CN109240410B - 电压调节器系统及其功率级和控制器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种电压调节器系统及其功率级和控制器，所述控制器包括：用于接收来自多个功率级的集合温度信息的第一引脚；多个第二引脚，每个用于接收来自功率级中的一个功率计的相电流信息；用于控制功率级的控制电路；用于检测第一引脚和第二引脚处的信号电平的检测电路；以及故障分析电路，用于基于第一引脚和第二引脚处检测到的信号电平以及控制器能够访问的状态信息来识别所报告的故障的类型和对故障进行报告的功率级。对在第一引脚处的第一标称范围中的集合温度信息进行报告，并且对在第二引脚中的每个处的在第二标称范围中的相电流信息进行报告。每个报告的故障类型在第一引脚和第二引脚处具有唯一的故障特征，其在标称范围中至少一个之外。

Description

电压调节器系统及其功率级和控制器
技术领域
本申请涉及电压调节器，特别是功率级故障指示和报告。
背景技术
用于电压调节器的集成功率级具有各种监测和保护特征。当功率级发生保护事件(故障)时，功率级应该被识别/标记给控制器，控制器会相应地作出反应，以确保整个电压调节器系统的安全运行。报告的故障指示在功率级和/或负载上需要立即采取行动以防止即将发生的灾难性失效的具有高应力水平的临界状况。例如，故障检测后，控制器可以将故障功率级的输出设定为三态，并且使得由负载对输出电压进行释放。在另一种方法中，控制器永久接通故障功率级的低侧功率晶体管以防止负载的损坏。在另一种方法中，控制器继续操作直到检测到更严重的状况。
集成功率级中实现的典型保护特征包括：过温保护(OTP)；过电流保护(OCP)；高侧短路/控制功率晶体管短路检测(HSS)；以及BOOT电压欠压锁定(BOOT UVLO)。BOOT UVLO故障状态指示功率级的高侧功率晶体管正在以不足够低的电压驱动。通过要求每个功率级在专用引脚(通常称为TMON或TMON/FAULT)处发出信号通知故障状态，从而从单个功率级向控制器报告故障状态。当没有检测到故障时，该引脚通常用于报告功率级温度信息。在故障的情形下，使用带外信令即通过使用用于报告引脚上的温度信息的超出标称范围的信号电平来通过专用引脚报告故障。在简化设计中，所有功率级的专用引脚(TMON或TMON/FAULT)都连接至相同的信号线(例如通过线或连接)，并且该公共连接耦合到控制器的相应专用引脚。这种简化的实现在多相电压调节器系统中被广泛采用，每个功率级提供系统的一个相(电流)。通过这种简化，控制器无法区分由不同功率级报告的故障。因此，控制器无法识别哪个功率级正在传送故障。因此，控制器通常会忽略故障或关断整个系统。
发明内容
根据用于电压调节器的功率级的实施方式，功率级包括：一个或更多个功率晶体管开关，被配置成输出关于功率级的相电流；一个或更多个功率晶体管栅极驱动器，被配置成使一个或更多个功率晶体管关断或导通；以及故障检测电路，被配置成检测功率级中的一个或更多个故障，所述一个或更多个故障包括：相电流超过正电流限制的正过电流故障和相电流超过负电流限制的负过电流故障，其中；过温故障，其中功率级的温度超过温度限制；功率晶体管输出级中的相故障；自举供电欠压故障，其中耦合至一个或更多个功率晶体管栅极驱动器的自举电容器的电压低于目标自举电压电平；以及供电欠压故障，其中功率级的供电电压低于目标供电电压电平。功率级还包括报告电路，所述报告电路被配置成监测和报告功率级的信息，包括：当没有检测到故障时，报告在功率级的第一引脚处在第一标称范围中的关于功率级的温度信息；当没有检测到故障时，报告在功率级的第二引脚处在第二标称范围中的关于功率级的相电流信息；报告在第一引脚处在第一标称范围之外的带外范围中和/或在第二引脚处在第二标称范围之外的带外范围中的任何故障，使得故障检测电路被配置来检测的每种类型的故障在第一引脚和第二引脚处具有唯一的故障特征。
根据用于电压调节器的控制器的实施方式，所述控制器包括：第一引脚，被配置成接收来自耦合至第一引脚的多个功率级的集合温度信息，所述集合温度信息指示由所有功率级报告的最高温度；多个第二引脚，每个第二引脚被配置成接收来自功率级中的一个的相电流信息；控制电路，被配置成控制功率级的操作；以及检测电路，被配置成检测在第一引脚和第二引脚处的信号电平，其中，在第一标称范围中的集合温度信息在第一引脚处被报告给控制器，并且在第二个标称范围中的相电流信息在第二引脚处被报告给控制器。所述控制器还包括故障分析电路，所述故障分析电路被配置成基于在第一引脚和第二引脚处检测到的信号电平并且还基于控制器能够访问的状态信息来识别被报告给控制器的故障类型和对故障进行报告的功率级，被报告给控制器的每个故障类型在第一引脚和第二引脚处具有唯一故障特征，其在第一标称范围和第二标称范围中的至少一个之外。
根据电压调节器系统的实施方式，该系统包括多个功率级和控制器。每个功率级包括：一个或更多个功率晶体管开关，被配置成输出关于功率级的相电流；一个或更多个功率晶体管栅极驱动器，被配置成使一个或更多个功率晶体管关断或导通；故障检测电路，被配置成检测功率级中的一个或更多个故障，所述一个或更多个故障包括：相电流超过正电流限制的正过电流故障和相电流超过负电流限制的负过电流故障，其中；过温故障，其中功率级的温度超过温度限制；功率晶体管输出级中的相故障；自举供电欠压故障，其中耦合至一个或更多个功率晶体管栅极驱动器的自举电容器的电压低于目标引导电压电平；以及供电欠压故障，其中功率级的供电电压低于目标供电电压电平。每个功率级还包括报告电路，所述报告电路被配置成监测和报告功率级的信息，所述报告电路包括：当没有检测到故障时，在功率级的第一引脚处报告在第一标称范围中的关于功率级的温度信息；当没有检测到故障时，在功率级的第二引脚处报告在第二标称范围中的关于功率级的相电流信息；以及报告在第一引脚处在第一标称范围外的带外范围中的和/或在第二引脚处在第二标称范围之外的带外范围中的任何故障，使得故障检测电路被配置来检测的每种类型的故障在第一引脚和第二引脚处具有唯一的故障特征。所述控制器包括：第一引脚，其耦合至每个功率级的第一引脚并且被配置成接收来自多个功率级的集合温度信息，所述集合温度信息指示由所有功率级报告的最高温度；多个第二引脚，所述控制器的每个第二引脚耦合至功率级之一的第二引脚并且被配置成接收来自功率级的相电流信息；控制电路，其被配置成控制所述功率级的操作；检测电路，其被配置成检测在控制器的第一引脚和第二引脚处的信号电平，其中在第一标称范围中的集合温度信息在控制器的第一引脚处被报告给控制器，并且在第二标称范围中的相电流信息在控制器的第二引脚中的每个处被报告给控制器；以及故障分析电路，被配置成基于在控制器的第一引脚和第二引脚处检测到的信号电平并且还基于控制器可访问的状态信息来识别报告给控制器的故障类型和对故障进行报告的功率级，报告给控制器的每个故障类型在第一引脚和第二引脚处具有唯一故障特征，其在第一标称范围和第二标称范围中至少一个之外。
本领域的技术人员在阅读下面的详细描述以及查看附图时将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图中的元素不一定相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记指示相应的相似部分。各个所示实施方式的特征可以相结合，除非它们彼此排斥。附图中示出了实施方式并且在下面的描述中详述了实施方式。
图1示出了具有扩展故障指示和报告能力的电压调节器(VR)系统的实施方式的框图。
图2示出了在故障检测和报告中涉及的VR控制器和功率级引脚之间的通信接口的实施方式的示意图。
图3示出了在VR控制器和功率级之间实现的故障信令的实施方式。
图4示出了用于支承在VR控制器处识别不同故障特征的功率级到控制器接口的实施方式的示意图。
具体实施方式
本文描述的实施方式通过提供允许VR控制器识别每个受影响的功率级和对应的故障类型的VR控制器精确故障特征信息来在电压调节器(VR)系统中提供扩展的故障指示和报告能力。不需要改变在功率级和VR控制器之间的接口。在特定故障状况下，通过适当的功率级操作，可以保持从每个功率级到VR控制器的唯一的故障特征。相应地，VR控制器可以被编程为以更智能和更及时的方式响应检测到的故障。例如，根据故障的严重程度，VR控制器可以在不关闭整个电压调节器系统的情况下将报告故障的功率级排除在调节之外。另外，通过区分和定位所报告的故障，VR控制器可以跟踪随时间所发生的故障。这些信息可用于了解一些故障是由功率级引起的，还是由系统弱点引起的，诸如但不限于不良的电路板布局，其他部件等。利用本文所描述的故障指示方法，系统设计、鲁棒性和可靠性得到改善。
图1示出了电压调节器(VR)系统的实施方式。电压调节器系统包括多个功率级100和用于控制各个功率级100的操作以调节提供给负载104的输出电压Vout的VR控制器102。每个功率级100可以经由相应的电感器Lx并且经由输出电容器Cout连接至负载104，输出电容器Cout可以物理地实现为单个电容器或电容器组。负载104可以是需要一个或更多个调节电压的电子系统，如处理器、ASIC(专用集成电路)、存储器设备等，或者负载104可以是另一个转换器，例如，在多级电压转换器系统的情况下。
在VR控制器102和各个功率级100之间设置有通信接口106。通过通信接口106提供控制信令、遥测报告和故障报告，为了便于说明，在图1中简化描述了该通信接口。VR控制器102和功率级100均具有用于连接至通信接口106的多个引脚，在下文中更详细地描述这些引脚中的相关引脚的功能。
电压调节器系统的每个功率级100包括：一个或更多个功率晶体管开关HS/LS，其被配置成输出该功率级100的相电流iLx；一个或更多个功率晶体管栅极驱动器108，其被配置成使一个或更多个功率晶体管开关HS/LS关断及导通；故障检测(FD)电路110，其被配置成检测功率级100中的一个或更多个故障；以及报告电路112，其被配置成监测和报告功率级100的信息。故障检测电路110可以包括被配置成检测电压调节器的功率级100中的以下故障的任何标准电路：相电流iLx超过正电流限制的正过电流故障和超过负电流限制的负过电流(OCP)故障；过温(OTP)故障，其中功率级100的温度超过温度限制；功率晶体管输出级HS/LS中的相(HSS)故障；自举供电欠压(UVLO BOOT)故障，其中耦合至一个或更多个功率晶体管栅极驱动器108的自举电容器114的电压低于目标自举电压电平；以及供电欠压(VDDUVLO)故障，其中一个或更多个功率晶体管栅极驱动器108的供电电压(VDD)和/或功率级输入电压(Vin)低于目标供电电压电平。自举域可能引起VDD UVLO故障，例如由于由自举电压引起的自举电容器114的问题或者电路功率的问题。在这两种情况下，因为自举域为高侧功率晶体管开关HS提供功率晶体管栅极驱动器108，并且如果功能不正常则可能导致不正确的操作。
每个功率级100的报告电路112被配置成监测并报告至少以下信息：当没有检测到故障时，在功率级100的第一引脚处的在第一标称范围内的关于功率级100的温度信息；当没有检测到故障时，在功率级100的第二引脚处的在第二标称范围内的关于功率级100的相电流信息；以及由故障检测电路110检测到的任何故障。报告电路112报告在第一引脚处的在第一标称范围之外的带外范围中和/或在第二引脚处在第二标称范围之外的带外范围中的故障，使得故障检测电路110被配置来检测的每种类型的故障在第一引脚处和第二引脚处具有唯一故障特征。
图2更详细地示出了通信接口106的一部分，其包括涉及本文描述的故障检测和报告技术的VR控制器和功率级引脚。每个功率级100具有用于当没有检测到故障时输出功率级100的温度信息的第一专用引脚TMON。所报告的温度信息(例如模拟电压信息)与功率级100的温度成比例。例如，在线或电路116中，所有功率级100的TMON引脚的输出可以连接在一起，以向VR控制器102的对应第一(TMON)引脚提供单个共享输入。利用该配置，VR控制器102在控制器102的TMON引脚处接收来自功率级100的集合温度信息。集合温度信息指示由所有功率级100报告的最高温度。
功率级100各自具有公共引脚IMONREF，其是由VR控制器102或控制器电源产生的至功率级100的输入。每个功率级100还具有第二专用引脚IMON，用于在没有检测到故障时将关于功率级100的电流感测信息输出至VR控制器102的对应的专用输入引脚ISENP。所报告的相电流信息(例如，模拟电压信息)与由功率级100输出的相电流相关并且由VR控制器102用于建立控制回路。VR控制器102可以例如基于在专用于每个功率级100的VR控制器102的各对ISENP和IREF引脚处感测到的、电阻器RIMON两端的电压来确定功率级100的各个相电流。如本文前述，每个功率级100的报告电路112监测并报告关于该功率级100的信息，并且故障检测电路110检测在该功率级100中以上识别的故障。
VR控制器102包括控制电路118，控制电路118包括用于控制功率级100的操作的一个或更多个控制回路。可以使用任何标准VR控制电路，诸如但不限于PMW(脉宽调制)和相关电路，用于分析由功率级100报告的遥测信息以及其他系统信息的感测电路等。VR控制器102还包括用于检测VR控制器102的引脚处的信号电平的检测电路120，VR控制器102的引脚包括VR控制器102的专用TMON、ISENP和IREF引脚。当没有检测到故障时，每个功率级100的报告电路112报告在功率级100的专用TMON引脚处的在第一标称范围内的关于功率级100的各个温度信息。当没有检测到故障时，每个功率级100的报告电路112还报告在功率级100的专用引脚IMON处的在第二标称范围内的关于功率级100的相电流信息。将来自各个功率级100的温度信息在VR控制器102的专用TMON引脚处在第一标称范围中集合并且报告给VR控制器102，并且在VR控制器102的每个对应的专用ISENP和IREF引脚处将在第二标称范围内的来自功率级100的各个相电流信息报告给VR控制器102。
如果VR控制器102接收在相应标称范围内的相电流和温度信息，则VR控制器102可以假定每个功率级100正常工作。VR控制器102使用温度信息和相电流信息来控制功率级100。VR控制器102还包括故障分析(FA)电路122，故障分析(FA)电路122用于基于在VR控制器102的专用TMON、ISENP和IREF引脚处检测到的信号电平并且还基于VR控制器102可访问的状态信息124来识别报告给VR控制器102的每种类型故障和报告故障的功率级100。
报告给VR控制器102的每个故障类型在控制器102的专用TMON、ISENP和IREF引脚处具有唯一的故障特征，其在温度信息和相电流信息标称报告范围中至少一个之外。利用这种方法，通过将信息流从功率级100扩展到VR控制器102而不改变预先存在的通信接口106来增加VR系统的鲁棒性和可靠性。也就是说，常规功率级具有用于传送功率级相电流信息和温度信息的专用TMON、IMON和IMONREF引脚，并且常规VR控制器具有用于接收相电流信息和温度信息以及用于启动相电流感测的相应的专用ISENP、IREF和TMON引脚。然而，与仅通过TMON引脚报告故障的大多数常规VR系统不同，本文描述的扩展故障指示和报告技术使得VR控制器102能够识别故障功率级和特定故障类型。这样，VR控制器102可以将引起故障的功率级100排除在调节之外，从而继续操作(如果可能的话)。
图3示出了在专用TMON和IMON引脚处由功率级100实现的故障信令的实施方式。在实施方式中，功率级100的报告电路112报告在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如，1.0V至2.0V)之外的第一信令带(例如2.4V至3.3V)中的正过电流(OCP POS)故障。功率级报告电路112还报告在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围之外的第二信令带(例如0V至0.6V)中的负过电流(OCP NEG)故障。第一带外信令范围和第二带外信令范围彼此不交叠。当该功率级100输出的相电流iLX超过正电流限制时检测到正过电流故障，并且当由该功率级100输出的相电流iLX超过负电流限制时检测到负过电流状况。功率级故障检测电路110可以包括任何标准电路，诸如用于检测VR功率级中的正过电流状况和负过电流状况的电流感测和比较电路。
在实施方式中，每个功率级100的报告电路112报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如0.4V至2.0V)之外的信令带(例如0V至0.2V)中的供电欠压(VDD UVLO)故障。可替选地或附加地，功率级报告电路112可以报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如，0.4V至2.0V)之外的第三信令带(例如0V至0.2V)中以及在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如1.0V至2.0V)之外的第二信令带(例如0V至0.6V)中的供电欠压故障。功率级故障检测电路110可以包括任何标准电路，诸如用于感测低VR供电电压Vin和/或栅极驱动器供电电压VDD的比较器。
在实施方式中，每个功率级100的报告电路112报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如，0.4V至2.0V)之外的第四信令带(例如2.4V至3.3V)中以及在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如1.0V至2.0V)之外的第二信令带(例如0V至0.6V)中的过温(OTP)故障。功率级故障检测电路110可以包括任何标准电路，诸如用于感测VR功率级中的过高温度的温度传感器。
在实施方式中，每个功率级100的报告电路112报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如0.4V至2.0V)之外的第四信令带(例如2.4V至3.3V)中以及在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如1.0V至2.0V)之外的第一信令带(例如2.4V至3.3V)中的相(HSS)故障。功率级故障检测电路110可以包括任何标准电路，例如用于感测VR功率级中的相故障(phase fault)的高侧短路检测器。
在实施方式中，每个功率级100的报告电路112报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如，0.4V至2.0V)之外的第三信令带(例如0V至0.2V)中以及在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如1.0V至2.0V)之外的第一信令带(例如2.4V至3.3V)中的自举供电欠压(BOOT UVLO)故障。功率级故障检测电路110可以包括任何标准电路，诸如用于感测VR功率级中不足的自举电压的比较器。
在实施方式中，每个功率级100的报告电路112使用图3中所示的带外信令来报告所有故障。也就是说，功率级报告电路112：报告在用于IMON引脚处的相电流报告的标称范围(例如，1.0V至2.0V)之外的第一信令带(例如2.4V至3.3V)中的正过电流状况(OCP POS)；报告在用于IMON引脚处的相电流报告的在标称范围之外的第二信令带(例如，0V至0.6V)中的负过电流故障(OCP NEG)；报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围(例如0.4V至2.0V)之外的第三信令带(例如0V至0.2V)中或在TMON引脚处的第三信令带中并且在IMON引脚处的第二信令带中的供电欠压故障(VDD UVLO)；报告在用于TMON引脚处的温度报告的标称范围之外的第四信令带(例如2.4V至3.3V)中并且在IMON引脚处的第二信令带中的过温故障(OTP)；报告在TMON引脚处的第四信令带中并且在IMON引脚处的第一信令带中的相故障(HSS)；以及报告在TMON引脚处的第三信令带中并且在IMON引脚处的第一信令带中的自举欠压故障(BOOT UVLO)。
由于TMON引脚被所有功率级100共享，所以VR控制器102不能单独通过TMON引脚特征来识别报告其TMON引脚上的故障的功率级100。然而，TMON引脚在启动期间可用，因为TMON信号将进入标称范围，直到至少一个功率级100退出VDD UVLO(供电电压启动)。在OCPPOS和OCP NEG故障的情况下，这两个故障都指示对应的功率级100正在截断PWM脉冲，并且可能在多个连续的周期之后断言不能通过由VR控制器102实现的电流平衡来解决。在HSS和OTP故障的情况下，VR控制器102检测到其TMON引脚升高，并且可以确定哪个功率级100报告了过温状况以及是否发生了HSS或OTP故障。基于图3所示的带外信令方案，BOOT UVLO和OCPPOS故障最初是不可鉴别的。然而，在报告OCP POS故障的功率级100进入睡眠模式之后，OCPPOS故障将被清除。BOOT UVLO故障在睡眠模式下不会被清除。
功率级100可以在一个或更多个功率晶体管栅极驱动器108的控制信号指示该功率级100的一个或更多个功率晶体管开关HS/LS应关断长达最小时间段之后进入睡眠模式，栅极驱动器控制信号从来自VR控制器102的相应PWM信号中导出。在另一个实施方式中，功率级100可以响应于与专用TMON、IMON和IMONREF引脚分离的输入引脚的电平而进入睡眠模式。通常，每个功率级100的报告电路112可以在功率级100进入不切换的、低功率睡眠模式时清除某些故障的报告并且不清除其他故障的报告。当控制信号指示一个或更多个功率晶体管开关HS/LS中的至少一个应导通时，功率级100退出睡眠模式。
可以对图3所示的关于故障指示和功率级侧报告的故障带外信令关系和/或频带范围进行不同地定义，同时产生相同的结果。
在控制器侧，每个功率级100的TMON引脚输出可以例如通过线或电路116被连接在一起以向VR控制器102提供单个共享输入从而用于一般故障报告。经由每个功率级100的引脚IMON和IMONREF，将各个电流感测信号从每个功率级100提供给VR控制器102的相应专用引脚对INSEP/IREF。
图4示出了用于支持在VR控制器102处识别一些故障特征的功率级到控制器接口106的实施方式。每个功率级100包括连接至由供电电压VDDA供电的电流报告电路202的电流镜200，用于生成表示由该功率级100输出的相电流iLx的信号。信号cs_en启动连接至电流镜200的电流报告电路202，使得从电流镜200输出的相电流信号在IMON引脚处在标称范围内被报告。IMON和IMONREF引脚可以经由可选电阻器RIMON连接，以进行电流至电压转换。在功率级100报告在IMON引脚处的电压的情况下，不使用可选电阻器RIMON。在功率级100报告在IMON引脚处的电流的情况下，可选电阻器RIMON用于电流-电压转换。在这种情况下，如果相电流信号不存在，由于电阻RIMON，IMON和IMONREF引脚具有相同的电位。
功率级100的报告电路112操纵IMONREF和/或IMON引脚处的信号电平以指示不同的故障状况。在一个实施方式中，功率级报告电路112包括用于在IMON和IMONREF引脚处提供带外故障信令的电路，诸如由供电电压VDDA供电的NOR门204、开关S1-S3和缓冲器206。如果没有发生故障，则IMONREF引脚经由功率级报告电路112的NOR逻辑门204和相应开关S1连接至默认电压电平VIMONREF。电压电平VIMONREF用作用于报告来自电流镜200的相电流信息在标称信号范围内的参考电平。当功率级100的故障检测电路110检测到发生HSS(高侧短路)故障或UVLO BOOT(低自举电压)故障时，功率级报告电路112的NOR逻辑门204停用连接至VIMONREF的开关S1。在HSS故障的情况下，功率级报告电路112的对应开关S2被激活。开关S2将IMONREF引脚连接至电压VDDA，该电压VDDA是相对于用于在未检测到故障时报告相电流信息的标称信号范围(VIMONREF)的带外电压电平。在UVLO BOOT故障的情况下，功率级报告电路112的对应开关S3被激活。开关S3将IMONREF引脚连接至地，接地也是相对于用于在未检测到故障时报告相电流信息的标称信号范围(VIMONREF)的带外电压电平。
经由功率级100的TMON、IMON和IMONREF引脚的信令的组合以及VR控制器102可访问的功率级状态信息124来产生用于VR控制器102的唯一故障特征以便进行检测，这有助于VR控制器102分别识别受影响的功率级和相应的故障类型。表1提供了基于在VR控制器102的TMON、IMON和IMONREF引脚处的检测的信号电平并且还基于由VR控制器102可访问的功率级状态信息124在VR控制器102处可由控制器故障分析电路122检测的唯一故障特征的另一实施方式。
表1
Figure BDA0001717766200000101
Figure BDA0001717766200000111
OTP(过温)故障对于VR控制器102具有唯一的特征。在表1所示的实施方式中，具有OTP故障的功率级100的TMON引脚被拉至在温度信息的标称报告范围之外的高电压电平，但未被锁存。在OTP故障期间，功率级100忽略VR控制器102并停止PWM切换。功率级100还停止在IMON引脚处的相电流报告，并且将IMON和IMONREF引脚保持在针对相电流信息的标称报告范围内(例如，IMON＝IMONREF＝1.32V)的中间电压电平。进入睡眠模式不会清除OTP故障，但可以通过对受影响的功率级100进行功率循环(对功率级断电然后重新通电)来清除OTP故障。基于在TMON处报告的带外故障信令、在IMON和IMONREF引脚处的标称报告范围内的等电压电平以及表1中针对带有OTP故障的功率级100所列出的并且VR控制器102可获得的状态信息，VR控制器102可以识别具有OTP故障的功率级100。
OCP(过电流)故障对于VR控制器102也具有唯一的特征。在表1所示的实施方式中，对于具有OCP故障的功率级100的TMON引脚被拉至在温度信息的标称报告范围之外的高电压电平，但未被锁存。在OCP故障期间受影响的功率级100继续切换，除非VR控制器102作出另外的决定。因此，针对具有OCP故障的功率级100的PWM信号继续不中断，但可能被截断。在OCP故障期间功率级100在IMON引脚处继续相电流报告，并且进入睡眠模式清除OCP故障。基于在TMON引脚处报告的带外故障信令和表1中针对具有OCP故障的功率级100所列出的并且VR控制器102可获得的状态信息，VR控制器102可以识别具有OCP故障的功率级100。
HSS(高侧短路)故障对于VR控制器102也具有唯一的特征。在表1所示的实施方式中，对于具有HSS故障的功率级100的TMON引脚被拉至在温度信息的标称报告范围之外的高电压电平，并且被锁存。在HSS故障期间，例如如果VR控制器102确定功率级100的低侧开关LS应导通的话，受影响的功率级100可以继续切换。受影响的功率级100还停止在IMON引脚处的相电流报告，并且将IMON和IMONREF引脚锁存在相电流信息的标称报告范围之外的高电压电平(例如，IMON＝IMONREF＝>2.6V)处。进入睡眠模式不会清除HSS故障，但可以通过对功率级100进行功率循环来清除HSS故障。基于在TMON、IMON和IMONREF引脚处报告的带外故障信令以及表1中针对具有HSS故障的功率级100所列出的并且VR控制器102可获得的状态信息，VR控制器102可以识别具有HSS故障的功率级100。
UVLO BOOT(低自举电压)故障对于VR控制器102也具有唯一的特征。在表1所示的实施方式中，对于具有UVLO BOOT故障的功率级100的TMON引脚被拉至在温度信息的标称报告范围之外的高电压电平，并且被锁存。在UVLO BOOT故障期间，例如如果VR控制器102确定功率级100的低侧开关LS应导通的话，受影响的功率级100可以继续切换。受影响的功率级100还停止在IMON引脚处的相电流报告，并且将IMON和IMONREF引脚锁存在相电流信息的标称报告范围之外的低电压电平(例如，IMON＝IMONREF＝<0.4V)。进入睡眠模式不会清除UVLO BOOT故障，但可以通过对功率级100进行功率循环来清除UVLO BOOT故障。基于在TMON、IMON和IMONREF引脚处报告的带外故障信令以及表1中针对带有UVLO BOOT故障的功率级100所列出的并且VR控制器102可获得的状态信息，VR控制器102可以识别具有UVLOBOOT故障的功率级100。
VR控制器的检测电路120可以包括用于检测对于每个功率级100的VR控制器102的每对ISENP和IREF引脚处的信号电平的ADC(模拟-数字转换)电路208。VR控制器102的故障分析电路122可以包括比较器210、212和相关电路214，其用于基于在VR控制器的相应ISENP和IREF引脚处检测到的信号电平并且还基于例如如表1所示的VR控制器102可访问的功率级状态信息来识别报告给VR控制器102的HSS或UVLO BOOT故障类型和报告该故障的功率级100。
VR控制器102的控制电路118可以将故障类型和报告故障的功率级100报告给与电压调节器系统相关联的更高级系统。VR控制器102的控制电路118还可以随时间跟踪功率级故障和相应的故障类型，以识别主要的故障机制。在一个实施方式中，VR控制器102的控制电路118随时间跟踪TMON、ISENP和IREF引脚的状态，以确定当报告故障的功率级100进入睡眠模式时功率级故障是否被清除，并且基于跟踪的TMON、ISENP和IREF引脚的状态来确定相应的故障类型。
通常，由VR控制器102的故障分析电路122使用来识别故障类型和对故障类型进行报告的功率级100的状态信息可以包括以下至少之一：指示功率级100是否处于启动模式的信息，指示功率级100是否处于诸如睡眠模式等低功率模式的信息，指示故障类型是否因功率级100进入及退出低功率模式而清除的信息，以及指示功率级100是否正在切换的信息。
诸如“第一”、“第二”等术语被用于描述各种元件、区域、区段等，并且也不旨在限制。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元素。
如本文中所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，其指示存在所陈述的要素或特征，但不排除另外的要素或特征。冠词“一(a)”、“一(an)”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文另有明确指出。
应该理解的是，除非另外特别指出，否则本文描述的各种实施方式的特征可以彼此组合。
虽然文中示出和描述了具体实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替选和/或等同实现来替代所描述和示出的具体实施方式。本申请旨在涵盖文中所讨论的具体实施方式的任何修改或变型。因此，本发明将仅由权利要求及其等同内容限制。

Claims (26)

1.一种用于电压调节器的功率级，所述功率级包括：
一个或更多个功率晶体管开关，被配置成输出所述功率级的相电流；
一个或更多个功率晶体管栅极驱动器，被配置成使所述一个或更多个功率晶体管开关关断或导通；
故障检测电路，被配置成检测所述功率级中的一个或更多个故障，所述一个或更多个故障包括：
相电流超过正电流限制的正过电流故障和相电流超过负电流限制的负过电流故障中至少之一；
过温故障，其中所述功率级的温度超过温度限制；
所述功率晶体管的输出级中的相故障；
自举供电欠压故障，其中耦合至所述一个或更多个功率晶体管栅极驱动器的自举电容器的电压低于目标自举电压电平；以及
供电欠压故障，其中所述功率级的供电电压低于目标供电电压电平；以及
报告电路，被配置成监测和报告所述功率级的信息，包括：
当没有检测到故障时，报告在所述功率级的第一引脚处的第一标称范围中的关于所述功率级的温度信息，
当没有检测到故障时，报告在所述功率级的第二引脚处的第二标称范围中的关于所述功率级的相电流信息，
报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的带外信令范围中的和/或在所述第二引脚处的第二标称范围之外的带外信令范围中的任何故障，使得所述故障检测电路被配置来检测的每种类型的故障在所述第一引脚处和所述第二引脚处具有唯一故障特征。
2.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第一信令带中的正过电流故障，并且报告在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信令带中的负过电流故障，并且其中，所述第一信令带和所述第二信令带彼此不交叠。
3.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的信令带中的供电欠压故障。
4.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第一信令带中的并且在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信令带中的供电欠压故障。
5.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第一信令带中的并且在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信令带中的过温故障。
6.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第一信令带中的并且在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信号带中的相故障。
7.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第一信令带中的并且在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信令带中的自举供电欠压故障。
8.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成：
报告在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第一信令带中的正过电流故障；
报告在所述第二引脚处的第二标称范围之外的第二信令带中的负过电流故障，所述第一信令带和所述第二信令带彼此不交叠；
报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第三信令带中的或在所述第一引脚处的第三信令带中并且在所述第二引脚处的第二信令带中的供电欠压故障；
报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的第四信令带中的并且在所述第二引脚处的第二信令带中的过温故障，所述第三信令带和所述第四信令带彼此不交叠；
报告在所述第一引脚处的第四信令带中的并且在所述第二引脚处的第一信令带中的相故障；以及
报告在所述第一引脚处的第三信令带中的并且在所述第二引脚处的第一信令带中的自举供电欠压故障。
9.根据权利要求1所述的功率级，其中，所述报告电路被配置成当所述功率级进入不切换、低功率睡眠模式时，清除所述故障中的一些故障的报告并且不清除所述故障中的其他故障的报告。
10.根据权利要求9所述的功率级，其中，所述功率级被配置成在所述一个或更多个功率晶体管栅极驱动器的控制信号指示所述一个或更多个功率晶体管开关应关断达最小时间段之后进入所述睡眠模式，并且其中，所述功率级被配置成当所述控制信号指示所述一个或更多个功率晶体管开关中的至少一个应导通时退出睡眠模式。
11.根据权利要求9所述的功率级，其中，所述功率级被配置成响应于与所述第一引脚和所述第二引脚分离的输入引脚的电平而进入所述睡眠模式。
12.一种用于电压调节器的控制器，所述控制器包括：
第一引脚，被配置成接收来自耦合至所述第一引脚的多个功率级的集合温度信息，所述集合温度信息指示由所有功率级报告的最高温度；
多个第二引脚，每个第二引脚被配置成接收来自所述功率级中的一个的相电流信息；
控制电路，被配置成控制所述功率级的操作；
检测电路，被配置成检测在所述第一引脚和所述第二引脚处的信号电平，其中，在第一标称范围中的集合温度信息在所述第一引脚处被报告给所述控制器，并且在第二标称范围中的相电流信息在所述第二引脚中的每个处被报告给所述控制器；以及
故障分析电路，被配置成基于在所述第一引脚和所述第二引脚处检测到的信号电平并且还基于所述控制器能够访问的状态信息来识别报告给所述控制器的故障类型和对故障进行报告的功率级，报告给所述控制器的每个故障类型在所述第一引脚和所述第二引脚处具有唯一故障特征，其在所述第一标称范围和所述第二标称范围中的至少一个之外。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成检测：功率级的相电流超过正电流限制的正过电流故障和功率级的相电流超过负电流限制的负过电流故障中至少之一；过温故障，其中功率级的温度超过温度限制；在功率级处的相故障；自举供电欠压故障，其中功率级的自举电容器的电压低于目标自举电压电平；以及供电欠压故障，其中功率级的供电电压低于目标供电电压电平。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第一信令带中来检测所述正过电流故障，并且基于在第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第二信令带中来检测负过电流故障，并且其中，所述第一信令带和所述第二信令带彼此不交叠。
15.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的信令带中来检测所述供电欠压故障。
16.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第一信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第二信令带中来检测所述供电欠压故障。
17.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第一信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在第二标称范围之外的第二信令带中来检测所述过温故障。
18.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第一信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第二信令带中来检测所述相故障。
19.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第一信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第二信令带中来检测所述自举供电欠压故障。
20.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述故障分析电路被配置成：
基于在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第一信令带中来检测所述正过电流故障；
基于在所述第二引脚处检测到的信号电平处于在所述第二标称范围之外的第二信令带中来检测所述负过电流故障，所述第一信令带和所述第二信令带彼此不交叠；
基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第三信令带中或者基于在所述第一引脚处检测到的信号电平在所述第三信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平在所述第二信令带中来检测所述供电欠压故障；
基于在所述第一引脚处检测到的信号电平处于在所述第一标称范围之外的第四信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平在所述第二信令带中来检测所述过温故障，所述第三信令带和所述第四信令带彼此不交叠；
基于在所述第一引脚处检测到的信号电平在所述第四信令带中并且在所述第二引脚处检测到的信号电平在所述第一信令带中来检测所述相故障；以及
基于在所述第一引脚处检测到的信号电平在所述第三信令带中以及在所述第二引脚处检测到的信号电平在所述第一信令带中来检测所述自举供电欠压故障。
21.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述控制电路被配置成将向所述控制器报告故障的功率级排除在调节之外。
22.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述控制电路被配置成向与所述电压调节器相关联的更高级系统报告故障类型和对所述故障进行报告的功率级。
23.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述控制电路被配置成随时间跟踪功率级故障和对应的故障类型。
24.根据权利要求12所述的控制器，其中，由所述故障分析电路用于识别故障类型和对故障类型进行报告的功率级的状态信息包括以下信息中的至少一个：指示所述功率级是否处于启动模式的信息，指示所述功率级是否处于低功率模式的信息，指示所述故障类型是否通过所述功率级进入及退出低功率模式而清除的信息，以及指示所述功率级是否正在切换的信息。
25.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述控制电路被配置成随时间跟踪所述第一引脚和所述多个第二引脚的状态，以确定当对所述故障进行报告的功率级进入睡眠模式时功率级故障是否被清除，并且基于所述第一引脚和所述多个第二引脚的跟踪状态来确定相应的故障类型。
26.一种电压调节器系统，包括：
多个功率级，每个功率级包括：
一个或更多个功率晶体管开关，被配置成输出功率级的相电流；
一个或更多个功率晶体管栅极驱动器，被配置成使所述一个或更多个功率晶体管开关关断或导通；
故障检测电路，被配置成检测所述功率级中的一个或更多个故障，所述一个或更多个故障包括：
相电流超过正电流限制的正过电流故障和相电流超过负电流限制的负过电流故障中至少之一；
过温故障，其中所述功率级的温度超过温度限制；
所述功率晶体管的输出级中的相故障；
自举供电欠压故障，其中耦合至所述一个或更多个功率晶体管栅极驱动器的自举电容器的电压低于目标自举电压电平；以及
供电欠压故障，其中所述功率级的供电电压低于目标供电电压电平；以及
报告电路，被配置成监测和报告所述功率级的信息，包括：
当没有检测到故障时，报告在所述功率级的第一引脚处的第一标称范围中的关于所述功率级的温度信息；
当没有检测到故障时，报告在所述功率级的第二引脚处的第二标称范围中的关于所述功率级的相电流信息；以及
报告在所述第一引脚处的第一标称范围之外的带外信令范围中的和/或在所述第二引脚处的第二标称范围之外的带外信令范围中的任何故障，使得所述故障检测电路被配置来检测的每种类型的故障在所述第一引脚处和所述第二引脚处具有唯一故障特征；
控制器，包括：
第一引脚，其耦合至每个功率级的第一引脚并且被配置成接收来自所述多个功率级的集合温度信息，所述集合温度信息指示由所有功率级报告的最高温度；
多个第二引脚，所述控制器的每个第二引脚耦合至所述功率级中的一个的第二引脚并且被配置成接收来自所述功率级的相电流信息；
控制电路，被配置成控制所述功率级的操作；
检测电路，被配置成检测在所述控制器的第一引脚和第二引脚处的信号电平，其中，在第一标称范围中的集合温度信息在所述控制器的所述第一引脚处被报告给所述控制器，并且在第二标称范围中的相电流信息在所述控制器的所述第二引脚中的每个处被报告给所述控制器；以及
故障分析电路，被配置成基于在所述控制器的第一引脚和第二引脚处检测到的信号电平并且还基于所述控制器能够访问的状态信息来识别报告给所述控制器的故障类型和对故障进行报告的功率级，报告给所述控制器的每个故障类型在所述控制器的所述第一引脚和所述第二引脚处具有唯一故障特征，其在所述第一标称范围和所述第二标称范围中至少一个之外。
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