CN1848634A - 具有模拟总线的pol系统结构 - Google Patents

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Abstract

一种功率控制系统和方法，可包括：多个负载点调节器(POL)，提供相应的经过调节的输出电压；管理器，用于与所述负载点调节器进行控制信号和工作参数通信；数字总线，承载所述管理器及所述多个负载点调节器之间的控制信号；以及模拟总线，承载所述管理器及所述多个负载点调节器之间的工作参数。POL上的模拟感测电路和多路复用器经由所述模拟总线与所述管理器进行工作参数通信，并经由所述数字总线被控制。所述工作参数可包括输出电压、输出电流、过电压、温度、放大器或比较器偏移、以及放大器增益。在所述管理器的数字控制下，所述模拟感测电路由POL上的修整寄存器来校准。

Description

具有模拟总线的POL系统结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年3月17提交的第60/662,897号美国临时申请的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及控制负载点(point-of-load)调节器，尤其涉及一种使用模拟总线来与负载点调节器进行通信的系统和方法。
背景技术
负载点(POL)调节器还被称为电压调节器或DC/DC转换器，通常与电子电路一起使用，以典型地满足电子电路对电压/电流(不同于可容易得到的电压和实际中传输的电流)的需求。例如，一些电子设备虽然仅包括单个电压输入(例如，12V)，但是包含在其内的电路需要不同的电压(例如，1.2V，3.3V，5V等)。通常的解决方法是在设备内设计出多个POL调节器，用于在内部将单个的输入电压转换为多个电压电平。
又例如，一些电子设备包括的电路需要低电压(例如，1V)、高电流(例如，100A)的电源。这是个棘手的问题，因为在实践中不可能以低电压将高电流传输相对长的距离而仍能满足期望的调节性能。通常的做法是使用高电压、低电流的电源，以及在内部电路的附近设计POL调节器。这样就允许低电流通过整个设备，并在内部电路附近提供电压低、电流高的电源(即，使用POL调节器)。
在传统上，多个POL调节器与管理的电源控制器(“控制器”、“管理器”或“主设备”)共同工作，所述电源控制器可以数字地激活、程序控制(program)以及监控POL调节器。具体地说，所述控制器使用多个串联或并联的连接总线(例如，六位并行总线)激活并对各个POL调节器进行程序控制。这种并行总线可包括用于打开和关闭调节器的使能/无效位，用于对调节器的输出电压或电流设定点进行程序控制的VID码，以及用于定序(sequencing)的其他位。所述控制器还使用附加的连接(例如，两根或三根线)来监控通过各个调节器传送的电压/电流、周围温度及其他因素。
这种控制系统的缺点是，由于它们例如使用六位并行总线来操作各个POL调节器，以及使用附加的三根线来监控各个POL调节器，所以增加了整个电子设备的复杂度和尺寸。换言之，为了与三个POL调节器进行通信，根据该控制系统运行的控制器需要使用27个连接(即，27根线或迹线)。
数字总线具有的另一个问题是，需要昂贵并会引入延迟的D/A、A/D转换级。此外，它只能提供对POL调节器的功能和参数的不精确控制和监控。6位数字总线中的最低有效位可影响输出电压设定点，例如，每1V的输出偏差50mV或5％。使用更多的位可以解决精度(resolution)问题，但代价是复杂度和成本急剧上升。各个POL调节器中还需要用于精密电压基准、A/D、定序以及DSP的多个内部部件，这样就增加了具有多个POL的系统的成本。
另一方面，对非关键数据和控制信号进行数字串行通信可能是高效和经济的。
需要一种用于与POL调节器进行通信并能够克服上述缺点的系统和方法。
更具体地说，期望获得包括使用专利技术和/或例如I2C的公知技术的数字平台所带来的有益效果，例如，可编程能力以及通信。使用合适的现有技术(例如，IC设计及制造技术)和部件(例如，EEPROM以及现有精确可靠的模拟PWM技术)是人们所期望的。
发明内容
为了满足上述和其他目标，本发明提供了包括管理器(主设备)IC和多个POL(或“从设备”)IC的两级结构，并在管理器和POL之间进行模拟和数字通信。
因此，本发明的一个方面涉及一种功率控制系统和方法，可包括：多个负载点调节器(POL)，提供相应的经过调节的输出电压；管理器，用于与所述负载点调节器进行控制信号和工作参数通信；数字总线，承载所述管理器和所述多个负载点调节器之间的控制信号；以及模拟总线，承载所述管理器和所述多个负载点调节器之间的工作参数。POL上的模拟感测电路和多路复用器将工作参数经由所述模拟总线发送到所述管理器，并经由所述数字总线被控制。所述工作参数可包括输出电压、输出电流、过电压、温度、放大器或比较器偏移、以及放大器增益。在所述管理器的数字控制下，所述模拟感测电路由POL上的调整寄存器(trim register)来校准。
附图说明
图1根据本发明一个实施方案的包括主IC和多个POL IC的结构的示意图；
图2是一个POL IC的示意方框图；
图3是一个合适的模拟总线结构的示意图；
图4是另一个合适的模拟总线结构的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施方案的结构的系统级示意图。管理器IC 10通过I2C接口12由外部控制。模拟时钟、使能、关闭、复位以及故障信号通过线路14、16、18、20、22通信。在串行数字总线24上对POL进行寻址。在本实施例中，具有三个POL 30、32、34。另外，模拟总线26使管理器和这些POL链接。
如图1所示，本实施例中POL的具体应用是，为多个DC-DC升压电源电路36、38、40供电。
当几个POL类似于30和32那样并联，以提供更大的输出电流时，在这些POL之间共用电流是很重要的，并且可传统地通过在它们之间设置单个电流共用线来实现共用电流。Ishare表示平均输出电流，而每个POL将其输出电流与Ishare相比，以调节其输出电流，从而实现输出电流共用。
由于是串行通信，所以每个POL需要其用于主设备的唯一地址或ID，以便各自进行单独寻址。A0-A3是4位地址，通过使其各自连接至地或者使其浮置，A0-A3可用来表示32个独特的地址，即，在这种情况下，该系统可以处理多达32个POL。
在这一结构中，由于可以在管理器和POL之间进行快速模拟通信，而且主设备可以对从POL进行连续校准，所以只需要一套可位于管理器IC 10上的高精度模拟电路。精密电路的实施例包括但不局限于：0.1％电压基准，高速A/D电路以及时钟电路。管理器IC可以是基于微控制器的或基于ASIC的。在POL上不需要精密电路，从而降低成本和复杂度。通过模拟总线，根据主设备的精密基准对每个POL进行连续校准而实现每个POL的精确输出调节。
在一个示例性实施方案中，每个POL具有唯一的地址ID。主设备轮询(poll)每个POL(通过串行数字总线)，以在模拟总线上设置(多路复用)局部基准电压(例如，5％精度)，然后，主设备将模拟总线信号与其内部高精度基准(例如，1％)进行比较。如果POL基准较低，那么主设备通过串行数字总线告知该特定的POL，以通过改变D/A输出或调整寄存器输出而增加其基准电压。接着，再次将模拟总线电压与主设备的基准进行比较。如果POL基准仍然很低，那么主设备通过串行总线告知该POL，以再次增加基准D/A。这一过程一直持续，直到模拟总线信号达到主设备的内部基准(internal reference)的可接受范围为止。当对这一POL完成处理时，主设备移到下一个POL，然后对其重复同样的过程。除了这些基准，也可以相同的方式对其它信号进行调整或校准。例如，放大器的偏移电压可输出至模拟总线，而主设备可命令POL调节其放大器的偏移，直到模拟总线信号降低到零为止。
下面参照图2，图2中更详细地示出了POL 30。在这一非限制性的实施例中，POL包括用于DC-DC转换器36中的MOSFET 44、46的驱动器40、42。振荡器50(通过电阻器52进行频率控制)生成脉冲，由PWM电路54设置其脉冲宽度。PWM电路54控制驱动器40、42的占空因数，并以此控制转换器36的Vout。
POL 30还包括在60处的输出电压检测，在60处设置有用以调整输出的输出电压补偿误差放大器。电容器和电阻器用于系统控制补偿，以维持稳定的输出，在62处的过电压检测、在64处的电流检测以及在66处的温度检测具有各自的调整寄存器68、70、72、74，用于调整模拟参数。调整寄存器是D/A电路，具有良好的LSB比特精度，但不需要绝对的准确。从设备中的大多数模拟电路相当简单和便宜，不能满足精确模拟控制的需求。但是，通过经由模拟总线将从设备自身与主设备基准相比较，D/A电路将上下调节其输出，直到POL内部基准与由主设备产生的精确基准相匹配为止。这样，具有5％的初始基准的廉价POL可通过这一校准过程而实现1％的输出电压调整，上述过程可在启动期间进行或实时地持续进行。可被校准的模拟参数包括基准电压、比较器或运算放大器的偏移电压、温度传感器输出、运算放大器增益等。
来自这些传感器的模拟数据通过MUX 76而在模拟总线26上多路复用。
在多相或多输出系统中，理想的是使所有POL同步或交错(interleave)，以使得输出或输入电流和电压脉动可相互抵偿并且降低噪声或EMI。每个POL需要与不同相位角的外部主设备时钟同步，该时钟由主设备通过串行数字总线来编程控制。PLL表示锁相回路。其固定在基频或为基频高N倍的外部时钟总线中。相位#寄存器由主设备通过串行数字总线来编程控制，以告诉POL在多相结构中具有多少相位，而次序寄存器(sequence register)也由主设备通过串行数字总线来编程控制，以告诉POL在多相结构中特定POL的位置。PLL的输出可以是相位#寄存器倍的时钟频率(例如：对于3相系统来说，PLL输出是外部时钟频率的3倍)。然后，内部PWM时钟(振荡器50)基于次序寄存器与外部时钟的特定相位同步。例如：对于3相系统，次序寄存器可以是2。这一POL将与PLL输出脉冲的2nd(其是外部时钟的三倍)同步，使得该POL与外部时钟具有120度相位差。
如果没有另外指出，POL IC 30上的电路由数字总线24来控制，而工作参数数据在模拟总线26上传输。
POL 30能够在没有管理器10的情况下单独工作。从设备是所有具有模拟控制的单独的POL(与数字PWM控制器相比)。所描述的POL的一个重要特征在于，由于主设备通过I2C对主机系统进行校准并与其进行通信，所以POL的初始精度和成本得以大量降低。一旦进行了校准，POL能够在没有主设备的情况下运行一段时间(直到到达下一个校准周期的时间)。这在很大程度上提高了可靠性和安全性，而无需持续地依赖主设备。在另外的两芯片的解决方案中，当主设备出现故障时，整个系统也立即瘫痪。
还应强调，模拟总线用来校准所有POL。除了这个功能，所有POL参数(例如电流和电压以及温度)都在用于模拟总线上多路复用，以使主设备对整个POL系统进行采样和监控(管理)，然后通过I2C向主机系统进行汇报。利用这种方式，不需要在从POL中对所有这些参数进行数字化，这样能够降低成本。在主设备中仅一组精密A/D就足够用来对这些参数进行采样和数字化，并通过I2C将其馈送至主机系统。
另外，基于采样的信息，主设备能够进行功率管理决策。例如，当其发现一个POL的温度太高时，可将其关闭并向主机系统汇报。POL基本上可为廉价的模拟电路，而主设备是唯一昂贵的复合信号IC，它具有用于基准和A/D的精度，并提供管理和监控功能，以及处理与主机之间的所有I2C通信。
如上所述，从POL与管理器进行数字通信，模拟信号通过MUX和模拟总线多路复用至管理器，同时可通过数字受控的调整寄存器或D/A寄存器对所有的模拟参数进行调整。调整寄存器可包括通过数字指令改变其电阻的数字电位计。改变电阻是调节模拟输出信号(例如基准电压)的一种方式。基本上，调整寄存器通过N位数字信号而逐步调节其模拟输出。例如，具有6位调整的5％的基准具有足够的精度，以下降到0.1％精度。
更具体地，Vout、Iout和Temp通过模拟总线被多路复用至管理器IC，并由管理器IC进行采样，而Offset(放大器或比较器的偏移，其对于通过输出电感器的dc电阻提取诸如输出电流的精确模拟信息很重要)、Vref和DC Gain(放大器的增益，其对于通过输出电感器的dc电阻放大诸如输出电流的精确小信号模拟信息来说很重要的)由管理器IC来调整。
图3和图4示出了用于模拟总线的两种合适结构。图3示出了差分(differental)电压总线，其中，信号差分地电平移动。为了解决与单线模拟总线有关的接地误差问题，可采用双线差分模拟总线。在每个POL内，具有单位增益差分误差放大器，以使来自多路复用的模拟信号从局部接地电平移动到双线模拟总线。在图4中，数据以电流的形式传送，不易受到接地的干扰。上述图3中的模拟总线传输电压形式的信号。另一种方法是将模拟信号在MUX之后转换为电流，该电流然后流经模拟总线，之后在主设备处再转换回电压。电流信息不会受到POL和主设备之间的接地差别的影响。
根据本实施方案的另一个有益特征，管理器可使用公知的I2C总线与外部系统进行通信。然而，虽然I2C可在POL和主设备之间使用，但是对于这一目的来说，这样并非最合适的。例如，它比较复杂、低速，并且局限为每个I2C端口都具有八位地址。可在IC之间使用任何合适的高速数字串行通信协议。
管理器可有益地使用非易失性存储器(例如EEPROM)在产品中存储配置信息以及用于数据日志。从IC可使用易失性存储寄存器(例如触发器)。虽然EEPROM是吸引人的，但在从IC中并非必需。在由启动期间，管理器将调整和配置数据提供给从IC存储器。
PLL用来对相位延迟进行编程控制。相位数目和相位序列在启动期间进行编程控制，并通过管理器与主设备时钟同步。
不同的输出和不同的ASIC负载可能需要输出电压以某种顺序启动或掉电。例如，在允许1.8V上电之前，可能3.3V必须首先上电。通过共用的时钟和使能信号，POL能够被编程控制为相对于时钟独立地上电或掉电。例如，3.3V可在1024步长(每10个时钟一个步长)的使能信号开始时上电，其可由主设备在其基准电压D/A寄存器中编程控制。1.8V POL可等待1024×10个时钟周期，用于使3.3V完成其启动，然后以N个步长开始其自身的上电，并可以根据外部时钟来对其进行计时和编程控制。使用共用的时钟和使能信号，所有的POL能够在这一上电顺序的基础上找到其自己的基于时间的基准。
各种D/A转换器和用于升高POL基准电压的计数器由主设备在启动期间校准；而经由动态D/A计数器的开路启动由主设备时钟同步和使能，监控器D/A计数器与Vo相比，以表示寻轨误差(tracking error)(如果有的话)。这使得能够进行软接通和软断开。关闭可以是立即断开。
对于管理器IC来说，为了使灵活性最大和R&D成本最小，微处理器是优选的。另一方面，ASIC可能在总体上较便宜，但是相对于设计变化具有较小的灵活性。
所公开的实施方案提供了速度和精度。期望的切换频率为400kHz到1.2MHz而没有占空因数的限制，并且通过管理器将调节连续地校准到0.1-0.5％。由于在管理器IC中仅需要一个昂贵的部件，例如A/D和带隙电压基准源(bandgap reference)，所以它是廉价的。其特征是对Vref、偏移、增益等进行调整和校准；对Vout、Iout、temp等进行监控；以及对多相或多输出、跟踪(tracking)/定序、同步等进行编程的能力。其有益效果包括：
1.成本低，因为精密模拟设备主要位于主设备中，通过主设备对精度较低的POL连续校准。
2.在外部主机和主设备之间能够以概括或有组织的方式进行I2C通信，从而使得主机仅与一个中心设备对话，而不是直接与32个POL进行对话，而且不需要处理费力的细节，例如启动定时、监控和故障保护。
3.在非校准的阶段，模拟信号在主设备的控制下一个接一个地被馈送到模拟总线，而所述主设备则对所述信号进行采样和监控，以确定其是否在规定之内以及是否存在故障，并根据预定的策略响应故障采取行动。
4.在具有非易失性存储器的主设备中提供编程能力，并能够容易地进行更新。主设备和POL IC可以来自两种不同类型的IC处理，他们可以单独进行优化。
5.本发明并非走极端，而是利用了模拟和数字方法的优点。除了串行数字端口和D/A电路以及多路复用器电路之外，POL仍然是传统的模拟电路。相反，公知的全数字解决方案不得不处理高速的PWM、高精度A/D以及IC处理中的甚高数字时钟速度，这样，在集成高电压电路(例如驱动器)时，可能具有较差的成本效率。
尽管参照其具体的实施方案对本发明进行了详细的描述，但是许多其他的变化和修改以及其他的使用对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本发明并不局限于本文公开的内容。

Claims (15)

1.一种功率控制系统，包括：
多个负载点调节器(POL)，各提供经过调节的输出电压；
管理器，用于与所述负载点调节器进行控制信号和工作参数的通信；
双向数字总线，与所述管理器以及所述多个负载点调节器中的每一个相连接，以在它们之间进行所述控制信号的通信；以及
双向模拟总线，与所述管理器以及所述多个负载点调节器中的每一个相连接，以在它们之间进行所述工作参数的通信。
2.如权利要求1所述的系统，其中，各个所述POL具有至少一个模拟感测电路，所述模拟感测电路用于检测工作参数，并将所述参数经由所述模拟总线提供给所述管理器。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述POL具有多个用于检测各自工作参数的模拟感测电路，所述参数经由所述POL的多路复用器选择性地提供给所述模拟总线，所述多路复用器由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述工作参数选自输出电压、输出电流、过电压、温度、放大器或比较器偏移、以及放大器增益。
5.如权利要求2所述的系统，进一步包括用于校准所述至少一个模拟感测电路的校准电路，所述校准电路由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
6.一种负载点调节器(POL)，具有数字数据接口和模拟数据接口，所述数字数据接口和模拟数据接口分别适于经由数字总线和模拟总线与管理器进行控制信号和工作参数的通信。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述POL具有至少一个模拟感测电路，所述模拟感测电路用于检测工作参数，并将所述参数经由所述模拟总线提供给所述管理器。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述POL具有用于检测各自工作参数的多个模拟感应电路，所述参数经由所述POL的多路复用器选择性地提供给所述模拟总线，所述多路复用器由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述工作参数选自输出电压、输出电流、过电压、温度、放大器或比较器偏移、以及放大器增益。
10.如权利要求7所述的系统，进一步包括用于校准所述至少一个模拟感测电路的校准电路，所述校准电路由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
11.一种功率控制方法，所述方法用于提供相应的经过调节的输出电压的负载点调节器(POL)，以及用于与所述负载点调节器进行控制信号和工作参数通信的管理器，所述方法包括以下步骤：
提供双向数字总线，所述双向数字总线与所述管理器以及所述多个负载点调节器中的每一个相连接，以在它们之间进行所述控制信号的通信；以及
提供双向模拟总线，所述双向模拟总线与所述管理器以及所述多个负载点调节器中的每一个相连接，以在它们之间进行所述工作参数的通信。
12.如权利要求11所述的系统，其中，各个所述POL具有至少一个模拟感测电路，所述模拟感测电路用于检测工作参数，并将所述参数经由所述模拟总线提供给所述管理器。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述POL具有用于检测各自工作参数的多个模拟感测电路，所述工作参数经由所述POL的多路复用器选择性地提供给所述模拟总线，所述多路复用器由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述工作参数选自输出电压、输出电流、过电压、温度、放大器或比较器偏移、以及放大器增益。
15.如权利要求12所述的系统，进一步包括用于校准所述至少一个模拟感测电路的校准电路，所述校准电路由所述管理器通过所述数字总线数字地控制。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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