CN113872436A - 带oring场效应管电流传感的相位冗余电源 - Google Patents

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Abstract

一种多相开关电源中的功率级包含电流感晶体管，该晶体管与输出电感串联，以便传感功率级的相位电流。在一些实施例中，电流传感晶体管镜像用于可切换地将功率级连接到输出电压节点的输出电压断开晶体管(ORing场效应管)。电流传感晶体管测量流过输出电感的部分电感电流，其中电感电流指示功率级的相位电流。在当前传感值不需要温度补偿的功率级实现精确的电流传感。

Description

带ORING场效应管电流传感的相位冗余电源
技术领域
本发明涉及一种相位冗余电源系统，尤其涉及一种相位冗余电源系统中的电流传感。
背景技术
笔记本电脑等电子系统，通常含有电源管理集成电路，用于调节电子系统的功率使用。此外，引入集成电路的电子系统，通常采用电压调制器将供电系统电源的主母线电压转换为一个或多个驱动集成电路所必需的电压。例如，提供给电子系统的12伏电源电压可能需要降低到1.8伏，以驱动电子系统中的集成电路。在另一个示例中，先进的伺服系统包括处理器和本地内存，它们与组件耦合，并执行嵌入式软件来执行某些任务。实际上，处理器电源由电压调节器提供，该电压调节器将来自电源(例如12V)的输入电压转换为用于处理器指定的电压值(例如1.0V)。
开关模式电源或开关调制器，也称为直流到直流转换器，是一种通常用于在集成电路所选的电压水平下，将输入端电源电压转换成所需的输出电压的一种电压调制器。在一个示例中，一个12伏或5伏的电源电压可以降低至1伏，以便为嵌入式处理器供电。开关调制器通过电容器、电感器和变压器等低损耗元件提供电源功能，接通或断开电源开关，将能量以分离的封装包形式从输入端转移到输出端。反馈控制电路用于调制能量转移，将稳定的输出电压保持在电路所需的负载极限内。
一些开关调制器采用脉冲宽度调制(PWM)来控制功率开关的工作周期。也就是说，通过调节脉冲宽度，可以在给定的固定频率或可变频率下控制功率开关的导通时间。采用PWM控制的开关调制器包括PWM控制器或调制器，以驱动包括功率开关的功率块、用于功率开关的驱动电路和LC滤波电路。在某些情况下，开关调制器是一个单相位转换器，PWM控制器产生一个单相位PWM时钟信号，驱动单相位功率模块。在其他情况下，开关调制器是一个多相位转换器，多相位PWM控制器产生具有不同相移的时钟信号，以驱动多相位功率模块，每个时钟信号驱动相应的功率模块单元。当电压调制器必须在宽范围的负载条件下以高精度地传输调制后的输出电压时，多相位PWM控制器是必要的。
在包含电压调节器的电子系统中，通常需要测量电压调节器的输出电流或负载电流，以实现电源管理功能。在多相转换器中，有时需要测量与每个时钟相位相关联的每个功率块单元处的负载电流，例如确定功率块单元之间的负载平衡。
先进的伺服系统通常需要高水平的可用性和系统故障保护，例如断电。为了确保系统的可靠性，先进的伺服系统有时会实现冗余伺服系统，其中提供一个冗余服务器来替换另一个检测到停机的服务器。因为冗余服务器必须具有与主服务器相同的计算能力，所以提供冗余服务器会增加空间和成本问题。
确切地说，电源常常是伺服系统的故障点。因此，由于冗余电源通常可以以较低的成本和更少的空间实现，因此，冗余电源已在伺服系统中实现。在使用多相电源的伺服系统中，N+2相冗余解决方案正变得越来越受欢迎。也就是说，多相电源包括提供伺服系统所需的N相，以及两个额外的相位作为冗余。如果某个操作阶段出现故障，故障阶段将简单地与系统隔离，以便多相电源中的其余相位继续不间断地提供电源。
发明内容
本发明涉及一种多相开关电源中的功率级，接收与功率级的相位相关联的脉宽调制(PWM)信号和输入电压，并提供输出电压，该功率级包括：一个高压侧电源开关和一个低压侧电源开关，串联在输入电压节点和接地参考电压之间，并由PWM信号控制，高压侧电源开关和低压侧电源开关的电流端子之间的开关输出节点产生开关输出电压，开关输出节点耦合到输出电感器的第一端子上；一个相位冗余控制器，接收PWM信号并产生第一控制信号；一个输出电压断开晶体管，耦合在输出电感器的第二端子和提供输出电压的输出节点之间，输出电压断开晶体管从相位冗余控制器接收第一控制信号，其中第一控制信号具有接通输出电压断开晶体管的第一状态，将输出电感器连接到输出节点，以及打开输出电压断开晶体管的第二状态，以便将输出电感器从输出节点断开；以及一个电流传感晶体管，其具有耦合到输出电感器的第二端子的第一电流端子，以及通过传感电阻器耦合到第一节点的第二电流端子，并且接收第一控制信号的控制端子，电流传感晶体管具有与输出电压断开晶体管相同的晶体管结构，并且尺寸为输出电压断开晶体管的一小部分，其中，所述电流传感晶体管由所述第一控制信号导通，以便传导在所述功率级的输出电感器中流动的电感电流的一部分，所述相位冗余控制器接收通过所述传感电阻器测量的电流传感电压信号，以便产生指示所述电感电流的电流传感信号。
其中，还包括：一个耦合在输入电压节点和输入电压之间的输入电压断开晶体管，输入电压断开晶体管接收由相位冗余控制器产生的第二控制信号，其中所述的第二控制信号具有第一状态，以便接通所述输入电压断开晶体管，从而将所述高压侧电源开关连接到所述输入电压，以及第二状态，以打开所述输入电压断开晶体管，将所述高压侧电源开关从所述输入电压断开。
其中所述的输出电压断开晶体管包括MOS晶体管，所述电流传感晶体管包括与所述输出电压断开晶体管相同晶体管结构构造的MOS晶体管，并且所述电流传感晶体管的晶体管通道宽度是所述输出电压断开晶体管的晶体管通道宽度的一小部分。
其中输出电压断开晶体管和电流传感晶体管形成在同一个半导体衬底上。
其中输出电压断开晶体管包括一个沟槽MOS晶体管，形成在第一多个沟槽晶胞中，电流传感晶体管包括一个沟槽MOS晶体管，形成在第二多个沟槽晶胞中，第二多个沟槽晶胞是第一多个沟槽晶胞的一小部分。
其中传感电阻器是一个独立的电阻器，位于半导体衬底外部。
其中电流传感晶体管具有的晶体管通道宽度为输出电压断开晶体管的晶体管通道宽度的1/1000至1/10,000。
其中功率级的输出节点耦合到多相开关电源的输出电容，以响应输出电压断开晶体管闭合时与输出电感形成LC滤波器电路，以便在多相开关电源输出电压节点产生具有实质恒定幅值的调节输出电压，所述调节输出电压耦合以驱动负载，其中第一节点包括负载处的节点，用于传感提供给负载的调节输出电压。
本发明还公开了一个多相开关电源中的功率级，接收与功率级的相位和输入电压相关联的脉宽调制(PWM)信号，并提供输出电压，该功率级包括：一个高压侧电源开关和一个低压侧电源开关。串联在输入电压节点和接地参考电压之间，并由PWM信号控制，高压侧电源开关和低压侧电源开关的电流端子之间的开关输出节点产生开关输出电压，开关输出节点耦合到输出电感器的第一端子上；一个相位冗余控制器，接收PWM信号，并产生第一控制信号；以及一种输出电压断开晶体管，其具有耦合到输出电感器的第二端子的第一电流端子，以及耦合到提供输出电压的输出节点的第二电流端子，所述的输出电压断开晶体管从所述相位冗余控制器接收所述的第一控制信号，其中信号具有第一状态，以接通输出电压断开晶体管，从而将输出电感器连接到输出节点以及第二状态，以打开输出电压断开晶体管，将输出电感器从输出节点断开，
其中，相位冗余控制器测量输出电压断开晶体管的第一电流端子和第二电流端子之间的电压，该电压指示在功率级的输出电感器中流动的电感电流。
其中输出电压断开晶体管包括一个MOSFET器件，该电压表示电感电流以及MOSFET器件的导通电阻。
其中相位冗余控制器产生一个表示电压的电流传感信号，并且对电流传感信号使用温度补偿。
附图说明
以下的详细说明及附图提出了本发明的各个实施例。
图1表示一种实施相位冗余方案的多相开关电源的示意图，其中本发明的电流传感电路和方法可以在本发明的实施例中实施。
图2表示在一些示例中，一种通过传感低端电源开关的导通电阻，来测量相位电流的方法的电路图。
图3表示在一些示例中，一种提供传感输出电感器的直流电阻(DCR)，来测量相位电流的方法的电路图。
图4表示在一些示例中，根据电源开关的切换动作，电感电流波形的变化曲线。
图5表示在一些示例中，本发明实施例中使用电流传感晶体管实现相电流传感的多相开关电源中的功率级的示意图。
图6表示在一些实施例中，将电流传感晶体管连接到输出电压传感节点的示意图。
图7包括图7(a)和7(b)，表示在一些实施例中，联合ORing场效应管(输出电压隔离晶体管)制备电流传感晶体管的方法。
图8表示在本发明的实施例中，在ORing场效应管处实现相电流传感的多相开关电源中的功率级的示意图。
具体实施方式
依据本发明的实施例，实现相位冗余方案的多相开关电源包括与每个功率级中的输出电感器串联耦合的电流传感晶体管，以便传感每个功率级的相位电流。在一些实施例中，电流传感晶体管是反映输出电压断开晶体管的场效应晶体管，被称为ORing场效应晶体管或“ORing场效应管”，用于从多相开关电源中的剩余功率级断开故障功率级。通过电流传感晶体管的电流等于通过ORing场效应管的电流乘以两个晶体管的宽度比。电流传感晶体管测量流经每个功率级的LC滤波电路中的输出电感器的一部分电感电流，其中电感电流指示功率级的负载电流。以这种方式，对于电流传感值不需要温度补偿的每个功率级实现精确的电流传感。
在本发明的另一个实施例中，多相开关电源的功率级中的相电流传感通过监视ORing场效应管的导通电阻RDSON来实现。温度补偿技术可以用来补偿电流传感测量中的温度系数。
图1表示实现相位冗余方案的多相开关电源的示意图，其中，本发明所述的电流传感电路和方法可以在本发明的实施例中实现。参见图1，多相开关电源10(“电源10”)接收输入电压VIN(节点16)，并在输出节点24上生成用于提供负载26的调制输出电压VOUT。例如，输入电压VIN可以是12V输入电压，并且调制的输出电压VOUT可以是用于驱动负载的1.8V输出电压，例如伺服系统中的CPU。多相开关电源10还接收用于为电源电路中的支持电路供电的其他电源电压。例如，提供电源VDD(例如3.3V)(节点15)为控制器电路供电，并且提供电源PVcc(例如5V)(节点18)，以便在电源级为驱动电路供电。多相开关电源10能够在广泛的负载条件下提供高精度的调制输出电压。
在本发明所述的实施例中，多相开关电源10实现相位冗余方案，除了满足当前需求所需的功率级之外，还包括一个或多个冗余相位(或功率级)。在本实施例中，电源10包括两个冗余功率级，并且电源10也被称为N+2相电源，其中N是指满足负载的电流需求所需的功率级的数目，2是指用于冗余的额外功率级。两个冗余功率级提供高水平的故障安全保护，因为两个功率级在电源中发生故障的概率非常低。在本实施例中，N+2相电源10包括能够驱动N+2功率级的多相控制器20。多相控制器20有时被称为N+2相控制器。多相控制器20耦合，以便用相关联的输出电感器L1到LN+2和输出电容器COUT驱动N+2功率级SPS1到SPSN+2。在本实施例中，功率级被实现为智能功率级，智能功率级具有向控制器20报告某些操作参数(例如传感温度)的能力。智能功率级的使用只用于解释说明，并不用于限制。在其它实施例中，开关电源10可以仅使用包括电源开关和驱动电路的功率级来实现，而不具有报告操作参数的能力。
在一个示例中，例如CPU等负载26，可能需要250A的电流。250A的电流可以用8相开关电源提供。当实施相位冗余方案时，开关电源被配置为10相开关电源，包括8个最小相位和2个额外相位，以满足负载电流的需求。
在操作中，电源10的N+2功率级被激活，以便提供负载电流的需求。如果N+2功率级SPS1到SPSN+2中的任何一个功率级发生故障，则故障功率级与其他功率级隔离并断开连接。其余N+1功率级继续不间断运行。电流需求分布在剩余功率级上，使得开关电源10不间断地工作。如果第二功率级失败，则电源10仍然可以使用剩余的最小相数继续操作，以满足当前需求。确切地说，N+2功率级可切换地连接到一组共享信号。如果一个功率级发生故障，则故障功率级与所有共享信号断开，以便剩余功率级继续提供不间断的功率。在一些情况下，控制器20可以向主机系统发出关于失败的功率级的警报。
更具体地说，电源10包括由各个PWM信号PWM1到PWMN+2驱动的功率级SPS1到SPSN+2。每个功率级SPSx包括一对功率开关，其由相应的PWM信号接通和断开，以便参考目标电压，来调节输出电压VOUT。在每个功率级SPSx中的电源开关，交替地打开和接通，以便在开关输出节点22处生成开关输出电压SW。每个功率级SPSx的开关输出节点22耦合到各自的输出电感Lx上。所有功率级的电感Lx耦合到输出电容器COUT，形成LC滤波器电路，用于向输出节点24提供电流，同时保持基本恒定的输出电压VOUT。然后，输出电压VOUT可用于驱动负载26。
多相控制器20接收指示负载26处的调制后的输出电压VOUT的反馈电压VFB。在一些示例中，反馈电压VFB可以是驱动负载26的电压，或者输出电压VOUT的降压电压。多相控制器20包括用于实现开关电源10的反馈控制回路的电路，以便产生多相PWM信号PWM1到PWMN+2，驱动多相电源10中的各个功率级SPSx。
在本发明的实施例中，每个功率级SPSx都从控制器20接收相应的PWMx信号，从而控制功率级中功率开关的切换。功率级SPSx还可以被配置成测量功率级的局部温度，并向控制器提供温度传感信号TMON。在本示例中，将所有功率级SPS1到SPSN+2的温度传感信号TMON连接在一起，并提供给控制器20，以作为信号TSEN进行集体监控。例如，结温最高的功率级充当主级。在本说明书中，功率级SPSx还可以被配置成测量由功率级提供的相电流。每个功率级的相电流作为信号IMON被测量，并且作为电流传感信号ISENPx被报告给控制器20。在一些示例中，信号IMON是参考由控制器20提供的作为传感信号ISENNx的参考电压REFIN的差分信号。在一个例子中，参考电压REFIN是1.2V。
功率级SPS1到SPSN+2可切换地连接到一组共享信号。具体而言，共享信号包括：输入电压VIN(节点16)(例如12V)、栅极驱动器电压PVcc(例如5V)、输出电压VOUT(节点24)、参考电压REFIN(节点12)和温度传感信号TMON(节点14)。在运行过程中，N+2功率级连接到共享信号。故障功率级通过断开与共享信号的连接，来断开与电源的连接。
如此配置，每个功率级SPSx都通过一组开关或晶体管连接到共享信号。在一些实施例中，由于高电压和/或高电流要求，每个功率级通过作为功率场效应晶体管(场效应管)实现的断开晶体管连接到输入电压VIN和输出电压VOUT。在本发明的实施例中，输入电压断开晶体管，将输入电压VIN连接到每个功率级的电源开关。输入电压断开晶体管也称为E-Fuse或输入电压断开场效应管。此外，输出电压断开晶体管，将输出电感连接到每个功率级的输出电压节点。输出电压断开晶体管也称为ORing场效应管或输出电压断开场效应管。功率级通过断开开关或晶体管，来连接到其他共享信号(PVcc、TMON、REFIN)，这些开关或晶体管可以配置为场效应晶体管，但不一定是功率晶体管。为了简单起见，图1中没有表示出断开开关/晶体管，但应理解为每个电源级SPSx都可以切换地连接到图1中虚线圆圈所示的共享信号。
在运行过程中，电源10中的控制器20需要精确地测量每个功率级SPSx提供的输出电流或相电流。例如，监控每个功率级提供的相电流，以便在功率级之间执行负载平衡。负载平衡对于优化电源10的热性能来说非常重要，以避免一个功率级传导比其他功率级大得多的负载电流份额的情况。在另一个例子中，操作负载的主机系统通常需要对提供给负载的负载电流进行精确测量，以确定是否需要调整负载操作。例如，在负载是CPU的情况下，主机系统可以基于负载电流消耗和其他因素来确定是否使用超频模式。最后，在一些情况下，负载可以基于负载线操作，并且控制器20需要负载电流信息来确定需要对输出电压VOUT进行多少调整作为正在进行的负载电流的函数。
图2和图3表示在一些示例中，用于在功率级测量相电流方法的电路图。图2是一个电路图，表示一些示例中通过检测低压侧电源开关的导通电阻来测量相电流的方法。图3是一个电路图，表示在一些示例中通过感应输出电感器的直流电阻(DCR)来测量相电流的方法。图2和图3说明了用于接收PWM信号并在LC滤波器(包括输出电感Lx和输出电容COUT)处生成开关输出信号SW和输出电压VOUT的基本功率级电路。为了简化讨论，图1-3中的类似元件使用了类似的参考序号。
首先参见图2，功率级30包括驱动器逻辑电路32，其接收PWM信号，并将栅极驱动信号提供给相应的栅极驱动器33和34。栅极驱动器33和34耦合以驱动相应的电源开关Q3和Q4。电源开关Q3和Q4(分别称为高压侧电源开关和低压侧电源开关)串联在输入电压VIN和接地参考电压之间。在本实施例中，功率开关Q3和Q4是NMOS晶体管或N型MOSFET晶体管。电源开关Q3由高压侧栅极驱动信号VHS接通，以便在PWM占空比的接通持续时间内传导电流给电感器Lx充电。电源开关Q4由低压侧栅极驱动信号VLS接通，以便在PWM占空比的关断期间向放电感应器Lx传导电流。
图4表示在一些示例中，响应于功率开关的开关动作的电感电流波形的曲线图。参见图4，控制高压侧电源开关Q3的高压侧栅极驱动信号VHS(曲线45)响应提供给功率级的PWM信号打开和接通。同时，控制低压侧电源开关Q4的低压侧栅极驱动信号VLS(曲线46)响应PWM信号接通和打开，并与电源开关Q3处于相反相位。也就是说，电源开关Q3和Q4交替打开和接通。因此，电感Lx通过电源开关Q3和Q4的通断动作进行充电和放电，电感电流IL(曲线47)呈现锯齿波形。当电源开关Q3接通时，电感电流IL在充电阶段具有向上斜度，并且当电源开关Q4接通时，电感电流IL在充电阶段具有向下斜度。电感电流耦合到输出电容器COUT，对输出电容器进行充放电。流向输出电容器COUT的电感电流表示功率级的相电流。
如图2所示，在功率级测量相电流的一种常用方法是低压侧电流传感。低压侧电流传感可以测量低压侧电源开关Q4处的电流。换言之，测量向下斜度电感电流，估计向上斜度电感电流，以获得功率级的总电感电流。在一个示例中，流过低压侧电源开关Q4的电流，是通过(例如使用传感放大器36)传感穿过电源开关Q4的漏极到源极电压来测量的。传感到的电流Ics表示在低压侧电源开关Q4中流动的电流，对应于图4中电感电流IL的向下斜度。然后将传感到的电流Ics提供给IMON重构电路38，以便估计向上斜度电感电流，并生成估计的总电感电流IMON(节点17)。估计的总电感电流IMON可由功率级提供给控制器(例如控制器20)以执行管理功能，例如负载平衡或电流监视。在一些情况下，电感电流信号IMON是一个差分信号，并且参考到参考电压REFIN(节点12)。
在低压侧电源开关Q4处传感电感电流有一些缺点。因为电流Ics是通过测量晶体管Q4的导通电阻(RDSON)来传感的，所以电流Ics往往随着晶体管Q4的结温而变化。为了保证精度，必须进行温度补偿，以考虑RDSON的变化。此外，低压侧传感方法估计向上斜度电感电流。向上斜度电感电流可以估计为：
Figure BDA0003119822630000091
其中VL表示通过电感器上的电压，di表示电感电流的变化，以及L表示输出电感器的电感Lx。
向上斜度电感电流是输出电感器电感Lx的函数。当电感变化时，向上斜率也会变化。在运行过程中，电感值并不是所有电流值的常数。在高电感电流下，电感可能减小。因此，IMON重构电路38将需要考虑电感变化，以及RDSON变化。因此，低压侧电流传感方法的精度有限。
如图3所示，在功率级测量相电流的另一种方法是电感DCR(直流电阻)电流传感。也就是说，功率级的相电流是通过使用电感器的直流电阻(在图3中表示为Rdcr)测量流过电感器Lx的电流来测量的。包括电阻器Rsns和电容器Csns的滤波电路，与电感器Lx串联，以便使电感器Lx的时间常数与直流电阻匹配。通过电容器CSNS测量电流。电感DCR电流传感受到温度变化的影响，因此需要温度补偿以提高精度。
在本发明的实施例中，用于测量功率级中的相电流的多相电源中的电路和方法，使用与输出电感器串联的电流传感晶体管，来传感功率级中的相电流。此外，在一些实施例中，电流传感晶体管镜像并入功率级中的输出电压断开晶体管或ORing场效应管，以便在相位冗余方案下从输出电压节点断开功率级。通过这种方式，可以使用简单的电路在功率级执行精确的电流传感。
图5是本发明实施例中使用电流感测晶体管实现相电流感测的多相开关电源中的功率级的示意图。在本发明的实施例中，图5所示的功率级50可用于实现图1中的每个功率级SPS1到SPSN+2。也就是说，图5所示的功率级50可用于实现图1的多相开关电源10的每相。
参见图5，功率级50包括由驱动电路52驱动的功率开关Q3和Q4、相位冗余控制器(PRC)60、输入电压断开晶体管Q1(E-Fuse)和输出电压断开晶体管Q2(ORing场效应管)以及输出电感器Lx。功率级50实现多相开关电源的一相，并且功率级50的输出节点56连接到多相开关电源的输出电压节点，以便与其他相的功率级的输出节点连接，并且连接到输出电容器COUT。然后将多相开关电源的输出电压节点耦合，从而驱动负载。
功率级50从多相控制器(例如图1的多相控制器20)接收PWM信号PWMx(节点62)。PWM信号PWMx与功率级执行的相位相关。驱动电路52接收PWMx信号，并产生高压侧驱动信号VHS，以便驱动高压侧电源开关Q3和低压侧栅极驱动信号VLS，从而驱动低压侧电源开关Q4。功率开关Q3和Q4交替地接通和断开，以便产生开关输出电压SW(节点54)，其耦合到由输出电感Lx和输出电容器COUT形成的LC滤波器，以便在输出节点56上产生输出电压VOUT。如上所述，和图4所示，电源开关Q3由高压侧栅极驱动信号VHS接通，以便在PWM占空比的接通持续时间内传导电流给电感器Lx充电。电源开关Q4由低压侧栅极驱动信号VLS接通，以便在PWM占空比的关断期间向放电感应器Lx传导电流。
多相开关电源中在实施功率级50时，功率级50可切换地连接到与其它功率级共享的一组信号，如上文参见图1所述。断开开关或晶体管，用于将每个功率级连接到共享信号，以便在功率级发生故障时可以从共享信号断开相应的功率级。在图1所示的实施例中，每个功率级可切换地连接到五个共享信号：VIN、VOUT、PVcc、TMON和REFIN。在图5中，为了简化讨论，示出功率级50仅连接到共享信号VIN和VOUT。为了简单起见，省略了其他共享信号，但是应该理解为，功率级50包括到多相开关电源中的所有共享信号的连接。
在本发明的实施例中，功率级50通过输入电压断开晶体管Q1(也称为E-Fuse)可切换地连接到输入电压VIN(节点56)。在本实施例中，电阻器R5耦合在E-Fuse(晶体管Q1)和输入电压VIN(节点56)之间，以便提供电流传感。电阻器R5是可选的，并且在其他实施例中可以省略。在其它实施例中，可以在晶体管Q1而不是使用电阻器R5处，执行电流传感。功率级50还通过输出电压断开晶体管Q2(也称为ORing场效应管)可切换地连接到输出节点56。确切地说，所述ORing场效应管(晶体管Q2)与功率级的输出电感器Lx串联。换句话说，晶体管Q2连接在输出电感器Lx的端子(节点55)和输出节点56之间。
输入电压断开晶体管Q1(E-Fuse)由相位冗余控制器60提供的控制信号HGATE(节点73)控制。输出电压断开晶体管Q2(ORing场效应管)由相位冗余控制器60提供的控制信号LGATE控制。在正常的运行过程中，控制信号HGATE和LGATE被确定接通，断开晶体管Q1和Q2，功率级50连接到输入电压VIN和输出节点56。如果在功率级50中检测到故障状况，相位冗余控制器60将解除对控制信号HGATE和LGATE的评估，断开晶体管Q1和Q2将打开，以便断开功率级50与输入电压VIN和输出电压VOUT的连接。要注意的是功率级50包括其它断开开关或晶体管，以便将功率级与其它共享信号断开是有益的。为了简化讨论，图5中没有表示出其他的隔离开关/晶体管。通过使用断开晶体管，故障功率级可以从多相开关电源断开，以便使电源能够使用剩余功率级维持不间断的电源操作。
在一些示例中，对于电源开关Q3短路的情况来说，功率级50可以通过两种方式检测故障。如果驱动电路52和电源开关Q4仍在工作，则当电源开关Q4接通时，相位冗余控制器60可传感电阻器R5中的电流，这是异常状况，并且控制器60可指示故障状况。或者，当驱动器电路52或电源开关Q4不能接通时，开关节点54上的开关输出电压SW将保持在高电平。这种情况由电阻器R2和R3、电容器C1和二极管D1形成的滤波电路检测。滤波电路接收开关输出电压SW，并产生具有由电阻器R2和R3的电阻和电容器C1的电容确定的时间常数的输出信号SWX(节点58)。信号SWX耦合到比较器66上，以便与电压阈值THD进行比较(节点65)。如果信号SWX增加到电压阈值THD以上，比较器66确定输出信号故障(节点68)，以指示故障状况。确切地说，在正常运行过程中，当开关输出电压SW基于PWMx信号的占空比在高状态和低状态之间交替时，在信号SWX放电之前，信号SWX将被充电，但不会充电到电压阈值THD。然而，当开关输出电压SW保持在高位时，信号SWX将被充电，最终将超过电压阈值THD。因此，比较器66将确定故障信号。作为对故障信号的响应，相位冗余控制器60将解除HGATE和LGATE信号的评估，以打开E-Fuse和ORing场效应管，从而从输入电压VIN和输出节点56断开功率级50。通过这种方式，由电阻器R1、R3和电容器C1的滤波电路产生的信号SWX，用于在开关输出电压SW的占空比，已经超过最大允许占空比时，发出信号。
在其他示例中，对于电源开关Q4短路的情况，功率级50可以通过两种方式检测故障。如果驱动电路52和电源开关Q3仍在工作，则当电源开关Q3接通时，相位冗余控制器60可以传感电阻器R5中的电流，这是异常情况，并且控制器60可以发出故障情况。还可选择，在电源开关Q4短路的情况下，电流将通过开关Q4从输出节点56放电到接地。相位冗余控制器60被配置成检测在晶体管Q2中流动的这种负电流。如果在晶体管Q2中检测到负电流，相位冗余控制器60将指示故障状况。
在本发明的实施例中，功率开关Q3和Q4是MOSFET晶体管，断开晶体管Q1和Q2也是MOSFET晶体管。此外，在一个实施例中，晶体管Q1、Q2、Q3和Q4是NMOS功率晶体管或N型MOSFET晶体管。
在本发明的实施例中，功率级50处的电流传感使用电流传感晶体管Q5来实现，该电流传感晶体管Q5反射输出电压断开晶体管Q2(ORing场效应管)，并且其尺寸是断开晶体管Q2的一小部分。确切地说，电流传感晶体管Q5具有晶体管宽度，该晶体管宽度是断开晶体管Q2(ORing场效应管)的晶体管宽度的一小部分。电流传感晶体管Q5基本上与晶体管Q2并联连接，并且由相同的控制信号LGATE控制。更确切地说，电流传感晶体管Q5与输出电感器Lx串联连接，并且将从电感器Lx流动的电感电流的一部分，传导到输出节点56。因为O型场效应管(晶体管Q2)携带整个电感电流–向上斜度和向下斜度电流，通过使用镜像晶体管Q5来监控晶体管Q2的电流，从而监控整个负载电流。
确切地说，输出电感器Lx具有连接到开关输出电压SW的第一端子(节点54)和第二端子(节点55)。输出电压断开晶体管Q2具有一个连接到输出电感器Lx的第二端子(节点55)的第一电流端子(例如源极)、一个连接到提供输出电压的输出节点56的第二电流端子(例如漏极)，以及一个通过耦合以接收控制信号LGATE的控制端子。电流传感晶体管Q5具有一个连接到输出电感器Lx的第二端子(节点55)的第一电流端子(例如源极)、一个第二电流端子(例如漏极)(节点57)，以及一个通过耦合以接收控制信号LGATE的控制端子。电流传感晶体管Q5的第二电流端子(节点57)通过电阻器R1连接到电压传感节点80上。在本说明书中，VOUT_感测节点80是在负载处传感输出电压VOUT的点。VOUT_感测节点80处的输出电压VOUT倾向于具有低于作为功率级的输出节点的晶体管Q2的源极(节点56)处的输出电压VOUT的电压电平。电流传感晶体管Q5的尺寸是输出电压断开晶体管Q2的一小部分。通过这样的配置，电流传感晶体管Q5传导流过电感器Lx的负载电流的一部分。流过电流传感晶体管Q5的电流由电阻器R1测量。在本实施例中，通过电阻器R1的电压由相位冗余控制器60测量，以便指示流过电流传感晶体管Q5的电流。例如，通过电阻器R1的电压LCS+和LCS–由相位冗余控制器60测量，并且指示通过电流传感晶体管Q5传导的电流。相位冗余控制器60包括电流监视电路78，其接收电压LCS+和LCS-，并生成参考电压REFIN(节点72)的电流监视信号IMON(节点70)。在一些实施例中，控制器60以5μA/A的增益将LCS+和LCS-信号转换为电流信号。也就是说，当IMON引脚上的1kΩ传感电阻器R4连接到参考电压REFIN时，可以提供5mV/A的电压信号作为IMON信号。然后可以将IMON信号和REFIN信号直接提供给多相控制器，例如图1所示的多相控制器20。
在一些实施例中，ORing场效应管(晶体管Q2)是MOS晶体管，并且电流传感晶体管Q5是尺寸为开关Q2的一小部分的镜像MOS晶体管。也就是说，晶体管Q2和Q5具有相同的晶体管通道长度，并且电流传感晶体管Q5具有晶体管通道宽度，该晶体管通道宽度是晶体管Q2(ORing场效应管)的晶体管通道宽度的一小部分。在一些实施例中，ORing场效应管(晶体管Q2)和电流传感晶体管Q5具有1000:1、5000:1或10000:1的尺寸比(或宽度比)。可以选择合适的尺寸比，来确定要通过晶体管Q5传导和耗散的相电流量。
在一些实施例中，晶体管Q2和Q5使用相同的晶体管结构构造。例如，晶体管q2可以被构造为沟槽MOS晶体管，并且晶体管q5也被构造为沟槽MOS晶体管，但是其尺寸是沟槽MOS晶体管的一小部分。例如，晶体管Q2可以使用第一个沟槽来构造，而晶体管Q5可以使用第二个沟槽来构造，第二个数字是第一个数字的一部分。
在一些实施例中，电阻器R1是提供高精度电流传感的精密电阻器。在一些实施例中，晶体管Q2和Q5形成在同一集成电路晶片上，并且电阻器R1是形成在集成电路晶片外部的离散电阻器。在其它实施例中，电阻器R1可以是形成在集成电路芯片上的多晶硅电阻器。可以对多电阻的电阻值进行调整，以获得所需的精度。
本发明所述的使用镜像电流传感晶体管的电流传感方法，与传统电流传感技术相比，具有显著的精度优势。镜像电流传感晶体管测量整个电感电流波形，包括向上斜度和向下斜度。这提供了比低压侧传感方法的特别优势，在低压侧传感方法中，负载电流仅在低压侧电源开关Q4上被传感，并且必须估计电感器向上斜度电流。此外，由于由电流传感晶体管测量的电流传感信号与温度无关，且与电感值无关，因此不需要对传感电流值进行温度补偿。由于整个电感器的电流是实时监测的，所以输出电感器的电感值的变化包括在电流传感测量中。无需进一步补偿。电流传感晶体管Q5可能需要校准到ORing场效应管(晶体管Q2)。但是一旦校准之后，电流传感晶体管Q5就会镜像ORing场效应管(晶体管Q2)，并传导一部分相电流用于电流传感。
如上所述，电流传感晶体管Q5通过电阻器R1连接到VOUT_传感节点80。图6表示在一些实施例中，电流传感晶体管到输出电压传感节点的连接的示意图。参见图6，每个功率级的输出节点56一起连接到多相开关电源的输出电压节点82(也称为电源输出节点)。输出电容器COUT连接到电源输出节点82，以便产生多相开关电源的输出电压VOUT。输出电压VOUT连接到驱动负载26，例如CPU。将输出电压VOUT连接到负载26的连接或导电线，具有一定的IR电压降。因此，负载26处的输出电压VOUT可以低于电源输出节点82处的输出电压VOUT。负载26处的输出电压反馈到多相开关电源，以便于输出电压VOUT的反馈控制。确切地说，反馈电压VFB是在负载26处的VOUT_感测节点80处测量的。
在本发明的实施例中，电阻器R1连接在负载26处的电流传感晶体管Q5和VOUT_传感节点80之间。通过这种方式，电阻器R1上的电压降被最小化，同时提供足够的净空，来传感晶体管Q5中的电流。确切地说，在多相开关电源中，电阻器R1或每个功率级以扇出配置，连接到VOUT_传感节点80。功率级的电阻器R1不连接到将VOUT_传感节点80连接到反馈电压VFB的传感线85上，以便不干扰反馈电压。
图7包括图7(a)和7(b)，表示在一些实施例中结合ORing场效应管(输出电压断开晶体管)形成电流传感晶体管的一种方法。参见图7(a)，ORing场效应管(晶体管Q2)和镜像电流传感晶体管Q5被构造为具有公共源极连接(节点55)和公共栅极连接(节点74)的MOS晶体管。在一些实施例中，ORing场效应管(晶体管Q2)和镜像电流传感晶体管Q5形成在同一集成电路管芯上，如图7(b)所示。换句话说，在相同的半导体衬底上形成ORing场效应管(晶体管Q2)和镜像电流传感晶体管Q5。图7(b)表示形成为垂直沟槽MOS晶体管的晶体管Q2和Q5的一个示例性实施例。在这种情况下，可以使用公共源极(节点55)和公共栅极连接(节点74)来形成晶体管Q2和Q5。晶体管Q2使用晶片上的大多数沟槽单元形成，而晶体管Q5使用同一晶片上的一小部分或一小部分沟槽单元形成。因此，晶体管Q2(节点56)的漏极连接垫占据了沟槽单元的大部分，而晶体管Q5(节点57)的漏极连接垫仅占据了沟槽单元的一小部分。通过这种方式，晶体管Q2和晶体管Q5都形成在同一集成电路晶片上，两者经历相同的温度偏移。因此，晶体管Q5可以实现高精度的电流传感。图7所示的沟槽晶体管结构仅用于解释说明，不用于局限。在其它实施例中，晶体管Q2和Q5可以使用横向DMOS(LDMOS)工艺来实现。
图8表示在本发明的实施例中，在ORing场效应管处实现相电流传感的多相开关电源中的功率级的示意图。图8所示的功率级100的制造方式以与图5的功率级50的方式类似，并且类似的元件被给出类似的附图标记，并且将不再赘述。参见图8，功率级100通过测量ORing场效应管(晶体管Q2)的导通电阻来实现相电流传感。通过这种方式，不需要提供额外的镜像晶体管。晶体管Q2的导通电阻(RDSON)可以通过测量晶体管Q2的源极(节点55)和漏极(节点56)之间的电压来测量。在本实施例中，ORing场效应管(晶体管Q2)的电压LCS+和LCS–由相位冗余控制器110测量，并且指示流过ORing场效应管的电感电流。相位冗余控制器110包括电流监视电路118，其接收电压LCS+和LCS-并生成参考电压REFIN(节点72)的电流监视信号IMON(节点70)。然后可以将IMON信号和REFIN信号直接提供给多相控制器，例如图1的多相控制器20。在本发明的实施例中，晶体管Q2的导通电阻(RDSON)可以具有作为晶体管结温度的函数的特定变化。为了提高电流传感的精度，电流监视电路118实施温度补偿，以便校正作为温度函数的RDSON变化。在一个示例中，电流监视电路118基于在其上实现晶体管Q2的集成电路晶片的测量晶片温度应用温度补偿。在一个实施例中，温度补偿可由晶体管Q2与多芯片封装中的相位冗余控制器芯片共封装来提供，其可提供校正RDSON随温度变化所需的热耦合。温度传感器可以在相位冗余控制器集成电路上实现。
本发明可以以多种方式实现，包括作为一个过程、一个装置、一个系统、一个物质组合物、一个体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品和/或处理器，例如硬件处理器或处理器设备，其被配置成执行存储在和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令。在本说明书中，这些实现或本发明可能采取的任何其他形式可被称为技术。一般来说，在本发明的范围内可以改变所公开的方法的步骤的顺序。除非另有说明，被描述为被配置为执行任务的诸如处理器或存储器之类的组件可以被实现为临时配置为在给定时间执行任务的通用组件或被制造为执行任务的特定组件。如本文所使用的，术语“处理器”是指配置为处理数据(例如计算机程序指令)的一个或多个装置、电路和/或处理核心。
上文提供了对本发明的一个或多个实施例的详细描述以及说明本发明原理的附图。结合这些实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求书的限制，本发明包括许多替代品、修改和等效物。为了提供对本发明的透彻理解，在说明书中阐述了许多具体细节。提供这些细节是为了示例的目的，并且可以根据权利要求实施本发明，而不需要这些特定细节中的一些或全部。为了清楚起见，在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料没有被详细描述，以免对本发明产生不必要的混淆。
提供上述详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是为了限制。本发明范围内的许多修改和变化都是可能的。本发明由所附权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种多相开关电源中的功率级，接收与功率级的相位相关联的脉宽调制(PWM)信号和输入电压，并提供输出电压，该功率级包括：
一个高压侧电源开关和一个低压侧电源开关，串联在输入电压节点和接地参考电压之间，并由PWM信号控制，高压侧电源开关和低压侧电源开关的电流端子之间的开关输出节点产生开关输出电压，开关输出节点耦合到输出电感器的第一端子上；
一个相位冗余控制器，接收PWM信号并产生第一控制信号；
一个输出电压断开晶体管，耦合在输出电感器的第二端子和提供输出电压的输出节点之间，输出电压断开晶体管从相位冗余控制器接收第一控制信号，其中第一控制信号具有接通输出电压断开晶体管的第一状态，将输出电感器连接到输出节点，以及打开输出电压断开晶体管的第二状态，以便将输出电感器从输出节点断开；以及
一个电流传感晶体管，其具有耦合到输出电感器的第二端子的第一电流端子，以及通过传感电阻器耦合到第一节点的第二电流端子，并且接收第一控制信号的控制端子，电流传感晶体管具有与输出电压断开晶体管相同的晶体管结构，并且尺寸为输出电压断开晶体管的一小部分，
其中，所述电流传感晶体管由所述第一控制信号导通，以便传导在所述功率级的输出电感器中流动的电感电流的一部分，所述相位冗余控制器接收通过所述传感电阻器测量的电流传感电压信号，以便产生指示所述电感电流的电流传感信号。
2.权利要求1所述的功率级，还包括：
一个耦合在输入电压节点和输入电压之间的输入电压断开晶体管，输入电压断开晶体管接收由相位冗余控制器产生的第二控制信号，其中所述的第二控制信号具有第一状态，以便接通所述输入电压断开晶体管，从而将所述高压侧电源开关连接到所述输入电压，以及第二状态，以打开所述输入电压断开晶体管，将所述高压侧电源开关从所述输入电压断开。
3.权利要求1所述的功率级，其中所述的输出电压断开晶体管包括MOS晶体管，所述电流传感晶体管包括与所述输出电压断开晶体管相同晶体管结构构造的MOS晶体管，并且所述电流传感晶体管的晶体管通道宽度是所述输出电压断开晶体管的晶体管通道宽度的一小部分。
4.权利要求3所述的功率级，其中输出电压断开晶体管和电流传感晶体管形成在同一个半导体衬底上。
5.权利要求4所述的功率级，其中输出电压断开晶体管包括一个沟槽MOS晶体管，形成在第一多个沟槽晶胞中，电流传感晶体管包括一个沟槽MOS晶体管，形成在第二多个沟槽晶胞中，第二多个沟槽晶胞是第一多个沟槽晶胞的一小部分。
6.权利要求5所述的功率级，其中传感电阻器是一个独立的电阻器，位于半导体衬底外部。
7.权利要求1所述的功率级，其中电流传感晶体管具有的晶体管通道宽度为输出电压断开晶体管的晶体管通道宽度的1/1000至1/10,000。
8.权利要求1所述的功率级，其中功率级的输出节点耦合到多相开关电源的输出电容，以响应输出电压断开晶体管闭合时与输出电感形成LC滤波器电路，以便在多相开关电源输出电压节点产生具有实质恒定幅值的调节输出电压，所述调节输出电压耦合以驱动负载，其中第一节点包括负载处的节点，用于传感提供给负载的调节输出电压。
9.一个多相开关电源中的功率级，接收与功率级的相位和输入电压相关联的脉宽调制(PWM)信号，并提供输出电压，该功率级包括：
一个高压侧电源开关和一个低压侧电源开关。串联在输入电压节点和接地参考电压之间，并由PWM信号控制，高压侧电源开关和低压侧电源开关的电流端子之间的开关输出节点产生开关输出电压，开关输出节点耦合到输出电感器的第一端子上；
一个相位冗余控制器，接收PWM信号，并产生第一控制信号；以及
一种输出电压断开晶体管，其具有耦合到输出电感器的第二端子的第一电流端子，以及耦合到提供输出电压的输出节点的第二电流端子，所述的输出电压断开晶体管从所述相位冗余控制器接收所述的第一控制信号，其中信号具有第一状态，以接通输出电压断开晶体管，从而将输出电感器连接到输出节点以及第二状态，以打开输出电压断开晶体管，将输出电感器从输出节点断开，
其中，相位冗余控制器测量输出电压断开晶体管的第一电流端子和第二电流端子之间的电压，该电压指示在功率级的输出电感器中流动的电感电流。
10.权利要求9所述的功率级，其中输出电压断开晶体管包括一个MOSFET器件，该电压表示电感电流以及MOSFET器件的导通电阻。
11.权利要求9所述的功率级，其中相位冗余控制器产生一个表示电压的电流传感信号，并且对电流传感信号使用温度补偿。
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