DE102010037246B4

DE102010037246B4 - System und Verfahren zum Ausgleichen der Kleinsignalantwort von Spannungsreglern mit variablen Phasen

Info

Publication number: DE102010037246B4
Application number: DE102010037246.3A
Authority: DE
Inventors: M. Jason Houston; Bogdan M. Duduman; Weihong Qiu
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2030-09-01
Also published as: CN102064788A; TWI420276B; TW201116964A; US20110109284A1; DE102010037246A1; CN102064788B; US8232782B2

Abstract

Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen, umfassend: eine Mehrzahl von Phasen (204-1, ... 204-N, 304, 404), wobei einzelne Phasen der Mehrzahl von Phasen dazu betreibbar sind, gezielt zwischen einem aktiven Zustand und einem nicht aktiven Zustand hin und hergeschaltet zu werden; und einen Steuerschaltkreis (202, 302, 402), umfassend: einen Fehlerverstärker (214, 314, 414) zum Erzeugen eines Differenzsignals (VC) auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung (VREF) und einem Signal, das für eine geregelte Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht; und einen Kompensator (218, 318) für variable Phasen zum Verstärken des Differenzsignals (VC), wobei das Differenzsignal einen Hochpassfilter durchläuft, um ein modifiziertes Differenzsignal zu erzeugen, und wobei die Verstärkung des Hochpassfilters bei niedriger Frequenz im Wesentlichen gleich 1 und damit konstant ist und nur bei hoher Frequenz proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen (NPH) der Mehrzahl von Phasen und der Anzahl von Phasen im aktiven Zustand (NA) ist; wobei der Steuerschaltkreis (202, 302, 402) auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals ein jeweiliges Steuersignal für die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen erzeugt; und wobei jede Phase im aktiven Zustand auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals eine Eingangsspannung (VIN) regelt und die geregelte Spannung an den Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen bereitstellt.

Description

Spannungsregler mit variablen Phasen sind im Stand der Technik bekannt. Die Druckschrift DE 11 2007 002 396 T5 offenbart eine Wandlersteuerungsvorrichtung, bei der eine Mehrzahl von Wandlern zueinander parallelgeschaltet sind. Diese weist eine Steuerungseinheit auf, die einen gemessenen Wert einer relativen Einschaltdauer rückkoppelt, um einer Abweichung zwischen dem gemessenen Wert und dem Anweisungswert der relativen Einschaltdauer durch eine PID-Steuerung entgegenzuwirken. Die DE 102 05 069 A1 betrifft Mehrphasen-Schaltregler mit Stufenabschaltung. Diese bestehen aus parallelgekoppelten Einphasen-Schaltregler-Schaltungen. Fällt der Laststrom unter eine erste Schwelle ab, so erfolgt eine Stufenabschaltung.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Unter der Voraussetzung, dass die Figuren nur Ausführungsbeispiele darstellen und daher nicht in einem den Umfang beschränkenden Sinne auszulegen sind, werden die Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Figuren mit zusätzlicher Genauigkeit und Detailliertheit beschrieben, wobei:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems ist, das einen Spannungsregler mit variablen Phasen benutzt;
2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ist;
3 ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ist;
4 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ist;
5 Wellenformen einer beispielhaften Phasenübergangs-Transientenantwort einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen mit einem Kompensator für variable Phasen und einer beispielhaften Phasenübergangs-Transientenantwort eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ohne einen Kompensator für variable Phasen zeigt; und
6 ein Ablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Ausgleichen der Kleinsignalantwort eines Spannungsreglers mit variablen Phasen zeigt.
Der allgemeinen Verfahrensweise entsprechend sind die verschiedenen beschriebenen Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern so gezeichnet, dass bestimmte für die Ausführungsbeispiele relevante Merkmale betont werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen, welche einen Teil der vorliegenden Anmeldung bilden, und in denen veranschaulichend bestimmte erläuternde Ausführungsformen dargestellt sind. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Ausführungsformen benutzt werden können und dass logische, mechanische und elektrische Änderungen vorgenommen werden können. Außerdem ist das in den Zeichnungen und der Beschreibung vorgestellte Verfahren nicht als einschränkend hinsichtlich der Reihenfolge auszulegen, in der die einzelnen Vorgänge ausgeführt werden können. Die folgende detaillierte Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.
Im hierin verwendeten Sinne werden die Begriffe „Spannungsregler mit variablen Phasen” und „Mehrphasenspannungsregler” in austauschbarer Weise benutzt, um einen Spannungsregler zu bezeichnen, der eine Mehrzahl von Phasen aufweist, die jeweils gezielt ein- oder ausgeschaltet werden können. Im hierin verwendeten Sinne bezeichnen daher die Begriffe „N-Phasenmodus” und „N-Phasenbetrieb” die Anzahl der zu einem jeweiligen Zeitpunkt aktiven oder „eingeschalteten” Phasen, wobei N eine Granzzahl ist. Beispielsweise bezeichnet ein 3-Phasenbetrieb einen Betriebsmodus eines Spannungsreglers, bei dem drei Phasen aktiv oder eingeschaltet sind. Ebenso bezeichnen die Begriffe „Allphasenmodus” oder „Allphasenbetrieb” einen Betriebsmodus, in dem alle Phasen des Spannungsreglers aktiv sind.
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 100, das einen Spannungsregler mit variablen Phasen 101 benutzt. Das System 100 weist außerdem eine Spannungsquelle 103 und eine Last 105 auf. Die Last 105 zieht über den Spannungsregler mit variablen Phasen 101 von der Spannungsquelle 103 Spannung. Beispielsweise kann die Last 105 ohne Einschränkung darauf als ein oder mehrere Prozessoren (z. B. ein Mikroprozessor, ein Digitalsignalprozessor, ein eingebetteter Prozessor usw.), eine Anzeigevorrichtung (z. B. eine Leuchtdioden- oder LED-Anzeige, eine Kathodenstrahlröhren- oder CRT-Anzeige, eine Flüssigkristallanzeige oder ein LCD usw.), eine Speichervorrichtung (z. B. eine übliche Festplatte, ein elektrisch löschbarer programmierbarer ROM oder EEPROM, ein Flash-Speicher usw.) oder andere zutreffende Peripherievorrichtungen implementiert sein, die einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind. Außerdem kann die Spannungsquelle ohne Einschränkung darauf als eine übliche Wechselstrom-(AC)-Gleichstrom-(DC)-Spannungsversorgung oder Batterie implementiert sein.
Der Spannungsregler mit variablen Phasen 101 regelt eine Eingangsspannung von der Spannungsquelle 103, die von der Last 105 genutzt wird. Der Spannungsregler mit variablen Phasen 101 ist derart betreibbar, dass er eine oder mehrere der Mehrzahl von Phasen gezielt ein- und ausschaltet. Wenn die Anzahl der aktiven Phasen reduziert wird, nimmt die äquivalente Ausgangsinduktanz des Spannungsreglers mit variablen Phasen zu. Die Zunahme der äquivalenten Ausgangsinduktanz verschiebt die Induktur/Kondensator-(L/K)-Resonanzfrequenz des Spannungsreglers mit variablen Phasen und kann die Gesamtbandbreite und den Phasenrand des Spannungsreglers mit variablen Phasen reduzieren. Die reduzierte Bandbreite kann sich in einer verlangsamten Transientenantwort der Last und in dem Bedarf an mehr Ausgangskondensatoren zeigen.
Um diesen Effekt auszugleichen, weisen die Ausführungsformen eines nicht üblichen Spannungsreglers mit variablen Phasen, die hier beschrieben sind, einen Kompensator für variable Phasen 118, um eine Verstärkung im Spannungsregler mit variablen Phasen derart anzupassen, dass der Effekt der Veränderung der äquivalenten Ausgangsinduktanz im Wesentlichen neutralisiert wird. Insbesondere ist die Verstärkung proportional zu (beispielsweise einem konstanten Vielfachen von) dem Verhältnis der Anzahl aktiver Phasen zur Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler. Ferner ermöglichen die hier beschriebenen Ausführungsformen den Betrieb in mehr als zwei Betriebsmoden. Beispielsweise ist der Spannungsregler mit variablen Phasen in einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen, der vier Phasen aufweist, dazu in der Lage, im 1-Phasen-, 2-Phasen-, 3-Phasen- und 4-Phasenbetrieb zu arbeiten, indem die angewandte Verstärkung derart angepasst wird, dass die Effekte der Veränderung der Anzahl aktiver Phasen ausgeglichen werden.
2 ist ein High-Level-Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen 201 darstellt, die in dem oben beschriebenen System implementierbar ist. Der Spannungsregler mit variablen Phasen 201 weist einen Steuerschaltkreis 202 und eine Mehrzahl von Treiber- und Schalterstromkreisen 204-1...204-N (hier auch als Phasen bezeichnet) auf, die an den Steuerschaltkreis 202 gekoppelt sind. Obwohl in 2 drei Phasen 204 gezeigt sind, versteht es sich, dass in anderen Implementierungen auch eine andere Anzahl von Phasen 204 verwendet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsregler mit variablen Phasen 201 als ein Mehrphasen-Tiefsetzmodus-Pulsweitenmodulations-(PWM)-DC-DC-Wandler implementiert. Allerdings versteht es sich, dass der Spannungsregler 201 in anderen Ausführungsformen als ein anderer Typ von Mehrphasenspannungsregler implementiert sein kann, beispielsweise, wenn auch ohne Beschränkung darauf, als Hochsetzmodus- und Hoch- und Tiefsetzmodus-Wandler.
Die Steuerschaltung 202 umfasst einen Modulator 206, der ein jeweiliges PWM-Signal (auch als Steuersignal bezeichnet) an die einzelnen Phasen 204-1...204-N bereitstellt. Der Modulator 206 erzeugt die PWM-Signale auf der Grundlage eines Anstiegssignals (V_ramp) vom Signalgenerator 208 und eines Differenzsignals vom Fehlerverstärker 214. In einigen Ausführungsformen sind die Anstiegssignale Analogsignale, während die Anstiegssignale in anderen Ausführungsformen digitale Anstiegssignale sind.
In Antwort auf das PWM-Signal regeln die einzelnen Phasen 204-1...204-N, wenn sie aktiv sind, ein Eingangsspannungssignal V_in und stellen die geregelte Spannung an einen gemeinsamen Ausgangsknoten 210 bereit, um ein Ausgangsspannungssignal Vom an eine Last auszugeben. Insbesondere sind die Phasen 204-1...204-N in einem aktiven Zustand (also aktive Phasen) derart betreibbar, dass sie die Bereitstellung der geregelten Spannung an den gemeinsamen Knoten 210 derart staffeln, dass eine Spannungswelligkeit des V_OUT-Signals reduziert wird.
Außerdem wird ein Signal, das für das V_OUT-Signal steht, über ein Rückkoppelungsnetz 212 an einen Spannungsfehlerverstärker 214 im Steuerschaltkreis rückgekoppelt. Jede der Phasen 204 ist außerdem an einen Stromerfassungsschaltkreis 216 im Steuerschaltkreis 202 gekoppelt. Der Spannungsfehlerverstärker 214 ist an den Stromerfassungsschaltkreis 216 und an den Modulator 206 gekoppelt, der die relative Einschaltdauer der PWM-Signale derart anpasst, dass das V_OUT-Signal am Knoten 210 innerhalb eines vorgegebenen Satzes von Parameter gehalten wird. Zu den Parametern können beispielsweise ein Drift- oder ein Verstärkungsparameter gehören, die eine feste Verhältnisgröße definieren, um die die Spannung von V_OUT in Antwort auf den zunehmenden Laststrom abnimmt.
Der Spannungsregler 201 schaltet die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen 204 gezielt zwischen einem aktiven Zustand und einem nicht aktiven Zustand hin und her (d. h., die einzelnen Phasen werden ein- oder ausgeschaltet). Beispielsweise schaltet der Spannungsregler 201 in einigen Ausführungsformen den Zustand der einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen 204 auf Grundlage einer automatischen Detektion des Strom- und/oder Spannungsbedarfs der Last um. In anderen Ausführungsformen werden die Phasen 204 auf Grundlage eines Signals von der Last, beispielsweise eines Energiezustandsindikators (PSI#), der dem Spannungsregler mit variablen Phasen von der Last zugeführt wird, um auf einen Zustand mit geringer Last hinzuweisen, gezielt ein- und ausgeschaltet.
Der Spannungsregler 201 weist einen Kompensator für variable Phasen 218 auf, der die Veränderung in der äquivalenten Induktanz des Spannungsreglers 201 ausgleicht, wenn sich die Anzahl der aktiven Phasen ändert. Der Kompensator für variable Phasen 218 verstärkt einen Ausgang des Fehlerverstärkers 214, der den Effekt der Veränderung der äquivalenten Induktanz im Wesentlichen neutralisiert. Insbesondere ist die Verstärkung proportional zu (beispielsweise einem konstanten Vielfachen von) dem Verhältnis der Anzahl aktiver Phasen zur Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler 201. In einigen Ausführungsformen ist der Kompensator für variable Phasen 218 als Teil des Modulators 206 implementiert, wie unten beschrieben und in 4 gezeigt. In anderen Ausführungsformen ist der Kompensator für variable Phasen 218 als ein separater Schaltkreis wie z. B. ein Hochpassfilter implementiert, der zwischen dem Fehlerverstärker 214 und dem Modulator 206 angeordnet ist, wie unten beschrieben und in 3 gezeigt.
Durch das Ausgleichen der Veränderung der äquivalenten Induktanz mithilfe des Kompensators für variable Phasen 218 erzeugt der Spannungsregler 201 eine schnelle Antwort auf Lasttransienten, während er zugleich mit einer angemessenen Verstärkung und einem angemessenen Phasenrand die Stabilität aufrechterhält. Außerdem ist im Spannungsregler 201 nur ein einzelnes festes Ausgleichsnetz 220 enthalten. Das Ausgleichsnetz 220 kann derart ausgelegt sein, dass es bei einem Betrieb im Allphasenmodus eine schnelle Antwort ermöglicht und die Anzahl der Ausgangskondensatoren reduziert, die dazu dienen, die Ausgangsspannung in einem guten Regelungszustand zu halten. Außerdem können Pole und Nullstellen des Ausgleichsnetzes 220 dazu ausgewählt werden, den Ausgleich des Doppelpols an der LC-Resonanzfrequenz zu unterstützen, der von den Ausgangsinduktoren und dem Kondensator erzeugt wird, um auf diese Weise die Stabilitätsspanne zu vergrößern. Indem auf diese Weise die Benutzung eines einzelnen Ausgleichsnetzes ermöglicht wird, ist der Spannungsregler 201 nicht mit zusätzlichen Komponenten überfrachtet, was die Kosten und die Komplexität des Spannungsreglers 201 reduziert.
Ferner erlaubt der Spannungsregler 201 mehr als zwei verschiedene Betriebsmoden. Wenn beispielsweise die Gesamtanzahl der möglichen Phasen vier beträgt, stellt der Spannungsregler 201 eine schnelle Transientenantwort und Stabilität für alle Betriebsmoden, also den 4-Phasen-, 3-Phasen-, 2-Phasen- und 1-Phasen-Betriebsmodus, bereit. Diese Flexibilität erhöht die Effizienz des Spannungsreglers 201.
3 ist ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen 301. Wie bei dem Spannungsregler mit variablen Phasen 201 weist der Spannungsregler 301 einen Steuerschaltkreis 302 und eine Mehrzahl von Phasen 304-1...304-N auf. Jede Phase 304 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Treiber 307 auf, der das Einschalten und Ausschalten eines Paars elektronischer Leistungsschaltvorrichtungen 309 und 311 anhand eines PWM-Signals steuert, das von einem entsprechenden Komparator 313 im Modulator 306 empfangen wird. Insbesondere erzeugt der Treiber 307 ein Upper-Gate-Schaltsignal, das dem Steueranschluss (z. B. dem Gate) des oberen (oder versorgungsspannungsseitigen) Schalters 309 zugeführt wird, und ein Lower-Gate-Schaltsignal, das dem Steueranschluss des unteren (oder masseseitigen) Schalters 311 zugeführt wird. Bei der speziellen dargestellten Konfiguration sind die Schalter 309 und 311 als N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) implementiert, deren Drain-Source-Stromleitwege zwischen einem Paar Stromversorgungsschienen (z. B. VIN und Masse (GND)) in Reihe gekoppelt sind. Der Drain von Schalter 309 ist an einem Phasenknoten 315, welcher an ein Ende eines Ausgangsinduktors gekoppelt ist, an die Source von Schalter 311 gekoppelt. Das andere Ende des Induktors 317 der einzelnen Phasen 304 ist an den Ausgangsknoten 310 gekoppelt.
Der Phasenknoten 315 der einzelnen Phasen 304 ist außerdem an den Stromerfassungsschaltkreis 316 gekoppelt, der den Stromausgang der einzelnen Phasen 304 erfasst. Der erfasste Strom wird dem Fehlerverstärker 318 zugeführt. Außerdem stellt eine Spannungsrückkopplungsschleife die erfasste Ausgangsspannung vom Knoten 310 über ein Rückkopplungsnetz 312 an den Fehlerverstärker 318 bereit. Wird die Anzahl der aktiven Phasen reduziert, verändert sich die äquivalente Induktanz des Kleinsignalmodells des Spannungsreglers 301.
Wie in 3 gezeigt, ist der Kompensator für variable Phasen 318 in dieser Ausführungsform als Hochpassfilter implementiert. Der Kompensator für variable Phasen 318 kann als ein beliebiger Typ von Hochpassfilter implementiert sein. Beispielsweise kann der Kompensator für variable Phasen 318 in einer Ausführungsform, die einen digitalen Steuerschaltkreis 302 benutzt, als ein digitales Hochpassfilter implementiert sein. Bei Implementierungen, die einen digitalen Steuerschaltkreis benutzen, werden die Strom- und Spannungsrückkopplungssignale von analogen in digitale Signale umgewandelt. Der digitale Steuerschaltkreis arbeitet dann mit den digitalen Signalen.
Das Anordnen des Kompensators für variable Phasen 318 zwischen dem Ausgang des Fehlerverstärkers 314 und dem Modulator 306 gleichen den Verstärkungsverlust im äquivalenten LC-Filter der Phasen 304-1...304-N aus. Das Implementieren des Kompensators für variable Phasen 318 als Hochpassfilter trägt zudem dazu bei, sicherzustellen, dass der Ausgang des Fehlerverstärkers 314 unabhängig von der Anzahl der benutzten aktiven Phasen zu der gleichen Spannung konvergiert. Insbesondere verstärkt der Kompensator für variable Phasen 318 einen Ausgang des Fehlerverstärkers 314. Die Verstärkung ist proportional zum Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler 301 und der Anzahl aktiver Phasen. Insbesondere ist in einigen Ausführungsformen die Verstärkung gleich dem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler 301 und der Anzahl aktiver Phasen.
Die Verstärkungs- und Phasenkurven und die Kleinsignalantwort von beispielhaften Spannungsreglern 301 sind für jede beliebige Zahl aktiver Phasen annähernd gleich, wenn die Verstärkung des Kompensators für variable Phasen 318 auf das Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler 301 und der Gesamtanzahl aktiver Phasen eingestellt wird. Wenn beispielsweise die Gesamtanzahl der Phasen im Spannungsregler 301 vier beträgt und die Anzahl aktiver Phasen von vier auf eins wechselt, wechselt die äquivalente Induktanz von 1/4·Lo auf Lo. Die Verstärkung bei Frequenzen oberhalb der Polfrequenz des Hochpassfilters ist dann im Wesentlichen gleich vier. Wenn der Spannungsregler 301 im Allphasenmodus arbeitet, ist die Verstärkung im Wesentlichen gleich eins.
Die Gleichung unten zeigt eine Beziehung zwischen der Anzahl der Phasen und dem beispielhaften Kompensator für variable Phasen 318.
Rhpf1 + Rhpf2 / Rhpf2 = NPH / NA, wobei NPH die Gesamtanzahl von Phasen und NA die Anzahl aktiver Phasen ist.
In der Gleichung oben können Rhpf1 und/oder Rhpf2 als veränderbare Widerstände implementiert sein. Auf diese Weise variiert der Steuerschaltkreis 302 den Wert von Widerstand Rhpf1 und/oder Rhpf2 auf Grundlage der Betriebsbedingungen wie z. B. der Anzahl aktiver Phasen, um die Verstärkung des Differenzsignals anzupassen, das vom Fehlerverstärker 314 ausgegeben wird. In einigen Ausführungsformen hat zum Beispiel Rhpf2 einen festen Wert, und Rhpf1 ist als veränderbarer Widerstand implementiert.
Eine Leitlinie bei der Auswahl der Parameter des Kompensators für variable Phasen 318 ist in einigen Implementierungen die Einstellung der Pol-/Nullstellenfrequenz des Kompensators für variable Phasen 318 auf einen Wert, der wesentlich kleiner ist als die äquivalente LC-Filter-Resonanzfrequenz. Da die Verstärkungs- und Phasenkurven und die Kleinsignalantwort des beispielhaften Spannungsreglers 301 bei jeder beliebigen Anzahl aktiver Phasen annähernd gleich sind, kann die Anzahl an Bauteilen, die im Ausgleichsnetz 320 und im Rückkopplungsnetz 312 benutzt werden, für den Allphasenmodus reduziert werden, was die Effizienz des Spannungsreglers 301 verbessert und seine Kosten senkt.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen 401. Der Spannungsregler mit variablen Phasen ermöglicht ebenfalls eine schnelle Transientenantwort bei gleichzeitiger Stabilität, ohne zusätzliche Ausgleichsnetze einzuschalten, und ohne Überachtung des Spannungsreglers 401. Der Spannungsregler 401 arbeitet ähnlich wie der Spannungsregler 301. In der Ausführungsform aus 4 ist der Spannungsregler mit variablen Phasen jedoch als Teil des Modulators 406 und nicht als ein Hochpassfilter zwischen dem Fehlerverstärker 414 und dem Modulator 406 wie in der Ausführungsform aus 3 implementiert.
Insbesondere wird die Modulatorverstärkung bestimmt, indem V_in durch V_pp geteilt wird. V_pp wird vom Anstiegssignal V_ramp gesteuert, das von einem Signalgenerator wie z. B. dem Signalgenerator 208 aus 2 erzeugt wird. Die Stromquellenmagnitude wird also derart angepasst, dass die Flanke von V_ramp und die Spitze-Spitze-Amplitude der Spannung V_pp angepasst werden. Insbesondere werden die Spannung V_pp und die Flanke von V_ramp derart angepasst, dass der Modulator 406 das Differenzsignal proportional zum Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl der Phasen und der Anzahl aktiver Phasen verstärkt. Auf diese Weise können das Ausgleichsnetz 420 und das Rückkopplungsnetz 412 für den Allphasenmodus mit einer reduzierten Anzahl benutzter Bauteile ausgelegt werden, was die Effizienz des Spannungsreglers 401 steigert und seine Kosten senkt. Daher ermöglicht der Spannungsregler mit variablen Phasen 401 auch eine schnelle Transientenantwort für mehr als zwei Betriebsmoden, ähnlich wie der beispielhafte Spannungsregler 301.
Allerdings kann das Verändern der Modulatorverstärkung den DC-Betriebspunkt des Spannungsreglers 401 verändern, während das Anordnen eines Hochpassfilters, wie es beim Spannungsregler 301 der Fall ist, die gewünschte Verstärkung unter Beibehaltung desselben DC-Betriebspunktes liefert. In einigen Implementierungen wird der DC-Betriebspunkt gemessen, und es wird eine Offset-Korrektur auf den Schaltkreis angewandt, um eine Differenz zwischen dem gemessenen DC-Betriebspunkt und einem errechneten DC-Betriebspunkt auszugleichen. Allerdings versteht es sich, dass andere Verfahren angewandt werden können, um Veränderungen des DC-Betriebspunktes auszugleichen.
5 zeigt Wellenformen einer beispielhaften Phasenübergangs-Transientenantwort 502 einer Ausführungsform eines Spannungsreglers mit variablen Phasen, z. B. des Spannungsreglers 301, mit einem Kompensator für variable Phasen und einer beispielhaften Phasenübergangs-Transientenantwort 504 eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ohne einen Kompensator für variable Phasen, wie oben in 2 bis 4 gezeigt. Wie in 5 gezeigt, weist die Ausgangsspannung 504 eines Spannungsreglers mit variablen Phasen ohne Kompensator für variable Phasen eine wesentlich größere Störung der Ausgangsspannung auf als die Phasenübergangs-Transientenantwort 502 eines Spannungsreglers mit variablen Phasen mit Kompensator für variable Phasen, wie z. B. die Spannungsregler 301 oder 401. Außerdem erklingt die Phasenübergangs-Transientenantwort 504 in der Nähe der Schwingung, weshalb sie gelegentlich instabil ist oder instabil sein kann. Auf diese Weise stellen die Ausführungsformen eines Spannungsreglers mit variablen Phasen wie z. B. 301 oder 401 eine schnelle und stabile Phasenübergangs-Transientenantwort bereit.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens 600 zum Ausgleichen der Kleinsignalantwort eines Spannungsreglers mit variablen Phasen zeigt. An Block 602 wird ein Differenzsignal erzeugt. Das Differenzsignal basiert auf einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung und einem Signal, das für eine Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht. An Block 604 wird das Differenzsignal verstärkt, um ein modifiziertes Differenzsignal zu erzeugen. Die Verstärkung ist proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen und der Anzahl aktiver Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen. Diese Verstärkung hilft, Effekte der variierenden Anzahl aktiver Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen auszugleichen. In einigen Ausführungsformen wird das Differenzsignal verstärkt, indem das Differenzsignal durch einen Hochpassfilter geleitet wird, wie oben beschrieben. In anderen Ausführungsformen wird das Differenzsignal auf Grundlage eines Signals von einem Signalgenerator in einem Modulator verstärkt, wie oben beschrieben.
An Block 606 wird auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals ein jeweiliges Steuersignal für die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen erzeugt. An Block 608 wird auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals eine Eingangsspannung an jeder aktiven Phase geregelt.
Obwohl vorstehend spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, werden Durchschnittsfachleute verstehen, dass die spezifischen gezeigten Ausführungsformen durch jede Anordnung ersetzt werden können, die dazu ausgelegt ist, denselben Zweck zu erfüllen. Es ist deshalb ausdrücklich vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt wird.

Claims

Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen, umfassend: eine Mehrzahl von Phasen (204-1, ... 204-N, 304, 404), wobei einzelne Phasen der Mehrzahl von Phasen dazu betreibbar sind, gezielt zwischen einem aktiven Zustand und einem nicht aktiven Zustand hin und hergeschaltet zu werden; und einen Steuerschaltkreis (202, 302, 402), umfassend: einen Fehlerverstärker (214, 314, 414) zum Erzeugen eines Differenzsignals (V_C) auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung (V_REF) und einem Signal, das für eine geregelte Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht; und einen Kompensator (218, 318) für variable Phasen zum Verstärken des Differenzsignals (V_C), wobei das Differenzsignal einen Hochpassfilter durchläuft, um ein modifiziertes Differenzsignal zu erzeugen, und wobei die Verstärkung des Hochpassfilters bei niedriger Frequenz im Wesentlichen gleich 1 und damit konstant ist und nur bei hoher Frequenz proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen (NPH) der Mehrzahl von Phasen und der Anzahl von Phasen im aktiven Zustand (NA) ist; wobei der Steuerschaltkreis (202, 302, 402) auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals ein jeweiliges Steuersignal für die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen erzeugt; und wobei jede Phase im aktiven Zustand auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals eine Eingangsspannung (V_IN) regelt und die geregelte Spannung an den Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen bereitstellt.
Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen nach Anspruch 1, wobei die Gesamtanzahl der Phasen (204-1, ... 204-N, 304, 404) in der Mehrzahl von Phasen vier beträgt.
Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler mit variablen Phasen ein Tiefsetzmodus-Pulsweitenmodulations-(PWM)-DC-DC-Wandler mit variablen Phasen ist.
Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen nach Anspruch 1, wobei der Steuerschaltkreis als ein digitaler Steuerschaltkreis implementiert ist.
Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen nach Anspruch 1, wobei der Steuerschaltkreis ferner Folgendes umfasst: einen Modulator (206, 306, 406) zum Erzeugen der jeweiligen Steuersignale auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals und eines Signals von einem Signalgenerator; wobei der Kompensator (218, 318) für variable Phasen ein Hochpassfilter ist, der zwischen den Fehlerverstärker (214, 314, 414) und den Modulator (206, 306, 406) gekoppelt ist.
Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen nach Anspruch 1, wobei jede der Mehrzahl von Phasen Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung (309) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss der ersten Schaltvorrichtung an die Eingangsspannung (V_IN) gekoppelt ist und der zweite Anschluss der ersten Schaltvorrichtung an einen Phasenknoten (315) gekoppelt ist; eine zweite Schaltvorrichtung (311) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss der zweiten Schaltvorrichtung an den Phasenknoten (315) gekoppelt ist und der zweite Anschluss der zweiten Schaltvorrichtung an die Masse gekoppelt ist; einen Treiber (307) zum Steuern des Ein- und Ausschaltens der ersten und zweiten Schaltvorrichtung auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals vom Steuerschaltkreis; und einen Induktor (L₀), der zwischen den Phasenknoten (315) und den Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen gekoppelt ist.
System (100), umfassend: eine Spannungsquelle (103), die dazu betreibbar ist, ein Spannungssignal bereitzustellen; einen Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen, der dazu betreibbar ist, das Spannungssignal von der Spannungsquelle zu regeln, wobei der Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen eine Mehrzahl von Phasen (204-1, ... 204-N, 304, 404) aufweist, wobei jede einzelne Phase betreibbar ist, gezielt zwischen einem aktiven Zustand und einem nicht aktiven Zustand hin und her geschaltet zu werden; und eine Last (105), die an den Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen gekoppelt ist, um das geregelte Spannungssignal zu empfangen; wobei der Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen konfiguriert ist, einen Hochpassfilter anzuwenden, um ein Signal zu verstärken, das zum Steuern der Mehrzahl von Phasen benutzt wird, wobei die Verstärkung des Hochpassfilters bei niedriger Frequenz im Wesentlichen gleich 1 und damit konstant ist und nur bei hoher Frequenz proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen (NPH) der Mehrzahl von Phasen und der Anzahl von Phasen im aktiven Zustand (NA) ist.
System (100) nach Anspruch 7, wobei die Gesamtanzahl der Phasen (NPH) in der Mehrzahl von Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen vier beträgt.
System (100) nach Anspruch 7, wobei der Spannungsregler mit variablen Phasen ein Tiefsetzmodus-Pulsweitenmodulations-(PWM)-DC-DC-Wandler mit variablen Phasen ist.
System (100) nach Anspruch 7, wobei die Last eins von einem Prozessor, einer Anzeigevorrichtung oder einer Speichervorrichtung umfasst.
System (100) nach Anspruch 7, wobei der Spannungsregler mit (101, 201, 301, 401) variablen Phasen Folgendes umfasst: einen Fehlerverstärker (214, 314, 414) zum Erzeugen eines Differenzsignals (V_C) auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung und einem Signal, das für eine Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht; und einen Kompensator (218, 318) für variable Phasen zum Verstärken des Differenzsignals (V_C), um ein modifiziertes Differenzsignal zu erzeugen; wobei der Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals ein jeweiliges Steuersignal für die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen erzeugt; und wobei jede Phase (204-1, ... 204-N, 304, 404) im aktiven Zustand auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals das Spannungssignal von der Spannungsquelle regelt und das geregelte Spannungssignal an den Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen bereitstellt.
System (100) nach Anspruch 11, wobei der Spannungsregler mit variablen Phasen ferner Folgendes umfasst: einen Modulator (206, 306, 406) zum Erzeugen der jeweiligen Steuersignale auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals und eines Signals von einem Signalgenerator; wobei der Kompensator (218, 318) für variable Phasen ein Hochpassfilter ist, der zwischen den Fehlerverstärker und den Modulator gekoppelt ist.
System (100) nach Anspruch 1, wobei jede der Mehrzahl von Phasen (204-1, ... 204-N, 304, 404) im Spannungsregler (101, 201, 301, 401) mit variablen Phasen Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung (309) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss der ersten Schaltvorrichtung an die Eingangsspannung (V_IN) gekoppelt ist und der zweite Anschluss der ersten Schaltvorrichtung an einen Phasenknoten (315) gekoppelt ist; eine zweite Schaltvorrichtung (311) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss der zweiten Schaltvorrichtung an den Phasenknoten (315) gekoppelt ist und der zweite Anschluss der zweiten Schaltvorrichtung an die Masse gekoppelt ist; einen Treiber (307) zum Steuern des Ein- und Ausschaltens der ersten und zweiten Schaltvorrichtung auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals vom Steuerschaltkreis; und einen Induktor (L₀), der zwischen den Phasenknoten (315) und den Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen gekoppelt ist.
Steuerschaltkreis (202, 302, 402) für einen Spannungsregler mit variablen Phasen, wobei der Steuerschaltkreis Folgendes umfasst: einen Fehlerverstärker (214, 314, 414) zum Erzeugen eines Differenzsignals (V_C) auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung (V_REF) und einem Signal, das für eine Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht; und einen Kompensator (218, 318) für variable Phasen zum Verstärken des Differenzsignals (V_C), um ein modifiziertes Differenzsignal zum Ausgleichen von Effekten der variierenden Anzahl aktiver Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen zu erzeugen, wobei der Kompensator (218, 318) für variable Phasen ein Hochpassfilter ist; und wobei die Verstärkung des Hochpassfilters bei niedriger Frequenz im Wesentlichen gleich 1 und damit konstant ist und nur bei hoher Frequenz proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahlvon Phasen (NPH) im Spannungsregler mit variablen Phasen und der Anzahl aktiver Phasen (NA) im Spannungsregler mit variablen Phasen ist.
Steuerschaltkreis (202, 302, 402) nach Anspruch 14, wobei der Steuerschaltkreis ferner Folgendes umfasst: einen Modulator (206, 306, 406) zum Erzeugen eines jeweiligen Steuersignals für die einzelnen Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals und eines Signals von einem Signalgenerator; wobei der Kompensator (218, 318) für variable Phasen ein Hochpassfilter ist, das zwischen den Fehlerverstärker (214, 314, 414) und den Modulator (206, 306, 406) gekoppelt ist.
Verfahren (600) zum Ausgleichen einer Kleinsignalantwort eines Spannungsreglers mit variablen Phasen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen (602) eines Differenzsignals (V_C) auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Bezugsspannung und einem Signal, das für eine geregelte Spannung an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers mit variablen Phasen steht; Verstärken (604) des Differenzsignals (V_C), wobei das Verstärken des Differenzsignals beinhaltet, das Differenzsignal (V_C) durch einen Hochpassfilter zu führen, um ein modifiziertes Differenzsignal zu erzeugen, und wobei die Verstärkung des Hochpassfilters bei niedriger Frequenz im Wesentlichen gleich 1 und damit konstant ist und nur bei hoher Frequenz proportional zu einem Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl von Phasen der Mehrzahl von Phasen im Spannungsregler mit variablen Phasen und der Anzahl von Phasen im aktiven Zustand im Spannungsregler mit variablen Phasen ist; und Erzeugen (606) eines jeweiligen Steuersignals für die einzelnen Phasen der Mehrzahl von Phasen auf Grundlage des modifizierten Differenzsignals.
Verfahren (600) nach Anspruch 16, ferner umfassend: Regeln (608), bei jeder aktiven Phase, einer Eingangsspannung auf Grundlage des jeweiligen Steuersignals.