CN106533166B - 稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法。其中，其中一种稳压器包括：多个输出级，用于分别根据多个控制信号使能或禁能，其中，使能的输出级产生输出电压和输出电流，禁能的输出级不产生输出电流和输出电压；控制器，用于感知所述多个输出级的输出电流，并根据感知的输出电流产生控制信号；其中，当所述控制器产生所述控制信号使使能的输出级的数量减少，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级，一段时间之后，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于更小的第二阈值，以确定是否使能更多输出级。本发明实施例形成了稳压器的模式之间的自适应滞后切换。

Description

稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法
本申请要求申请日为2015年11月11日，专利号为62/217,174的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容以引证的方式包含在本申请中。
【技术领域】
本发明涉及电学技术领域，尤其涉及一种稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法。
【背景技术】
为获得更优的电源效率(power efficiency)，传统的直流-直流稳压器(voltageregulator)受控依据负载提供具有一个或多个相位的输出电压。更具体的，当向轻负载(也即，较小的负载电流)提供输出电压，直流-直流稳压器可提供具有单个(single)相位的输出电压；相反，当向重负载(也即，较大的负载电流)提供输出电压，直流-直流稳压器可提供具有两个或更多个相位的输出电压。但是，当负载电流减小，直流-直流稳压器从双相位模式(dual phase mode)切换为单相位模式(single phase mode)，负载电流可能出现过冲(overshoot)，而直流-直流稳压器可能误以为负载加重了，由此，直流-直流稳压器立即再次切换为双相位模式。如上所述，双相位模式和单相位模式之间的切换将持续发生，电源效率由此变得恶化。
【发明内容】
本发明提供稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法，可阻止稳压器不同模式之间来回不停切换。
本发明提供的一种稳压器，可包括：
多个输出级，用于分别根据多个控制信号使能或禁能，其中，使能的输出级产生输出电压和输出电流，禁能的输出级不产生输出电流和输出电压；以及
控制器，用于感知所述多个输出级的输出电流，并根据所述感知的输出电流产生控制信号用于控制所述多个输出级；
其中，当所述控制器产生所述控制信号使使能的输出级的数量减少，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级，一段时间之后，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。
本发明提供的一种控制稳压器的多个输出级的方法，可包括：
感知多个输出级的输出电流；
分别根据所述感知的输出电流产生控制信号，以使能或禁能所述多个输出级；
当所述多个输出级受控减少已使能的输出级的数量，判断所述感知的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级；一段时间之后，判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。
本发明提供的另一种稳压器，包括：
第一输出级，根据控制信号使能或禁能，当所述第一输出级使能时产生具有第一相位的第一输出电压和第一输出电流；
第二输出级，根据所述控制信号使能或禁能，当所述第二输出级使能时产生具有第二相位的第二输出电压和第二输出电流；以及
控制器，用于根据所述第一输出电流和所述第二输出电流控制所述第一输出级和所述第二输出级处于使能或禁能状态，以使所述稳压器操作在单相位模式或双相位模式；
其中，当所述稳压器操作于单相位模式，所述控制器使能所述第一输出级并禁能所述第二输出级，当所述稳压器操作于双相位模式，所述控制器使能所述第一输出级和所述第二输出级；
其中，当所述稳压器从所述双相位模式切换为所述单相位模式，所述控制器判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否切换回所述双相位模式，一段时间之后，所述控制器判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否将所述稳压器切换回所述双相位模式，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值
由上可知，由于本发明所提供的稳压器及控制稳压器的多个输出级的方法，在稳压器在各种模式之间切换之前，判断感知的多个输出级的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级，一段时间之后，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。也即，本发明实施例通过时间条件和阈值条件两方面形成了稳压器的模式之间的自适应滞后切换，避免稳压器在不同模式之间连续不停地切换。
【附图说明】
图1依据本发明的一个实施例示出稳压器100。
图2依据本发明的一个实施例示出了输出电压VLX1、输出电压VLX2、输出电流IL1和输出电流IL2的时序图。
图3为稳压器100操作于单相位模式和双相位模式时电源效率和负载的关系图。
图4为依据本发明的实施例的控制稳压器100的输出级110_1和110_2的方法流程图。
图5依据本发明的一个实施例示出了包括步骤S402、S404和S410的流程支路。
图6依据本发明的一个实施例示出了包括步骤S402、S406、S408和S410的流程支路。
图7依据本发明的一个实施例示出了控制器120的内部电路。
【具体实施方式】
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
请参考图1，其依据本发明的一个实施例示出稳压器100。如图1所示，稳压器100包括多个输出级(在本实施例中，包括两个输出级110_1和110_2)、一个控制器120和一个电压补偿电路130。在本实施例中，输出级110_1由电源电压VCC供电，且该输出级110_1包括P沟道金属氧化物半导体(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)MP1和N沟道金属氧化物半导体(Negative Channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)MN1；输出级110_2由电源电压VCC供电，且该输出级110_2包括MP2和MN2；电压补偿电路130包括运算放大器132、电容器C1和电阻器R1和R2，其中，运算放大器用于根据一个反馈电压和偏置电压VB向控制器120提供补偿信号。此外，稳压器100为直流-直流稳压器，用于根据电源电压VCC向输出节点Nout输出要求的直流电压。
稳压器100可设置在一个芯片内，该芯片包括多个衬垫(pads)(例如，图1所示的N1、N2、NFB)，输出级110_1通过衬垫N1和电感器L1向输出节点Nout提供输出电压VLX1和输出电流IL1，输出级110_2通过衬垫N2和电感器L2向输出节点Nout提供输出电压VLX2和输出电流IL2。另外，输出节点Nout处的电容器Cout代表负载。
在该实施例中，稳压器100为多相位直流-直流稳压器，也即，控制器120可根据感知的输出级110_1和110_2的电流ICS1和ICS2操作于单相位模式或双相位模式。其中，感知的电流ICS1和ICS2可大致分别等于输出电流IL1和IL2(也即，ICS1等于IL1，ICS2等于IL2)，或者，感知的电流ICS1和ICS2可分别与输出电流IL1和IL2具有预定关系(例如，预定比率)(也即，ICS1与IL1具有预定关系，ICS2与IL2具有预定关系)。当控制器120操作于单相位模式，其可产生控制信号VC11，VC12，VC21和VC22，以使能输出级110_1提供输出电压VLX1和输出电流IL1，并禁能输出级110_2不向输出节点Nout提供输出。当控制器120操作于双相位模式，其可产生控制信号VC11，VC12，VC21和VC22，同时使能输出级110_1和输出级110_2，其中，来自输出级110_1的输出电压VLX1和来自输出级110_2的输出电压VLX2具有不同的相位。
图2依据本发明的一个实施例示出了输出电压VLX1、输出电压VLX2、输出电流IL1和输出电流IL2的时序图。如图2所示，当控制器120操作于双相位模式，输出级110_1和输出级110_2输出的输出电压VLX1和VLX2具有相同的频率和不同的相位。
请参考图3，其为稳压器100操作于单相位模式和双相位模式时电源效率和负载的关系图。如图3所示，当负载(也即，负载电流IL1+IL2)发生变化时，稳压器100需要改变模式以获得更优的电源效率。例如，倘若稳压器100操作于双相位模式且负载电流下降，稳压器100可切换至单相位模式以维持电源效率。但是，如背景技术所述，当稳压器100从双相位模式切换为单相位模式，由于输出级110_2被禁能，来自输出级110_1的输出电流IL1可能发生过冲，瞬态的输出电流IL1将大于此前的负载电流，由此引发稳压器100误认为负载加重而立即切换回双相位模式。为解决该问题，提供图4所示的实施例来设计一种自适应滞后(adaptive hysteresis)以阻止稳压器在双相位模式和单相位模式之间来回不停切换。
图4为依据本发明的实施例的控制稳压器100的输出级110_1和110_2的方法流程图。在步骤S402，稳压器100从双相位模式切换为单相位模式，也即控制器120产生控制信号VC11和VC12至输出级110_1以产生输出电压VLX1和输出电流IL1，此外，控制器120还产生控制信号VC21和VC22以禁能输出级110_2。在切换至单相位模式之后，在步骤S404，控制器120立刻判断输出电流IL1是否大于第一阈值TH1。如果输出电流IL1仍未超过第一阈值TH1，控制器120短暂保持在单相位模式，如果输出电流IL1大于第一阈值TH1，意味着负载可能突然变重，因此流程进入步骤S410，且控制器120切换回双相位模式以同时使能输出级110_1和输出级110_2来降低输出电流IL1。图5依据本发明的一个实施例示出了包括步骤S402、S404和S410的流程支路(在图5中，在步骤S404，判断出输出电流IL1大于第一阈值TH1，因此，流程进入步骤S410，也即切换回双相位模式)。
在切换至单相位模式一段时间(也即，图6所示的时间延迟)之后(步骤S406)，在步骤S408，控制器120继续判断输出电流IL1是否大于第二阈值TH2，其中，第二阈值TH2小于第一阈值TH1。如果输出电流IL1仍未超过第二阈值TH2，控制器120继续保持在单相位模式，如果输出电流IL1大于第二阈值TH2，意味着负载的确(indeed)变重，因此流程进入步骤S410且控制器120切换回双相位模式以同时使能输出级110_1和输出级110_2来降低输出电流IL1。图6依据本发明的一个实施例示出了包括步骤S402、S406、S408和S410的流程支路(在图6中，在步骤S406之后的步骤S408判断出输出电流IL1小于第二阈值TH2，因此，继续保持在单相位模式)，其中，步骤S408的延时时间大于图6所示的过冲时间Δt，以便在输出电流IL1处于正常水平时执行步骤S408。
此外，当稳压器切换至双相位模式，在步骤S412，控制器120连续监控输出信号IL1和IL2的总和，并判断输出信号IL1和IL2的总和是否低于第三阈值TH3。如果输出信号IL1和IL2的总和低于第三阈值TH3，意味着负载变轻，因此控制器120禁能输出级110_2，以便稳压器100操作于单相位模式(S402)；如果输出信号IL1和IL2的总和大于或等于第三阈值TH3，稳压器100继续维持在双相位模式。
在图4-图6所示的实施例中，在步骤S404、S406和S408，有两个滞后窗口(两个阈值TH1和TH2)用于判断是否切换回双相位模式。具有更高层次的第一阈值用于在步骤S404中当稳压器100切换至单相位模式之后立即执行，而具有较低层次的第二阈值TH2用于步骤S408中当稳压器100切换至单相位模式之后的一段时间后执行。通过实施该实施例，稳压器100可在维持电源效率和保护电路的同时，避免双相位模式和单相位模式之间来回不停切换。
例如，假设TH1＝2.5A(安)、TH2＝2.0A(安)以及TH3＝1.7A(安)，如果稳压器操作于双相位模式且两个输出IL1和IL2均下降为0.8A，由于输出电流IL1和IL2的总和小于第三阈值TH3(0.8A+0.8A＝1.6A<1.7A)，稳压器100将切换至单相位模式。当输出级110_2禁能后，理想的输出电流IL1等于1.6A，但是，由于过冲，实际的输出电流IL1可上升至2.2A或更高。通过实施前面提及的实施例，由于在图6所示的过冲时间Δt之后执行步骤S408，稳压器将不会因为所述过冲而切换回双相位模式，由此即可避免模式之间的来回不停切换。
图7依据本发明的一个实施例示出了控制器120的内部电路。如图7所示，所述电路包括一个加法器、一个多工器模块(包括多工器710和720)、一个比较器730以及驱动电路740。在图7所示的电路的操作中，加法器702用于提供感知的电流ICS1和ICS2(大致分别等于IL1和IL2)的总和并产生总和结果ICS_SUM；比较器730用于将所述总和结果ICS_SUM与来自多工器720的阈值TH1、TH2以及TH3中的其中一个进行比较并产生比较结果；驱动电路740用于根据所述比较结果产生控制信号VC11、VC12、VC21和VC22至输出级110_1和110_2。
关于多工器710和720的操作，多工器710接收第一阈值TH1和第二阈值TH2，并根据定时器输出的时间控制信号VC_timer输出第一阈值TH1或第二阈值TH2中的一个；多工器720接收第三阈值TH3和多工器710的输出，并根据模式控制信号VC_mode输出第三阈值TH3或多工器710的输出中的一个。更具体的，同时参考图4-图7，当稳压器100切换至单相位模式(S402)，首先，时间控制信号VC_timer控制多工器710输出第一阈值TH1，且模式控制信号VC_mode控制多工器720输出第一阈值TH1至比较器730用于步骤S404的操作；接着一段时间之后，时间控制信号VC_timer控制多工器710输出第二阈值TH2，且模式控制信号VC_mode控制多工器720输出第二阈值TH2至比较器730用于步骤S408的操作。此外，当稳压器100操作于双相位模式(S402)，且模式控制信号VC_mode控制多工器720输出第三阈值TH3至比较器730用于步骤S412的操作。
可注意到，上述实施例仅提及单相位模式和双相位模式之间的切换，但是，本领域技术人员在阅读本发明上述披露的内容之后，应该理解如何实现双相位模式和三相位模式(或更多相位模式)之间的切换。例如，当控制器120产生控制信号减少使能的输出级的数量时，控制器判断感知的输出电流的总和是否大于一个阈值以确定是否使能更多输出级，接着，在一段时间之后，控制器120判断感知的输出电流是否大于另一个具有更低层次的阈值以确定是否使能更多输出级。
简言之，本发明的稳压器中提供两个滞后窗口来阻止稳压器在双相位模式和单相位模式之间来回不停切换，因此电源效率得到改善。
权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或所执行方法的时间次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种稳压器，其特征在于，包括：
多个输出级，用于分别根据多个控制信号使能或禁能，其中，使能的输出级产生输出电压和输出电流，禁能的输出级不产生输出电流和输出电压；以及
控制器，用于感知所述多个输出级的输出电流，并根据感知的输出电流产生控制信号用于控制所述多个输出级；
其中，当所述控制器产生所述控制信号使使能的输出级的数量减少，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级，一段时间之后，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；
其中，当所述感知的输出电流的总和大于所述第一阈值，所述控制器使能更多输出级，且所述控制器不再继续判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值。
2.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，当所述感知的输出电流的总和小于或等于所述第一阈值，在所述一段时间之后，所述控制器判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级。
3.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述控制器包括：
多工器模块，用于接收所述第一阈值和所述第二阈值，并输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个；
比较器，用于将所述感知的输出电流的总和与所述多工器模块的输出进行比较，并产生比较结果；以及
驱动电路，用于根据所述比较结果产生所述控制信号至所述多个输出级。
4.如权利要求3所述的稳压器，其特征在于，所述多工器模块根据来自定时器的控制时间输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个。
5.如权利要求3所述的稳压器，其特征在于，所述控制器还判断所述感知的输出电流的总和是否小于第三阈值，以确定是否减少已使能的输出级的数量，且所述多工器模块包括：
第一多工器，用于接收所述第一阈值和所述第二阈值，并输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个；以及
第二多工器，用于接收第三阈值和所述第一多工器的输出，并输出所述第三阈值和所述第一多工器的输出中的其中一个。
6.如权利要求5所述的稳压器，其特征在于，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第三阈值和所述第一多工器的输出中的其中一个。
7.如权利要求6所述的稳压器，其特征在于，
当所述控制器产生所述控制信号使使能的输出级的数量减少，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第一阈值，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第一阈值至所述比较器；
所述一段时间之后，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第二阈值，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第二阈值至所述比较器；
当所述控制器产生所述控制信号使使能的输出级的数量增加，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第三阈值至所述比较器。
8.如权利要求1所述的稳压器，其特征在于，所述稳压器为直流-直流稳压器，且不同输出级输出的所述输出电压和所述输出电流具有不同相位。
9.一种控制稳压器的多个输出级的方法，其特征在于，包括：
感知多个输出级的输出电流；
分别根据感知的输出电流产生控制信号，以使能或禁能所述多个输出级；
当所述多个输出级受控减少已使能的输出级的数量，判断所述感知的输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否使能更多输出级；一段时间之后，判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；
其中，当所述感知的输出电流的总和大于所述第一阈值，使能更多输出级，且不再继续判断所述感知的输出电流的总和是否大于所述第二阈值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
当所述感知的输出电流的总和小于或等于所述第一阈值，在所述一段时间之后，判断所述感知的输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能更多输出级。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个输出级的所述输出电流具有不同相位。
12.一种稳压器，其特征在于，包括：
第一输出级，根据控制信号使能或禁能，当所述第一输出级使能时产生具有第一相位的第一输出电压和第一输出电流；
第二输出级，根据所述控制信号使能或禁能，当所述第二输出级使能时产生具有第二相位的第二输出电压和第二输出电流；以及
控制器，用于根据所述第一输出电流和所述第二输出电流控制所述第一输出级和所述第二输出级处于使能或禁能状态，以使所述稳压器操作在单相位模式或双相位模式；
其中，当所述稳压器操作于单相位模式，所述控制器使能所述第一输出级并禁能所述第二输出级，当所述稳压器操作于双相位模式，所述控制器使能所述第一输出级和所述第二输出级；
其中，当所述稳压器从所述双相位模式切换为所述单相位模式，所述控制器判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于第一阈值，以确定是否切换回所述双相位模式，一段时间之后，所述控制器判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否将所述稳压器切换回所述双相位模式，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值；
其中，当所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和大于所述第一阈值，所述控制器使能所述第一输出级和所述第二输出级以使所述稳压器切换至所述双相位模式，且所述控制器不继续判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于所述第二阈值。
13.如权利要求12所述的稳压器，其特征在于，当所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和小于或等于所述第一阈值，所述控制器判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否大于第二阈值，以确定是否使能所述第一输出级和所述第二输出级。
14.如权利要求12所述的稳压器，其特征在于，所述控制器包括：
多工器模块，用于接收所述第一阈值和所述第二阈值，并输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个；
比较器，用于将所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和与所述多工器模块的输出进行比较，并产生比较结果；以及
驱动电路，用于根据所述比较结果产生所述控制信号至所述第一输出级和所述第二输出级。
15.如权利要求14所述的稳压器，其特征在于，当所述稳压器操作于所述双相位模式，所述控制器还判断所述第一输出电流和所述第二输出电流的总和是否小于第三阈值，以确定是否切换至所述单相位模式，且所述多工器模块包括：
第一多工器，用于接收所述第一阈值和所述第二阈值，并输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个；以及
第二多工器，用于接收第三阈值和所述第一多工器的输出，并输出所述第三阈值和所述第一多工器的输出中的其中一个。
16.如权利要求15所述的稳压器，其特征在于，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第一阈值和所述第二阈值中其中一个，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第三阈值和所述第一多工器的输出中的其中一个。
17.如权利要求16所述的稳压器，其特征在于，
当所述控制器产生所述控制信号使所述第二输出级禁能，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第一阈值，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第一阈值至所述比较器；
所述一段时间之后，所述第一多工器根据定时器的时间控制信号输出所述第二阈值，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第二阈值至所述比较器；
当所述控制器产生所述控制信号使能所述第一输出级和所述第二输出级，所述第二多工器根据模式控制信号输出所述第三阈值至所述比较器。
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