DE102008016532A1

DE102008016532A1 - Dynamisch angepasster Mehrphasen-Regulator

Info

Publication number: DE102008016532A1
Application number: DE102008016532A
Authority: DE
Inventors: James T. Chandler Doyle; EriK A. Phoenix McShane; Malay Chandler Trivedi
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2008-11-27
Also published as: JP2008263771A; US8618788B2; JP2012080769A; CN101286698A; US20080238390A1; CN101286698B; JP5487526B2

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft in verschiedenen Ausführungsformen einen Mehrphasen-Wandler mit dynamischer Phasenregelung.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Spannungsregulatoren und speziell schaltungsartige Regulatoren, welche schaltungsartige mehrphasige Auf-, Abwärts-, Auf-Abwärts-Regulatoren und synchrone Versionen davon umfassen, worauf sie jedoch nicht beschränkt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren der begleitenden Zeichnungen beispielhaft und nicht beschränkend dargestellt, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
1 ist ein Blockdiagramm eines Spannungsregulators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Routine zum Implementieren eines dynamisch phasenangepassten Spannungsregulators gemäß einiger Ausführungsformen.
3 ist ein Diagramm eines dynamisch phasenangepassten Mehrphasen-Spannungsregulators gemäß einiger Ausführungsformen.
4 ist ein Diagramm eines Teils eines Pulsbreitenmodulators, welcher für den Spannungsregulator nach 3 gemäß einiger Ausführungsformen geeignet ist.
5 ist ein Diagramm eines Computersystems mit einem dynamisch phasenangepassten Spannungsregulator gemäß einiger Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen beschreiben dynamisch anpassbare bzw. regelbare Mehrphasen-Spannungsregulatoren (voltage regulators, VR), welche ein verbessertes Effizienzantwortverhalten bereitstellen können.
Mehrphasen-Schaltregulatoren, wie etwa so genannte Aufwandler (buck converters), werden allgemein dazu verwendet, eine geregelte Gleichspannung an Komponenten zu liefern, wozu Mikroprozessoren, Chipsätze, Speicherkarten und Grafikbeschleuniger gehören, ohne darauf beschränkt zu sein. Schaltungsartige Regulatoren verwenden im allgemeinen wenigstens ein(en) oder mehrere Schalter- und/oder Gleichrichterelemente und einen Induktor, um einen „Phasenzweig" („phase leg") zum Bereitstellen schaltbar gesteuerten Stromes von einer angelegten Spannungsquelle an eine Last über einen geregelten Spannungsknoten zu implementieren. Wenn die Last mehr Strom benötigt, wird/werden der eine oder die mehreren Schalter gesteuert, um die Last mit Strom von der angelegten Spannung für längere Zeitdauern innerhalb einer Schaltperiode zu versorgen. Anders herum wird der Strom für kürzere Zeitdauern in der Periode angelegt, wenn von der Last ein geringerer Strom benötigt wird.
Bei geringen Lasten dominieren üblicherweise Schaltverluste in den Schaltelementen die Gesamtschaltverluste, wohingegen für größere Lasten üblicherweise Leistungsverluste dominieren. Als Folge davon ist typischerweise die Leistungswandlungseffizienz für relativ mittlere Lastbedingungen am größten und neigt bei gewöhnlichem Betrieb dazu, für sowohl geringe als auch höhere Lastbedingungen abzufallen.
Bei Mehrphasen-Regulatoren sind mehrere Phasenzweige gemeinsam an den regulierten Spannungsknoten gekoppelt, um ihren Strom daran abzugeben. Die Leitungszeit der einzelnen Phasenzweige ist über ein Schaltintervall versetzt, üblicherweise gleichförmig, um Ausgangsspannungs-/Stromstörungen zu minimieren und um die Größe von Ausgangskapazität, die zum Filtern von Schaltrauschen benötigt wird, zu reduzieren. Auf dieses Verfahren wird allgemein als Mehrphasen-Leistungswandlung Bezug genommen. Es ist üblich, dass Mehrphasen-Wandler für relativ hochlastige Strombedingungen optimiert sind, um leitungsartige Leistungsverluste zu reduzieren. Leider können elektronische Komponenten, wie etwa in Rechenplattformen, sehr viel Zeit in einem Niedrigstrom-Leerlaufmodus verbringen, was zu einem ineffizienten Regulatorbetrieb und unerwünschtem Leistungsverlust führen kann. Solche Verluste werden beispielsweise vergrößert bei batteriebetriebenen Plattformen. Es sind daher neue Ansätze erstrebenswert.
1 zeigt allgemein einen Mehrphasen-VR gemäß einiger Ausführungsformen. Er umfasst einen VR-Controller 102 (auf den manchmal als ein Pulsbreiten-Modulator, PWM, Bezug genommen wird), Treiber-Filter-Schaltkreis 104 und Rückkopplungsschaltkreis 106, welche alle wie gezeigt miteinander gekoppelt sind, um eine geregelte Spannungszufuhr V_R an eine Last 110 bereitzustellen. Der VR-Controller umfasst eine Logik und Schaltungen zum Bereitstellen pulsbreitenmodulierter Treibersignale (P₁:P_N) an die Phasenzweige innerhalb des Treiber-Filter-Schaltkreises 104. Der Rückkopplungsschaltkreis ist mit dem V_R-Knoten und mit/innerhalb des Treiber-Filter-Schaltkreises 104 gekoppelt, um Spannungs- und Strom-Rückkopplungssignale an den Controller 102 zum Regeln der Ausgangsspannung VR bereitzustellen und um die in unterschiedlichen Phasenzuständen befindlichen Phasenzweige zum Beibehalten einer gewünschten Betriebseffizienz dynamisch zu steuern. Die Spannungsrückkopplung entspricht V_R, während die Stromrückkopplung (welche tatsächlich mit Hilfe von Spannungssignalen übertragen werden kann) Strom in den Phasenzweigen anzeigt, welcher an die Last 110 bereitgestellt wird.
Der Controller steuert die Phasenzweige derart, dass der Laststrom im wesentlichen gleichmäßig unter den aktiven Phasenzweigen (oder Phasen) verteilt wird. In Abhängigkeit von dem Laststromerfordernis wird eine Anzahl der Phasen aktiviert, so dass jede Phase auf einem geeignet effizienten Niveau über einen gegebenen Laststrombereich arbeitet. In einigen Ausführungsformen überwacht der Controller den gesamten mittleren Laststrom und aktiviert eine ausgewählte Anzahl der Phasen, so dass der mittlere Strom pro Phase innerhalb eines geeigneten Fensters für die gewünschte Effizienz aufrechterhalten wird. Wenn sich der gesamte Laststrombedarf vergrößert, können Phasen aktiviert werden und anders herum, wenn sich der Laststrom verringert, können sie fallengelassen werden. In einigen Ausführungsfor men können die Phasen mit abnehmender Last jeweils einzeln fallengelassen werden, wobei der geringste Lastbetrieb von einer einzelnen Phase unterhalten wird.
2 zeigt eine Routine zum dynamischen Steuern eines Mehrphasen-VR gemäß einiger Ausführungsformen. Bei 202 werden mehrere Phasenzweige zum Bereitstellen eines Stromes und einer geregelten Spannung an eine gemeinsame Last vorgesehen. Bei 204 wird eine ausgewählte Anzahl der Phasenzweige mit in unterschiedlichen Phasenzuständen befindlichen Treibersignalen getrieben. Die ausgewählte Anzahl wird anhand der von der Last benötigten Strommenge dynamisch bestimmt.
3 zeigt einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom Mehrphasen-Schaltwandler (Spannungsregulator) 300 mit dynamischer Phasensteuerung gemäß einiger Ausführungsformen des Wandlers nach 1. Wandler 300 umfasst allgemein einen Pulsbreitenmodulator (pulse width modulator, PWM) (oder Controller) 302, Treiberabschnitt 312, Ausgangsfilterabschnitt 322, Stromrückkopplungsabschnitt 332 und Spannungsrückopplungsabschnitt 342, welche alle, wie gezeigt, zum Bereitstellen einer geregelten Spannung (VR) an eine Last 350 gekoppelt sind. (Die Strom- und Spannungsrückkopplungsabschnitte können dem Rückkopplungsschaltkreis 106 nach 1 entsprechen.)
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Treiberabschnitt 312 N Treiber (D_i); der Stromrückkopplungsabschnitt 332 umfasst N Stromsensoren (I-Sense_i) und der Ausgangsfilterabschnitt 322 umfasst N Induktoren (L_i) und eine Kapazität C. Die Treiber (D_i) sind durch die Stromsensoren (I-Sense_i) an die Induktoren (L_i) gekoppelt, wodurch N Phasenzweige 304_i gebildet werden. Die Phasenzweige 304_i sind, wie dargestellt, mit einem gemeinsamen Ausgangsspannungsknoten (V_R) zum Speisen eines Stromes in die geregelte Last 350 gekoppelt.
Der Begriff „Phasenzweig", wie er hier Verwendung findet, bezieht sich auf einen Treiber (d. h. ein oder mehrere Schalt- und/oder Gleichrichterelemente), welcher mit einem oder mehreren Induktoren und/oder einer oder mehreren Kapazitäten gekoppelt ist, und auf einen geregelten Spannungsknoten zum steuerbaren Koppeln einer angelegten Versorgung (beispielsweise V_in) mit einer geregelten Last mittels der einen oder mehreren Induktoren und/oder Kapazitäten. Der Phasenzweig kann eine Phase eines Multiphasenwandlers für jedes gewünschte Wandlungsschema implementieren, einschließlich eines Auf-, synchronen Auf-, Abwärts-, Auf-Abwärts- oder Fly-Back-Wandlers, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielsweise kann ein Treiber (D_i) in einem Phasenzweig in einem synchronen Auf-Wandler (synchronous buck type converter) komplementäre PMOS- und NMOS-Transistoren umfassen, welche mit ihren Drain-Anschlüssen gemeinsam an einen Induktor gekoppelt sind, um schaltbar an eine angelegte High-Side-Versorgung, eine Low-Side-Versorgung oder einen Dreifach-Zustand (tri-state) zu koppeln. Andererseits könnten die Phasenzweige dazu eingerichtet sein, einen Standard-Auf-Treiber (standard buck type driver) zu implementieren, beispielsweise mit einem Schalter, wie etwa einem Transistor, welcher an einen Induktor mit einer Diode gekoppelt ist, welche von der niedrigen Versorgung bezogen auf den Schalter-Induktor-Knoten gekoppelt ist, um den Induktor mit Strom zu versorgen, wenn der Schalter geöffnet ist. Zahllose weitere Treiber- und Induktor-/Kapazitäts-Implementierungen werden für den Fachmann ersichtlich sein und liegen im Umfang der vorliegenden Erfindung.
Gleichermaßen sollte es ersichtlich sein, dass die Induktoren mit Hilfe jeder Art von Induktor (bzw. Transformationsverfahren) implementiert sein können, um Induktivität einer bestimmten Größe bereitzustellen, welche in Abhängigkeit von Gestaltungsfragen und Betriebsumgebung variieren kann. Beispielsweise könnten sie mit magnetischen Kernen hergestellt sein oder mit so genannten „Luft-Kernen" (air-cores) implementiert sein. Sie könnten so angeordnet sein, dass sie magnetisch miteinander gekoppelt sind, oder, alternativ, könnten einige oder alle in einer destruktiven Kopplungsanordnung angeordnet sein. In einigen Fällen könnten sie sogar durch einzelne Leitungen (traces) oder dergleichen implementiert sein, in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie Schaltfrequenzen und Gestaltungsaspekten.
(Der Begriff „PMOS-Transistor" bezieht sich auf einen P-Typ Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Gleichermaßen bezieht sich „NMOS-Transistor" auf einen N-Typ Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistor. Es sollte ersichtlich sein, dass beim Verwenden der Begriffe „Transistor", „MOS-Transistor", „NMOS-Transistor" oder „PMOS-Transistor" diese in einer beispielhaften Weise Verwendung finden, außer, es wird ausdrücklich darauf hingewiesen oder dies ist anhand der Natur ihrer Verwendung vorgegeben. Sie umfassen die verschiedenen Varianten von MOS-Bauelementen, einschließlich Vorrichtungen mit verschiedenen VT und Oxid-Dicken, um nur einige zu nennen. Ferner kann der Begriff Transistor, außer, es wird darauf als MOS oder dergleichen Bezug genommen, jeden geeigneten Transistortyp umfassen, beispielsweise Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, bipolare Sperrschicht- Transistoren und verschiedene Arten dreidimensionaler Transistoren, wie sie bereits heute bekannt sind oder noch entwickelt werden.)
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Stromrückkopplungsabschnitt 332 Stromsensoren 334 (I-Sense_i), welche zwischen zugeordneten Treibern (D_i) und Induktoren (L_i) in Reihe gekoppelt sind, um ein Signal (I) bereitzustellen, welches den Strom in einem Phasenzweig anzeigt. Sie können mit jeder geeigneten Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen implementiert sein, um Strom in einem Zweig zu überwachen, ohne dessen Strom wesentlich zu behindern. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Sensor zwischen einem Treiber und einem Induktor angeordnet, jedoch ist dies nicht erforderlich. Beispielsweise könnten sie an irgendeiner Stelle in einem Phasenzweig eingefügt sein, um dessen Strom anzuzeigen. Vielmehr braucht nicht einmal ein separates Sensorelement in den Strompfad des Phasenzweigs eingefügt zu sein. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein Transistor über einen Transistor in einem Treiber eines Phasenzweigs (beispielsweise ein P-Typ Transistor gekoppelt mit der angelegten Versorgung) in einer Stromspiegelkonfiguration gekoppelt sein, um den Strom in dem Phasenzweig anzuzeigen. Der den Spiegel bildende zusätzliche Transistor kann, beispielsweise mit einem Widerstand, in Reihe gekoppelt sein, um ein Spannungssignal bereitzustellen, welches den Strom in dem Zweig anzeigt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Stromsignale (I_i) der Phasenzweige Spannungssignale, welche den Strom in dem jeweiligen Phasenzweig anzeigen.
Der Stromrückkopplungsabschnitt 332 umfasst ebenso Schaltungen (nicht gezeigt) zum Summieren der Leistungszweigströme (power leg currents) und Bereitstellen eines gesamten mittleren Laststromsignals (I_AVG) für die Last 340. (Beispielsweise könnte eine Kapazität zum Integrieren des Prüfstromsignals von aktiven (enabled) Phasenzweigen 304_i verwendet werden.) Der mittlere Laststrom (I_AVG) wird genauso wie die einzelnen Prüfstromsignale (I₁:I_N) zurück an den PWM 302 geliefert.
Bei der abgebildeten Ausführungsform weist der Stromrückkopplungsabschnitt 312 auch Schaltungen zum Erzeugen eines aktiven Spannungspositionierungssignals (V_AVP) auf, welche an den Spannungsrückkopplungsabschnitt 342 zur Offset-Anpassung des geregelten Ausgangs (V_R) bereitgestellt wird, um Lastleitungsimpedanz zu berücksichtigen.
Der Spannungsrückkopplungsabschnitt 342 empfängt eine gemessene Spannung (V_Sense) von dem geregelten Ausgang (V_R) und das V_AVP-Signal zum Erzeugen eines Proportional-Integral-Differential-(PID)-Signals, welches von dem PWM 302 zum Verfolgen der geregelten Ausgangsspannung (V_R) im Vergleich zu einer gewünschten Referenzspannung (nicht gezeigt) verwendet werden soll. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen der Spannungsrückkopplungsabschnitt 342 geeignete Rückkopplungskompensation bereitstellen (beispielsweise mit einem Breitband-Rückkopplungskompensatorschaltkreis), um eine stabile Systemantwort für Phasenzufügungen und -entfernungen bereitzustellen (wie nachfolgend in weiteren Einzelheiten diskutiert).
PWM 302 erzeugt Steuer-(beispielsweise Treiber)-Signale (P₁ bis P_N), welche an die Phasenzweige angelegt werden, um diese steuerbar an die zugeordnete angelegte Spannung (V_in) zu koppeln oder davon ab zu koppeln. Der PWM 302 erzeugt ebenso Phase-Enable-(EN₂ bis EN_N)-Signale zum selektiven Aktivieren oder Deaktivieren des jeweiligen Phasenzweigs 304₂ bis 304_N in Abhängigkeit davon, wie viel Laststrom (wie angezeigt durch I_AVG) gezogen wird.
Im Betrieb erzeugt der PWM Treibersignale (P₁ bis P_N) zum steuerbaren Koppeln zugeordneter Induktoren an die angelegte Spannung (V_in). Ein Treiber (D_i) steuert basierend auf dessen angelegtem Treibersignal (P_i), proportional zum Tastverhältnis seines angelegten Treibersignals den mittleren Strombetrag, welcher über seinen Induktor (L_i) an die Last bereitgestellt wird, und kann demnach zum Regeln der Lastspannung (V_R) verwendet werden. Die Treibersignale (P_i) können somit als „pulsbreitenmoduliert" zum Regeln der Ausgangslastspannung (V_R) bezeichnet werden.
Die Treibersignale (P₁ bis P_N) sind zeitlich versetzt (phasenverschoben), so dass Schaltungsrauschen von jedem Induktor zeitlich verteilt ist. Dies reduziert Welligkeit (ripple) und ermöglicht einen größeren an die Last bereitzustellenden Gesamtstrombetrag als ansonsten von einem einzelnen Phasenzweig bereitgestellt werden könnte. Der PWM 302 überwacht den mittleren Laststrom (I_AVG) und vergleicht ihn mit einer oder mehreren Schwellen, um zu bewirken, dass eine geeignete Anzahl an Phasen (Phasenzweigen) für die gewünschte Effizienz für den Bereich betriebsbedingter Lastströme aktiviert ist. Wenn sich der Laststrom auf ein nächst höheres „Fenster" vergrößert, nimmt der PWM eine zusätzliche Phase (Phasenzweig) in Anspruch. Umgekehrt lasst er eine Phase fallen (macht diese frei), wenn der Laststrom in ein nächst tieferes Fenster absinkt. Auf diese Weise hält er den mittleren Strom-pro-Phase größtenteils innerhalb eines bestimmten Effizienzbereichs.
Wenn eine Phase hinzugefügt oder fallengelassen wird, verteilt der PWM 302 die verbleibenden Phasen über den Schaltzyklus um. Die Rückkopplungsschleife und die Ausgangskapazität sollten so gewählt sein, dass das Rauschen in der regulierten Spannung zum Zeitpunkt der Phasenneuausrichtung innerhalb eines stabilen Betriebsbereichs bleibt.
Rapide Veränderungen in den Lastbedingungen können zu einer Spitze oder Regeldifferenz in der Ausgangs-geregelten Spannung führen. Demnach kann ein Spannungsprüfelement (nicht in der Figur gezeigt) zum Detektieren von Lasttransienten eingesetzt werden, um solche Transienten zu überwachen. Der PWM 302 kann derart eingerichtet sein, dass, wenn solche Lasttransienten detektiert werden, der PWM schnell reagiert, um alle Phasen zu aktivieren, um ein schnelles Laden oder Entladen der Ausgangskapazität als Antwort auf das transiente Ereignis zu ermöglichen. Für zuverlässiges Handhaben von Lasttransienten und entsprechender Phasen-Einstellereignisse kann es wünschenswert sein (wenn nicht sogar notwendig), Stromabtastung mit relativ niedriger Bandbreite vorzusehen, wie beispielsweise das Mittlungsschema, welches vorstehend bezüglich der Erzeugung von I_AVG diskutiert worden ist.
4 zeigt einen Abschnitt eines PWM 302 gemäß einiger Ausführungsformen eines Drei-Phasen-Mehrphasenwandler-Beispiels. Es umfasst allgemein einen Steuerungs-/DLL-(Control/delay locked loop)-Schaltkreis 402, Summationsschaltkreise 404–408, 2:1-Schalter (2:1 Switch) 410, Komparatoren 412–416 und hysteretische Komparatoren 418, 420, welche wie dargestellt miteinander gekoppelt sind.
Der Steuerungs-/DLL-Schaltkreis 402 empfangt ein Referenzsignal 401 und erzeugt daraus vier Referenzphasensignale: CP1 bis CP4. CP1 weist einen Phasenwinkel von 0° auf; CP2 weist einen Phasenwinkel von 120°; CP3 weist einen Phasenwinkel von 240° auf; CP4 weist einen Phasenwinkel von 180° auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das Referenzsignal ein Clock-(beispielsweise Pulszug-)Signal, welches als eine Referenzphase für die DLL-Schaltung zum Erzeugen von Clocks mit den gewünschten Phasenwinkeln verwendet wird. Die in unterschiedlichen Phasenzuständen befindlichen Puls-Clocks werden dann in Dreieckssignale (triangluar signals) mit entsprechenden Phasenwinkeln zum Bereitstellen der CP_i-Signale gewandelt. Jedoch können auch andere Ansätze Verwendung finden. Beispielsweise können bei anderen PWM-Ansätzen Puls-Clocks für die CP-Signale verwendet werden oder, alternativ, könnte eine Dreiecks-Referenzwelle als die Eingangsreferenz verwendet werden, wenn Dreiecks-CP-Signale gewünscht sind, und geeignete Verzögerungsschaltungen könnten dazu verwendet werden, um daraus die in unterschiedlichen Phasenzuständen befindlichen Dreieckssignale zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können Referenzphasen und die in unterschiedlichen Phasenzuständen befindlichen Signale mit Frequenzen oberhalb von 10 MHz, beispielsweise 50 MHz, eingesetzt werden.
In der dargestellten Ausführungsform weist die DLL Verzögerungsstufen mit wenigstens vier Anzapfpunkten (tap points) zum Bereitstellen der vier Steuerphasensignale (CP1 bis CP4) mit deren angedeuteten Phasenbeziehungen auf. Diese Signale werden dann in Dreieckssignale (triangular signals) mit entsprechenden Phasenwinkeln gewandelt und für die CP_i-Signale bereitgestellt. Die Steuerung/DLL kann ebenso Schaltungen (beispielsweise Niveauversatzschaltungen) zum Einstellen eines Versatzes in jedem der Steuerphasensignale umfassen, um die Pulsbreitenmodulation zur Steuerung der geregelten Spannung (V_R) zu implementieren.
Der Summationsschaltkreis 404 empfängt das PID-Signal und das Prüfstromsignal I₁ von Phase 1 und addiert sie auf zum Erzeugen einer Summe, welche an den negativen Eingang des Komparators 412 gekoppelt ist. Der andere Eingang empfängt das CP1-Steuerphasensignal. Der Komparator-Ausgang erzeugt das Phasensignal P1, welches ein Pulszug mit einem Abtastverhältnis ist, das durch den Vergleich zwischen PID + I₁ und CP1 gesteuert wird. Die PID + I₁-Summe dient im Wesentlichen als eine bewegliche Komparator-Schwelle gegen die CP1-Dreieckswelle. Wenn CP1 unterhalb von PID + I₁ ist, dann ist P1 „Low". Umgekehrt, wenn CP1 über PID + I₁ steigt, wird P1 „High". Demnach liefern die PID- und I₁-Signale eine negative Rückkopplung, denn wenn sie ansteigen, wird weniger von dem CP1-Dreieckssignal darüber steigen, was zu einem P1 mit einem kleineren Abtastverhältnis führt. Andererseits, wenn sie absinken, wird mehr von jeder CP1-Dreieckswelle oberhalb von ihnen liegen, was zu einem P1 mit einem größeren Abtastverhältnis führt. (Es sollte ersichtlich sein, dass es andere Wege gibt, um die erwünschte Rückkopplung zu erzielen, d. h. negatives Feedback bezüglich PID und I₁. Beispielsweise könnte in einer alternativen Ausführungsform ein DC-Referenzsignal am positiven Eingang angelegt werden, und das CP1-Signal könnte an den Summationsschaltkreis 404 angelegt werden, um mit PID und I₁ addiert zu werden. Auf diese Weise könnte das DC-Referenzsignal anstelle der Dreieckswelle angepasst werden, um den Ausgangs-Spannungswert zu steuern. Alternativ dazu könnten CP1 und PID miteinander kombiniert werden, beispielsweise durch Summieren, und an den negativen Eingang angelegt werden, und das DC-Referenzsignal könnte mit einer negativen Version von I₁ summiert werden, wobei diese Summe an den positiven Anschluss anzulegen ist. Verschiedene andere Weisen und Kombinationen könnten implementiert werden und liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung.
Der Summationsschaltkreis 408 und Komparator 416 funktionieren in ähnlicher Weise, außer dass sie auf CP3, PID und I₃ zum Erzeugen des Phasensignals P3 wirken. Der Summationsschaltkreis 406 sowie Komparator 414 arbeiten ebenfalls gleichermaßen, außer dass sie auf CP2 oder CP4 (in Abhängigkeit von der Wahl des Schalters 410), das PID-Signal und I₂ zum Erzeugen des Phasensignals P2 einwirken.
Hysteretische Komparatoren 418 und 420 werden zum Bestimmen dessen verwendet, wie viele der drei Phasen (P1, P2 und P3) aktiviert werden sollen. Wie bei den anderen funktionalen Schaltungsblöcken, die hierin beschrieben worden sind, können diese mit jeder Art von Schaltkreis implementiert werden, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, analoge Schaltungselemente, digitale Logikelemente, Maschinencode und dergleichen. Beide Komparatoren empfangen an ihren positiven Eingängen das mittlere Laststromsignal (I_AVG), jedoch empfängt Komparator 418 an seinem negativen Eingang das feste Referenzsignal (Vref3), wohingegen Komparator 420 an seinem negativen Eingang das feste Referenzsignal (Vref2) empfängt (der Wert von Vref3 wird größer sein als Vref2). Wenn I_AVG größer als Vref3 (und damit Vref2 gleichermaßen) ist, werden sowohl das EN3- als auch EN2-Signal besetzt (asserted) sein, um alle drei Phasen zu aktivieren. Andererseits, wenn I_AVG größer als Vref2, aber kleiner als Vref3 ist, dann wird EN3 deaktiviert (de-asserted) und EN2 aktiviert, so dass Phase 3 fallen gelassen wird und nur die Phasen 1 und 2 aktiv sind. Schließlich, wenn I_AVG kleiner als sowohl Vref2 (und damit Vref3 gleichermaßen) ist, dann werden sowohl EN3 als auch EN2 deaktiviert, um sowohl Phase 3 als auch Phase 2 zu deaktivieren, so dass nur Phase 1 aktiv bleibt. Demnach sollte Vref3 mit dem Punkt zusammen fallen, bei dem der mittlere Strom pro Phase für drei aktive Phasen ineffizient gering ist, und Vref2 sollte ausgewählt sein, um mit dem Punkt zusammen zu fallen, bei dem der mittlere Strom pro Phase für zwei aktive Phasen ineffizient gering ist.
Nicht nur steuert die Schaltung nach 4 die Anzahl der Schaltleistungszweige (switch power legs), welche basierend auf Laststrom aktiv sind, sondern sie verteilt auch (sofern not wendig) die verbleibenden Phasen um, wenn eine Phase fallen gelassen wird. Ferner sorgt sie für einen Lastausgleich (load balancing) für die Phasen, die aktiv sind. Dies ist leichter darzustellen mit einer Erklärung dessen, wie es funktioniert, wenn Phase 3 fallen gelassen wird.
Wenn I_AVG unter Vref3 fällt, wird EN3 deaktiviert, was bewirkt, dass Phase 3 deaktiviert wird. (Man beachte, dass Phasen, wenn sie fallen gelassen werden, von der Last isoliert oder in jeder anderen geeigneten Weise deaktiviert werden könnten. Beispielsweise könnte ein Transistor-Schalter, gesteuert durch das einschlägige Enable-Signal, dazu verwendet werden, ein zugeordnetes Schalt-Leistungselement von der Last zu isolieren.)
Das Deaktivieren von EN3 bewirkt ebenfalls, dass der Schalter 410 CP3 anstelle von CP2 auswählt. Dies führt dazu, dass das Referenz-Dreiecksingal am Komparator 414 nun bei einem relativen Phasenwinkel von 180° anstelle von 120° ist. Demnach werden die zwei aktiven Phasen, Phase 1 und Phase 2, gleichmäßig umverteilt auf 0° bzw. 180°. Zusätzlich ist zu beachten, dass der Abtaststrom für jede Phase in einer negativen Rückkopplungsweise (summiert auf das PID-Signal) für seinen zugeordneten Komparator angelegt wird. Dies führt zu einem vernünftigen Lastausgleich, sowohl für den Dauerbetrieb als auch für transiente Bedingungen, da, falls ein Schalt-Leistungselement zu schnell „hochkommt", dieses dadurch gehindert wird, dass das Abtastverhältnis seines zugeordneten Treibersignals (P_i) abnimmt. Es ist zu beachten, dass diese Schaltungstechniken auf eine größere Anzahl an Phasen hoch skaliert werden kann. Eine größere Anzahl an Schaltern kann erforderlich sein, jedoch können mit einer Referenz-Phasenquelle, die eine ausreichende Anzahl an Anzapfpunkten (tap points) aufweist, die notwendigen Phasenkombinationen für die unterschiedlichen Phasen (wenn andere Phasen entfernt oder hinzugefügt werden) für eine ausreichend gleichmäßige Phasenverteilung in vernünftiger Weise implementiert werden.
Bezug nehmend auf 5 ist darin ein Beispiel eines Computersystems gezeigt. Das dargestellte System umfasst allgemein einen Prozessor 502, welcher mit einem Mehrphasen-Spannungsregulator 504, Speicher 506 und einer Drahtlos-Schnittstelle 508 gekoppelt ist. Es ist mit dem Spannungsregulator 504 gekoppelt, um im Betrieb Leistung von diesem zu beziehen. Die Drahtlos-Schnittstelle 508 ist mit einer Antenne 509 gekoppelt, um den Prozessor über den Drahtlos-Schnittstellen-Chip 508 mit einem Drahtlos-Netzwerk (nicht gezeigt) kommunikativ zu verbinden. Der Mehrphasen-Spannungsregulator weist eine dynamische Phasenregelung (beispielsweise Phasen-Aktivieren/Deaktivieren (phase enabling/disabling)) auf, wie es hier offenbart ist.
Es ist zu beachten, dass das dargestellte System in anderen Weisen implementiert werden kann. Es könnte in einem Einzelchip-Modul, einer Leiterplatte oder einem Chassis implementiert sein, welches mehrere Leiterplatten aufweist. Gleichermaßen könnte es einen oder mehrere Computer darstellen oder, alternativ, könnte es eine Komponente darstellen, welche in einem Rechnersystem nützlich ist.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen Ausführungsformen, sondern kann mit Abwandlungen und Änderungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden. Beispielsweise sollte es ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung zur Verwendung in allen Arten von integrierten Halbleiterchips (ICs) geeignet ist. Beispiele dieser IC-chips umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Prozessoren, Controller, Chipsatz-Komponenten, programmierbare Logikanordnungen (programmable logic arrays (PLA), Speicherchips, Netzwerkchips und dergleichen.
Ferner sollte es ersichtlich sein, dass beispielhafte Abmessungen/Modelle/Werte/Bereiche angegeben worden sein mögen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf dieselben beschränkt ist. Mit sich weiter entwickelnden Herstellungstechniken (beispielsweise im Bereich der Fotolithographie) steht zu erwarten, dass Bauelemente mit geringerer Abmessung fertigbar sein könnten. Ferner können wohlbekannte Leistungs-/Masse-Verbindungen zu IC-Chips und anderen Komponenten zur Vereinfachung der Darstellung und Erläuterung in den Figuren gezeigt sein oder auch nicht, um die Erfindung nicht zu verdecken.
Ferner können gewisse Anordnungen in Form von Blockdiagrammen gezeigt sein, um ein Verschleiern der Erfindung zu vermeiden und ebenso angesichts der Tatsache, dass Details bezüglich der Implementierung solcher Blockdiagramm-Anordnungen hochgradig von der Plattform abhängen, innerhalb derer die vorliegende Erfindung implementiert werden soll, d. h. solche Details sollten innerhalb des Bereichs eines Fachmanns auf diesem Gebiet liegen. Wo spezifische Details (beispielsweise Schaltkreise) dargelegt sind, um beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben, sollte es dem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Details oder mit Abwandlungen dersel ben ausgeführt werden kann. Diese Beschreibung ist somit als erläuternd, aber nicht als beschränkend anzusehen.

Claims

Integrierter Schaltkreis, welcher umfasst: einen Controller zum Steuern mehrerer Phasenzweige zum Bereitstellen eines Laststromes an eine Last, wobei der Controller Schaltungen zum Überwachen des Laststromes aufweist, um eine Anzahl der Phasenzweige basierend auf dem überwachten Laststrom zu aktivieren.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu eingerichtet ist, den mittleren Strom pro aktivem Phasenzweig in einem gewünschten Bereich zu halten.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die Schaltungen dazu eingerichtet sind, einen Mittelwert des Laststromes zu überwachen.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei die Schaltungen einen oder mehrere Hysterese-Komparatoren zum Vergleichen des mittleren Laststromes mit einem oder mehreren Referenzniveaus umfassen, welche Niveaus entsprechen, bei denen Phasen aktiviert oder deaktiviert werden sollen.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die Phasenzweige für einen synchronen Mehrphasen-Aufwandler vorgesehen sind.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu eingerichtet ist, die ausgewählte Anzahl aktivierter Phasenzweige als Antwort auf das Aktivieren oder Deaktivieren eines Phasenzweigs umzuverteilen.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei der Controller Lastenausgleichsschaltungen zum Bereitstellen eines Lastenausgleichs für die aktivierten Phasenzweige aufweist.
Vorrichtung, welche umfasst: mehrere Phasenzweige, welche dazu eingerichtet sind, mit einer Last steuerbar gekoppelt zu sein, um die Last mit einem Laststrom zu versorgen; und einen Controller, welcher an die mehreren Phasenzweige gekoppelt ist, um den Laststrom zu überwachen und zu steuern, wie viele der Phasenzweige aktiviert sind, um Strom an die Last basierend auf dem überwachten Laststrom bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jeder Phasenzweig einen Stromsensor zum Anzeigen eines Phasenzweig-Stromes umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Stromsensor zwischen einem Treiber und einem Induktor in dem Phasenzweig angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Phasenzweig einen Treiber umfasst, welcher einen Transistor aufweist, wobei der Stromsensor aus einem Stromspiegel umfassend den Transistor gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Controller einen oder mehrere Komparatoren mit unterschiedlichen Referenzschwellen zum Überwachen des Laststromes und Steuern, wie viele der Phasenzweige basierend auf dem überwachten Laststrom aktiv sind, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Controller Schaltungen zum Treiben jedes Phasenzweiges basierend auf überwachter Lastspannung und gemessenem Strom in dem Phasenzweig umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schaltungen dazu eingerichtet sind, den Treiber zum Reduzieren von Strom in dem Phasenzweig als Antwort darauf, dass die Summe der überwachten Spannung und des gemessenen Stroms sich erhöht, zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Controller Schaltungen zum Schalten aufweist, um den Phasenzweig mit Hilfe eines ausgewählten Referenz-Dreieckssignals für wenigstens einige der Phasenzweige zu treiben.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jeder Phasenzweig einen P-Typ Transistor umfasst, welcher zwischen einem angelegten Versorgungsknoten und einem ersten Knoten eines Induktors steuerbar gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei ein zweiter Knoten des Induktors dazu eingerichtet ist, an die Last gekoppelt zu sein.
Computersystem, welches umfasst: einen Prozessor; einen Spannungsregulator, welcher einen Controller zum Steuern mehrerer Phasenzweige aufweist, um Versorgungsstrom an den Prozessor bereitzustellen, wobei der Controller Schaltungen zum Überwachen des Versorgungsstroms aufweist, um eine Anzahl der Phasenzweige basierend auf dem überwachten Versorgungsstrom zu aktivieren; und eine Antenne, welche mit dem Prozessor gekoppelt ist, um den Prozessor mit einem Drahtlos-Netzwerk kommunikativ zu verbinden.
System nach Anspruch 18, wobei der Controller dazu eingerichtet ist, den mittleren Strom pro aktiviertem Phasenelement in einem gewünschten Bereich zu halten.
System nach Anspruch 18, wobei die Schaltungen dazu eingerichtet sind, einen Mittelwert des Versorgungsstromes zu überwachen.
System nach Anspruch 20, wobei die Schaltungen einen oder mehrere Hysterese-Komparatoren umfassen, um den mittleren Versorgungsstrom mit einem oder mehreren Referenzniveaus zu vergleichen, welche Niveaus entsprechen, bei denen Phasen aktiviert oder deaktiviert werden sollen.
System nach Anspruch 18, wobei der Spannungsregulator dazu eingerichtet ist, einen synchronen Mehrphasen-Aufwandler zu implementieren.