CN1598733A - 用于微处理器电源或类似电源的有效电压配置装置 - Google Patents

用于微处理器电源或类似电源的有效电压配置装置 Download PDF

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Abstract

一种改进的用于微处理器电源等电源的有效电压配置(AVP)装置，包括利用带有并联的RC反馈电路的缓冲放大器与电源误差放大器相分开的AVP电路，以控制调整瞬变响应。从输出负载电流感测元件获得的AVP信号提供了缓冲放大器的一个输入。缓冲放大器的第二输入由电源参考电压提供。缓冲放大器的输出用作误差放大器的输入以提供AVP窗口，因此可以分开调整误差环路和AVP环路的瞬变行为。

Description

用于微处理器电源或类似电源的有效电压配置装置
相关申请的交叉参考
本专利申请基于并要求2003年5月12日提交的第60/470,065号美国临时专利申请的优先权，在此引用该专利申请的内容以作为参考。
技术领域
本发明涉及一种稳压器，特别涉及用于微处理器和对电源性能有严格要求的其它应用的稳压器。典型的现代微处理器要求低于2V的、在相当窄的窗口范围内稳定的工作电压，以及可在0和50安培或更高电流之间以非常快的速度切换的电流。而且甚至要求现有电源的状态能够在大约1V时提供100安培的电流，而且电压精度低于1.0％。在这种条件下，必须采用非常复杂的电源设计技术来维持电压的稳定。
控制微处理器电源输出的优选技术是有效电压配置(AVP)技术，其基本概念在图1中示出。根据该图，电源输出电压作为负载电流的函数被控制在由最大电压Vmax和最小电压Vmin定义的电压窗口(voltagewindow)8中。如果所需输出电流低，如在标号10处，则输出电压被调整到电压窗口的顶部附近，从而在当出现输出电流阶跃升高时使电压不会降到Vmin以下。相反，如果输出电流高，如在标号12处，则输出电压被调整到电压窗口的底部附近，从而在当输出电流回到低电平时使电压不会升到Vmax以上。
背景技术
采用脉宽调制(PWM)的开关稳压器通常被用作微处理器的电源。当采用AVP技术时，要采用带有内置AVP电路的集成电路(IC)控制器。该类控制器的主要部件在图2中示出。图2中该类控制器通常由标号18表示，其包括误差放大器20、补偿网22、PWM发生器24、以及至少一对诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)26和28的高、低端晶体管开关。这对高、低端晶体管开关26和28通过电感电容电路30向负载提供输出电压V0。负载由微处理器CPU32代表，但本领域的技术人员应该理解，它代表了任何以快速电流瞬变为特征的、要求来自电源的电压非常稳定的高电流低电压负载。
为进行控制，表示电压V0的信号通过输入电阻34反馈回误差放大器20。正如本领域技术人员将理解的那样，该信号通常由电流感测元件(未示出)提供。电流感测元件可以是例如分流电阻、全导通MOSFET的漏极到源极的电阻Rdson或任何其它合适的方式。
IC18中的电流源36响应电流反馈信号而工作，它将电流信号注入到输入电阻34以产生电压偏移，并生成AVP窗口8(见图1)。
这种传统解决方案有两个主要缺点。首先，生成如图1所示的理想AVP输出电压波形要求最优地设置误差电路和AVP电路两者的增益和环路响应以及AVP环路响应。图示的方法不能使用户简单地优化两种环路响应。
其次，误差放大器20的输入电阻34也是用于在所有工作条件下稳定控制环路以防止震荡的补偿网22的一部分。由于电阻34的阻值通常被设为固定值以建立AVP窗口，这迫使用户要根据选定用于输入电阻34的阻值来选择补偿网22中的所有其它电阻和电容。改变电阻34的值来适应补偿网22中的设计变化会导致AVP窗口改变，因此使对系统的补偿非常麻烦。
因而，需要有一种更加灵活的解决方案以实现微处理器电源等电源中的AVP。
发明内容
因而本发明的目的是提供一种可以更加灵活地进行调整和优化的AVP方法和装置。
本发明还有一个目的是提供一种AVP方法和装置，它允许单独调整误差放大器环路和AVP环路的瞬变响应和增益，从而更好地控制反馈、环路和AVP窗口形状的稳定性。
本发明的又一目的是提供一种AVP方法和装置，它能够简化并提高用户对稳定性响应进行补偿的能力。
本发明的再一目的是提供一种AVP方法和装置，它可与不是设计用来提供AVP功能的控制器一起使用。
根据本发明所述，通过将AVP功能和控制IC的其它功能分开实现，并将AVP电流源经由缓冲电路耦合到误差放大器输入中，就可实现上述目的。
补偿灵活性的提高、对误差放大器环路响应和AVP环路响应单独进行调谐以及由此实现更加接近理想的AVP的能力，这些都弥补了电路实现中所增加的任何复杂度。
通过下面参照附图的说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图的简要说明
图1的波形图示出了AVP的基本概念；
图2是用于微处理器电源的控制器的示意电路图，其中示出了常规的AVP装置；
图3是一种控制器的局部示意电路图，其中示出了根据本发明所述的AVP功能的实现装置；
图4的波形图示出了本发明与常规实践相比较的优点；
图5的波形图示出了根据本发明所述的AVP装置的实际性能。
具体实施方式
图3示出了根据本发明的AVP方法的优选实施例。此处，图中所示的控制器40部分包括误差放大器42。误差放大器42带有连接输出电压反馈信号V0的第一输入电阻44。误差放大器42的输出作为与图2所示电路中的标号24相对应的PWM发生器的输入。
在图2的电路中，AVP电流源36与误差放大器20的电压反馈信号连接在同一输入端上。相反，根据本发明，如图3所示，通常由标号46代表的AVP电流源与误差放大器42的另一个输入端相连接，从而使输入电阻44不再是AVP电路的一部分。
根据本发明，AVP电流源46和输入放大器48带有与输出电流感测元件相连接的正相输入(direct input)和反相输入，以提供由放大器48和电阻50和52确定的偏移信号。该偏移信号被耦合到缓冲放大器62的反相输入，缓冲放大器62的正相输入与确定了标称电源电压的参考信号源68相耦合。因而，缓冲放大器62的输出在误差放大器和参考电压之间产生了偏移电压。
RC反馈电路包括与电容器66并联的电阻64，该电路控制着AVP电路的环路响应。
通过根据应用的需要来选择电阻52、54和64的阻值以及电容器66的电容值，用户就可使AVP电路60的增益和响应特性最优化，而不管误差环路的增益。
可采用常规的制造技术实现本发明以提供包括误差放大器42、补偿网48和AVP电路60的集成电路控制器。也可在单独的集成电路中分别实现误差补偿环路和AVP环路，本领域技术人员应该预见到，这使得本发明的AVP装置可与现有的IC控制器一起使用。
图4示出了本发明所述AVP电路与常规实践比较所具有的优点及AVP行为的典型范围。在图4中，波形80a代表了由微处理器的相关操作所引起的电源电流输出中的阶跃变化。对本实施例而言，要求电源提供从0到约50安培变化的电流。波形80b示出了过分补偿的AVP波形，即，其中AVP环路响应过快。这导致了过冲(overshoot)和下冲(undershoot)峰值。相反，波形80c代表了补偿不足的AVP波形，即，其中AVP环路的瞬变响应过慢以至于不能有效地跟随电流变化。
作为对比，波形80d示出了正确补偿的AVP的行为。
波形80b和80c示出了由例如图2所示的常规电路实现的典型性能，这是由于将误差放大器输入电阻34既用作误差补偿电路的一部分又用作AVP电路的一部分的缘故。波形80d则代表了使用图3所示的装置进行正确补偿而实现的性能，其原因是误差和AVP环路瞬变响应可分开设置。
根据图3实现的正确补偿的AVP电路的实际性能在图5中示出。
图示的实施例采用了负载电流反馈信号来改变对参考电压的偏移，这在开关稳压器中是常见的。当然，本领域的技术人员显然应该清楚，通过分析将被微处理器执行的即将发生的操作以在预测的基础上控制该偏移也是可能的。由此可识别出可能需要电源负载电流中的阶跃变化的操作，并相应地调整AVP电流源的输出。
虽然本发明是结合其特定实施例描述的，但许多其它的变换和修改以及其它应用对本领域的技术人员都是显而易见的。因此，本发明不受本文的特定公开的限制，其全部可能的范围都由所附权利要求给出。

Claims (12)

1.一种电源控制器，包括：
误差校正电路，其包含误差放大器、用于所述误差放大器的输入电路以及反馈补偿网；及
AVP电路，其与所述误差校正电路协同工作以将所述电源的电压输出维持在从Vmax到Vmin的预定电压范围内而不受电源负载电流中快速变化的影响，所述AVP电路包括：
缓冲电路，其输出与所述误差放大器的输入电路相连接；
AVP信号源，其被连接以为所述缓冲电路提供随电源输出电流变化的输入；以及
补偿电路，其响应由所述AVP信号源提供的所述缓冲电路输入中的变化来控制所述缓冲电路的瞬变行为。
2.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，所述AVP电路和所述误差放大器在不同的集成电路中。
3.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，所述AVP电路和所述误差放大器在单一的集成电路中。
4.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，所述AVP信号源由与具有预定增益的输入放大器相连接的电源负载电流感测元件提供。
5.根据权利要求4所述的电源控制器，其特征在于：
所述缓冲电路包括具有正相输入和反相输入的缓冲放大器；
所述输入信号源与所述缓冲放大器的输入之一连接；并且
参考电压信号与所述缓冲放大器的另一输入连接。
6.根据权利要求5所述的电源控制器，其特征在于：
所述缓冲电路包括具有与所述误差电路连接的输出以及与所述AVP电路相连的输入的缓冲电路，并且
用于所述缓冲放大器的所述补偿网包括反馈电路，所述反馈电路连接在所述缓冲放大器的输出与连接至所述AVP信号源的输入之间。
7.根据权利要求6所述的电源控制器，其特征在于，用于所述缓冲电路的所述补偿网包括连接在所述缓冲放大器的输入与输出之间的并联RC电路。
8.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于：
所述缓冲电路包括带有与所述误差电路连接的输出以及与所述AVP电路相连的输入的缓冲电路，并且
用于所述缓冲放大器的所述补偿网包括反馈电路，所述反馈电路连接在所述缓冲放大器的输出与连接至所述AVP信号源的输入之间。
9.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，用于所述缓冲电路的所述补偿网包括连接在所述缓冲放大器的输入与输出之间的并联RC电路。
10.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于：
所述误差电路包括带有正相输入和反相输入的误差放大器；
所述输入之一由从所述电源负载电流获得的反馈信号提供；并且
所述第二输入由所述缓冲电路的输出提供。
11.根据权利要求5所述的电源控制器，其特征在于，所述AVP电路被操作以为所述参考电压提供偏移，从而在当负载电流低时使所述电源输出电压接近Vmax并在当负载电流高时使所述电源输出电压接近Vmin，由此使因负载电流快速下降而造成的输出电压的升高不足以使所述输出电压超过Vmax，并且使因负载电流快速升高而造成的输出电压的降低不足以使所述输出电压低于Vmin。
12.一种电源控制器，包括：
误差校正电路，其包含误差放大器、用于所述误差放大器的输入电路以及反馈补偿网；及
AVP电路，其与所述误差校正电路协同工作以将所述电源的电压输出维持在从Vmax到Vmin的预定电压范围内而不受电源电流中快速变化的影响，所述AVP电路包括：
缓冲电路，其具有与所述误差校正电路的输入相连的输出；
AVP信号源，其被连接至所述缓冲电路的第一输入；
与所述缓冲电路的第二输入相连接的电压参考信号；以及
补偿电路，其响应由所述AVP信号源提供的所述缓冲输入中的变化来控制所述缓冲电路的瞬变行为，
所述AVP电路被操作以相对于所述参考电压调整所述缓冲电路的输出，从而在当负载电流低时使所述电源输出电压接近Vmax并在当负载电流高时使所述电源输出电压接近Vmin，由此使因负载电流快速下降而造成的输出电压的升高不足以使所述输出电压超过Vmax，并且使因负载电流快速升高而造成的输出电压的降低不足以使所述输出电压低于Vmin。
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