CN116449900A - 电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有动态电压和频率跟踪功能的电压调节器。电压调节器具有将输入电压转换为输出电压的功率开关、回路控制器、电压比较器和目标电压产生器。回路控制器耦接功率开关，以控制功率开关执行电压调节。电压比较器比较输出电压与目标电压，以产生第一控制信号去控制回路控制器。目标电压产生器根据目标频率与关键路径相关频率之间的频率差产生目标电压，以供电压比较器使用，其中，关键路径相关频率取决于输出电压。功率效率和响应时间得到改善。

Description

电压调节器

技术领域

本发明实施例通常涉及电压调节技术，以及更具体地，涉及一种具有动态电压和动态频率跟踪功能(with dynamic voltage and frequency tracking)的电压调节器。

背景技术

电压调节器控制功率开关来将输入电压转换为输出电压。

如何设计兼顾功率效率和响应时间的电压调节器是本领域的重要课题。

发明内容

以下发明内容仅是说明性的，而无意于以任何方式进行限制。即，提供以下概述来介绍本文描述的新颖和非显而易见的技术的概念，重点，益处和优点。选择的实施方式在下面的详细描述中进一步描述。因此，以下发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。

本发明提供了一种电压调节器，其具有动态电压和动态频率的跟踪功能。

根据本发明一实施例提供的电压调节器(例如，其用于给负载产生动态电压)包括功率开关、回路控制器、电压比较器和目标电压产生器。功率开关用于将输入电压转换为输出电压；回路控制器耦接该功率开关，以控制该功率开关执行电压调节；电压比较器用于比较该输出电压与目标电压，以产生第一控制信号去控制该回路控制器；以及，目标电压产生器用于根据目标频率与关键路径相关频率之间的频率差产生该目标电压给该电压比较器；其中，该关键路径相关频率取决于该输出电压。

在一些实施例中，当该关键路径相关频率低于该目标频率时，该目标电压产生器增大该目标电压，以增大该关键路径相关频率；以及，当该关键路径相关频率高于该目标频率时，该目标电压产生器降低该目标电压，以降低该关键路径相关频率。

在一些实施例中，该电压调节器还包括时钟发生器，该时钟发生器由该输出电压供电，以生成取决于该输出电压的该关键路径相关频率。

在一些实施例中，该时钟发生器使得：该输出电压越大时，该关键路径相关频率越高。

在一些实施例中，该目标电压产生器包括动态电压缩放器，用于产生参考电压，其中，该参考电压被根据该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差做调整并因此产生该目标电压。

在一些实施例中，该目标电压产生器还包括：相位频率检测器，用于接收该目标频率和该关键路径相关频率，以获得该目标频率和该关键路径相关频率之间的频率差；以及，参考电压调整电路，受该相位频率检测器获得的该频率差的控制，以产生用于将该参考电压调整为该目标电压的校正电压。

在一些实施例中，该相位频率检测器还根据该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差产生第二控制信号给该回路控制器，其中，该第二控制信号被传送至该回路控制器且没有经过该参考电压调整电路或该电压比较器。

在一些实施例中，该回路控制器的数字回路码是根据被传送至该回路控制器且没有经过该参考电压调整电路或该电压比较器的该第二控制信号调整的。

在一些实施例中，该动态电压缩放器被目标决策模块控制，以使得该参考电压与该电压调节器驱动的负载相匹配。

在一些实施例中，该目标决策模块在控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该负载匹配时，该目标决策模块还调整该参考电压调整电路提供的用以放大该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差的增益。

在一些实施例中，该目标决策模块在控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该负载匹配时，该目标决策模块关闭该参考电压调整电路提供的用以放大该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差的该增益。

在一些实施例中，该目标决策模块控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该目标频率相关。

在一些实施例中，该目标决策模块设定该目标频率以匹配该电压调节器驱动的该负载。

在一些实施例中，该目标决策模块根据该目标频率搜索查找表，以根据搜索结果控制该动态电压缩放器。

在一些实施例中，该目标决策模块控制该动态电压缩放器，以使得该参考电压覆盖与该电压调节器驱动的该负载相匹配的该目标频率的临界情况。

本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。

附图说明

附图(其中，相同的数字表示相同的组件)示出了本发明实施例。包括的附图用以提供对本发明实施例的进一步理解，以及，附图被并入并构成本发明实施例的一部分。附图示出了本发明实施例的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明实施例的原理。可以理解的是，附图不一定按比例绘制，因为可以示出一些部件与实际实施中的尺寸不成比例以清楚地说明本发明实施例的概念。

图1示出了根据本发明示例性实施例的电压调节器100。

图2示出了根据本发明示例性实施例的参考电压VREF和目标电压Vtarget的波形示意图。

图3根据本发明示例性实施例示出了表示电压调节的响应时间的波形。

在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。

具体实施方式

以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。

其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。

文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。

图1示出了根据本发明示例性实施例的电压调节器(voltage regulator)100。电压调节器100包括功率开关(power switch)102、回路控制器(loop controllercontroller)104、电压比较器(voltage comparator)106和目标电压产生器(targetvoltage generator)108。功率开关102将输入电压VIN转换成输出电压VOUT，回路控制器104耦接到功率开关102，且用于控制功率开关102以执行电压调节(voltage regulation)。电压比较器106比较输出电压VOUT与目标电压Vtarget，以产生第一控制信号CS1去控制回路控制器104，从而，在一实施例中，回路控制器104根据第一控制信号CS1产生开关控制信号，以控制功率开关102的接通和/或断开，从而实现电压调节。例如，功率开关102是由多个功率开关单元组成的，回路控制器104产生开关控制信号以控制功率开关单元的接通数目。目标电压产生器108基于目标频率(target voltage)FTAR和关键路径相关频率(critical-path-related frequency)FCP之间的频率差(frequency difference)产生目标电压Vtarget给电压比较器106，其中，关键路径相关频率FCP取决于(depend on)输出电压VOUT。申请人意识到：负载120(例如，CPU，但本发明并不限于此)在输出电压VOUT供电的情形中，负载120内的结构或路径在工作频率增大时可能会遭遇操作失败(failed)，因此，为了使得负载120能够适应增大后的工作频率或在各种频率下都能够正常操作，本发明实施例提供的电压调节器100能够产生与负载120可能操作在其上的各种频率相对应的不同供电电压，也就是说，本发明实施例提供的电压调节器100具有动态电压和动态频率跟踪功能。例如，电压调节器100会自动调节到适当的电压以使输出时钟信号的频率FCP等于目标频率FTAR，而由于FOUT与FCP呈简单正比关系，使得FOUT即为负载120期望操作频率。可以理解地，可以将负载120内易遭受操作失败的路径描述为关键路径，时钟发生器110与负载120内的该关键路径相关，例如，时钟发生器110产生的时钟信号FCP可模仿/跟踪该关键路径的信号的时序(timing)。在图1所示的这种结构中，透过电压比较器106执行的电压反馈控制进一步考虑了频率的变化(其中，目标电压Vtarget是基于目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差产生的)。电压调节器100能够提供更好的功率效率和更短的响应时间。

在示例性实施例中，当关键路径相关频率FCP低于(lower than，亦可描述为“小于”)目标频率FTAR(如图1所示，相位频率检测器114可接收频率为FCP的信号和频率为FTAR的信号)时，目标电压产生器108增大(increase)目标电压Vtarget，以提高(亦可描述为“增大”)关键路径相关频率FCP。当关键路径相关频率FCP高于(higher than，亦可描述为“大于”)目标频率FTAR时，目标电压产生器108降低(decrease，亦可描述为“减小”)目标电压Vtarget，以减小(亦可描述为“降低”)关键路径相关频率FCP。从而，在稳定状态下，通过回路控制(例如，根据频率差产生控制信号CS1至回路控制器104以控制功率开关102来调节输出电压VOUT的回路，或者，根据频率差产生控制信号CS2至回路控制器104以控制功率开关102来调节输出电压VOUT的回路)，频率FCP被锁定在目标频率FTAR，即频率FCP被控制为与目标频率FTAR相同。可以理解地，在稳定状态下，频率FOUT和频率FCP通常是倍数关系，例如，频率FOUT为频率FCP的n倍(例如，n>1)。

电压调节器100还具有时钟发生器(clock generator)110，其由输出电压VOUT供电，以产生取决于(depend on)输出电压VOUT的关键路径相关频率FCP。

在示例性实施例中，时钟发生器110使得：输出电压VOUT越大时，关键路径相关频率FCP越高。

目标电压产生器108还具有动态电压缩放器(dynamic voltage scaler，亦可描述为“动态电压调节器”)112，动态电压缩放器112产生参考电压(reference voltage)VREF，根据目标频率FTAR与关键路径相关频率FCP之间的频率差，参考电压VREF将被调整。从而，参考电压VREF被调整为目标电压(target voltage)Vtarget。在图1的示例中，目标电压Vtarget是根据参考电压VREF及目标频率FTAR与关键路径相关频率FCP之间的频率差产生的。

目标电压产生器108还具有相位频率检测器(phase frequency detector)114和参考电压调整电路(reference voltage adjusting circuit)116。相位频率检测器114接收目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP以获得目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差。参考电压调整电路116受相位频率检测器114所获得的频率差的控制。参考电压调整电路116根据该频率差产生校正电压(correction voltage)ΔV，以将参考电压VREF调整为目标电压Vtarget。

在本发明实施例中，存在用于基于目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差对回路控制器104进行控制的可选路径。如图1所示，相位频率检测器114还可以基于目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差产生第二控制信号CS2给回路控制器104。第二控制信号CS2被直接传送至回路控制器104且没有经过参考电压调整电路116或电压比较器106。根据控制信号CS2控制回路控制器104的实施例将具有更快的响应。

在示例性实施例中，回路控制器104的数字回路码(digital loop code)是根据被传送到回路控制器104且没有经过参考电压调整电路116或电压比较器106的第二控制信号CS2进行调整的。可以理解地，回路控制器104产生的用来控制功率开关102的开关控制信号与该数字回路码有关，从而，在本发明实施例中，回路控制器104可以根据第一控制信号CS1或者第二控制信号CS2产生数字回路码和/或开关控制信号以控制功率开关102的接通/断开。

在示例性实施例中，动态电压缩放器112被目标决策模块(target decisionmodule)118控制，以使得参考电压VREF与电压调节器100驱动的负载120(其由输出电压VOUT驱动或使用输出时钟信号FOUT)相匹配。例如，参考电压VREF被设置为与负载120当前期望的工作电压相同。

在示例性实施例中，当目标决策模块118控制动态电压缩放器112以使得参考电压VREF与负载120匹配时，目标决策模块118还调整(adjust)参考电压调整电路116提供的用以放大目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差的增益。

在示例性实施例中，当目标决策模块118控制动态电压缩放器112以使得参考电压VREF与负载120匹配时，目标决策模块118禁用(disable)参考电压调整电路116提供的用以放大目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差的增益。在该示例性实施例中，校正电压ΔV为零，以关闭(turn off)基于目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差的控制。

在示例性实施例中，目标决策模块118控制动态电压缩放器112以使得参考电压VREF与目标频率FTAR相关。

在示例性实施例中，目标决策模块118设置目标频率FTAR以匹配电压调节器100驱动的负载120。例如，目标频率FTAR可以与负载120期望的工作频率F为倍数关系，例如，频率F为目标频率FTAR的n倍。在本发明实施例中，通常，负载120(例如，CPU)根据操作情况可以具有不同的工作模式，例如，在第一工作模式和第二工作模式中，负载120的期望工作电压(例如，其由输出电压VOUT提供)和期望工作频率(例如，输出频率FOUT)是不同的。例如，第一工作模式下的期望工作频率可以是第一频率(例如，高频段)和第一电压，第二工作模式下的期望工作频率可以是低于该第一频率的第二频率(例如，低频段)和低于第一电压的第二电压。从而，目标决策模块118根据实际情况控制动态电压缩放器112产生与目标频率FTAR相关的参考电压VREF，其中，目标频率FTAR与负载120匹配，例如，目标频率与负载120期望的工作频率相关。

在示例性实施例中，目标决策模块118根据目标频率FTAR搜索查找表(look-uptable)122，以根据搜索结果控制动态电压缩放器112，从而使得动态电压缩放器112产生与目标频率FTAR相匹配的参考电压VREF。可以理解地，查找表中记载了多个条目，单个条目记载了频率及与频率相对应的电压，从而，目标决策模块118根据实际情况确定出负载120当前操作的期望工作频率后即可确定出目标频率FTAR，例如，目标频率FTAR为期望工作频率的1/n，进而，根据确定出的目标频率FTAR搜索查找表，以控制动态电压缩放器112将参考电压VREF设置为查找表中与目标频率FRAR相对应的电压。在本发明实施例中，通过将频率FCP锁定在FTAR，能够使得负载120工作在期望的工作电压和期望的工作频率处，具有动态电压和动态频率的跟踪功能，从而能够避免在工作电压不变而工作频率变高时导致的操作失败。

在示例性实施例中，目标决策模块118控制动态电压缩放器112以使得参考电压VREF覆盖目标频率FTAR(其中，目标频率FTAR与负载120匹配)的临界情况(corner case)。从而能够避免PVT(工艺、电压、温度)变化导致的差异影响。

目标决策模块118和查找表122可以由计算硬件实现。

图2示出了根据本发明示例性实施例的参考电压VREF和目标电压Vtarget的波形。参考电压VREF满足目标频率FTAR(其与负载120相匹配)的临界情况。参考电压VREF通过校正电压ΔV(ΔV根据目标频率FTAR和关键路径相关频率FCP之间的频率差而变化)调整后，产生了更高功率效率的目标电压Vtarget。输出电压VOUT自适应于负载120的状态。例如，当目标频率FTAR根据负载的状态从第一频率改变至第二频率时，频率FCP将与目标频率FTAR的更新值(第二频率)存在差异，从而，电压调节器将自适应调整输出电压VOUT，以使得频率FCP锁定在目标频率FTAR，进而相当于调整了输出频率FOUT(例如，输出频率FOUT与频率FCP存在倍数关系)。因此，在稳定状态下，输出电压VOUT和输出频率FOUT均与负载相匹配，即输出电压VOUT和输出频率FOUT能够自适应于负载的状态。

图3根据本发明示例性实施例示出了表示电压调节的响应时间的波形。波形302对应于电压调节是基于将输出电压的频率控制为接近目标频率且没有应用电压反馈的情况。波形304对应于图1的电压调节器100。可以发现，电压调节器100的瞬态响应(transitionresponse)提高了。

在权利要求书中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等序数术语来修改权利要求要素，其本身并不表示一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先权、优先级或顺序，或执行方法动作的时间顺序，但仅用作标记，以使用序数词来区分具有相同名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个元素要素。

虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)，例如，不同实施例中的不同特征的组合或替换。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (15)

1.一种电压调节器，其特征在于，该电压调节器包括：

功率开关，用于将输入电压转换为输出电压；

回路控制器，耦接该功率开关以控制该功率开关执行电压调节；

电压比较器，用于比较该输出电压与目标电压，以产生第一控制信号去控制该回路控制器；以及，

目标电压产生器，用于根据目标频率与关键路径相关频率之间的频率差产生该目标电压给该电压比较器；

其中，该关键路径相关频率取决于该输出电压。

2.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于：

当该关键路径相关频率低于该目标频率时，该目标电压产生器增大该目标电压，以增大该关键路径相关频率；以及，

当该关键路径相关频率高于该目标频率时，该目标电压产生器降低该目标电压，以降低该关键路径相关频率。

3.如权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，该电压调节器还包括：

时钟发生器，由该输出电压供电，以生成取决于该输出电压的该关键路径相关频率。

4.如权利要求3所述的电压调节器，其特征在于，该时钟发生器使得：该输出电压越大时，该关键路径相关频率越高。

5.如权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，该目标电压产生器包括：

动态电压缩放器，用于产生参考电压，其中，该参考电压被根据该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差做调整并因此产生该目标电压。

6.如权利要求5所述的电压调节器，其特征在于，该目标电压产生器还包括：

相位频率检测器，用于接收该目标频率和该关键路径相关频率，以获得该目标频率和该关键路径相关频率之间的频率差；以及，

参考电压调整电路，受该相位频率检测器获得的该频率差的控制，以产生用于将该参考电压调整为该目标电压的校正电压。

7.如权利要求6所述的电压调节器，其特征在于：

该相位频率检测器还根据该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差产生第二控制信号给该回路控制器，其中，该第二控制信号被传送至该回路控制器且没有经过该参考电压调整电路或该电压比较器。

8.如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：

该回路控制器的数字回路码是根据被传送至该回路控制器且没有经过该参考电压调整电路或该电压比较器的该第二控制信号调整的。

9.如权利要求6所述的电压调节器，其特征在于：

该动态电压缩放器被目标决策模块控制，以使得该参考电压与该电压调节器驱动的负载相匹配。

10.如权利要求9所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块在控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该负载匹配时，该目标决策模块还调整该参考电压调整电路提供的用以放大该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差的增益。

11.如权利要求10所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块在控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该负载匹配时，该目标决策模块关闭该参考电压调整电路提供的用以放大该目标频率与该关键路径相关频率之间的频率差的该增益。

12.如权利要求9所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块控制该动态电压缩放器以使得该参考电压与该目标频率相关。

13.如权利要求12所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块设定该目标频率以匹配该电压调节器驱动的该负载。

14.如权利要求13所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块根据该目标频率搜索查找表，以根据搜索结果控制该动态电压缩放器。

15.如权利要求13所述的电压调节器，其特征在于：

该目标决策模块控制该动态电压缩放器，以使得该参考电压覆盖与该电压调节器驱动的该负载相匹配的该目标频率的临界情况。