CN106685224B - 一种自适应电压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应电压调节器，包括第一级降压拓扑单元和第二级升降压拓扑单元，第一级降压单元包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电感L1和第一电容Cs1，第二级升降压拓扑单元；所述的第二级升降压拓扑单元包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第二电感L2、第二电容Cs2；该自适应电压调节器根据接收到的数字负载电路端口发出的指令，实时选择第二级升压或降压的连接方式，有效地把第二级存储的能量转移到输出端再利用，同时还可以提高输出电压转换效率。

Description

一种自适应电压调节器
技术领域
本发明属于电子系统供电技术领域，特别涉及一种自适应电压调节器。
背景技术
在数据处理中心、通信基站等应用ASIC、SoC、DSP和处理器等大规模数字、混合集成电路的电子系统，特别是便携式电子系统，降低系统功耗、节约能源对提高能源的利用率和增强系统可靠性是十分有益的，尤其是对以电池作为能源供电的电子系统，降低系统功可以有效地延长电子系统的使用寿命。
在电子系统中，处理器等数字电路工作时消耗的功率占电子系统消耗总功率的比例最大；与此同时，处理器等数字负载消耗的功率随时间不断变化，即其工作频率随系统工作需求而不断变化；由于数字电路的功率耗散和其工作电压的平方成正比，因此，从节能的角度考虑，最理想的状态是使数字电路的供电电压跟随其工作频率而变化，即工作电压需要随频率上升而上升，随工作频率下降而降低。
通常采用AVS(Adaptive Voltage Scaling)技术，也就是自适应电压控制技术来调节电子系统电源输出电压随负载的变化而变化，达到提高电源转换效率和利用率的目的；图1为传统的自适应电压调节器的电路结构示意图，其主要缺点在于：当图1中的AVS自适应电源管理电路单元通过I2C总线接收到需要降低输出电压的指令时，输出电容Cout上存储的多余能量会通过M2白白地释放掉，造成系统转换效率的降低；而当图1中的AVS自适应电源管理电路单元通过I2C总线接收到需要升高输出电压的指令时，由于输出电容Cout的容量大(比如50～100μF)，输出电压的上升速率会慢，比如不容易满足0.2V/μs的上升速率要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应电压调节器。
为此，本发明技术方案如下：
一种自适应电压调节器，包括第一级降压拓扑单元，第一级降压单元包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电感L1和第一电容Cs1，第一晶体管M1的漏极接电压输入端Vin，第一晶体管M1的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第一晶体管M1的源极连接到第二晶体管M2的漏极；第二晶体管M2的栅极接到AVS自适应电源管理电路单元，第二晶体管M2的源极接地；第一电感L1的一端接第二晶体管M2的漏极，另一端接输出端Vout；第一电容Cs1的一端接地，另一端接输出端Vout，所述的自适应电压调节器还包括第二级升降压拓扑单元，所述的第二级升降压拓扑单元包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第二电感L2、第二电容Cs2；第三晶体管M3的漏极接输出端Vout，第三晶体管M3的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第三晶体管M3的源极接第六晶体管M6的漏极；第四晶体管M4的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第四晶体管M4的源极通过第二电感L2接地，第四晶体管M4的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的栅极连接到AVS自适应电源管理电路单元，第五晶体管M5的源极接第六晶体管M6的源极；第六晶体管M6的源极接第四晶体管M4的衬底；输出端Vout接到负载数字电路；负载数字电路与AVS自适应电源管理电路单元之间通过I2C总线进行信号传递，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6均为MOS管。
所述的第一电容Cs1的容值大小为第二电容Cs2的10％～20％。
与现有技术相比，该自适应电压调节器根据接收到的数字负载电路端口发出的指令，实时选择第二级升压或降压的连接方式，有效地把第二级存储的能量转移到输出端再利用，同时还可以提高输出电压转换效率。
附图说明
图1为传统的自适应电压调节器的电路结构示意图。
图2为本发明提供的自适应电压调节器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图2所示，该自适应电压调节器包括第一级降压拓扑单元，第一级降压单元包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电感L1和第一电容Cs1，第一晶体管M1的漏极接电压输入端Vin，第一晶体管M1的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第一晶体管M1的源极连接到第二晶体管M2的漏极；第二晶体管M2的栅极接到AVS自适应电源管理电路单元，第二晶体管M2的源极接地；第一电感L1的一端接第二晶体管M2的漏极，另一端接输出端Vout；第一电容Cs1的一端接地，另一端接输出端Vout；
所述的自适应电压调节器还包括第二级升降压拓扑单元，所述的第二级升降压拓扑单元包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第二电感L2、第二电容Cs2；第三晶体管M3的漏极接输出端Vout，第三晶体管M3的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第三晶体管M3的源极接第六晶体管M6的漏极；第四晶体管M4的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第四晶体管M4的源极通过第二电感L2接地，第四晶体管M4的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的栅极连接到AVS自适应电源管理电路单元，第五晶体管M5的源极接第六晶体管M6的源极；第六晶体管M6的源极接第四晶体管M4的衬底；输出端Vout接到负载数字电路；负载数字电路与AVS自适应电源管理电路单元之间通过I2C总线进行信号传递，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6均为MOS管。
所述的第一电容Cs1的容值大小为第二电容Cs2的10％～20％。
本发明提供的自适应电压调节器的实施例如下：
第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电感L1和第一电容Cs1构成主Buck降压电路，第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第二电感L2和第二电容Cs2构成辅助的Buck-Boost升降压电路；在输出端Vout的变化过程中，不管输出端Vout的电压是上升或下降，主Buck降压电路一直处于工作状态，而辅助Buck-Boost升降压电路的工作方式由AVS自适应电源管理电路单元的需求决定；
实施例一：当图2中的AVS自适应电源管理电路单元未收到任何指令时，输出端Vout的输出电压恒定，假设输出端Vout的电压为3.3V时，第三晶体管M3处于常截止状态，第四晶体管M4处于导通状态，第二电容Cs2也是输出电容的一部分，但第四晶体管M4的导通电阻构成了第二电容Cs2额外的寄生串联电阻ESR。
实施例二：当图2中的AVS自适应电源管理电路单元通过I2C总线接收到需要降低输出电压的指令时，第四晶体管M4立即关断，并且第五晶体管M5导通，第六晶体管M6截止，第三晶体管M3仍处于截止状态；此时，第四晶体管M4的体区(衬底)连接到第四晶体管M4的第二电容Cs2一侧，即第四晶体管M4的体二极管的正极连接到Vs点；由于第五晶体管M5和第六晶体管M6的体二极管是背靠背串联连接，因此不会有电流流过。主Buck降压电路工作时，在输出端Vout的电压逐渐下降的过程中，由于第二电容Cs2没有放电通路，要保证第二电容Cs2上的电压不变，Vs点的电压就会逐渐变为负电位；例如，开始时输出端Vout的电压3.3V，当输出端Vout的电压从3.3V下降到0.6V时，Vs点的电压从接近于地电位0V下降到-2.7V；由于第一电容Cs1的容量小，比如为2.2μF，第一电容Cs1上的电压即输出端Vout的电压通过数字负载电路和电源管理单元内部的放电通路，会迅速转变到数字负载电路所需的低电压；同时，由于第一电容Cs1上存储的能量较少，在这一AVS自适应电源管理电路单元电压转换过程中，损失的能量就较少；当输出端Vout的电压稳定后，由于第二电容Cs2上的压降高于第一电容Cs1上的电压，此时，第三晶体管M3、第四晶体管M4、第二电感L2和第二电容Cs2构成辅助的升降压拓扑单元以Buck降压方式开始工作，把第二电容Cs2上存储的能量逐步转移到输出端Vout；其工作过程如下：第四晶体管M4导通，由于Vs点是负电压，第二电感L2上的电流会逐渐增加；第四晶体管M4关断，第二电感L2上的电流会首先通过第三晶体管M3的体二极管流向输出端Vout，之后，第三晶体管M3闭合，起同步整流的作用；上述过程不断重复，直到Vs点的电压接近于地电位0V时，第四晶体管M4再次处于常导通状态，第三晶体管M3处于常关断状态，第五晶体管M5和第六晶体管M6的开关状态不变，即第五晶体管M5导通，第六晶体管M6截止；因此，第二电容Cs2上多余的能量被逐渐转移到输出端再利用，而不是被直接泄放掉。
实施例三：当图2中的AVS自适应电源管理电路单元通过I2C总线接收到需要升高输出电压的指令时，比如输出端Vout的电压要从0.6V上升到3.3V时，第三晶体管M3仍处于截止状态，第四晶体管M4立即处于截止状态，并且第五晶体管M5截止，第六晶体管M6导通，第四晶体管M4体二极管的正极连接到第二电感L2，在第一级降压拓扑单元工作时，由于第一电容Cs1容值较小，比如为2.2μF，输出端Vout的电压从0.6V上升到3.3V的上升过程会快，同时，由于第二电容Cs2两端的压降不变而导致Vs点的电压从接近于地电位0V上升到2.7V，一旦输出端Vout的电压从0.6V快速上升到数字负载电路所需的电压3.3V，第三晶体管M3、第四晶体管M4、第二电感L2和第二电容Cs2工作在升压模式，逐步对第二电容Cs2充电；其工作过程如下：第三晶体管M3导通，第五晶体管M5导通，第六晶体管M6截止，第四晶体管M4的体二极管的正极再次连接到Vs点，第二电感L2被连接到输出端Vout，第二电感L2上的电流会逐渐增加；然后令第三晶体管M3截止，第二电感L2上的电流会首先通过第四晶体管M4的体二极管续流，之后，第四晶体管M4闭合，起同步整流的作用。上述过程重复进行，直至Vs点的电压接近于地电位；之后，第三晶体管M3再次处于常截止状态，第四晶体管M4再次处于常导通状态。

Claims (2)

1.一种自适应电压调节器，包括第一级降压拓扑单元，第一级降压单元包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电感L1和第一电容Cs1，第一晶体管M1的漏极接电压输入端Vin，第一晶体管M1的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第一晶体管M1的源极连接到第二晶体管M2的漏极；第二晶体管M2的栅极接到AVS自适应电源管理电路单元，第二晶体管M2的源极接地；第一电感L1的一端接第二晶体管M2的漏极，另一端接输出端Vout；第一电容Cs1的一端接地，另一端接输出端Vout，其特征在于，所述的自适应电压调节器还包括第二级升降压拓扑单元，所述的第二级升降压拓扑单元包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第二电感L2、第二电容Cs2；第三晶体管M3的漏极接输出端Vout，第三晶体管M3的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第三晶体管M3的源极接第六晶体管M6的漏极；第四晶体管M4的栅极接AVS自适应电源管理电路单元，第四晶体管M4的源极通过第二电感L2接地，第四晶体管M4的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的漏极通过第二电容Cs2连接到输出端Vout，第五晶体管M5的栅极连接到AVS自适应电源管理电路单元，第五晶体管M5的源极接第六晶体管M6的源极；第六晶体管M6的源极接第四晶体管M4的衬底；输出端Vout接到负载数字电路；负载数字电路与AVS自适应电源管理电路单元之间通过I2C总线进行信号传递，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6均为MOS管。
2.根据权利要求1所述的自适应电压调节器，其特征在于，所述的第一电容Cs1的容值大小为第二电容Cs2的10％～20％。
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