CN112583261A - 具有脉冲截断控制的开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种具有脉冲截断控制的开关变换器。一种系统(1500)，其包括负载(1520)和耦接至负载(1520)的开关变换器(1502)。该开关变换器(1502)包括至少一个开关模块(1504、1506)和耦接至每个开关模块的开关节点的输出电感器(1508)。开关变换器(1502)还包括耦接至每个开关模块(1504、1506)的控制器(1510)，其中控制器(1510)被配置为调整每个开关模块(1504、1506)的脉冲时钟速率和开关导通时间。控制器(1510)包括脉冲截断电路(1514)，该脉冲截断电路(1514)被配置为检测电压过冲条件并且响应于检测到的电压过冲条件而截断有源开关导通时间脉冲。

Description

具有脉冲截断控制的开关变换器
背景技术
在单相开关变换器中，开关被打开和闭合以控制单个输出电感器中的电流的量和电流的方向。单相开关变换器的输出节点上的电压是输出电感器中电流的函数。输出电容器用于在开关变换器的输出节点上存储电荷。输出节点耦接至负载，该负载通常随时间变化。
在多相开关变换器中，多个变换器电路以不同的相计时，其中每个变换器电路具有其自己的输出电感器。来自多个变换器电路的输出在多相开关变换器的输出节点处被组合。使用多相变换器，与单相变换器相比，输出节点处的电压纹波的量减少。
对于单相开关变换器和多相开关变换器两者，使用诸如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)的技术预定不同开关的开关导通时间。尽管这些技术已被接受，但仍在努力更好地减少输出电压(VOUT)过冲条件或降低VOUT的纹波。
发明内容
根据本公开的至少一个示例，一种系统包括负载和耦接至该负载的开关变换器。该开关变换器包括至少一个开关模块和耦接至每个开关模块的开关节点的输出电感器。开关变换器还包括耦接至每个开关模块的控制器，其中，控制器被配置为调整每个开关模块的脉冲时钟速率和开关导通时间。该控制器包括脉冲截断电路，该脉冲截断电路被配置为检测电压过冲条件并且响应于检测到的电压过冲条件而截断有源开关导通时间脉冲。
根据本公开的至少一个示例，开关变换器电路包括开关模块和耦接至开关模块的控制器。该控制器包括脉冲截断电路，该脉冲截断电路具有比较器，该比较器的第一输入节点耦接至开关变换器电路的输出节点，并且第二输入节点耦接至过冲电压阈值节点。控制器还包括耦接至脉冲截断电路的开关导通时间电路。开关导通时间电路包括耦接至脉冲截断电路的脉冲控制锁存器。
根据本公开的至少一个示例，多相开关变换器电路包括多个开关导通时间电路，该多个开关导通时间电路中的每个耦接至相应的开关模块。多相开关变换器电路还包括耦接至多个开关导通时间电路的脉冲截断电路。脉冲截断电路被配置为响应于检测到的电压过冲条件而截断有源开关导通时间脉冲。
附图说明
对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：
图1是示出根据各种示例的多相开关变换器的示意图；
图2是示出根据各种示例的针对多相开关变换器的波形的时序图；
图3是示出根据各种示例的针对多相开关变换器的负载升压场景的波形的时序图；
图4是示出根据各种示例的针对多相开关变换器的负载降压场景的波形的时序图；
图5是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路的开关变换器控制器的示意图；
图6是示出根据各种示例的与脉冲截断控制场景有关的波形的时序图；
图7是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路的多相开关变换器的示意图；
图8A是示出根据各种示例的多核处理器和相关模式的框图和曲线图；
图8B是示出根据各种示例的针对多核处理器的每个核的不同模式和时钟频率的曲线图；
图9是示出根据各种示例的具有脉冲截断控制的多相开关变换器的波形的时序图；
图10是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路和导通时间补偿电路的多相开关变换器的示意图；
图11是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路和导通时间补偿电路的开关变换器控制器的示意图；
图12是示出根据各种示例的具有脉冲截断和导通时间补偿控制的多相开关变换器的波形的时序图；
图13是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路和导通时间补偿电路的开关变换器控制器的示意图；
图14是示出根据各种示例的脉冲截断和导通时间补偿的时序图；和
图15是根据各种示例的系统的框图。
具体实施方式
本文描述了具有脉冲截断控制的开关变换器。在一些示例中，所公开的开关变换器还包括考虑脉冲截断的导通时间补偿控制。在不同的示例中，具有脉冲截断控制的开关变换器可以是单相开关变换器或多相开关变换器。在具有脉冲截断的单相开关变换器的一些示例中，响应于脉冲截断，将导通时间补偿应用于单个脉冲。应用于单个随后的脉冲的导通时间补偿的量(例如，以增加单个脉冲的持续时间)可以基于脉冲截断的量或另一控制方案。在具有脉冲截断的单相开关变换器的其他示例中，响应于脉冲截断，导通时间补偿被应用于多个脉冲。应用于多个随后的脉冲的导通时间补偿的量(例如，以增加多个脉冲中的每个的持续时间)可以基于脉冲截断的量或另一控制方案。
在具有脉冲截断的多相开关变换器的一些示例中，响应于脉冲截断，将导通时间补偿应用于单个随后的脉冲。应用于单个随后的脉冲的导通时间补偿的量(例如，以增加单个脉冲的持续时间)可以基于脉冲截断的量或另一控制方案。在具有脉冲截断的多相开关变换器的其他示例中，响应于脉冲截断，将导通时间补偿应用于不同相的随后的脉冲。应用于不同相的随后的脉冲的导通时间补偿的量(例如，以增加或减少这些脉冲的持续时间)可以基于脉冲截断的量或另一控制方案。利用公开的脉冲截断选项，减少了输出电压过冲的量。利用公开的导通时间补偿选项，减少了电感器电流不平衡问题。为了提供更好的理解，以下使用附图描述了具有脉冲截断的开关变换器的各种选项。
图1是示出根据各种示例的多相开关变换器100的示意图。如图所示，多相开关变换器100包括多个开关模块102A-102N。在图1的示例中，多个开关模块102A-102N中的每个包括各自的栅极驱动器(例如，栅极驱动器104A-104N)、各自的电流感测电路(例如，电流感测电路106A-106N)以及各自的开关(例如，功率场效应晶体管(FET)108A-108N)。在其他示例中，开关模块102A-102N中的每个包括额外的部件或更少的部件。如图所示，多个开关模块102A-102N的每个输出经由各自的输出电感器(例如，L1-LN)耦接至输出节点130。输出节点130还经由电阻器(R1)耦接至输出电容器(COUT)的第一(例如，顶部)端子，该电阻器(R1)代表COUT的等效串联电阻(ESR)。COUT的第二(例如，底部)端子耦接至接地节点。而且，输出节点130耦接至负载(RLOAD)，该负载基于开关模块102A-102N和控制器112的操作被供电。
在图1的示例中，控制器112包括环路补偿电路114、相管理器电路116、电流共享电路120、导通时间(Ton)生成器电路122A-122N以及组合电路124。更具体地，环路补偿电路114耦接至输出节点130、电流共享电路120和组合电路114。在操作中，环路补偿电路114向相管理器电路116提供时钟信号(CLK)，其中CLK基于VOUT、组合电路124提供的组合电流值(标记为I_L1至I_LN的感测值的组合)和电流共享电路120提供的平均电感器电流值(I_AVG)。相管理器116为Ton生成器电流122A-122N中的每个选择相，其基于CLK和由相管理器116选择的相输出脉冲。从Ton生成器电路122A-122N输出的脉冲被提供到各个开关模块102A-102N，以控制各个功率FET 108A-108N何时导通。在图1的示例中，从Ton生成器电路122A-122N输出的脉冲是脉冲宽度调制(PWM)信号(PWM1-PWMN)。
图2是示出根据各种示例的多相开关变换器(例如，图1的多相开关变换器100)的波形(例如，波形202、212、222、232、242、252和262)的时序图200。更具体地，波形202对应于VOUT信号，波形212对应于I_AVG信号，波形222对应于补偿(COMP)信号，波形232对应于CLK信号，并且波形242、252和262对应于PWM信号(例如，PWM1、PWM2和PWM3)。在时序图200中，如波形202所示，VOUT在上阈值204和下阈值206之间来回移动。此外，如波形202和波形212所示，VOUT的变化是I_AVG的函数(当I_AVG增大时，VOUT增大)。在图2的示例中，COMP是环路补偿电路114内部的信号(例如，COMP或代表信号是环路补偿电路114的比较器的输入中的一个，其中比较器输出产生CLK信号)。在一些示例中，使用跨导增益级可以获得COMP信号，该跨导增益级接收VOUT、目标调整参考电压、VREF和总电流(I_L1至I_LN)作为输入。如图所示，由波形232表示的CLK信号用于确定PWM1、PWM2和PWM3的脉冲的时序。更具体地，CLK信号的每个脉冲的上升沿用于启动不同的PWM脉冲(例如，PWM1、PWM2、PWM3)。
图3是示出根据各种示例的针对多相开关变换器(例如，图1的开关变换器100)的负载升压场景的波形(例如，波形312、322、332、342、352、362、372和382)的时序图300。更具体地，波形312对应于ILOAD信号，波形322对应于VOUT信号，波形332对应于I_AVG信号，波形342对应于COMP信号，波形352对应于CLK信号，并且波形362、372和382对应于PWM信号(例如，PWM1、PWM2和PWM3)。在时序图300中，如波形312所示，在给定时间t1开始，ILOAD从低转变到高。此外，如波形322所示，VOUT在t1开始，开始降低。此外，如波形332所示，I_AVG在t1开始，开始增大。如图所示，如波形342所示，COMP信号通过连接I_AVG的低点(谷点)跟踪I_AVG。此外，如波形352所示，CLK信号的频率在t1开始增大一段时间。随着CLK信号在t1的频率增大，PMW1、PWM2和PWM3的多相信号的相更加接近。
图4是示出根据各种示例的针对多相开关变换器(例如，图1的开关变换器100)的负载降压场景的波形(例如，波形412、422、432、442、452、462、472和482)的时序图400。更具体地，波形412对应于ILOAD信号，波形422对应于VOUT信号，波形432对应于I_AVG信号，波形442对应于COMP信号，波形452对应于CLK信号，并且波形462、472和482对应于PWM信号(例如，PWM1、PWM2和PWM3)。在时序图400中，如波形412所示，在给定时间t2开始，ILOAD从高转变到低。此外，如波形422所示，VOUT在t2开始，开始增大。此外，如波形432所示，I_AVG在t2开始，开始减小。如图所示，如波形442所示，COMP信号通过连接I_AVG的低点(谷点)跟踪I_AVG。此外，如波形452所示，CLK信号的频率在t2开始下降一段时间。随着CLK信号在t2的频率降低，PMW1、PWM2和PWM3的多相信号的相进一步分离。时序图400的负载降压场景导致电压过冲条件，其中额外的能量被提供到输出电容器(例如，图1中的COUT)。减少或避免电压过冲条件可提高开关变换器的效率。
图5是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路520的开关变换器控制器500的示意图。如图所示，开关变换器控制器500还包括Ton生成器电路504和环路补偿电路502。在图5的示例中，环路补偿电路502基于VOUT和VREF提供CLK信号。更具体地，VOUT由输出节点(例如，图1中的输出节点130)提供，并且VREF由参考生成器电路506提供。在图5的示例中，参考生成器电路506基于VDAC值和电感器电流感测值(I_L)提供VREF。I_L值例如是从电流感测电路(例如，电流感测电路106A-106N中的一个)接收的。同时，VDAC值是预设的调节目标电压，或者可以从微处理器接收。如图所示，参考生成器电路506是图5的示例中的Ton生成器电路504的一部分。在其他示例中，参考生成器电路506耦接至Ton生成器电路504，以将VREF提供到Ton生成器电路504的比较器510。当C_TON上的电压大于VREF时，比较器510输出高信号。否则，比较器510输出低信号。
在图5的示例中，使用电流源508和开关(S1)将αVIN选择性地提供到比较器510。当S1断开时，αVIN对电容器(C_TON)充电并被提供到比较器510的正输入端子，其中将基于所需的开关频率选择α。一旦C_TON上的电压大于VREF，比较器510就输出高电平信号，该信号将关闭S1，以将C_TON上的电压放电至地。如图所示，比较器510的输出是脉冲截断电路520的OR门526的输入中的一个。到OR门526的其他输入是脉冲截断电路520的比较器524的输出。到比较器524的输入包括组合电路522和VOUT的输出。如图所示，到组合电路522的输入包括VREF和过冲电压阈值(V_OSR_TH)。当VOUT大于组合电路522的输出时，比较器524的输出为高。当OR门526的输出为高时，RS锁存器512的R输入为高，并且来自RS锁存器512的输出为低。另一方面，当OR门524的输出为低时，RS锁存器512的R输入为低，由环路补偿电路502提供的CLK信号作为PWM信号从RS锁存器512输出。
图6是示出根据各种示例的与脉冲截断控制场景有关的波形(例如，波形602、612、622、632、642)的时序图600。更具体地，波形602对应于过冲减少(OSR)信号，波形612对应于PWM信号(例如，PWM1)，波形622对应于电感器电流信号(例如，I_L1)，波形632对应于输出电流信号(IOUT)，并且波形642对应于VOUT信号。在时序图600中，如波形612、622、632和642所示，t1之前的时间是高负载条件，其中IOUT为高，PWM1的脉冲稳定，I_L1根据PWM1沿在上限值与下限值之间转换，VOUT保持在低值附近。在t1，负载从高负载转变为低负载。结果，如波形632和642所示，IOUT变低并且VOUT开始增大。响应于VOUT增大到阈值之上，OSR信号变高，这导致执行脉冲截断。通过脉冲截断，与未执行脉冲截断的情况相比，I_L1开始放电更早(波形624表示没有脉冲截断的I_L1)。通过脉冲截断，与没有脉冲截断的VOUT相比，如波形642和644所示(波形644表示没有脉冲截断的VOUT)，在VOUT中实现过冲减小646。在时序图600中，表示单相脉冲截断场景。在其他示例中，执行多相脉冲截断。
图7是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路520A(图5中的脉冲截断电路520的示例)的多相开关转换器700的示意图。如图所示，多相开关转换器700包括图1中描述的开关模块102A-102N，以及L1-LN、R1、COUT和RLOAD。同样，多个开关模块102A-102N中的每个包括各自的栅极驱动器(例如，栅极驱动器104A-104N)、各自的电流感测电路(例如，电流感测电路106A-106N)和各自的开关(例如，功率FET 108A-108N)。在其他示例中，开关模块102A-102N中的每个包括额外的部件或更少的部件。同样，多个开关模块102A-102N的每个输出经由各自的输出电感器(L1-LN)耦接至输出节点130。输出节点130耦接至RLOAD，RLOAD基于开关模块102A-102N和控制器712的操作被供电。
在图7的示例中，控制器712包括环路补偿电路714和相管理器电路716(类似图1中的环路补偿电路114相位管理器电路116)、电流共享电路720(类似图1中的电流共享电路120)、Ton生成器电路704A-704N和组合电路724(类似图1中的组合电路124)。在一些示例中，Ton生成器电路704A-704N中的每个包括图5中的Ton生成器电路504的电路系统。此外，控制器712包括脉冲截断电路520A(图5中的脉冲截断电路520的示例)。在操作中，脉冲截断电路520A被配置为响应于VOUT大于阈值而输出OSR信号。Ton生成器电路704A-704N中的每个使用OSR信号以防止在OSR信号为高时输出CLK信号。一旦OSR信号再次为低，除非αVIN大于VREF(例如，除非图5中输入到OR门526的其他输入为高)，否则Ton生成器电路704A-704N使CLK信号通过。使用图7的多相开关变换器700，脉冲截断操作减少了VOUT过冲。
图8A是示出根据各种示例的多核处理器813和相关模式的框图和曲线图802。在图8中，多核处理器813包括多个核816A-816和各自的集成电压调节器(IVR)电路814A-814D。如图所示，IVR电路814A-814D从电压调节器812接收电压供应(VCC)信号，并将各自的电压(VCORE1-VCORE4)提供到核816A-816D中的每个。核816A-816D还接收各自的频率(f_CLK1-f_CLK4)。根据一些示例，电压调节器812是如本文所述的具有脉冲截断的单相开关变换器或多相开关变换器。电压调节器812还可以包括如本文所述的导通时间补偿。如曲线图802所示，从电压调节器812提供到多核处理器813的输出电流(IOUT)804随时间变化，其中IOUT的最高值归因于涡轮增压模式，在涡轮增压模式中，所有核816A-816D处于导通状态并以涡轮增压频率计时。在图8A的示例中，IOUT的范围在100A-220A之间。在其他示例中，IOUT可以根据多核处理器具有的核数量和操作频率而变化。
图8B是示出根据各种示例的多核处理器(例如，图8A中的多核处理器813)的每个核(例如，图8A中的核816A-816D)的不同模式和时钟频率的曲线图821。在图8B的示例中，第一核(CORE1)运行视频游戏应用程序822，其中CORE1被配置为在与基本频率856相关联的第一模式和与涡轮增压频率858相关联的第二模式之间切换。此外，第二核(CORE2)运行应用程序832，其中CORE2被配置为以低于基本频率856的频率进行操作。此外，第三核(CORE3)运行流传输应用程序842，其中CORE3被配置为在与低于基本频率856的频率相关联的第一模式和与涡轮增压频率858相关联的第二模式之间切换。此外，第四核(CORE4)运行安全软件应用程序832，其中CORE4被配置为以低于基本频率856的频率操作。如图8B所示，多核处理器的核中的每个可以运行不同的应用程序，并且可以支持多个时钟频率模式。在该示例多核处理器场景中，IOUT的持续变化使其自身适用于本文所述的具有脉冲截断的开关变换器。
图9是示出根据各种示例的针对具有脉冲截断控制的多相开关变换器(例如，图7的多相变换器700)的波形的时序图900。在时序图900中，波形902是OSR信号，波形904是PWM1信号，波形906是PWM2信号，波形908是PWM3信号，波形910是PWM4信号，波形912是PWM5信号，波形914是PWM6信号，波形916是PWM7信号，波形918是PWM8信号。此外，波形920是IOUT信号，波形930是VOUT信号，并且波形938表示I_L1至I_L8信号，其中波形940对应于I_L6，波形950对应于I_L7。
在时序图900中，负载随时间变化，这导致IOUT如波形920所示在高状态和低状态之间转换。IOUT的变化导致VOUT如波形920和930所示发生变化。当VOUT高于阈值时，如波形902所示，OSR信号变高。高OSR信号导致任何高PWM脉冲的脉冲截断。在图9的示例中，波形902所示的OSR信号的时序导致对与PWM6相对应的各个脉冲915A-915E和与PWM7相对应的各个脉冲917A-917E的脉冲截断。如波形940和波形950所示，如果在时序图900所示的相同相上重复出现脉冲截断，则这些相的电感器电流将随时间减小。多相开关变换器中的电感器电流的不均衡减小是不希望的。更重要的是，因为在这种情况下电流共享环路会断开，所以电流不平衡可能损坏功率MOSFET。为了解决这种不平衡的可能性，多相开关变换器可以执行导通时间补偿操作。
图10是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路1032和导通时间补偿电路1030A-1030N的多相开关变换器1000的示意图。如图所示，多相开关变换器1000包括图1中描述的开关模块102A-102N，以及L1-LN、R1、COUT和RLOAD。同样，多个开关模块102A-102N中的每个包括各自的栅极驱动器(例如，栅极驱动器104A-104N)、各自的电流感测电路(例如，电流感测电路106A-106N)和各自的开关(例如，功率FET 108A-108N)。同样，在其他示例中，开关模块102A-102N中的每个包括额外的部件或更少的部件。多个开关模块102A-102N中的每个输出经由各自的输出电感器(L1-LN)耦接至输出节点130。输出节点130耦接至RLOAD，RLOAD基于开关模块102A-102N和控制器1012的操作被供电。
在图10的示例中，控制器1012包括环路补偿电路1014和相管理器电路1016(类似图1中的环路补偿电路114和相管理器电路116)。控制器1012还包括电流共享电路1020(类似图1中的电流共享电路120)、组合电路1024(类似图1中的组合电路124)、Ton补偿电路1030A-1030N，以及脉冲截断电路1032。在操作中，脉冲截断电路1032被配置为响应于VOUT大于阈值而输出OSR信号。Ton补偿电路1030A-1030N中的每个使用OSR信号以执行脉冲截断操作和Ton补偿操作。使用图10的多相开关变换器1000，脉冲截断操作减少了VOUT过冲，并且Ton补偿操作减少了电感器电流不平衡。
图11是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路520和导通时间补偿电路1104的开关变换器控制器1100的示意图。如图所示，图11中的脉冲截断电路520与图5中的脉冲截断电路520相同。同时，Ton补偿电路1104是图10中的Ton补偿电路1030A-1030N中的每个的示例。在图11的示例中，Ton补偿电路1100包括为Ton生成器电路504所引入的许多部件。更具体地，Ton补偿电路1100包括参考生成器电路506、电流源508、S1、C_TON、比较器510和锁存器512。另外，Ton补偿电路1104包括采样保持(S&H)电路1110、缓冲器更新电路1106和组合电路1108。如图所示，S&H电路1110包括开关(S2)和组合电路1112。此外，控制器1100包括环路补偿电路1102，如本文所述的，该环路补偿电路1102被配置为基于VOUT和VREF提供CLK信号。
在操作中，除了调整被输入到比较器510的VREF值以考虑Ton补偿操作之外，Ton补偿电路1104和脉冲截断电路520被配置为执行图5中描述的Ton生成器电路504和脉冲截断电路520的Ton生成操作和脉冲截断操作。使用S&H电路1110，缓冲器更新电路1106和组合节点1108执行Ton补偿操作。更具体地，当OSR为高时，S2关闭以启动Ton补偿操作。在图11的示例中，使用S&H电路1110从VREF减去C_TON上的电压来实现Ton补偿。该相减的结果对应于提供到缓冲器更新电路1106的脉冲截断量。一旦确定了脉冲截断量，缓冲器更新电路1106就能够延长随后的PWM脉冲以考虑脉冲截断量。此外，缓冲器更新电路1106被配置为调整VREF以考虑脉冲截断量。在一个示例中，缓冲器更新电路1106使脉冲截断量在单个随后的脉冲中得到补偿。在另一示例中，缓冲器更新电路1106使脉冲截断量在多个随后的脉冲中被补偿。在不同的示例中，脉冲截断电路520和Ton补偿电路1104可以应用于单相开关变换器或多相开关变换器(例如，图10中的多相开关变换器1000)。利用Ton补偿电路1104，使用缓冲器在一个或多个随后的PWM周期中将被截断的占空比的量加回去。
图12是示出根据各种示例的具有脉冲截断和导通时间补偿控制的多相开关变换器(例如，图10中的多相变换器1000)的波形的时序图1200。在时序图1200中，波形1202是PWM1信号，波形1204是PWM2信号，波形1206是PWM3信号，波形1208是PWM4信号，波形1210是PWM5信号，波形1212是PWM6信号，波形1214是PWM7信号，波形1216是PWM8信号。另外，波形1284是IOUT信号，波形1286是VOUT信号，波形1288表示I_L1至I_L8信号。
在时序图1200中，负载随时间变化，这导致IOUT如波形1284所示在高状态和低状态之间转换。IOUT的变化导致VOUT如波形1284和1286所示发生变化。当VOUT高于阈值时，OSR信号变为高(未显示)。高OSR信号导致任何高PWM脉冲的脉冲截断。在图12的示例中，OSR信号的时序导致脉冲截断为各种脉冲，从而导致截断脉冲1220(与PWM8有关)、截断脉冲1230(与PWM7有关)、截断脉冲1240(与PWM6有关)、截断脉冲1250(与PWM5有关)、截断脉冲1260(与PWM4有关)、截断脉冲1270(与PWM3有关)和截断脉冲1280(与PWM1有关)。在图12的示例中，这些截断脉冲中的每个之后是考虑脉冲截断量的细长脉冲。更具体地，截断脉冲1220(与PWM8有关)之后是细长脉冲1222，截断脉冲1230(与PWM7有关)之后是细长脉冲1232，截断脉冲1240(与PWM6有关)之后是细长脉冲1242，截断脉冲1250(与PWM5有关)之后是细长脉冲1252，截断脉冲1260(与PWM4有关)之后是细长脉冲1262，截断脉冲1270(与PWM3有关)之后是细长脉冲1272，并且截断脉冲1280(与PWM1有关)之后是细长脉冲1282。使用Ton补偿，由波形1288所示的电感器电流(I_L1至I_L8)具有良好的动态电流共享。
图13是示出根据各种示例的具有脉冲截断电路520和导通时间补偿电路1304的开关变换器控制器1300的示意图。如图所示，图13中的脉冲截断电路520与图5中的脉冲截断电路520相同。同时，Ton补偿电路1304是Ton补偿电路1030A-1030N中的每个的示例。在图11的示例中，Ton补偿电路1300包括为Ton生成器电路504所引入的许多部件。更具体地，Ton补偿电路1300包括参考生成器电路506、电流源508、S1、C_TON、比较器510和锁存器512。另外，Ton补偿电路1304包括S&H电路1306和S&H电路1310。如图所示，S&H电路1310包括开关(S3)，该开关(S3)被配置为将OSR传递到多相开关变换器(例如，图10中的多相开关变换器1000)的其他相。另外，S&H电路1306存储来自其他相的S&H数据，其中响应于OSR为高，释放存储的S&H数据。通过S&H电路1306和S&H电路1310，在一个相中被截断的被采样占空比被用于截断后面的PWM周期中的任何其他相的占空比。以这种方式，通过对所有相施加相同的截断来平衡相电流。
图14是示出根据各种示例的脉冲截断和导通时间补偿的时序图1400。在时序图1400中，波形1402表示PWM_INT信号，波形1412表示OSR信号，波形1422表示PWM_EXT信号。波形1402、1012和1422表示一种场景：其中使用计数器记录脉冲截断时间到PWM下降沿实际事件之间的延迟。此后，在后续周期中增加Ton。在时序图中，Tcomp 1414对应于需要补偿的延迟。如果Tcounter是计数器的时间并且如果存在N个周期，则在接下来的N个周期中创建一个计数的下降沿延迟(例如，在时序图1400中增加延迟1424A和延迟1424B)。仅增加一个计数延迟确保相之间的纹波不立即且急剧变化。
图15是根据各种示例的系统1500的框图。如图所示，系统1500包括配置为接收VIN和VDAC的开关变换器电路1502。在一些示例中，从输入电压源接收VIN，并且VDAC是预设的调节目标电压，或者是从微处理器接收的可调整电压。在不同的示例中，开关变换器电路1502是单相开关变换器或多相开关变换器。如图所示，开关变换器电路1502包括耦接至开关1506(例如，参见本文所述的开关模块102A-102N)的栅极驱动器1504。开关1506耦接至至少一个输出电感器LOUT 1508。基于控制器1510的操作，栅极驱动器1504使开关1506断开或闭合，结果经由LOUT 1508向输出节点1530提供功率。如图所示，输出电容器(COUT)耦接在输出节点1530和接地节点1532之间，其中COUT存储的电荷为VOUT，其被施加到负载1520。在一些示例中，负载1520是多核处理器(例如，图8A中的多核处理器813)。例如，系统1500可以是具有多核处理器的企业服务器，其中每个核支持一个或更多个应用程序和不同的频率(例如，如图8A和图8B所述的基本频率、涡轮增压频率和/或其他频率)。此外，在一些示例中，负载1520包括动态随机存取存储器(DRAM)。
在一些示例中，控制器1510被配置为针对单相开关变换器或多相开关变换器的每个开关模块调整脉冲时钟速率(例如，CLK)和开关导通时间(Ton)。在图15的示例中，控制器1510包括脉冲截断电路1514(例如，图5中的脉冲截断电路520)、Ton补偿电路1512(例如，图10中的Ton补偿电路1030A-1030N、图11中的Ton补偿电路1104、图13中的Ton补偿电路1304)和环路补偿电路1516(例如，图5中的环路补偿电路502的示例、图7中的环路补偿电路714、图10中的环路补偿电路1014、图11中的环路补偿电路1102或图13中的环路补偿电路1302)。在一些示例中，环路补偿电路1516向Ton补偿电路1512提供CLK信号，其中CLK信号基于开关变换器电路1502的VOUT和VREF。
在一些示例中，脉冲截断电路1514被配置为检测电压过冲条件(例如，断言的OSR信号)并且响应于检测到的电压过冲条件，截断有源开关导通时间脉冲(例如，通过断言诸如锁存器512的锁存器的复位信号)。在图15的示例中，Ton补偿电路1512耦接至脉冲截断电路1512，其中Ton补偿电路1512被配置为确定何时由脉冲截断电路1514执行脉冲截断，并且响应于脉冲截断，延长或缩减至少一个随后的脉冲。在一些示例中，Ton补偿电路1512被配置为确定脉冲截断的量并且基于所确定的脉冲截断的量延长至少一个随后的脉冲。在一示例中，Ton补偿电路1512被配置为响应于脉冲截断，延长一个单相脉冲。在另一示例中，Ton补偿电路1512被配置为响应于脉冲截断，延长多个单相脉冲。在另一示例中，导通时间补偿电路1512被配置为响应于脉冲截断，缩减多个多相脉冲。
在一些示例中，脉冲截断电路1514包括比较器(例如，比较器524)，该比较器具有耦接至开关变换器电路的输出节点(例如，图7和图10中的节点130)的第一输入节点(例如，正输入端子)，并且具有耦接至过冲电压阈值节点(例如，图5中的组合电路522的输出)的第二输入节点(例如，负输入端子)。在一些示例中，开关导通时间电路(例如，图5中的Ton生成器电路504或Ton补偿电路1512的一部分)耦接至脉冲截断电路1514，其中，开关导通时间电路包括耦接至脉冲截断电路1514的脉冲控制锁存器(例如，图5中的锁存器512)。
在一些示例中，开关变换器电路1502是单相开关变换器，其中，Ton补偿电路1512耦接至开关导通时间电路(例如，图5中的Ton生成器电路504的部件)并且被配置为响应于截断的脉冲而延长至少一个随后的脉冲。在一些示例中，开关变换器电路1502包括多个开关模块(例如，开关模块102A-102N)其中，开关变换器电路1502还包括Ton补偿电路1512，其被配置为确定何时执行脉冲截断并且响应于脉冲截断，调整多个开关模块中的一个或更多个的至少一个随后的脉冲。在一些示例中，Ton补偿电路1512被配置为确定与给定的开关模块相关联的脉冲截断的量，并且基于脉冲截断的量调整多个开关模块中的一个或更多个的至少一个随后的脉冲。在一些示例中，Ton补偿电路1512被配置为基于脉冲截断的量延长多个多相脉冲。在一些示例中，Ton补偿电路1512被配置为基于脉冲截断的量缩减多个多相脉冲。
利用所提出的开关变换器，执行脉冲截断以减小过冲电压。根据需要，可以记录剩余占空比(Ton)信息，然后利用其补偿随后的PWM周期中的占空比，以确保始终保持动态电流共享。所提出的Ton补偿选项可以应用于每个单独的操作阶段，因此针对多个负载周期甚至截断一个以上的特定相。例如，可以补偿所有相的占空比，而不是仅仅补偿被截断的最后一个相。通过脉冲截断，可以减小输出电容器的尺寸。通过Ton补偿，可以实现动态电流共享，从而提高可靠性。
在整个说明书和权利要求书中使用某些术语以指代特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，不同的零件可以通过不同的名称来指代部件。本文档无意区分仅名称不同但其各自功能或结构没有不同的部件。在本公开和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应解释为表示“包括但不限于……”。
在整个说明书中使用术语“耦接”。该术语可以涵盖实现与本公开的描述一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备A生成信号以控制设备B执行动作，在第一示例中，设备A耦接至设备B，或在第二示例中，如果中间部件C基本上没有改变设备A和设备B之间的功能关系，则设备A通过中间组件C耦接至设备B，使得设备B经由设备A生成的控制信号由设备A控制。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中可以进行修改，并且其他实施例也是可以的。

Claims (22)

1.一种系统，其包括：
负载；
开关变换器，其耦接至所述负载，其中，所述开关变换器包括：
至少一个开关模块；
输出电感，其耦接至每个开关模块的开关节点；和
控制器，其耦接至每个开关模块，其中所述控制器被配置为调整每个开关模块的脉冲时钟速率和开关导通时间，并且其中所述控制器包括脉冲截断电路，所述脉冲截断电路被配置为检测电压过冲条件并响应于检测到的电压过冲条件而截断有源开关导通时间脉冲。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载包括多核处理器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统是企业服务器，并且其中，所述负载进一步包括动态随机存取存储器即DRAM。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括耦接至所述脉冲截断电路的导通时间补偿电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定何时由所述脉冲截断电路执行脉冲截断并且响应于所述脉冲截断而延长或缩减至少一个随后的脉冲。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量延长至少一个随后的脉冲。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导通时间补偿电路被配置为响应于所述脉冲截断而延长一个单相脉冲。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导通时间补偿电路被配置为响应于所述脉冲截断而延长多个单相脉冲。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述导通时间补偿电路被配置为响应于所述脉冲截断而缩减多个多相脉冲。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，每个开关模块包括：
栅极驱动器；和
功率晶体管，其耦接至所述栅极驱动器，其中所述功率晶体管之间的开关节点耦接至相应的输出电感器。
10.一种开关变换器电路，其包括：
开关模块；
控制器，其耦接至所述开关模块，其中，所述控制器包括：
脉冲截断电路，其中所述脉冲截断电路包括比较器，所述比较器的第一输入节点耦接至所述开关变换器电路的输出节点，并且第二输入节点耦接至过冲电压阈值节点；和
开关导通时间电路，其耦接至所述脉冲截断电路，其中，所述开关导通时间电路包括耦接至所述脉冲截断电路的脉冲控制锁存器。
11.根据权利要求10所述的开关变换器电路，其中，所述开关变换器电路是单相开关变换器，并且其中，所述开关变换器电路进一步包括导通时间补偿电路，所述导通时间补偿电路耦接至所述开关导通时间电路并且被配置为响应于截断的脉冲而延长至少一个随后的脉冲。
12.根据权利要求11所述的开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量仅延长一个单相脉冲。
13.根据权利要求11所述的开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量延长多个单相脉冲。
14.根据权利要求10所述的开关变换器电路，其中，所述开关模块是第一开关模块，其中，所述开关变换器电路包括多个开关模块，并且其中，所述开关变换器电路进一步包括导通时间补偿电路，所述导通时间补偿电路被配置为确定何时执行脉冲截断，并响应于所述脉冲截断而为所述多个开关模块中的一个或更多个调整至少一个随后的脉冲。
15.根据权利要求14所述的开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定与给定开关模块相关联的脉冲截断的量，并且基于所述脉冲截断的量为所述多个开关模块中的一个或更多个调整至少一个随后的脉冲。
16.根据权利要求15所述的开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为基于所述脉冲截断的量延长多个多相脉冲。
17.根据权利要求15所述的开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为基于所述脉冲截断的量缩减多个多相脉冲。
18.一种多相开关变换器电路，其包括：
多个开关导通时间电路，所述多个开关导通时间电路中的每个耦接至相应的开关模块；和
脉冲截断电路系统，其耦接至所述多个开关导通时间电路，其中，所述脉冲截断电路系统被配置为响应于检测到的电压过冲条件而截断有源开关导通时间脉冲。
19.根据权利要求18所述的多相开关变换器电路，进一步包括耦接至所述多个开关导通时间电路的导通时间补偿电路系统，其中，所述导通时间补偿电路系统被配置为确定何时执行脉冲截断并响应于所述脉冲截断而延长至少一个随后的脉冲。
20.根据权利要求18所述的多相开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量仅延长一个脉冲。
21.根据权利要求18所述的多相开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量延长多个多相脉冲。
22.根据权利要求18所述的多相开关变换器电路，其中，所述导通时间补偿电路被配置为确定脉冲截断的量，并且基于所确定的脉冲截断的量缩减多个多相脉冲。
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