CN1407419A - 具有增强的处理负载电流快速衰减能力的补偿调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种价格低廉但不降低性能的补偿变换器。根据本发明一种实施例，提供了一种改进的补偿变换器。该补偿变换器包括用于接收输入信号的输入电路，连接到该输入电路，用于控制该输入电路的控制器，可以由该控制器控制闭合/打开的开关，连接到所述输入电路，并且与所述开关并联的电流储存元件，和连接到所述电流储存元件，用于与负载并联的输出电压储存元件。在充电阶段，所述控制器使得所述输入电路允许所述输入信号通过，并通过所述电流储存元件被提供给负载。所述控制器还使得所述开关打开，变成开路。在放电阶段，所述控制器使得所述输入电路从所述输入信号断开，并使得所述开关闭合，变成短路，从而电流在由所述开关和所述电流储存元件构成的回路内流动。

Description

具有增强的处理负载电流快速衰减能力的补偿调节器
发明领域
本发明总体上涉及电子器件，具体而言，涉及补偿变换器。
背景技术
补偿变换器用于将较高的电压变换成适合比如微处理器使用的较低的电压。在美国专利6166528中公开了一种传统的补偿变换器，该专利于2000年12月26日授予Rossetti等人，其公开的内容在此引作参考。一般，补偿变换器用时钟工作，其中，在时钟周期的第一部分(充电阶段)对一个电感充电，在时钟周期的第二部分(放电阶段)该电感作为一个电流源工作。
图1A示出一种典型的补偿变换器10，包括晶体管14和18、控制器20、电感24和电容28。补偿变换器10通过响应时钟信号而开始充电阶段来运行。在充电阶段，电感24/电容28和连接在输出电压Vout上的负载(未示出)被耦合到输入电压Vin。同时，电感电流iL由控制器20监视。当iL达到一个预定值时，变换器10被从输入电压Vin上断开，而电感24通过负载和电容28泄放其能量。电感电流以斜率diL/dt＝(VL/L)线性上升和下降，其中VL是电感上的电压降。图1B示出补偿变换器10中的信号Vin和iL。
当出现要求的负载电流快速衰减时，控制器20只是等待，而电感24中的电流向电容28和负载中泄放，导致输出电压Vout迅速上升。例如，象Pentium、Itanium这样的微处理器要求大约1.5V的电压和大约60A的电流，且电流从0变化到60A要在纳秒级完成。Vout如此快速的增加可能导致电容28和/或负载的严重损坏。因此，电容的容量必须非常大才能在如此快速的浪涌电流期间将电压上升限制在安全的大小范围内。但是，大容量电容非常昂贵，是补偿变换器中最昂贵的部件。这样会增加补偿变换器的总体成本。
因此，需要一种低价位的补偿变换器，同时，其性能还不能降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种低价位的补偿变换器，同时，其性能还不降低。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定优选的实施例。本发明的补偿变换器最好应用于如权利要求所要求保护的一种计算机系统。
通过以下结合附图所进行的说明以及权利要求，本发明的其它目的和成就以及对本发明的理解将会更加清楚和明白。
附图简述
下面参照附图，通过举例的方式对本发明做进一步的详细阐述。
图1A示出一种传统补偿变换器；
图1B示出图1A所示补偿变换器中的各种信号；
图2示出根据本发明第一实施例的一种补偿变换器；
图3示出根据本发明第二实施例的一种补偿变换器；
图4示出根据本发明第三实施例的一种补偿变换器；
图5示出根据本发明第四实施例的一种补偿变换器；
在全部附图中，相同的标号指示相似的或对应的特征或功能。
具体实施方式
图2示出根据本发明第一实施例的一种补偿变换器30。补偿变换器30包括MOS晶体管34和38，由控制器40在它们各自的栅极控制。在一种具体的实施例中，Vin是正的，且两个晶体管34和38都是N型MOS晶体管。补偿变换器30还包括与开关46并联连接的电感44和连接在输出电压Vout和接地电平之间的电容48。开关46可以是任意合适的开关器件，最好其导通电阻很低。控制器40根据对负载电流iload快速衰减或输出电压Vout中的过压状态的检测来控制开关46。过压状态可能是由于负载断开导致负载电流iload快速衰减而引起的。当负载断开时，负载电流iload将快速衰减。因此，电感电流iL将流入电容28并使得Vout增大到超过预定电平(如1.5V)。过压状态还可能是由于在负载存在时，电感电流iL在充电阶段增大而引起的。当控制器40检测到负载电流快速衰减或过压状态时，该控制器首先关闭两个晶体管34和38，然后接通开关46。
在该第一实施例中，在充电阶段，控制器接通晶体管34而关断晶体管38，使得电感44、电容48和负载(未示出)耦合到输入电压Vin，而开关46保持断开。随着电感44被充电，电感电流iL增加，使得Vout也增加。当控制器40检测到过压状态或由于负载断开而导致的负载电流iload快速衰减时，控制器40关断晶体管34，使变换器30从Vin断开，以启动放电阶段。此时，控制器还闭合开关46。
在放电阶段，电感电流iL在由电感44和开关46形成的闭合回路内保持，损失很少，并且不流入电容48和负载中。这样防止了电容48和/或剩余的负载被过电压损坏。如果负载还存在，电流将从电感48流入负载。一旦控制器40检测到Vout已经被负载电流iload减小到一个合适的电平(如1.5V)，控制器40就打开开关46，使得电感44中储存的电流再次对电容48充电并供应到负载。如果控制器40再次检测到负载电流iload快速衰减或Vout的过压状态时，控制器40将再次闭合开关46，但是将会有一个较低的电流在电感-开关回路中流动。重复这一周期，直到平均的电感电流iL低于要求的负载电流iload，此后，恢复正常工作，例如，变换器30在充电和放电阶段之间交替运行。
在上述周期中，晶体管34保持关断，而晶体管38保持“不被驱动”，但是只要开关46打开而电流在电感中流动时，晶体管34就通过其内部二极管导通。
在一个具体的实施例中，Vin是12V，而Vout是1.2V。分析电感电流增加的速率(其中VL＝Vin-Vout)与电感电流衰减的速率(其中VL＝Vout)间的关系表明：(Vin-Vout)/Vout＝(12-1.2)/1.2＝9。因此，由于只有增加电感电流才会对所需的电容大小产生影响，而现在对电容48容量的要求只相当于原来的1/10。这样，电容的价格也降到原来的大约1/10，节约效果非常显著。
图3示出根据本发明第二实施例的一种补偿变换器50。本实施例与图2所示的第一实施例类似。在该实施例中，用两个MOS晶体管(注意，两个晶体管用来防止在开关必须关断时体二极管的导通，而不管电感上电压降的极性如何)54和58代替图2中的开关46。变换器50的工作过程与上述第一实施例的变换器30一样。在充电阶段，两个晶体管54和58都关断。在放电阶段，两个晶体管54和58开始都导通，以形成与电感44的闭合回路，将电感电流保持在回路中，以防电容48过充电。
在放电阶段，控制器40以与图2中控制器40闭合或打开开关46类似的方式，根据对负载电流iload快速衰减或输出电压Vout中的过压状态的检测来导通或关断晶体管54和58，直到平均的电感电流iL低于负载电流iload，或Vout下降到预定电平以下。
尽管本实施例中由于实际的原因(寄生体二极管)，用了两个晶体管，但是可以理解，也可以使用一个晶体管作为开关。上述实施例对于iload持续快速地在低-高值之间循环的情况来说是理想的。
图4示出根据本发明第三实施例的一种补偿变换器60。如在图2中所示的一样，补偿变换器60包括晶体管34和38，由控制器40在它们各自的栅极控制。补偿变换器60还包括与晶体管64串联的电感44，晶体管64的栅极由控制器44控制。二极管68连接在输入电压Vin与电感44的一端之间，电容48连接在输出电压Vout与接地电平之间。二极管68最好是肖特基二极管，其损耗适中，价格合理。二极管68还可以用有源整流器实现，用功率MOSFET获取最低的损耗，但价格要贵一些。
在充电阶段，控制器40导通晶体管34和64而关断晶体管38，使得电容48和负载耦合到Vin。二极管68被反向偏置，在充电阶段作为开路。如果负载从变换器60上断开，负载电流iload将会快速衰减。在放电阶段，当控制器40检测到负载电流iload快速衰减或Vout大于一个预定电平(例如1.5V)时，控制器40关断晶体管64，该晶体管于是起开路的作用。这样可以防止电容48过充电。然后，电流在晶体管34、电感44和二极管68构成的回路中流动。回路中的电流在二极管68中快速泄放。当负载再次连接到变换器时，会开始一个新的充电阶段，控制器40将导通晶体管64，使得Vin以与上述相同的方式连接到变换器60。
在iload或Vout在低-高之间不频繁循环的情况下，上述实施例是理想的。
图5示出根据本发明第四实施例的一种补偿变换器70。该第四实施例是图4所示的第三实施例的一种变换形式。该实施例允许由负载减小和过压检测控制器70对晶体管64的控制与驱动晶体管34和38的控制器40分开。这样做的好处在于，可以在较大范围内选择晶体管34和38的较成熟的控制器，经过简单的处理就可以适合于结合在本发明中。
通过改装非同步补偿调节器，如Philips的SAPFET，也可以实现本发明，所述SAPFET可以从Philips Semiconductors，Inc.，Sunnyvale，California得到。
尽管以上结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是，显然对于本领域的技术人员来说，根据前述说明，各种选择和变换以及改动将是很清楚地。因此，这样的选择和变换以及改动都属于所附权利要求的范畴。

Claims (8)

1.一种补偿变换器(30)，包括：
用于接收输入信号的输入电路(34，38)；
连接到该输入电路，用于控制该输入电路的控制器(40)；
可以由该控制器控制闭合/打开的开关(46)；
连接到所述输入电路，并且与所述开关并联的电流储存元件(44)；和
连接到所述电流储存元件，用于与负载并联的输出电压储存元件(48)。
2.权利要求1的变换器，其中在充电阶段，所述控制器使得所述输入电路允许所述输入信号通过，并通过所述电流储存元件被提供给负载，且其中所述控制器还使得所述开关打开，变成开路。
3.权利要求1的变换器，其中在放电阶段，所述控制器使得所述输入电路从所述输入信号断开，并使得所述开关闭合，变成短路，从而电流在由所述开关和所述电流储存元件构成的回路内流动。
4.权利要求3的变换器，其中当所述控制器检测到流入所述负载的负载电流快速衰减时发生所述放电阶段。
5.权利要求3的变换器，其中当所述控制器在所述输出电压储存元件上检测到过压状态时发生所述放电阶段。
6.权利要求1的变换器，其中所述开关包括两个相互串联的MOS晶体管(54，58)。
7.一种补偿变换器(60)，包括：
具有用于接收输入信号的输入端子的输入电路(34，38)；
连接到该输入电路，用于控制该输入电路的控制器(40)；
连接到所述输入电路的电流储存元件(44)；
可以由所述控制器控制闭合/打开并且串联连接到所述电流储存元件的开关(64)；
连接在所述输入电路的输入端子与所述电流储存元件和所述输入电路之间的一个点之间的整流元件(68)；和
连接到所述开关，用于与负载并联的输出电压储存元件(48)。
8.一种计算机系统，包括：
一个存储器；
连接到所述存储器的处理器；和
一个变换器，用于将较高的电压变换为适合所述处理器使用的较低的电压，所述变换器包括：
用于接收输入信号的输入电路，
连接到该输入电路，用于控制该输入电路的控制器，
可以由该控制器控制闭合/打开的开关，
连接到所述输入电路，并且与所述开关并联的电流储存元件，和
连接到所述电流储存元件，用于与负载并联的输出电压储存元件。
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