所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成当在所述不连续导通开关模式中操作时选择具有最适合于使提供至所述负载的电流中的纹波最小化的所述开路电感的所述功率级。

6.根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成在所述多相开关电压调节器的连续导通开关模式中基于各功率级的所述开路电感独立地确定所述电感器中的每一个的峰值电流极限。

7.根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成基于各功率级的所述开路电感独立地估计所述电感器中的每一个中的电流。

8.根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成计算针对所述功率级中的每一个的电流估计，并且其中所述控制器被配置成基于各功率级的所述开路电感独立地使所述电流估计缩放以及调节用来计算所述电流估计的时间常数。

9.根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成计算针对所述功率级中的每一个的目标电流、根据针对各功率级的所述目标电流控制该功率级的开关并且基于各功率级的所述开路电感独立地调节所述目标电流。

10.一种用于多相开关电压调节器的数字控制器，所述多相开关电压调节器具有多个功率级，所述多个功率级中的每一个被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，所述电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得所述功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感，所述数字控制器包括控制电路，所述控制电路被配置成控制所述功率级的开关以便调节所述多相开关电压调节器的输出电压，包括：在所述负载处的满功率事件期间，允许所有所述功率级都通过相应的电感器将电流提供至所述负载，并且在所述负载处的低功率事件期间，防止除了具有所述更高的开路电感的所述至少一个功率级以外的所有所述功率级向所述负载提供电流。

11.根据权利要求10所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成在控制所述功率级的开关时考虑所述功率级的所述不同的开路电感。

12.根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成根据所述功率级的所述不同的开路电感计算针对所述多相开关电压调节器的不连续导通开关模式的接通和断开时间。

13.根据权利要求12所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成当在所述不连续导通开关模式中操作时选择具有最适合于使提供至所述负载的电流中的纹波最小化的所述开路电感的所述功率级。

14.根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成在所述多相开关电压调节器的连续导通开关模式中基于各功率级的所述开路电感独立地确定所述电感器中的每一个的峰值电流极限。

15.根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成基于各功率级的所述开路电感独立地估计所述电感器中的每一个中的电流。

16.根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成计算针对所述功率级中的每一个的电流估计，并且其中所述控制电路被配置成基于各功率级的所述开路电感独立地使所述电流估计缩放以及调节用来计算所述电流估计的时间常数。

17.根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成计算针对所述功率级中的每一个的目标电流、根据针对各功率级的所述目标电流控制该功率级的开关并且基于各功率级的所述开路电感独立地调节所述目标电流。

18.一种多相开关电压调节器，包括：

多个功率级，均被配置成将电流传递至负载，所述功率级中的每一个包括在共用节点处通过电感器被耦合至所述负载的高侧晶体管和低侧晶体管，所述功率级电感器中的至少一个具有比其它功率级电感器更高的开路电感，使得至少一个功率级具有与其它功率级相比不同的输出电感；以及

控制器，被配置成控制所述功率级的开关以调节所述多相开关电压调节器的输出电压。

19.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的一个具有比其它功率级电感器更高的开路电感并且所述其它功率级电感器具有相同的开路电感。

20.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所有所述功率级电感器具有相同的长度和宽度。

21.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的至少一个具有180nH或更大的开路电感并且所述其它功率级电感器具有150nH或更小的开路电感。

22.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的至少一个具有220nH或更大的开路电感并且所述其它功率级电感器具有150nH或更小的开路电感。

23.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器被并联地布置在印刷电路板上并且在所述印刷电路板上占据同样的覆盖区。

24.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以相同的频率但是不以均匀的间隔开关所述功率级。

25.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以不同的频率开关所述功率级。

26.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以不均匀的排序开关所述功率级。

27.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的两个或更多个被实施为耦合的电感器。