CN112214059B

CN112214059B - 一种电压调整电路及其方法

Info

Publication number: CN112214059B
Application number: CN202010853580.4A
Authority: CN
Inventors: 葛挺; 黄道成
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: US20210194360A1; CN112214059A; US11043896B1

Abstract

本发明公开了一种电压调整电路及其方法。所述电压调整电路包括开关电路和控制电路。开关电路接收输入电压，提供输出电压和输出电流。控制电路提供控制信号以控制开关电路，使得当输出电流小于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流大于转折电流时，输出电压随着输出电流的增大而减小。所述控制电路产生注入电流，参与输出电压的调节，使其保持为钳位电压。相对于传统自适应电压定位控制，本发明可实现输出电压独立于输出电流，满足新型应用场合的需要。

Description

一种电压调整电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种电子电路，并且更具体地，涉及具有自适应电压定位的电压调整电路及其控制方法。

背景技术

自适应电压定位(Adaptive Voltage Position，AVP)控制被广泛应用于笔记本电脑、台式计算机和服务器等电子设备中的电压调整器(Voltage Regulator，VR)，以减少暂态期间的电压尖峰，实现更好的动态电压调节。现有AVP控制的基本思路如图1所示。随着电压调整电路的输出电流Io增加，电压调整电路的输出电压Vo减小，二者呈线性关系，输出电压Vo的范围位于Vmax和Vmin之间。Vmax是电压调整电路所允许的最大输出电压电平，而Vmin是电压调整电路所允许的最小输出电压电平。换言之，输出电压Vo被电压调整电路所控制，使其在满载时略高于Vmin，在轻载时略低于Vmax。如此，所形成的输出电压容差窗口可应对暂态期间的电压升高或降低。AVP控制可以减小、减少所使用的输出电容器，且降低成本。

然而，由于电子设备迅猛发展，对于AVP控制而言，不断出现新的要求和挑战。在传统的AVP控制下，输出电压Vo取决于输出电流Io。但是，在某些应用场合中，要求输出电压Vo独立于输出电流Io。因此，需要一种新的AVP控制方法及其电路。

发明内容

本发明的实施例旨在提供一种用于电压调整电路的控制电路，所述电压调整电路包括开关电路，所述开关电路根据输入电压提供输出电压和输出电流，所述控制电路提供控制信号以控制开关电路，使得，当输出电流小于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流大于转折电流时，输出电压随着输出电流的增大而减小。

本发明的实施例旨在提供一种电压调整电路，包括以上所述的控制电路。

本发明的实施例旨在提供一种电压调整方法，包括：根据根据输入电压提供输出电压和输出电流；以及调整输出电压，使得，当输出电流低于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流高于转折电流时，输出电压随着输出电流的增加而减小。

附图说明

图1示出了传统AVP控制的基本思路；

图2示出了根据本发明一实施例的电压调整电路的输出电压Vo对输出电流Io的负载曲线；

图3示出了根据本发明一实施例的电压调整电路300的电路结构；

图4示出了根据本发明一实施例的控制电路302的电路结构；

图5示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路32的电路结构；

图6示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路42的电路结构；

图7示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路52的电路结构；

图8示出了根据本发明一实施例的电压调整方法800的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图2示出了根据本发明一实施例的电压调整电路的输出电压Vo对输出电流Io的负载曲线。图2中，转折电流Ipp代表负载曲线的转折点。在曲线第一段，即输出电流Io低于转折电流Ipp时，输出电压Vo保持为钳位电压Vx，与输出电流Io无关，故曲线第一段中输出电压Vo与输出电流Io之间的关系可以表示为：

Vo＝Vx (1)

在曲线第二段，即输出电流Io高于转折电流Ipp时，输出电压Vo随输出电流Io的增加而减小，二者呈线性关系。这与传统AVP控制相同，故曲线第二段中输出电压Vo与输出电流Io之间的关系可以表示为：

Vo＝Vref-Req*Io (2)

其中Vref为参考电压，Req为曲线第二段的斜率。在一个实施例中，参考电压Vref由微处理器的电压识别码(Voltage Identification，VID)确定。本领域普通技术人员理应知晓，只要确定了参考电压Vref，曲线第二段的斜率Req和钳位电压Vx，转折电流Ipp便可随之确定。

图3示出了根据本发明一实施例的电压调整电路300的电路结构。在图3中，电压调整电路300包括：开关电路301，接收输入电压Vin并提供输出电压Vo和输出电流Io；控制电路302，向开关电路301提供控制信号Ctrl，从而，当输出电流Io低于转折电流Ipp时，输出电压Vo保持为钳位电压Vx，当输出电流Io高于转折电流Ipp时，输出电压Vo随着输出电流Io的增加而减小。钳位电压Vx可以根据实际应用中不同的需求来设置。

如图3所示，控制电路302包括：注入电流生成电路22，基于表征输出电压Vo的输出电压检测信号Vosen以及钳位电压Vx，产生注入电流Iinj；AVP处理电路24，接收注入电流Iinj、输出电压检测信号Vosen以及表征输出电流Io的输出电流检测信号Iosen，并提供反馈电压Vfb；比较电路26，接收反馈电压Vfb和参考电压Vref，并提供控制信号Ctrl。

图4示出了根据本发明一实施例的控制电路302的电路结构。在图4中，注入电流生成电路22包括单向压控电流源。该单向压控电流源接收输出电压检测信号Vosen和钳位电压Vx，产生注入电流Iinj。注入电流Iinj与输出电压检测信号Vosen和钳位电压Vx之间的差值成正比，此关系可以表示为：

Iinj＝Ag(Vosen-Vx) (3)

其中Ag为单向压控电流源的跨导系数。在一个实施例中，输出电压检测信号Vosen即等于输出电压Vo。

AVP处理电路24包括：电流源51，基于输出电流检测信号Iosen(图中未示出)提供电流值为Kc*Io的跌落电流，其中Kc为电流比例系数；电阻61，其阻值为Rd。反馈电压Vfb为电流源51与电阻61的连接节点处的节点电压，故反馈电压Vfb可以表示为：

Vfb＝Vosen+Rd(Kc*Io+Iinj) (4)

本领域普通技术人员应当知晓，AVP处理电路24通常也应用于传统AVP控制。在传统AVP控制中，输出电压Vo与输出电流Io的负载曲线为线性，其斜率为Rd*Kc。换言之，图2中曲线第二段的斜率Req即为Rd*Kc。电阻61又被称为跌落电阻，其两端的电压被称为跌落电压。需要明确的是，传统AVP控制中跌落电压为Rd*Kc*Io，而本发明中跌落电压为Rd(Kc*Io+Iinj)。在本发明的其他实施例中，电阻61可以被任何其他形式的电流-电压转换器替代。只要是在电流-电压转换器两端产生跌落电压，并且该跌落电压是基于注入电流Iinj及跌落电流Kc*Io之和产生，就未脱离本发明的范围。

比较电路26包括比较器。该比较器接收反馈电压Vfb和参考电压Vref，并基于反馈电压Vfb和参考电压Vref提供控制信号Ctrl。因此，便有另一关系式：

Vfb＝Vref (5)

根据关系式(2)，转折电流Ipp为：

Ipp＝(Vref-Vx)/Req＝(Vref-Vx)/(Rd*Kc) (6)

根据关系式(3)-(6)，注入电流Iinj为：

Iinj＝(Ipp-Io)*Kc*Rd/(1/Ag+Rd) (7)

如果跨导系数Ag为无穷大，则注入电流Iinj为：

Iinj＝Kc(Ipp-Io) (8)

将关系式(8)代入关系式(4)，结合关系式(5)，则输出电压检测信号Vosen可以被改写为Vosen＝Vref-Rd(Kc*Io+Kc(Ipp-Io))。将此式加以简化，并结合以上关系式，可得到Vosen＝Vx。由于输出电压检测信号Vosen的值等于输出电压Vo，因此输出电压Vo与钳位电压Vx相等。换言之，注入电流生成电路22所产生的注入电流Iinj参与了输出电压Vo的调节，使得输出电压Vo能保持为钳位电压Vx。

需要注意的是，根据单向压控电流源的特性，且考虑到关系式(8)，当输出电流Io增加到高于转折电流Ipp后，注入电流Iinj变为零。正如图2中曲线第二段所示，此时输出电压Vo随着输出电流Io的增加而减小。在实际应用中，为了实现本发明的目的，跨导系数Ag将被设计为足够大，即1/Ag要远小于阻值Rd。在本发明一个实施例中，跨导系数Ag被设计为1/Ag小于阻值Rd的1/10。

图5示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路32的电路结构。在图5中，注入电流生成电路32包括：比较器53，接收钳位电压Vx和输出电压检测信号Vosen，并提供比较信号COMP；晶体管63，基极接收比较信号COMP，射极提供注入电流Iinj；上拉电阻71，耦合到电压源和晶体管63的集极。由于晶体管63是单向的，当输出电压Vo(即输出电压检测信号Vosen)低于钳位电压Vx时，即，当输出电流Io高于转折电流Ipp时，晶体管63射极处提供的注入电流Iinj将变为零。

图6示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路42的电路结构。如上所述，只要满足关系式(8)，输出电压Vo将保持为钳位电压Vx。因此，在图6中，注入电流生成电路42包括：电流源81，提供电流值为Kc*Io的第一电流；电流源82，提供电流值为Kc*Ipp的第二电流；电流控制电流源83，接收第一电流和第二电流，并基于第一电流与第二电流之间的差值提供注入电流Iinj。

图7示出了根据本发明一实施例的注入电流生成电路52的电路结构。与图5不同的是，在图7中，比较器55通过电阻74接收第一电流，通过电阻75接收第二电流，且电阻74和电阻75具有相同的阻值。

在本发明的一实施例中，AVP处理电路24和比较电路26集成于同一芯片内，而注入电流生成电路22独立于芯片外部。在本发明的另一实施例中，注入电流生成电路22、AVP处理电路24和比较电路26都集成于同一芯片内。

图8示出了根据本发明一实施例的电压调整方法800的流程图。电压调整方法800包括以下步骤：

步骤801，根据输入电压提供输出电压和输出电流；

步骤802，调整输出电压，使得，当输出电流低于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流高于转折电流时，输出电压随着输出电流的增大而减小。

在本发明的一个实施例中，步骤802包括：产生注入电流，根据电流比例系数，所述注入电流的大小与转折电流和输出电流之间的差值成比例关系，且当输出电流高于转折电流时，电流为零；产生反馈电压，所述反馈电压为所述输出电压与跌落电压之和，所述跌落电压基于所述注入电流与跌落电流之和产生，其中，根据所述电流比例系数，所述跌落电流与所述输出电流成比例关系。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于电压调整电路的控制电路，所述电压调整电路包括开关电路，所述开关电路根据输入电压提供输出电压和输出电流，其中所述控制电路包括：

注入电流生成电路，产生注入电流，其中，当输出电流小于转折电流时，根据电流比例系数，所述注入电流与转折电流和输出电流之间的差值成比例关系，当输出电流大于转折电流时，所述注入电流为零；以及

自适应电压定位处理电路，产生反馈电压，所述反馈电压为所述输出电压与跌落电压之和，其中，根据跌落电阻的阻值，所述跌落电压基于所述注入电流与跌落电流的和值产生，根据所述电流比例系数，所述跌落电流与所述输出电流成比例关系；以及

比较电路，接收所述反馈电压和参考电压，提供控制信号以控制开关电路，使得，当输出电流小于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流大于转折电流时，输出电压随着输出电流的增大而减小。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中注入电流生成电路包括：

单向压控电流源，接收钳位电压和表征输出电压的输出电压检测信号，产生注入电流，其中，根据跨导系数，所述注入电流与输出电压检测信号和钳位电压之间的差值成比例关系，所述跨导系数的倒数小于跌落电阻阻值的十分之一。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中注入电流生成电路包括：

比较器，接收钳位电压和表征输出电压的输出电压检测信号，基于钳位电压和输出电压检测信号，产生比较信号；

晶体管，基极接收比较信号，射极提供注入电流；以及

上拉电阻，耦接到电压源和所述晶体管的集极。

4.如权利要求1所述的控制电路，其中注入电流生成电路包括：

第一电流源，提供第一电流，根据所述电流比例系数，第一电流与输出电流成比例关系；

第二电流源，提供第二电流，根据所述电流比例系数，第二电流与转折电流成比例关系；以及

电流控制电流源，接收第一电流和第二电流，基于第二电流与第一电流之间的差值提供注入电流。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中注入电流生成电路包括：

比较器，通过第一电阻接收第一电流，通过第二电阻接收第二电流，基于第一电流和第二电流，所述比较器产生比较信号，其中，根据所述电流比例系数，第一电流与输出电流成比例关系，第二电流与转折电流成比例关系，第一电阻的阻值与第二电阻的阻值相等；

晶体管，基极接收比较信号，射极提供注入电流；以及

上拉电阻，耦合到电压源和晶体管的集极。

6.一种电压调整电路，包括权利要求1-5任一项所述的控制电路。

7.一种电压调整方法，包括：

根据输入电压提供输出电压和输出电流；以及

调整输出电压，使得，当输出电流低于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流高于转折电流时，输出电压随着输出电流的增加而减小；其中

调整输出电压的步骤包括：

产生注入电流，其中，当输出电流小于转折电流时，根据电流比例系数，所述注入电流与转折电流和输出电流之间的差值成比例关系，当输出电流大于转折电流时，所述注入电流为零；以及

产生反馈电压，所述反馈电压为所述输出电压与跌落电压之和，其中，根据跌落电阻的阻值，所述跌落电压基于所述注入电流与跌落电流的和值产生，根据所述电流比例系数，所述跌落电流与所述输出电流成比例关系。

8.一种电压调整方法，包括：

根据输入电压提供输出电压和输出电流；以及

调整输出电压，使得，当输出电流低于转折电流时，输出电压保持为钳位电压，当输出电流高于转折电流时，输出电压随着输出电流的增加而减小；

其中，调整输出电压的步骤包括：

产生注入电流，其中，当输出电流小于转折电流时，根据跨导系数，所述注入电流与输出电压和钳位电压之间的差值成比例关系，当输出电流大于转折电流时，所述注入电流为零，所述跨导系数的倒数小于跌落电阻阻值的十分之一；以及

产生反馈电压，所述反馈电压为所述输出电压与跌落电压之和，其中，根据跌落电阻的阻值，所述跌落电压基于所述注入电流与跌落电流的和值产生，根据电流比例系数，所述跌落电流与所述输出电流成比例关系。