DE102013114620B4 - Ein mehrphasiges, stromparkendes Umschaltregelmodul - Google Patents

Ein mehrphasiges, stromparkendes Umschaltregelmodul Download PDF

Info

Publication number
DE102013114620B4
DE102013114620B4 DE102013114620.1A DE102013114620A DE102013114620B4 DE 102013114620 B4 DE102013114620 B4 DE 102013114620B4 DE 102013114620 A DE102013114620 A DE 102013114620A DE 102013114620 B4 DE102013114620 B4 DE 102013114620B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
current
load
control module
phase
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102013114620.1A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102013114620A1 (de
Inventor
William J. Dally
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nvidia Corp
Original Assignee
Nvidia Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nvidia Corp filed Critical Nvidia Corp
Publication of DE102013114620A1 publication Critical patent/DE102013114620A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102013114620B4 publication Critical patent/DE102013114620B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0032—Control circuits allowing low power mode operation, e.g. in standby mode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Ein Verfahren, aufweisend:Erlangen eines Sollstroms;Berechnen einer Anzahl von Regelmodulphasen, die erforderlich dafür ist, den Sollstrom an eine Last zu liefern, basierend auf einer Effizienz-Charakteristik der Regelmodulphasen, wobei jede Regelmodulphase einen Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2), einen Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) und eine zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2) und dem Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) gekoppelte Stromquelle (L1) umfasst, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus einen Schaltmechanismus zum Koppeln der Stromquelle (L1) mit der Last (110) umfasst; undKonfigurieren der Regelmodulphasen dafür, den Sollstrom an die Last zu liefern, wobei eine erste Regelmodulphase dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der ersten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus mit der Last zu koppeln, um einen ersten Anteil des Sollstroms zu liefern,wobei eine zweite Regelmodulphase dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der zweiten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus an die Last zu koppeln und von dieser zu entkoppeln, um einen restlichen Anteil des Sollstroms zu liefern,wobei die erste Regelmodulphase ferner dazu ausgelegt ist, die Stromquelle der ersten Regelmodulphase nur von der Last zu entkoppeln, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last höher als eine obere Grenzwertspannung (Vhi) ist, und die Stromquelle der ersten Regelmodulphase mit der Last zu koppeln, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last kleiner als eine Nominalspannung (Vnom) der Last ist,wobei die zweite Regelmodulphase die Last an die Stromquelle der zweiten Regelmodulphase koppelt, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last niedriger als ein minimales Spannungsniveau (Vlow_biasedi) ist, welches kleiner als die Nominalspannung (Vnom) und größer als eine untere Grenzwertspannung (Vlow) ist, und die Last von der Stromquelle der zweiten Regelmodulphase entkoppelt, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last größer als ein maximales Spannungsniveau (Vhi_biasedi) ist, welches kleiner als die obere Grenzwertspannung (Vhi) und größer als die Nominalspannung (Vnom) ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Regelmodulschaltkreise und genauer gesagt auf Mehrphasen-Regelmodulschaltkreise.
  • HINTERGRUND
  • Herkömmliche Vorrichtungen, wie etwa Mikroprozessoren und Grafikprozessoren, die in hochleistungsfähigen digitalen Systemen verwendet werden, können variable Stromanforderungen haben, basierend auf der Verarbeitungsarbeitslast. Beispielsweise können die Stromanforderungen dramatisch anwachsen, wenn ein Logikblock nach einem Stillstand neu gestartet wird, oder wenn eine neue Anfrage eine große Berechnung initiiert, wie etwa die Erzeugung eines neuen Bildes. Umgekehrt können Stromanforderungen dramatisch abnehmen, wenn ein Logikblock in den Leerlaufzustand übergeht. Wenn die Stromanforderung zunimmt und eine ausreichende Leistung nicht verfügbar ist, dann kann die Versorgungsspannung, die der Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, unter ein kritisches Spannungsniveau abfallen, was möglicherweise bewirken kann, dass die Vorrichtung darin versagt, ordnungsgemäß zu funktionieren. Wenn die Stromanforderung abnimmt und die der Vorrichtung zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung über ein kritisches Spannungsniveau ansteigt, können Schaltkreise innerhalb der Vorrichtung darin versagen, ordnungsgemäß zu funktionieren, und können sogar zerstört werden.
  • Die US 2012 / 0 176 114 A1 betrifft ein Stromversorgungssystem, welches mehrere parallel geschaltete Stromversorgungen und eine Betriebsanzahlsteuerung umfasst. Die Betriebsanzahlsteuerung steuert die Anzahl der im Betrieb befindlichen Stromversorgungen. Die Betriebsanzahlsteuerung bestimmt die Anzahl der in Betrieb befindlichen Stromversorgungen durch Vergleichen des gesamten Laststroms, welcher von einem Stromerfassungselement erfasst wird, mit einem entsprechenden von Schnittpunktsströmen, welche in einem Schnittpunktsstromwertspeicherelement gespeichert sind.
  • Die DE 22 50 575 A offenbart in Verbindung mit der Figur eine Schaltung, in welcher der Schaltregler 1 einen Strom durch die Drossel 12 steuert und in welcher mithilfe des Schaltreglers 2 und des Kondensators 22 die Lastspannung auf einem vorgegebenen Sollwert konstant geregelt werden kann.
  • In Verbindung mit 4 zeigt die DE 30 22 108 A1 eine Anordnung für ein Stromversorgungssystem mit mehr als zwei Speisegeräten. Die Speisegeräte liefern unterschiedliche Spannungen. Die unterschiedlichen Spannungen der Speisegeräte ergeben sich aus Toleranzen beim Eichen und durch Drift im Laufe der Zeit. Die Speisegeräte sind Beispielsweise über Dioden mit der Last gekoppelt. Das Speisegerät mit der höchsten Spannung übernimmt zunächst die gesamte Last, bis die Spannung auf das Niveau des Speisegeräts mit der zweithöchsten Spannung einbricht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Last von beiden Speisegeräten versorgt.
  • Ein herkömmliches Mehrphasen-Umschaltregelmodul ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung, welche Einrichtung zwischen einer Stromversorgung und einer Einrichtung zwischengeschaltet ist, wobei der Einrichtung Strom geliefert wird und auf Veränderungen in Stromanforderungen geantwortet wird, um ein Versorgungsspannungsniveau aufrechtzuerhalten. Jedoch ist ein herkömmliches Mehrphasen-Umschaltregelmodul auf einen großen Induktor zur Spannungsumwandlung angewiesen, und der große Induktor begrenzt die Fähigkeit des herkömmlichen Mehrphasen-Umschaltregelmoduls, schnell auf dramatische Änderungen in Stromanforderungen (d.h. Strom-Transienten) zu antworten. Eine typische 30A Phase des herkömmlichen Mehrphasen-Umschaltregelmoduls kann einen 0,5µH Induktor zur Spannungsumwandlung verwenden. Die Stromantwort ist auf di/dt=V/L begrenzt, was für V=11V (Abfall eines 12V Eingangs auf ein 1V Versorgungsspannungsniveau) und L=0,5pH einen Wert von 22A/ps ergibt. Die Zunahme des einer Vorrichtung zugeführten Stroms um 10A als Zufuhr würde mindestens 500ns erfordern. Zusätzlich kann die Synchronisation des Pulsdauermodulationsumschaltvorgangs die Stromantwortzeit des herkömmlichen Mehrphasen-Umschaltregelmoduls um mehrere Mikrosekunden vergrößern. Wenn eine Taktperiode der Vorrichtung kürzer als die Stromantwortzeit ist, kann die Vorrichtung darin versagen, ordnungsgemäß zu funktionieren. Ein 500MHz Taktgeber hat eine Periode von 2ns, daher können während einer Stromantwortzeit von 500ns hunderte von Taktperioden auftreten.
  • Daher besteht ein Bedarf zum Verbessern der Regelung von Spannungsniveaus und/oder anderen Aspekten im Zusammenhang mit dem Stand der Technik.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind, werden zum Steuern bzw. Regulieren einer Spannung an einer Last bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
  • Figurenliste
    • 1A veranschaulicht ein System zur Umwandlung von elektrischer Leistung, das eine Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst, die als ein stromparkendes Umschaltregelmodul mit einem einzelnen Induktor implementiert ist, gemäß einer Ausführungsform;
    • 1B veranschaulicht ein stromparkendes Umschaltregelmodul mit einem aufgeteilten Induktor, gemäß einer Ausführungsform;
    • 1C veranschaulicht ein Mehrphasen-Umschaltregelmodul, das mehrere Einrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst, gemäß einer Ausführungsform;
    • 1D veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls, gemäß einer Ausführungsform;
    • 2A veranschaulicht ein Schaubild der Effizienz für eine einzelne Phase eines Umschaltregelmoduls als eine Funktion des Phasen-Stroms, gemäß einer Ausführungsform;
    • 2B veranschaulicht ein Schaubild der optimalen Anzahl von aktiven Phasen, die eingeschaltet werden sollten, basierend auf dem Strom pro Phase, gemäß einer Ausführungsform;
    • 2C veranschaulicht ein Schaubild der optimalen Anzahl von aktiven Phasen gegen den Gesamtstrom, gemäß einer Ausführungsform;
    • 2D veranschaulicht ein Schaubild der Effizienz der aktiven Phasen als eine Funktion des Gesamtstroms, gemäß einer Ausführungsform;
    • 3A veranschaulicht ein stromparkendes Umschaltregelmodul, gemäß einer Ausführungsform;
    • 3B veranschaulicht Wellenformen, die den Anteil des Stroms, der der Last des in 3A gezeigten, stromparkenden Umschaltregelmoduls geliefert wird, kontrollieren, gemäß einer Ausführungsform;
    • 3C veranschaulicht verschiedene Spannungsbereiche, die verwendet werden, um die stromabwärtigen Steuerungseinrichtungen innerhalb des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls zu konfigurieren, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 3D veranschaulicht ein anderes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des einer Last zugeführten Spannungsniveaus unter Verwendung eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls, gemäß einer Ausführungsform;
    • 4A veranschaulicht eine stromaufwärtsseitige Steuereinrichtung des in 3A gezeigten, stromparkenden Umschaltregelmoduls, gemäß einer Ausführungsform;
    • 4B veranschaulicht eine andere stromaufwärtige Steuereinrichtung des in 3A gezeigten stromparkenden Umschaltregelmoduls, gemäß einer Ausführungsform;
    • 5 veranschaulicht ein Schaubild des stromparkenden Umschaltregelmoduls innerhalb eines Systems, gemäß einer Ausführungsform; und
    • 6 veranschaulicht ein beispielhaftes System, in dem verschiedene Architekturen und/oder Funktionalitäten der verschiedenen vorhergehenden Ausführungsformen implementiert sein können.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Eine Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung liefert ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau an eine Last, wie etwa eine Vorrichtung. Die Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung wandelt Leistung, die von einer Leistungs- bzw. Stromquelle (z.B. Batterie oder Hauptnetzversorgung) empfangen wird, in ein Versorgungsspannungsniveau, das an der Last bereitgestellt wird, um. Ein Induktor wird verwendet, um zusätzlichen Strom an die Last abzugeben und das Ausgangsspannungsniveau mit Umschaltmechanismen zu steuern, die den durch den Induktor fließenden, gemittelten Strom modulieren. Ein Kondensator ist zwischen der Last und Masse gekoppelt, um einen beliebigen Überschuss-Strom (Differenz zwischen dem von dem Induktor bereitgestellten Strom und dem an die Last abgegebenen Strom) zu speichern.
  • 1A veranschaulicht ein System 100 zur Umwandlung von elektrischer Leistung, das eine Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst, die als ein stromparkendes Umschaltregelmodul mit einem einzelnen Induktor L1 implementiert ist, gemäß einer Ausführungsform. Die Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung kann eine Phase eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls sein, wie in 1C gezeigt. Die Einrichtung 120zur Umwandlung von elektrischer Leistung ist dazu ausgelegt, ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau (VL) an die Last 110 bereitzustellen, indem die von einer Quelle 108 von elektrischer Leistung empfangene Leistung umgewandelt wird. Die Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus. Der Stromsteuerungsmechanismus ist an die Quelle 108 elektrischer Leistung und die Steuerungseinrichtung 105 gekoppelt und betriebsfähig dazu, den Mittelwert des Stroms IL1, der durch den Induktor L1 fließt, zu steuern, und sicherzustellen, dass ein minimaler Strom von den mehreren Phasen eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls geliefert wird. Beispielsweise und wie veranschaulicht, kann der Stromsteuerungsmechanismus einen oder mehrere erste Umschaltmechanismen M1 und einen oder mehrere zweite Umschaltmechanismen M2 umfassen. Die Umschaltmechanismen M1 und M2 können jeweils beispielsweise Leistungs-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren) vom N-Typ und/oder andere Umschaltmechanismen umfassen. Obwohl zum leichteren Verständnis ein einzelner Umschaltmechanismus M1 und M2 veranschaulicht ist, so wird gewürdigt, dass eine Vielzahl von Umschaltmechanismen M1 und M2 parallel miteinander verbunden werden können, um die Stromkapazität zu vergrößern, Leitungsverluste zu verringern und dergleichen.
  • Die Steuereinrichtung 105 ist dazu ausgelegt, ein oder mehr Steuersignale an die Umschaltmechanismen M1 und M2 zuzuführen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 105 dazu ausgelegt sein, Pulslängenmodulations (PWM)-Signale oder Pulsfrequenzmodulations (PFM)-Signale, eine Kombination von PWM und PFM und/oder andere Steuersignale zu erzeugen, um die Umschaltmechanismen M1 und M2 gemäß einer relativen Einschaltdauer einzuschalten. Unabhängig von dem spezifischen Aufbau ist die Steuereinrichtung 105 dazu ausgelegt, Steuersignale so bereitzustellen, dass die Umschaltmechanismen M1 und M2 nicht gleichzeitig aktiviert (d.h. eingeschaltet) werden. Mit anderen Worten, es ist jeweils nur einer der Umschaltmechanismen M1 und M2 zu einer Zeit aktiviert. Das Aktivieren der Umschaltmechanismen M1 und M2 zur gleichen Zeit stellt einen direkten Pfad zwischen der Versorgung der Quelle 108 von elektrischer Leistung und Masse bereit, wodurch die Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung und/oder die Last 110 möglicherweise zerstört werden können und/oder zu einer ungewünschten hohen Leistungsaufnahme führen kann.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst die Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung den Spannungssteuerungsmechanismus zusätzlich zu dem Stromsteuerungsmechanismus. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (am stromabwärtigen Ende des Induktors L1) und der Last 110 gekoppelt und ist betriebsfähig dafür, die VL zu steuern. Der Stromsteuerungsmechanismus ist dazu ausgelegt, einen Strom IL1 zu erzeugen, der in dem Induktor L1 „geparkt“ wird. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist betriebsfähig dafür, die Stärke des Induktorstroms IL1, der an einen Kondensator C1 abgegeben wird, zu steuern. Als solcher umfasst der Spannungssteuerungsmechanismus einen oder mehr Umschaltmechanismen M3 und einen oder mehr Umschaltmechanismen M4. Die Umschaltmechanismen M3 und M4 können jeweils beispielsweise planare MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) vom N-Typ und/oder andere Umschaltmechanismen umfassen. Obwohl zur Erleichterung des Verständnisses einzelne Umschaltmechanismen M3 und M4 veranschaulicht sind, so wird gewürdigt, dass eine Vielzahl von Umschaltmechanismen M3 und M4 parallel zueinander gekoppelt sein können, um die Stromkapazität zu vergrößern, Leitungsverluste zu vermindern, und dergleichen.
  • Eine herkömmliche Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst nicht die Umschaltmechanismen M3 und M4, daher würde der Induktor L1 stattdessen direkt mit dem Kondensator C1 und der Last 110 gekoppelt sein. Jeglicher Überschussstrom, der durch den Induktor L1 fließt und nicht von der Last 110 verbraucht wird, wird in dem Kondensator C1 angesammelt und jeder von der Last 110 gezogene Strom, der den von dem Induktor L1 bereitgestellten Strom übersteigt, wird von dem Kondensator C1 bezogen. Der Induktor L1 fängt Änderungen im Strom ab, und verhindert dabei, dass die gesamte, in dem Induktor L1 gespeicherte Energie auf einen Schlag an die Last 110 freigegeben wird, wenn die Stromanforderung der Last 110 zunimmt. Diese Eigenschaft von Induktoren zusammen mit der Speicherkapazität des Kondensators C1 ermöglichen, dass VL während eines stationären Betriebs (d.h. wenn die Stromanforderung der Last 110 relativ konstant ist) ausreichend stabil ist. Nichtsdestotrotz gibt es ein gewisse „Restwelligkeit“ (Ripple) in VL, die neben anderen Faktoren von der Größe des Induktors L1, der Größe des Kondensators C1 und/oder der Schaltfrequenz der Steuerungseinrichtung 105 abhängt. Allgemein gesprochen gilt, dass, wenn die Größe des Induktors L1 zunimmt, die Ausgangsrestwelligkeit während eines stationären Betriebs (d.h. näherungsweise konstante Stromanforderung an der Last 110) proportional abnimmt. Dementsprechend kann der Induktor L1 groß genug ausgelegt werden, um ein VL bereitzustellen, das außerhalb eines gewünschten Versorgungsspannungsbereichs für die Last 110 nicht fluktuiert. Wie jedoch vorstehend erläutert, ist eine herkömmliche Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung typischerweise nicht in der Lage, schnell genug auf Änderungen im Strombedarf der Last 110 zu reagieren. Die große Induktanz von L1, die erforderlich ist, um die Restwelligkeit in VL zu verringern, erhöht die Antwortzeit, was größere Spannungsabweichungen erzeugt, wenn sich die Stromanforderung der Last 110 verändert bzw. variiert. Der Spannungssteuerungsmechanismus, der in der Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung enthalten ist, ermöglicht schnellere Antwortzeiten auf Änderungen in der Spannungsanforderung der Last 110, ohne dass es erforderlich wird, die Größe des Induktors L1, der bewirken kann, dass die Spannungsrestwelligkeit in VL zunimmt, zu verringern.
  • Im Gegensatz zu den Umschaltmechanismen M1 und M2 kann die Spannung über die Umschaltmechanismen M3 und M4 Wesentlich niedriger als der Spannungsabfall über dem Induktor L1 sein. Beispielsweise kann die Spannung, die an der stromabwärtigen Seite des Induktors L1 bereitgestellt wird, im Wesentlichen äquivalent zu der Ausgangsspannung an der Last 110 sein. Weil die Umschaltmechanismen M3 und M4 eine niedrigere Spannung schalten, können die Umschaltmechanismen M3 und M4 im Vergleich zu den Umschaltmechanismen M1 und M2 aus Niedrigspannungseinrichtungen, wie etwa planaren MOS-Transistoren, aufgebaut werden. Niedrigspannungseinrichtungen können, im Vergleich zu Hochspannungseinrichtungen, wie etwa Leistungs-MOSFETs, typischerweise auf höheren Frequenzen geschaltet werden. Daher werden Leistungsverluste aufgrund des Umschaltens für die Umschaltmechanismen M3 und M4 im Vergleich zu den Umschaltmechanismen M1 und M2 verringert. Folglich können die Umschaltmechanismen M3 und M4 auf einer wesentlich höheren Frequenz als die Umschaltmechanismen M1 und M2 geschaltet werden.
  • Die Umschaltmechanismen M3 und M4 können in einem integrierten Schaltkreis aufgenommen sein, wodurch im Vergleich zum Verwenden einzelner Komponenten möglicherweise der verwendete Raum verringert und/oder Kosten verringert werden. Beispielsweise können die Umschaltmechanismen M3 und M4 auf dem gleichen integrierten Schaltkreis wie die Last 110 realisiert werden, können auf einem separaten Chip in demselben Gehäuse wie die Last 110 integriert sein, oder können in einem gesonderten Gehäuse integriert sein. Die Umschaltmechanismen M3 und M4 können als „Kern“-Transistoren mit einer Standardspannung in einem typischen, digitalen, integrierten Schaltkreisprozess realisiert werden, oder die Umschaltmechanismen M3 und M4 können als Dickschicht-Oxid Eingabe-/ Ausgabe-Transistoren für eine höhere Spannung in einem typischen integrierten Schaltkreisprozess realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umschaltmechanismus M4 ein planarer MOSFET vom P-Typ und der Umschaltmechanismus M3 ist ein planarer MOSFET vom N-Typ. Jedoch wird ein gewöhnlicher Fachmann in dem Gebiet verstehen, dass beide Typen von MOSFETs für beide Umschaltmechanismen mit geeigneten Gate-Treiber-Schaltkreisen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Die Steuerungseinrichtung 105 kann ferner dazu ausgelegt sein, an den Spannungssteuerungsmechanismus ein oder mehr Steuersignale zu beaufschlagen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 105 dazu ausgelegt sein, Steuersignale an die Umschaltmechanismen M3 und M4 bereitzustellen. Wie bei den an die Umschaltmechanismen M1 und M2 bereitgestellten Steuersignalen können die Steuersignale, die für die Umschaltmechanismen M3 und M4 bereitgestellt werden, PWM, PFM, Bang-Bang-Steuerung und/oder jedes beliebige andere Steuerungsschema verwenden, um selektiv den Umschaltmechanismus M3 oder den Umschaltmechanismus M4 einzuschalten. In einigen Ausführungsformen können die an die Umschaltmechanismen M3 und M4 gekoppelten Steuersignale zumindest teilweise synchron zu den Steuersignalen sein, die mit den Umschaltmechanismen M1 und M2 gekoppelt sind. In anderen Ausführungsformen können die an die Umschaltmechanismen M3 und M4 gekoppelten Steuersignale asynchron mit den Steuersignalen sein, die mit den Umschaltmechanismen M1 und M2 gekoppelt sind. Des Weiteren können die an die Umschaltmechanismen M3 und M4 gekoppelten Steuersignale auf einer verschiedenen Frequenz als die an die Umschaltmechanismen M1 und M2 gekoppelten Steuersignale bereitgestellt werden.
  • Unabhängig von der spezifischen Konfiguration der an die Umschaltmechanismen M3 und M4 gekoppelten Steuersignale, kann die Steuerungseinrichtung 105 dazu ausgelegt sein, selektiv den Umschaltmechanismus M3 einzuschalten und den Umschaltmechanismus M4 auszuschalten, um den Fluss des Stroms IL1 zu der Last 110 auszuschalten. Insbesondere wird durch Einschalten des Umschaltmechanismus M3 und Ausschalten des Umschaltmechanismus M4 der durch den Induktor L1 fließende, momentane Induktorstrom IL1, von dem Umschaltmechanismus M3 nach Masse abgeleitet, anstatt dem Kondensator C1 zugeführt zu werden. Umgekehrt wird durch Einschalten des Umschaltmechanismus M4 und Ausschalten des Umschaltmechanismus M3 im Wesentlichen der gesamte momentane Induktorstrom IL1, der durch den Induktor L1 fließt (weniger Transistorleitungsverluste, Induktorwicklungswiderstand und dergleichen), dem Kondensator C1 zugeführt.
  • Die Steuerungseinrichtung 105 kann PWM oder PFM zum Schalten des Spannungssteuerungsmechanismus verwenden, oder kann eine Bang-Bang-Technik verwenden. In jedem Fall bestimmt die relative Einschaltdauer (DF, Duty Factor) den Anteil des Induktorstrom IL1, der im Mittel dem Kondensator C1 zugeführt wird. Die relative Einschaltdauer kann von 0-100% reichen, wobei 0% dem Zustand entspricht, wobei der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert (d.h. ausgeschaltet) ist und der Umschaltmechanismus M3 aktiviert ist, und 100% dem Zustand entspricht, wobei der Umschaltmechanismus M4 aktiviert ist und der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert ist. Das Verändern der relativen Einschaltdauer verändert daher die Ladungs-/Entladungszeitsteuerung des Kondensators C1 - eine höhere relative Einschaltdauer erhöht den Stromfluss zu dem Kondensator C1 und der Last 110.
  • Der Kondensator C1 glättet den rechteckwelligen Versorgungsstrom, der mittels der Umschaltmechanismus M4 geliefert wird, um den der Last 110 zugeführten ILoad zu erzeugen. Der Strom ILoad wird der Last gemäß der relativen Einschaltdauer und dem Induktorstrom IL1 wie folgt geliefert: ILoad = DF × IL1. Wie für die Umschaltmechanismen M1 und M2 werden dem Umschaltmechanismus M3 und M4 die Steuersignale so bereitgestellt, dass die Umschaltmechanismen M3 und M4 nicht gleichzeitig aktiviert sind, um zu vermeiden, dass zwischen der Last 110 und Masse ein direkter Pfad (d.h. ein Kurzschlussstrom über den Kondensator C1) gebildet wird.
  • Während eines stationären Betriebs wird der Umschaltmechanismus M3 ausgeschaltet und der Umschaltmechanismus M4 wird eingeschaltet, so dass im Wesentlichen der gesamte Induktorstrom IL1 als ILoad an die Last 110 geliefert wird. Die Umschaltmechanismen M1 und M2 werden selektiv aktiviert („geschaltet“), um den Induktorstrom IL1 zu steuern, wodurch VL gesteuert wird. Auf diese Weise ist, wenn die der Last 110 bereitgestellte Spannung (VL) konstant ist, der mittels des Umschaltmechanismus M4 bereitgestellte Strom im Wesentlichen äquivalent zu dem Induktorstrom IL1.
  • In der Summe ist der Stromsteuerungsmechanismus dazu ausgelegt, einen Strom IL1 zu erzeugen, der in dem Induktor L1 geparkt wird und der durch den Spannungssteuerungsmechanismus an die Last 110 ausgegeben wird. Weil die den Umschaltmechanismen M3 und M4 beaufschlagten Spannungsniveaus niedrig sind (d.h. die Versorgungsspannung der Last 110) können die Umschaltmechanismen M3 und M4 als schnelle, preiswerte planare Transistoren implementiert werden und können auf sehr hohen Frequenzen (z.B. 300 MHz) betrieben werden, was eine sehr schnelle Antwort auf Transienten des Stroms an der Last 110 ermöglicht. Wenn die Stromanforderung an der Last 110 sich verändert (d.h. nicht-stationärer Betrieb), können die Umschaltmechanismen M3 und M4 des Spannungssteuerungsmechanismus so gesteuert werden, dass sie auf die Änderungen in der Stromanforderung durch Vergrößern oder Verkleinern der Stärke des an die Last 110 ausgegebenen Stroms IL1 schnell reagieren. Allgemein ist die Schaltfrequenz des Stromsteuerungsmechanismus aufgrund der verwendeten, unterschiedlichen Arten von Umschaltmechanismen niedriger als die Schaltfrequenz des Spannungssteuerungsmechanismus.
  • Ein diskretes Element CP in dem elektrischen Leistungs-Umwandlungsvorrichtung 120 stellt die parasitäre Kapazität an der stromabwärtigen Seite des Induktors L1 dar. Jedes Mal, wenn die Umschaltmechanismen M3 und M4 geschaltet werden, wird die parasitäre Kapazität CP auf die Last-Spannung VL aufgeladen (wenn der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird) und dann auf Masse entladen (wenn der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird). Folglich wird bei jedem Schaltzyklus des Umschaltmechanismus M3 und M4 eine Energie EP von E P = ( C P ) V L 2
    Figure DE102013114620B4_0001
    durch Aufladen und Entladen der parasitären Kapazität CP verbraucht.
  • In einer typischen Ausführungsform der elektrischen Leistungs-Umwandlungsvorrichtung 120 ist der Induktor L1 ein oberflächenmontierter 0,5µH 30A Induktor, die Umschaltmechanismen M3 und M4 sind auf dem Gehäuse angeordnet und der Kondensator C1 ist eine auf dem Chip ausgeführte und auf dem Gehäuse ausgeführte Bypass-Kapazität. Der Kondensator CP umfasst die Kapazitäten der Durchgangsbohrungen (Vias), der Platinenleiterbahnen und der Gehäuseleiterbahnen zwischen dem Induktor L1 und den Umschaltmechanismen M3 und M4. In einer typischen Anwendung kann die Kapazität CP sich auf 500pF belaufen. Wenn CP=500pF und VL=1V, dann ist EP gleich 500pJ. Bei einer Schaltfrequenz von 300MHz, wird 150mW zum Laden und Entladen von CP verbraucht. Wenn der Stromsteuerungsmechanismus und der Spannungssteuerungsmechanismus der Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung als eine von einer Vielzahl von Phasen eines Regelmoduls ausgelegt sind, wird EP durch die Anzahl der Phasen für die aufgrund der kumulativen parasitären Kapazität verbrauchte Gesamtenergie skaliert.
  • Diese Schaltleistung nimmt zu, wenn die Schaltfrequenz (fs) der Umschaltmechanismen M3 und M4 zunimmt. Man würde gerne die Umschaltmechanismen M3 und M4 auf einer hohen Frequenz schalten, um die erforderliche Größe von C1, die durch C 1 = I L 1 ( 1 − D F ) ƒ S V R
    Figure DE102013114620B4_0002
    gegeben ist, zu minimieren, wobei DF die relative Einschaltdauer des Umschaltmechanismus M4 und VR eine Restwelligkeitsspannung von VL ist.
  • Mit einem Phasenstrom von 30A, einer Frequenz von 300MHz und einer Restwelligkeitsspannung von 20mV, beispielsweise, wird die erforderliche Kapazität C1 5µF pro Phase. C1 wird typischerweise auf mehrere kleinere Kondensatoren auf dem Gehäuse verteilt, so dass eine niedrige Serieninduktanz erhalten und eine flache Impedanz als eine Funktion der Schaltfrequenz bereitgestellt wird. Eine Vergrößerung der Schaltfrequenz verringert die erforderliche Größe von C1, jedoch auf Kosten der erhöhten Schaltleistung EP.
  • Ein Vorteil eines stromparkenden Umschaltregelmoduls, wie etwa die Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung, ist, dass C1 die einzige benötigte Filterkapazität ist. Im Vergleich dazu ist eine herkömmliche Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung, die die Schaltmechanismen M3 und M4 nicht umfasst, auf eine große (hunderte von µF) Filter-Kapazitäten angewiesen, um die Restwelligkeit mit niedriger Frequenz (typischerweise 300 kHz) herauszufiltern.
  • Die Konfiguration der elektrischen Leistungsquelle 108, der Steuerungseinrichtung 105, der Umschaltvorrichtungen M1 und M2 und des Induktors L1, die in 1A gezeigt sind, wird typischerweise als Abwärtswandler (Buck Converter) bezeichnet. Während die Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 120 im Kontext dieses Abwärtswandlers beschrieben ist, wird ein gewöhnlicher Fachmann verstehen, dass die beschriebenen Techniken zum Steuern einer an einer Last angelegten Spannung auf andere „Umschalt-Modus“-Leistungsumwandlungsschaltkreise angewendet werden können, die folgendes umfassen, jedoch nicht beschränkt sind auf einen Durchflusswandler (Forward Converter), einen Halbbrücken-Wandler (Half-Bridge-Converter), einen Vollbrücken-Wandler (Full-Bridge-Converter), einen Sperr-Wandler (Flyback Converter) und/oder Varianten davon.
  • 1B veranschaulicht ein System 160 zur Umwandlung von elektrischer Leistung, das eine Einrichtung 180 zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst, die als ein stromparkendes Umschaltregelmodul mit einem aufgeteilten Induktor ausgebildet ist, gemäß einer Ausführungsform. Im Vergleich zu der in 1A gezeigten, Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst die Einrichtung 180 zur Umwandlung von elektrischer Leistung einen ersten Induktor L11, der mit einem zweiten Induktor L2 in Reihe geschaltet ist, so dass ein aufgeteilter Induktor ausgebildet wird. Das Aufteilen des Induktors verringert Verluste aufgrund der parasitären Kapazität CPA an der stromabwärtigen Seite des ersten Induktors L11.
  • Die Einrichtung 180 zur Umwandlung von elektrischer Leistung kann eine Phase eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls sein. Die Einrichtung 180 zur Umwandlung von elektrischer Leistung ist dazu ausgelegt, an der Last 170 ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau (VL) anzulegen, indem von einer elektrischen Leistungsquelle 108 empfangene Leistung umgewandelt wird. Die Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 180 umfasst einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus. Der Stromsteuerungsmechanismus ist mit der Quelle 108 von elektrischer Leistung verbunden, und die Steuerungseinrichtung 165 kann dazu ausgelegt sein, Steuerungssignale in der gleichen Weise wie die Steuerungseinrichtung 105 zu erzeugen und ist betriebsbereit dafür, den Mittelwert des durch den Induktor L11 fließenden Stroms IL11 und des durch den Induktor L2 fließenden Strom IL2 zu steuern. Beispielsweise und wie veranschaulicht sind die Umschaltmechanismen M11 und M12 in der gleichen Weise wie die vorhergehend beschriebenen Umschaltmechanismen M1 und M2, respektive, ausgelegt und betriebsfähig. Analog dazu sind die Umschaltmechanismen M13 und M14 in der gleichen Weise wie die vorhergehend beschriebenen Umschaltmechanismen M3 und M4, respektive, aufgebaut und betriebsfähig. Der Kondensator C11 führt im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Kondensator C1 aus.
  • Die Verwendung von zwei verschiedenen Induktoren L11 und L2, zum Ausbilden eines aufgeteilten Induktors verringert die Schaltenergie, so dass der Großteil der parasitären Kapazität zwischen die Induktoren L11 und L2 fällt, was als eine erste parasitäre Kapazität CPA gezeigt wird. In einer Ausführungsform ist L11 ein 0,5 µH 30A erster Induktor auf einer Platine (z.B. ein diskretes Bauteil) und der zweite Induktor L2 ist ein 1nH Induktor in dem Gehäuse, das die Last 170 umschließt. Die erste parasitäre Kapazität CPA umfasst die Kapazität der Durchlöcher (Vias), der Platinenleiterbahnen und der Gehäuseleiterbahnen zwischen dem ersten Induktor L11 und dem zweiten Induktor L2. Die erste parasitäre Kapazität CPA kann näherungsweise 490pF sein. Die zweite parasitäre Kapazität CPB besteht in erster Linie aus der Drain-Kapazität der Umschaltmechanismen M13 und M14 und kann näherungsweise 10pF sein. Wenn CPB=10pF und VL=LV, dann ist EP 10pJ, und bei einer Schaltfrequenz von 500MHz wird 5mW durch Laden und Entladen von CPB verbraucht.
  • Die Schaltfrequenz von 500MHz ermöglicht die Verwendung eines 0,5µF Kondensators (in einigen Ausführungsformen als eine verteilte Anordnung von kleineren Kondensatoren implementiert) für den Kondensator C11. Die 1nH Induktanz des zweiten Induktors L2 kann ausgebildet werden, indem eine Ferritperle um die den Strom IL2 führenden Leiterbahnen oder Erhebungen, die den Strom führen, herum integriert wird, oder indem einfach eine Leiterbahne in einem geeigneten Abstand entfernt von der Masse-Rückführung geführt wird (was den zweiten Induktor L2 zu einem planaren Luftkern-Induktor macht). Die Resonanzfrequenz des Schwingungskreises, der durch L2 und die erste parasitäre Kapazität CPA ausgebildet ist, ist fr=230MHz. Folglich gilt, dass solange die Schaltfrequenz des Umschaltmechanismus M13 und M14 groß im Vergleich zu fr ist, die Kapazität der ersten parasitären Kapazität CPA von dem Schaltknoten VL effektiv isoliert ist. Weil die erste parasitäre Kapazität CPA zwischen dem ersten Induktor L11 und dem zweiten Induktor L2 angeordnet ist, ist CPA isoliert und ist verlustlos. Jeglicher Überschussstrom wird in dem durch den ersten Induktor L11 und dem zweiten Induktor L2 ausgebildeten, aufgeteilten Induktor gespeichert.
  • 1C veranschaulicht ein Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150, der eine Mehrphasen-Steuereinheit 125 und eine Einrichtung 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung umfasst, gemäß einer Ausführungsform. Die in 1B gezeigte Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 180 kann eine oder mehrere der in 1C gezeigten Vorrichtungen zur Umwandlung 120 von elektrischer Leistung ersetzen. Jede Einrichtung 120 zur Umwandlung der elektrischen Leistung ist eine Phase von einem Umschaltregelmodul mit acht Phasen. In einer Ausführungsform ist jede Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 120 dazu ausgelegt, an die Last 110 ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau (VL) zu liefern, indem die Leistung, die von einer elektrischen Leistungsquelle 108 empfangen wird, für eine Phase der acht Phasen umgewandelt wird. Eine einzelne Steuerungseinrichtung, die als die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 gezeigt ist, kann dazu verwendet werden, jede der elektrischen Leistungs-Umwandlungsvorrichtungen 120 zu steuern. Die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 ist dazu ausgelegt, von der zweckbestimmten Steuerungseinrichtung 105 innerhalb von jeder elektrischen Leistungs-Umwandlungsvorrichtung 120 Informationen zu erhalten und jede Steuerungseinrichtung 105 so zu konfigurieren, dass sie den an die Last 110 gelieferten Gesamtstrom erzeugt.
  • Ein einzelner Filterkondensator C1 oder eine parallele Kombination von Filterkondensatoren, kann von den verschiedenen Vorrichtungen 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung gemeinsam verwendet werden, anstatt dass in jeder der Einrichtungen 120 zur Umwandlung von elektrischer Leistung ein Filterkondensator C1 enthalten ist. Zusätzlich können eine oder mehrere Einrichtungen 120 zur Umwandlung der elektrischen Leistung mittels des stromparkenden Umschaltregelmoduls mit einem aufgeteilten Induktor oder einer herkömmlichen Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung ersetzt werden.
  • Zu jedem Zeitpunkt hat die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 einen stromabwärtigen Sollstrom ITU, der an der Last auszugeben ist. Die verschiedenen Phasen (d.h. Einrichtungen 120 zur Umwandlung der elektrischen Leistung) des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150 sind dazu ausgelegt, einen Gesamtstrom zu erzeugen, der ITU annähert. Einen oder mehr der Stromsteuerungsmechanismen innerhalb jeder Phase ist dazu ausgelegt, zumindest einen Teil des Stroms ITU zu erzeugen, so dass die kombinierte Stromabgabe der aktivierten Phasen (IU) den Strom ITU annähert.
  • Wenn beispielsweise ITU=100Amps und jede Phase dazu ausgelegt sein kann, IL1=30Amps zu erzeugen, dann sind vier verschiedene Phasen aktiviert. Insbesondere ist jeder Stromsteuerungsmechanismus innerhalb der Einrichtungen 120(0), 120(1) und 120(2) zur Umwandlung von elektrischer Leistung dazu ausgelegt, IL1=30Amps zu erzeugen, und der Umschaltmechanismus M4 in den Vorrichtungen 120(0), 120(1) und 120(2) zur Umwandlung von elektrischer Leistung sind dazu ausgelegt, die 30Amps an die Last 110 zu liefern. Die drei Phasen stellen 90 der 100 Amps bereit. Eine vierte Phase, die Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 120(3), ist dazu ausgelegt, die restlichen 10Amps zu erzeugen. Die Einrichtung 120(3) zur Umwandlung von elektrischer Leistung kann dazu ausgelegt sein, IL1=30Amps zu erzeugen, und der Spannungssteuerungsmechanismus kann dazu ausgelegt sein, 10 der 30Amps von IL1 als ILoad bereitzustellen, indem die Umschaltmechanismen M3 und M4 abwechselnd aktiviert und deaktiviert werden. Die übrigen Einrichtungen 120(4) bis 120(7) zur Umwandlung von elektrischen Leistung können durch die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 deaktiviert werden.
  • Das Konfigurieren von drei der Phasen des Spannungssteuerungsmechanismus als „ein“ (d.h. Aktivieren des Umschaltmechanismus M4 und Deaktivieren des Umschaltmechanismus M3) verbessert die Effizienz des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150, weil Verluste aufgrund des Umschaltens verringert werden. Nur ein Spannungssteuerungsmechanismus der aktivierten Phasen ist dazu ausgelegt, umzuschalten, um den restlichen Strom bereitzustellen. Die Effizienz der StromErzeugung für die Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung 120 variiert in Abhängigkeit von der verschiedenen Stärke des Stroms IP, der erzeugt wird. Folglich kann, um den Sollstrom ITU effizient abzugeben, die Anzahl der Phasen, die aktiviert werden, von der Effizienz-Charakteristik der Phasen abhängen. In dem vorhergehenden Beispiel können die Phasen mit einer Spitzen (Peak)-Effizienz von 95% betrieben werden, wenn IL1=30Amps, im Vergleich zu einer niedrigeren Effizienz für die Erzeugung von weniger oder mehr als 30Amps.
  • Zwei oder mehr der Stromsteuerungsmechanismen innerhalb der Phasen können in einer abwechselnden Weise aktiviert werden, um an allen [Zeit]Punkten während des stromaufwärtigen Umschaltzyklus (d.h. dem Zyklus, während dessen die Umschaltmechanismen M1 und M2 abwechselnd aktiviert und deaktiviert werden) Iu oberhalb von ITU zu halten. Die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 kann dazu ausgelegt sein, eine Strommodus-Steuerung zu verwenden, um die aktivierten Phasen zu konfigurieren, so dass jede einen Spitzenstrom von IPmax abgibt, wobei I P m a x = ( 1 + R N ) I T U N
    Figure DE102013114620B4_0003
  • Der Strom pro Phase IP ist 1/N des gesamten Sollstroms ITU, Um den Spitzenstrom über einen Zyklus der aktivierten Phasen zu berechnen, wird IP mit 1+R/N multipliziert, wobei R der Strom der Restwelligkeit (in Amps) von einer Phase ist. Wenn mehrere Phasen aktiviert werden, um IU zu erzeugen, wird die effektive Restwelligkeit um einen Faktor N verringert, weil die Phasen den Strom IP in einer abwechselnden Weise erzeugen. Mit anderen Worten, der kombinierte Strom, IU, wird erzeugt, indem die von jeder aktiven Phase erzeugten Ströme IP verschachtelt werden.
  • 1D veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 130 eines Verfahrens zum Konfigurieren des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150 gemäß einer Ausführungsform. Im Schritt 135 wird ein Sollstrom ITU von dem Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150 empfangen. Im Schritt 140 berechnet das Mehrphasen-Umschaltmodul 150 eine Anzahl von Phasen, die erforderlich sind, um den Sollstrom an die Last 110 zu liefern. In einer Ausführungsform wird die Anzahl der aktiven Phasen (N), basierend auf einer Leistungsumwandlungseffizienz-Charakteristik der Phasen, berechnet. Im Schritt 145 werden N Phasen (d.h. mindestens eine Phase) konfiguriert, um den Soll-Strom an die Last 110 zu liefern.
  • Weitere veranschaulichende Information wird nun dargelegt hinsichtlich verschiedener optionaler Architekturen und Merkmale, mit denen die vorstehenden Strukturen implementiert werden können oder nicht, je nach den Wünschen des Benutzers. Es sei vehement angemerkt, dass die folgende Information zu veranschaulichenden Zwecke dargelegt ist und nicht dahingehend ausgelegt werden sollte, in irgendeiner Weise beschränkend zu sein. Jedes der nachfolgenden Merkmale kann optional mit oder ohne den Ausschluss von anderen beschriebenen Merkmalen aufgenommen sein.
  • 2A veranschaulicht ein Schaubild 200 der Leistungsumwandlungseffizienz e(IP) für eine einzelne Phase eines Umschaltregelmoduls, wie etwa der Vorrichtung 120 oder 180 zur Umwandlung von elektrischer Leistung, als eine Funktion des Phasenstroms IP (d.h. des von den Phasen bereitgestellten Stroms ILoad), gemäß einer Ausführungsform. Bei niedrigen Strömen führen festgesetzte Overheads zu niedrigen Effizienzen. Bei hohen Strömen werden die Leitungs-Verluste vergrößert, was die Effizienz verringert. Für die in dem Schaubild 200 gezeigte, spezifische Kurve wird die Leistungsumwandlungseffizienz bei 90% mit einem Phasenstrom IP von 10Amps maximiert.
  • Wenn N Phasen aktiv sind, wobei sie jeweils einen Strom IP tragen, sollte zu jeder Zeit, wenn e ( I P ) > e ( N I P N + 1 )
    Figure DE102013114620B4_0004
    ist, eine zusätzliche Phase energetisiert werden, um die Leistungsumwandlungseffizienz zu maximieren. In einer Ausführungsform wird die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 dazu ausgelegt, die Anzahl der aktiven Phasen, N, zu berechnen, um die Leistungsumwandlungseffizienz zu optimieren. Zusätzlich kann die Startzeit, zu der jede der aktiven Phasen den Strom IP an die Last liefert, um 360°/N versetzt sein, um die Restwelligkeit zu minimieren.
  • 2B veranschaulicht ein Schaubild 220 der optimalen Anzahl von aktiven Phasen (N), die aktiviert werden sollten, basierend auf dem Strom IP pro Phase, gemäß einer Ausführungsform. Die Aktivierung einer einzelnen Phase ist optimal, bis der Phasenstrom etwa 16Amps erreicht. Dann wird eine zweite Phase aktiviert - so dass jede der beiden Phasen 8Amps erzeugt (d.h. für einen Gesamtstrom von 16Amps). Wenn die Stromanforderung zunimmt, werden die beiden Phasen aufgestockt, um mehr Strom zu erzeugen, bis IP für jede der beiden Phasen 13,6Amps erreicht. Wenn IP 13,6Amps erreicht, wird eine dritte Phase aktiviert - so dass jede der drei Phasen näherungsweise 9,1Amps erzeugt (d.h. für einen Gesamtstrom von 27,3Amps). Wenn IP 12,6Amps erreicht, wird eine vierte Phase aktiviert - so dass jede der vier Phasen näherungsweise 9,46Amps erzeugt (d.h. für einen Gesamtstrom von 37,8Amps). Wenn IP 12,4Amps erreicht, wird eine fünfte Phase aktiviert - so dass jede der fünf Phasen näherungsweise 9,9Amps erzeugt (d.h. für einen Gesamtstrom von 49,6Amps). Wenn die Stromanforderung zunimmt, werden zusätzliche Phasen aktiviert, um die Anfrage zu erfüllen, während die Leistungsumwandlungseffizienz optimiert wird. Analog dazu werden, wenn die Stromanfrage abnimmt, die Phasen basierend auf dem Strom IP pro Phase deaktiviert, während die Leistungsumwandlungseffizienz optimiert wird.
  • 2C veranschaulicht ein Schaubild 240 der optimalen Anzahl von aktiven Phasen N zum Maximieren der Leistungsumwandlungseffizienz aufgetragen gegen die kombinierte Stromabgabe der aktivierten Phasen, IU, gemäß einer Ausführungsform. In einer Ausführungsform berechnet die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 die Anzahl der aktiven Phasen N für ITU unter Verwendung des Schaubilds 240, das dazu angepasst ist, eine Restwelligkeit unter Verwendung einer Nachschlagetabelle, die N als eine Funktion von ITU ausgibt, zu berücksichtigen. In einer alternativen Ausführungsform wird die optimale Anzahl der Phasen N berechnet, indem eine Gradientensuche ausgeführt wird. Die Gradientensuche wird von der Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 ausgeführt, indem die Leistungsumwandlungseffizienz mit N aktivierten Phasen gemessen wird, dann wird die Anzahl der aktivierten Phasen um eins vergrößert oder verkleinert, und die Leistungsumwandlungseffizienz wird erneut gemessen. Die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 verwendet die Konfiguration der aktivierten Phasen, die eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz aufweisen.
  • 2D veranschaulicht ein Schaubild 260 der Leistungsumwandlungseffizienz der aktiven Phasen, N, als eine Funktion des Gesamtstroms IU, gemäß einer Ausführungsform. Das Schaubild 260 resultiert, wenn die optimale Anzahl von Phasen N an jedem Punkt entlang der den Gesamtstrom IU zeigenden Achse aktiviert wird. In einer Ausführungsform ist die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 dazu ausgelegt, die Transienten-Antwort der Phase, die aktiviert oder deaktiviert wird, zu verfolgen, und befiehlt den anderen aktivierten Phasen, zu jeder Zeit den Gesamtstrom IU über dem Gesamtstrom ITU zu halten.
  • Stromabwärtige Steuerung
  • Während des Betriebs wird ITU von der kombinierten Stromabgabe Iu der Phasen (d.h. der Einrichtungen 120 zur Umwandlung der elektrischen Leistung), der gemessenen stromabwärtigen relativen Einschaltdauer (DDF, Downstream Duty Factor) und der von der Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 erlangten, relativen Soll-Einschaltdauer DT abgeleitet. IP und DDF sind gemessene Größen, die von den Phasen als Eingaben für die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 bereitgestellt werden. Die kombinierten DDF und Iu können von der Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 unter Verwendung der DDF und IU Werte pro Phase berechnet werden. Die relative Soll-Einschaltdauer DT kann als eine Eingabe für das Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150 von der Leistungsmanagement-Software bereitgestellt werden. Ein niedriges DT kann vor einer antizipierten Zunahme des Strombedarfs der Last 110 befohlen werden. Ein DT, das sich dem Wert eins annähert, wird verwendet, wenn der Leistungs-Verbrauch der Last 110 in einem stationären Zustand ist oder wenn erwartet wird, dass er abfällt.
  • 3A veranschaulicht eine Phase des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150, ein stromparkendes Umschaltregelmodul 302 innerhalb eines Systems 300 zur Umwandlung von elektrischer Leistung, gemäß einer Ausführungsform. Die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 stellt einen Sollstrom (IT) und eine Steuerung für die relative Einschaltdauer (DFC, Duty Factor Control) auf, die eine relative Soll-Einschaltdauer als eine Eingabe für eine stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 in jeder Phase spezifiziert. Die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 kann auch ein Aktivierungssignal (nicht gezeigt) für jede Phase bereitstellen, um jede Phase gesondert zu aktivieren und zu deaktivieren.
  • Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 ist dazu ausgelegt, Signale zu erzeugen, die an den Gates der Umschaltmechanismen M1 und M2, die die Umschaltmechanismen M1 und M2 aktivieren und deaktivieren, angeschlossen sind. Wenn der Umschaltmechanismus M1 aktiviert wird, wird die Stromquelle (d.h. der Induktor L1 oder L11) mit der elektrischen Leistungsquelle 108 gekoppelt, und wenn der Umschaltmechanismus M2 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Stromsenke entkoppelt oder isoliert. Wenn der Umschaltmechanismus M2 aktiviert wird, wird die Stromquelle an die Stromsenke gekoppelt, und wenn der Umschaltmechanismus M1 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der elektrischen Leistungsquelle 108 entkoppelt oder isoliert. Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 aktiviert und deaktiviert die Umschaltmechanismen M1 und M2, um den Strom IL1 oder IL11 zu erzeugen.
  • Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 kann dazu ausgelegt werden, eine Strommodussteuerung auszuführen, weil die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 die Summe der Phasenströme steuert und nicht ein stromabwärtiges Spannungsniveau, wenn mehrere Spannungssteuerungsmechanismen dazu ausgelegt sind, mit verschiedenen Phasen zu arbeiten, um VL zu steuern, wie dies im Zusammenhang mit 1C beschrieben ist. Während in einigen Ausführungsformen die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 dazu ausgelegt werden kann, den absoluten Induktorstrom, IL1 oder IL11, zu steuern, ist es in einigen Fällen möglich, den Anteil des Induktorstroms IL1 oder IL11, der von der Last 110 oder 170 verbraucht wird, zu steuern.
  • Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 empfängt von der stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310 ein Signal D. Das Signal D steuert den Betrieb des Spannungssteuerungsmechanismus und entspricht der relativen Einschaltdauer der stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310. Insbesondere steuert das Signal D den Anteil des Stroms, der an die Last 110 oder 170 geliefert wird, und entspricht folglich dem Anteil des Stroms IL1 oder IL11, der von der Last 110 oder 170 verbraucht wird. Wenn D groß ist, wird der Umschaltmechanismus M4 aktiviert, um die stromabwärtige Seite des Induktors L1 an die Last 110 zu koppeln.
  • In einer Ausführungsform ist die stromabwärtige Steuerungseinrichtung 310 ein Bang-Bang-Steuerungsschaltkreis, der dazu ausgelegt ist, das Spannungsniveau an der Last 110, VL, innerhalb eines spezifizierten Spannungsbereichs zwischen einem minimalen Spannungsniveau (Vmin) und einem maximalen Spannungsniveau (Vmax) zu halten. Wenn beispielsweise das nominale Spannungsniveau von VL 1V ist und eine Restwelligkeit von 20mV spezifiziert ist, dann wird Vmin zu 0,99V spezifiziert und Vmax zu 1,01V spezifiziert. Wenn mehrere stromparkende Umschaltregelmodule 302 in einem Mehrphasen-Umschaltregelmodul, wie etwa dem in 1C gezeigten Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150, verwendet werden, kann für jede Phase von der Mehrphasen-Steuerungseinheit 105 ein unterschiedlicher Spannungsbereich spezifiziert werden.
  • Die stromabwärtige Steuerungseinrichtung 310 ist dazu ausgelegt, Signale zu erzeugen, die mit den Gates der Umschaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, die die Umschaltmechanismen M3 und M4 aktivieren und deaktivieren. Wenn der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird, wird die Stromquelle (d.h. Induktor L1) mit der Stromsenke (d.h. Masse) gekoppelt, und wenn der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Stromsenke entkoppelt oder isoliert. Wenn der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird, wird die Stromquelle mit der Last 110 gekoppelt, und wenn der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Last 110 entkoppelt oder isoliert.
  • Wie in 3A gezeigt, ist in einer Ausführungsform der Umschaltmechanismus M3 ein planarer MOS-Transistor vom N-Typ und der Umschaltmechanismus M4 ist ein planarer MOS-Transistor vom P-Typ. Die von der stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310 erzeugten Signale sind dazu ausgelegt, übereinanderliegenden Strom und eine Überspannung an den Drain-Elektroden der Umschaltmechanismen M3 und M4 zu verhindern. Insbesondere ist zu einem Zeitpunkt nur einer der Umschaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert.
  • Der Umschaltmechanismus M3 wird deaktiviert, bevor der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird, um eine „Totzeit“ sicherzustellen, wenn beide Umschaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert werden. Die parasitäre Kapazität der Drain-Elektroden der Umschaltungsmechanismen M3 und M4 wird während der Totzeit durch den Strom IL1 geladen, und der Umschaltmechanismus M4 wird aktiviert, wenn die Spannung über die parasitäre Kapazität [den Wert] VL erreicht, so dass ein Strom von der Last 110 zu dem Induktor L1 nicht fließt. Die Totzeit zwischen [den Zeitpunkten] wenn der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird, wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass der Induktor L1 die Drain-Elektrode des Umschaltmechanismus M4 auf VL auflädt, bevor der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird. Die Totzeit stellt auch sicher, dass der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert wird, wenn der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird, um einen durchschießenden Strom von der Last 110 durch die Umschaltmechanismen M4 und M3 nach Masse zu vermeiden.
  • Analog dazu wird die Totzeit zwischen [den Zeitpunkten], wenn der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird, wird gesteuert, um die Drain-Elektrode des Umschaltmechanismus M4 davor zu bewahren, von IL1 zu hoch aufgeladen zu werden, bevor der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird. Die Totzeit zwischen [den Zeitpunkten], wenn der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird, stellt auch sicher, dass der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert wird, wenn der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird, um einen Durchschussstrom von der Last 110 durch die Umschaltmechanismen M4 und M3 nach Masse zu vermeiden.
  • Wenn zu Beginn Leistung an das System 300 zur Umwandlung von elektrischer Leistung angelegt wird, ist VL null und viele Nanosekunden sind erforderlich, um den Kondensator C1 auf eine Spannung zwischen Vmin und Vmax aufzuladen. Die stromabwärtige Steuerungseinrichtung 310 kann dazu ausgelegt sein, unter Verwendung einer Hilfsversorgungsspannung VST, die beim Einschalten eingeschaltet wird, betrieben zu werden, bevor die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 beginnt, den Strom IL1 zu erzeugen. Der Umschaltmechanismus M4 wird deaktiviert, um C1 aufzuladen, wenn die Stromquelle eingeschaltet wird. In einer Ausführungsform wird die Hilfsversorgungsspannung für die stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310 nicht verwendet, und die stromabwärtige Steuerungseinrichtung 310 ist dazu ausgelegt, den Umschaltmechanismus M3 zu deaktivieren und den Umschaltmechanismus M4 zu aktivieren, bis VL [den Wert] Vmax erreicht.
  • 3B veranschaulicht Wellenformen des ersten und zweiten Signals, die den Anteil des Induktorstroms IL1 steuern, der der Last 110 des in 3A gezeigten, stromparkenden Umschaltregelmoduls 302 geliefert wird, gemäß einer Ausführungsform. In einer Ausführungsform umfassen die sich nicht überlappenden Aktivierungssignale ein erstes Signal und ein zweites Signal. Das erste Signal steuert (d.h. aktiviert und deaktiviert) den Umschaltmechanismus M4 und das zweite Signal steuert den Umschaltmechanismus M3. Wenn der Umschaltmechanismus M4 ein MOS Transistor vom P-Typ ist, wird eine invertierte Version des ersten Signals an die Gate-Elektrode des MOS Transistors vom P-Typ gekoppelt. Zum Zweck des Verständnisses der in 3B gezeigten Wellenformen wird das invertierte erste Signal gezeigt. Wenn die invertierte Version des ersten Signals hoch ist, wird der Umschaltmechanismus M4 aktiviert, und wenn die invertierte Version des ersten Signals niedrig ist, wird der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert. Analog dazu wird, wenn das zweite Signal hoch ist, der Umschaltmechanismus M3 aktiviert, und wird, wenn das zweite Signal niedrig ist, der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert.
  • Gesonderte Verzögerungen können für ein erstes Signal, das den Umschaltmechanismus M3 aktiviert, und ein zweites Signal, das den Umschaltmechanismus M4 aktiviert, verwendet werden. Des Weiteren kann für einen ansteigenden Übergang eine unterschiedliche Verzögerung verwendet werden als die, die für einen fallenden Übergang des ersten und/oder des zweiten Signals verwendet wird. Die Verzögerungen steuern die Zeitdauern der Totzeiten, wenn beide Umschaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert sind (d.h. wenn das invertierte erste Signal und das zweite Signal invertiert werden) und die Stromquelle wird von der Last entkoppelt und von der Stromsenke entkoppelt. Die Zeitdauer einer „aktivierenden“ Totzeit zwischen [den Zeitpunkten] wenn der Umschaltmechanismus M3 deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M4 aktiviert wird, kann sich unterscheiden von der Zeitdauer einer „deaktivierenden“ Totzeit zwischen [den Zeitpunkten] wenn der Umschaltmechanismus M4 deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M3 aktiviert wird.
  • Die „deaktivierende“ Totzeit tritt auf zwischen [den Zeitpunkten] wenn der Umschaltmechanismus M4 durch das erste Signal deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M3 durch das zweite Signal wird aktiviert. Die „aktivierende“ Totzeit tritt auf zwischen [den Zeitpunkten] wenn der Umschaltmechanismus M3 durch das zweite Signal deaktiviert wird und der Umschaltmechanismus M4 durch das erste Signal aktiviert wird. Während der deaktivierenden und der aktivierenden Totzeiten sind die Umschaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert (d.h. wenn das invertierte erste Signal und das zweite Signal invertiert sind). Daher wird die Stromquelle sowohl von der Stromsenke als auch von der Last entkoppelt. Die aktivierende Totzeit kann länger als die deaktivierende Totzeit sein, um die parasitäre Kapazität an den Drain-Elektroden der Umschaltmechanismen M3 und M4 zwischen der Stromquelle und dem Spannungssteuerungsmechanismus mit dem Strom IL1 aufzuladen. Wenn der Umschaltmechanismus M4 ein MOS Transistor vom N-Typ ist, wird eine invertierte Version des ersten Signals an die Gate-Elektrode des Umschaltmechanismus M4 gekoppelt.
  • Wie vorher im Zusammenhang mit 3A erläutert, kann die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 dazu ausgelegt sein, die Stromsteuerungsmechanismen basierend auf dem Anteil des Induktorstroms IL1, der von der Last 110 verbraucht wird, welcher Anteil der relativen Einschaltdauer des von der stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310 erzeugten Signals D entspricht, zu steuern. Daher wird das Signal D als eine Eingabe für die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 bereitgestellt. Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 kann eine Messeinheit für die relative Einschaltdauer umfassen, die dazu ausgelegt ist, die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Signals D zum Erzeugen von DDF zu messen. In einer Ausführungsform ist die stromabwärtige Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt, DDF zur Ausgabe an die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 zu erzeugen. Das ausgegebene Signal DDF, das von der stromaufwärtigen Steuerungseinrichtung 305 (siehe 3A) für die Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 bereitgestellt wird, ist die gemessene relative Einschaltdauer des Signals D.
  • Die stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 kann von der Mehrphasen-Steuerungseinheit 125 dazu ausgelegt werden, eine Reservemenge des Stroms IL1 bereitzustellen, die größer als der Strom ist, der von der Last 110 verbraucht wird. Beispielsweise kann eine 20% Reserve bereitgestellt werden, indem IL1 auf einem Sollstrom IT von 10Amps aufrechterhalten wird, unter der Annahme, dass der von der Last 110 verbrauchte Strom 8Amps ist. Ein DFC, das dem Sollstrom entspricht, kann der stromaufwärtigen Steuerungseinrichtung 305 von der Mehrphasen-Steuereinheit zugeführt werden. DDF (d.h. die gemessene, stromabwärtige, relative Einschaltdauer des Signals D) wächst in Antwort auf einen höheren Strombedarf von der Last 110 an, und, wenn DDF höher als DFC ist, wird IL1 erhöht, um unter Verwendung einer niedrigeren, relativen Einschaltdauer an der stromabwärtigen Steuerungseinrichtung 310 (d.h. einer relativen Einschaltdauer, die näher an DFC ist) Strom an die Last 110 zu liefern. Analog dazu wächst DDF in Antwort auf einen niedrigeren Strombedarf von der Last 110 an, und wenn DDF niedriger als DFC ist, wird IL1 verringert, um unter Verwendung einer relativen Einschaltdauer, die näher an DFC ist, Strom an die Last 110 zu liefern. In einer Ausführungsform variiert DFC basierend auf einer der Last 110 zugeordneten Verarbeitungsarbeitslast. Beispielsweise wird unmittelbar bevor eine schwere Arbeitslast initiiert wird, DFC verringert, um den Strom zu vergrößern. Wenn ein Sollstrom verwendet wird, um die Erzeugung des Stroms zu steuern, kann unmittelbar bevor eine schwere Arbeitslast initiiert wird, der Soll-Strom vergrößert werden. Die stromabwärtige Steuerungseinrichtung 305 kann dazu ausgelegt sein, den Strom ILoad zu bestimmen, wie dies im Zusammenhang mit 4 beschrieben ist.
  • Wie vorher im Zusammenhang mit 1C erläutert, kann die Mehrphasen-Steuereinheit 125 dazu ausgelegt sein, die Umschaltenergie zu minimieren, indem einige Phasen immer als eingeschaltet festgelegt werden, andere Phasen immer als ausgeschaltet festgelegt werden und eine minimale Anzahl von Phasen zum Schalten der Umschaltmechanismen M3 und M4 konfiguriert werden. Eine aktive Phase, eine, der eine stromaufwärtige Steuerungseinrichtung 305 einen Strom IL1 liefet, kann in einem von drei Zuständen sein: eingeschaltet (On), ausgeschaltet (Off) oder umschaltend (Switching). In einer Ausführungsform wird die Anzahl der Phasen, die als immer als angeschaltet ausgelegt sind, zu Nein=IU/IPmax berechnet. Die Anzahl der umschaltenden Phasen ist Nsw= IU/IPmin-Nein. Die restlichen Phasen sind ausgeschaltet, Naus=N-Nein-Nsw. Der maximale und minimale Phasenstrom werden aus ITU: IPmin = ITU/N und I P m a x = ( 1 + R N I T U ) N
    Figure DE102013114620B4_0005
    Berechnet, wie vorhergehend beschrieben.
  • 3C veranschaulicht verschiedene Spannungsbereiche, die verwendet werden, um die stromabwärtige Stromsteuerungseinrichtung 310 innerhalb des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150 zu konfigurieren, gemäß einer Ausführungsform. Die stromabwärtige Steuereinrichtung 310 kann in jeder der Phasen des Mehrphasen-Umschaltregelmoduls 150 ein Bang-Bang-Steuerschaltkreis sein, der von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 mit verschiedenen Spannungsbereichen, die durch Vin und Vmax angegeben sind, konfiguriert wird. Um auf Transienten des Laststroms zu reagieren, werden Phasen, die immer eingeschaltet sind, ausgeschaltet, wenn VLoad größer als Vhi und auf eingeschaltet zurück gestellt, wenn VLoad < Vnom. Die Phasen, die immer ausgeschaltet sind, werden eingeschaltet, wenn VLoad < Vlow und auf ausgeschaltet zurück gestellt, wenn VLoad > Vnom. Daher sind Vmax und Vmin für die Phasen, die immer eingeschaltet sind, Vhi und Vnom, respektive, und sind Vmax und Vmin für die Phasen, die immer ausgeschaltet sind, Vnom und Vlow, respektive.
  • Die Umschaltphase i schaltet ein, wenn VLoad < Vlow_biasedi, wobei Vlow_biasedi = Vlow + Vg +Vi, und schaltet aus, wenn VLoad > Vhi_biasedi, wobei Vhi_biasedi = Vhi - Vg + Vi. Zwischen den Umschaltgrenzwerten Vhi_biasedi und Vlow_biasedi und den harten Grenzwerten Vhi und Vlow ist ein schmales Sicherheitsband Vg eingestellt, um zu vermeiden, dass die Phasen, die immer eingeschaltet sind, und die Phasen, die immer ausgeschaltet sind, geschaltet werden, außer in extremen Fällen. Um das Schalten der Phasen zu staffeln, wird eine Staffelungsspannung Vi pro Phase auf die Grenzwertspannungen Vmin und Vmax, die die Umschaltphasen steuern, addiert. Dies macht zur Voreinstellung, dass eine Umschaltphase mit Vi hoch eingestellt ist, und eine Umschaltphase mit Vi niedrig ausgeschaltet ist. Wenn beispielsweise Vhi_biased1 > VLoad > Vhi_biased0, ist die Umschaltphase Vi=1 eingeschaltet und die Schaltphase Vi=0 ist ausgeschaltet. Vmax und Vmin für die Schaltphasen sind Vhi_biasedi und Vlow_biasedi, respektive. In einer Ausführungsform ist Vi eine Dreieckswelle mit Mittelwert Null und mit einer Frequenz gleich der Umschaltfrequenz, einer Phase von 360i/Nsw und einem Betrag, der ein kleiner Bruchteil von Vhi-Vlow ist. Die Schaltfrequenz wird durch Messen der Periode des letzten Zyklus der Phase 0 bestimmt.
  • Die Mehrphasen-Steuereinheit 125 setzt den minimalen Sollstrom ITU, um einen Reservestrom Ih über den aktuellen Ladestrom ITU = ILoad + Ih aufrechtzuerhalten. Der Ladestrom ILoad wird aus dem aktuellen Strom IP von jeder Phase, multipliziert mit der relativen Einschaltdauer der Phase, DDF, berechnet: I L o a d = ∑ i = 1 N I i D D F i
    Figure DE102013114620B4_0006
    Die Mehrphasen-Steuereinheit 125 hält eine laufende Abschätzung des momentanen Stroms IP für jede Phase i bei. Die Abschätzung kann eine von der stromaufwärtigen Steuereinrichtung 305 empfangene, tatsächliche Messung von IP sein oder kann durch Interpolation zwischen Schaltpunkten berechnet werden.
  • In einer Ausführungsform wird der Laststrom ILoad von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 durch Messen der Ableitung der Last-Spannung, VLoad, abgeschätzt. Zu jedem Zeitpunkt gilt: I L o a d = ∑ o n   p h a s e s I i − C 1 d V L d t
    Figure DE102013114620B4_0007
    ILoad wird von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 verwendet, um N zu berechnen und den Phasen die Werte von IT und DFC bereitzustellen.
  • 3D veranschaulicht ein anderes Ablaufdiagramm 330 eines Verfahrens zum Steuern einer Spannung an einer Last unter Verwendung eines Mehrphasen-Umschaltregelmoduls, gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 135 wird von einem Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150 ein Sollstrom ITU empfangen. Im Schritt 140 berechnet das Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150 eine Anzahl von Phasen, die erforderlich sind, um der Last 110 den Sollstrom zu liefern, basierend auf einer Leistungsumwandlungseffizienz-Charakteristik der Phasen.
  • Im Schritt 335 werden die Stromsteuerungsmechanismen in N Phasen (d.h. mindestens eine Phase) konfiguriert, um der Last 110 den Sollstrom zu liefern, indem für jede Phase die Eingaben IT und DFC bereitgestellt werden. Die stromaufwärtigen Steuereinrichtungen 305 konfigurieren den Stromsteuerungsmechanismus dazu, mittels der Induktoren L1 die Ströme IL1 gemäß den Eingaben IT zu erzeugen.
  • Im Schritt 340 konfiguriert die stromabwärtige Stromsteuerungseinrichtung 310 den Spannungssteuerungsmechanismus, um der Last 110 einen Teil des Stroms zu liefern, um das Spannungsniveau VL an der Last 110 zu steuern. Die Mehrphasen-Steuereinheit 125 kann für jede Phase Vmin- und Vmax-Werte bereitstellen, oder die Vmin- und Vmax-Werte können von jeder Phase bestimmt werden basierend darauf, ob die Phase durch die Mehrphasen-Steuereinheit 125 als immer eingeschaltet, immer ausgeschaltet, oder umschaltend konfiguriert ist.
  • Die Schritte 345, 350, 355 und/oder 360 werden von jeder der Phasen ausgeführt, um die Spannung an der Last 110 zu steuern. Im Schritt 345 bestimmt die stromabwärtige Steuereinrichtung 310, ob VL größer als Vmax ist, und, wenn dies so ist, dann wird im Schritt 350 der Spannungssteuerungsmechanismus so geschaltet, dass die Stromquelle von der Last 110 entkoppelt ist und die Stromquelle (d.h. der Induktor L1) an die Stromsenke (d.h. Masse) gekoppelt ist, um der Last 110 einen kleineren Anteil von IL1 zu liefern, um VL zu verringern. Nach dem Schritt 350 kehrt die stromabwärtige Strom-Steuereinrichtung zum Schritt 345 zurück.
  • Wenn im Schritt 345 VL nicht größer als Vmax ist, dann bestimmt die stromabwärtige Steuereinrichtung 310 im Schritt 355, ob VL niedriger als Vmin ist. Wenn VL niedriger als Vmin ist, dann konfiguriert die stromabwärtige Steuereinrichtung im Schritt 360 den Spannungssteuerungsmechanismus dazu, die Stromquelle an die Last 110 zu koppeln und die Stromquelle von der Stromsenke zu entkoppeln, um der Last 110 einen größeren Anteil von IL1 zu liefern, um VL zu erhöhen. Nach dem Schritt 360 kehrt die stromabwärtige Steuereinrichtung 310 zum Schritt 345 zurück. Anderenfalls, wenn VL nicht größer als Vmax und nicht kleiner als Vmin ist (d.h. VL ist innerhalb des durch Vmin und Vmax begrenzten Bereichs), dann kehrt die stromabwärtige Steuereinrichtung zum Schritt 345 zurück. Wenn der Sollstrom sich ändert, wiederholt die Mehrphasen-Steuereinheit 125 das Verfahren beginnend mit dem Schritt 135.
  • Stromaufwärtige Steuereinrichtung
  • 4A veranschaulicht die stromaufwärtige Steuereinrichtung 305 des in 3A gezeigten, stromparkenden Umschaltregelmoduls 302, gemäß einer Ausführungsform. Die stromabwärtige Stromsteuerungseinrichtung 305 ist als eine PWM Steuerungseinrichtung konfiguriert, die dazu ausgelegt ist, DDF oberhalb der relativen Einschaltzeit, die durch den DFC (Duty Factor Command) spezifiziert ist, aufrecht zu erhalten. DFC sollte niedrig genug sein, so dass DDF über eine gesamte Periode der stromaufwärtigen Steuereinrichtung 305 (d.h. die Periode der PWM Frequenz) in einem Sollbereich verbleibt.
  • Ein Set-Reset-Flip-Flop 415 wird durch einen Oszillator 425 auf die PWM Frequenz (typischerweise 300kHz) gesetzt und durch einen Komparator 410, der anzeigt, wenn die DDF unter den DFC fällt, zurückgesetzt. Der Q Ausgang des Flip-Flops 415 treibt eine Stromsteuerungseinrichtung 405, die Aktivierungssignale für die Umschaltmechanismen M1 und M2 des Stromsteuerungsmechanismus erzeugt. In einer Ausführungsform ist die Stromsteuerungseinrichtung 405 ein Halb-Brücken-Treiber. Der Q Ausgang ist hoch, wenn der R Eingang niedrig ist und der Ausgang des Oszillators 425 hoch ist. Der Q Ausgang wird hoch bleiben, bis der R Eingang hoch ist. Jedes Mal, wenn der R Eingang hoch ist (wenn DDF unter DFC fällt), ist der Q Ausgang niedrig. Die Stromsteuerungseinrichtung 405 aktiviert den Umschaltmechanismus M1 und deaktiviert den Umschaltmechanismus M2, wenn Q hoch ist, um den Strom IL1 zu vergrößern. Die Stromsteuerungseinrichtung 405 deaktiviert den Umschaltmechanismus M1 und aktiviert den Umschaltmechanismus M2, wenn Q niedrig ist, um den Strom IL1 zu verringern. Die durch die Stromsteuerungseinrichtung 405 erzeugten Aktivierungssignale sollten einander nicht überlappend sein, so dass der Ausgang der Quelle 108 der elektrischen Leistung nicht nach Masse kurzgeschlossen wird. Das dem Umschaltmechanismus M1 bereitgestellte Aktivierungssignal kann dazu ausgelegt sein, eine Bootstrapping-Leistungsversorgung zu implementieren, um einen Gate-Elektroden-Trieb oberhalb der Spannung der Quelle 108 der elektrischen Leistung (z.B. 12V) zu erzeugen.
  • 4B veranschaulicht eine andere Version der stromaufwärtigen Steuereinrichtung 305 des stromparkenden Umschaltregelmoduls 302 gemäß einer Ausführungsform. Eine Strommesseinheit 422 ist dazu ausgelegt, den Anteil des Stroms, der der Last 110 geliefert wird, Strom ILoad, durch DDF zu dividieren, um den Strom IL1 zu berechnen. Ein Komparator 412 ist dazu ausgelegt, den berechneten Strom mit einem Sollstrom IT, der von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 empfangen wird oder durch einen Strombefehl (CC, Current Command) spezifiziert wird, zu vergleichen. Das Rücksetzsignal (Reset) geht hoch, wenn der berechnete Strom größer als der Sollstrom ist, um den erzeugten Strom IL1 zu verringern.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Strommesseinheit 422 dazu ausgelegt sein, IL1 direkt zu messen, und die Messeinheit 420 für die relative Einschaltzeit wird eingespart. Der Komparator 412 würde dazu ausgelegt, den gemessenen IL1 mit dem Sollstrom zu vergleichen. Das Rücksetzsignal (Reset) würde hoch gehen, wenn der gemessene Strom IL1 größer ist als der Sollstrom, um den erzeugten Strom IL1 zu reduzieren.
  • 5 veranschaulicht ein System 500, das ein stromparkendes Umschaltregelmodul umfasst, gemäß einer Ausführungsform. Das stromparkende Umschalt-Regelmodul in dem System 500 kann das in 1C gezeigte Mehrphasen-Umschaltregelmodul 150 sein. Die Mehrphasen-Steuereinheit 125 ist mit mehreren Phasen, die jeweils eine stromaufwärtige Phase und eine stromabwärtige Phase umfassen, gekoppelt.
  • Die Quelle 108 elektrischer Leistung ist mit dem Stromsteuerungsmechanismus in jeder stromaufwärtigen Phase gekoppelt. Der Induktor L1 innerhalb jeder stromaufwärtigen Phase ist mit einer entsprechenden stromabwärtigen Phase gekoppelt. In einer alternativen Ausführungsform umfasst jede der stromaufwärtigen Phasen Induktoren L11 und L2. Die N stromaufwärtigen Steuereinrichtungen 305, die aktiv sind, werden von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 dazu konfiguriert, mittels des Induktors L1 einen Strom zu erzeugen. Die stromabwärtigen Steuereinrichtungen 310 werden durch die Mehrphasen-Einheit 125 dazu konfiguriert, immer eingeschaltet, immer ausgeschaltet oder umschaltend zu sein, um das Spannungsniveau an der Last, d.h. Schaltkreis 580, zu steuern. In einer Ausführungsform werden alle stromabwärtigen Steuereinrichtungen 310 von der Mehrphasen-Steuereinheit 125 dazu konfiguriert, das Spannungsniveau an dem Schaltkreis 580 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der durch entsprechende Vmin- und Vmax-Werte begrenzt ist, aufrechtzuerhalten.
  • Der Induktor L1 ist außerhalb eines Gehäuses 570, das den Schaltkreis 580 umgibt, angeordnet. Ein zweiter Induktor L1 (nicht gezeigt) kann innerhalb des Gehäuses 570 angeordnet sein, so dass die zweite parasitäre Kapazität CPB im Vergleich zur ersten parasitären Kapazität CPA verringert wird, wie im Zusammenhang mit 1B beschrieben. Der zweite Induktor L2, die Umschaltmechanismen M3 und M4 (oder M13 und M14), und der Kondensator C1 (oder C11) können als Teil des Chips 575, das den Schaltkreis 580 umfasst, hergestellt sein. In einer Ausführungsform ist der zweite Induktor L2 ein planarer Luftkern-Induktor, und die Umschaltmechanismen M3 und M4 (oder M13 und M14) sind planare MOS Transistoren. Obwohl in 5 eine einzelne Phase des stromparkenden Umschaltregelmoduls mit einem einzelnen Induktor gezeigt ist, können eine oder mehr der mehreren Phasen des stromparkenden Umschaltregelmoduls mit einem aufgeteilten Induktor implementiert sein. Des Weiteren kann eine Kombination aus einem oder mehr stromparkenden Umschaltregelmodulen (mit oder ohne einem aufgeteilten Induktor) mit einem oder mehr herkömmlichen Einrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Leistung verwendet werden, um dem Schaltkreis 580 Leistung zu liefern.
  • 6 veranschaulicht ein beispielhaftes System 600, indem die verschiedenartigen Architekturen und/oder Funktionalitäten der vielfältigen vorhergehenden Ausführungsformen implementiert werden können. Wie gezeigt, wird ein System 600 bereitgestellt, das zumindest einen Zentralprozessor 601 umfasst, der mit einem Kommunikationsbus 602 verbunden ist. Der Kommunikationsbus 602 kann unter Verwendung eines zweckdienlichen Protokolls, wie etwa PCI (Peripheral Component Interconnect), PCI-Express, AGP (Accelerated Graphics Port), HyperTransport, oder jedem beliebigen anderen Bus- oder Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll implementiert werden. Das System 600 umfasst auch einen Hauptspeicher 604. Steuerungslogik (Software) und Daten sind in dem Hauptspeicher 604, der die Form eines Schreib-Lese-Speichers (RAM) annehmen kann, gespeichert.
  • Das System 600 umfasst auch Eingabegeräte 612, einen Grafikprozessor 606 und eine Anzeigeeinrichtung 608, d.h. eine herkömmliche CRT (Cathode Ray Tube), LCD (Liquid Crystal Display), LED (Light Emitting Diode), Plasmaanzeigeeinrichtung oder dergleichen. Eine Benutzereingabe kann von den Eingabegeräten 612, z.B. Tastatur, Maus, Touchpad, Mikrofon und dergleichen, empfangen werden. In einer Ausführungsform kann der Grafikprozessor 606 eine Vielzahl von Schattierermodulen, Rasterungsmodulen, usw. umfassen. Jedes der vorgenannten Module kann sogar auf einer einzelnen Halbleiterplattform angeordnet sein, um eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU, Graphics Processing Unit) auszubilden.
  • In der vorliegenden Beschreibung kann eine einzelne Halbleiterplattform einen einzelnen, unitären, halbleiterbasierten, integrierten Schaltkreis oder Chip bezeichnen. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck einzelne Halbleiterplattform auch Multi-Chip-Module mit vergrößerter Konnektivität, die einen auf dem Chip ausgeführten Betrieb (On-Chip Operation) simulieren, und eine wesentliche Verbesserung über die Verwendung einer Implementierung mit zentraler Verarbeitungseinheit (CPU) und Bus herstellen. Selbstverständlich können die verschiedenartigen Module auch gesondert oder in vielfältigen Kombinationen auf Halbleiterplattformen angeordnet sein, je nach den Wünschen des Benutzers. Eines oder mehr der in 5 gezeigten Systeme 500 kann in dem System 600 aufgenommen sein, um einem oder mehreren der Chips Leistung zu liefern.
  • Das System 600 kann auch einen Sekundärspeicher 610 umfassen. Der Sekundärspeicher 610 umfasst, beispielsweise, ein Festplatten-Laufwerk und/oder ein entfernbares Speicher-Laufwerk, das ein Floppydisk-Laufwerk, ein Magnetband-Laufwerk, ein Compact Disc-Laufwerk, ein DVD (Digital Versatile Disc)-Laufwerk, eine Aufnahme-Einrichtung, einen Flash-Speicher mit universellem, seriellem Bus (USB) darstellen. Das entfernbare Speicher-Laufwerk liest und/oder schreibt auf eine entfernbare Speicher-Einheit in einer bekannten Weise. Computer-Programme oder Computer-Steuerungslogik-Algorithmen können in dem Hauptspeicher 604 und/oder dem Sekundärspeicher 610 gespeichert sein. Derartige Computer-Programme aktivieren, wenn sie ausgeführt werden, das System 600 dazu, verschiedenartige Funktionen auszuführen. Der Hauptspeicher 604, der Speicher 610 und/oder jeder beliebige andere Speicher sind mögliche Beispiele von computerlesbaren Medien.
  • In einer Ausführungsform können die Architektur und/oder Funktionalität der verschiedenartigen vorhergehenden Zeichnungen im Kontext des Zentralprozessors 601, des Grafikprozessors 606, eines integrierten Schaltkreises (nicht gezeigt), der in der Lage ist, zumindest einen Teil der Fähigkeiten von sowohl dem Zentralprozessor 601 als auch dem Grafikprozessor 606 ist, einem Chip-Satz (Chipset, d.h. eine Gruppe von integriertem Schaltkreisen, die dazu ausgelegt sind, als eine Einheit zum Ausführen entsprechender Funktionen, usw. zu arbeiten und verkauft zu werden), und/oder jedem anderen integrierten Schaltkreis für diese Angelegenheit implementiert werden.
  • Die Architektur und/oder Funktionalität der verschiedenartigen vorhergehenden Zeichnungen können auch noch im Kontext eines allgemeinen Computersystems, eines Platinensystems, eines für Unterhaltungszwecke bestimmten Spielkonsolsystems, einem anwendungsspezifischen System und/oder einem beliebigen anderen gewünschten System implementiert werden. Beispielsweise kann das System 600 die Form eines Desktop-Computers, eines Laptop-Computers, eines Servers, einer Workstation, von Spielkonsolen, eines eingebetteten Systems und/oder einer beliebigen anderen Art von Logik annehmen. In noch anderer Weise kann das System 600 die Form von verschiedenartigen anderen Geräten annehmen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt, auf: ein PDA (Personal Digital Assistant)-Gerät, ein Mobiltelefongerät, ein Fernsehgerät, usw.
  • Des Weiteren kann, obwohl dies nicht gezeigt ist, das System 600 für Kommunikationszwecke mit einem Netzwerk (z.B. einem Telekommunikationsnetzwerk, einem Lokalnetzwerk (LAN), einem drahtlosen Netzwerk, einem Weitverkehrsnetzwerk (WAN), wie etwa dem Internet, ein Peerzu-Peer-Netzwerk, ein Kabel-Netzwerk oder dergleichen, gekoppelt sein.
  • Während oben verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sind, so sollte verstanden werden, dass diese nur als Beispiele und nicht als Beschränkung vorgestellt worden sind. Folglich sollte die Breite und der Umfang einer bevorzugten Ausführungsform nicht durch irgendeine der oben beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen begrenzt sein, sondern sollte nur gemäß den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert werden.

Claims (13)

  1. Ein Verfahren, aufweisend: Erlangen eines Sollstroms; Berechnen einer Anzahl von Regelmodulphasen, die erforderlich dafür ist, den Sollstrom an eine Last zu liefern, basierend auf einer Effizienz-Charakteristik der Regelmodulphasen, wobei jede Regelmodulphase einen Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2), einen Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) und eine zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2) und dem Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) gekoppelte Stromquelle (L1) umfasst, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus einen Schaltmechanismus zum Koppeln der Stromquelle (L1) mit der Last (110) umfasst; und Konfigurieren der Regelmodulphasen dafür, den Sollstrom an die Last zu liefern, wobei eine erste Regelmodulphase dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der ersten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus mit der Last zu koppeln, um einen ersten Anteil des Sollstroms zu liefern, wobei eine zweite Regelmodulphase dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der zweiten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus an die Last zu koppeln und von dieser zu entkoppeln, um einen restlichen Anteil des Sollstroms zu liefern, wobei die erste Regelmodulphase ferner dazu ausgelegt ist, die Stromquelle der ersten Regelmodulphase nur von der Last zu entkoppeln, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last höher als eine obere Grenzwertspannung (Vhi) ist, und die Stromquelle der ersten Regelmodulphase mit der Last zu koppeln, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last kleiner als eine Nominalspannung (Vnom) der Last ist, wobei die zweite Regelmodulphase die Last an die Stromquelle der zweiten Regelmodulphase koppelt, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last niedriger als ein minimales Spannungsniveau (Vlow_biasedi) ist, welches kleiner als die Nominalspannung (Vnom) und größer als eine untere Grenzwertspannung (Vlow) ist, und die Last von der Stromquelle der zweiten Regelmodulphase entkoppelt, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last größer als ein maximales Spannungsniveau (Vhi_biasedi) ist, welches kleiner als die obere Grenzwertspannung (Vhi) und größer als die Nominalspannung (Vnom) ist.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine dritte Regelmodulphase dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der dritten Regelmodulphase von der Last zu entkoppeln.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die dritte Regelmodulphase ferner dazu ausgelegt ist, die Stromquelle der dritten Regelmodulphase nur an die Last zu koppeln, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last niedriger als ein zweites minimales Spannungsniveau ist, das niedriger als das minimale Spannungsniveau ist.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das minimale Spannungsniveau und das maximale Spannungsniveau unter Verwendung einer pro-Phase-Staffelungsspannung berechnet werden.
  5. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die pro-Phase-Staffelungsspannung eine Dreieckswelle ist.
  6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Sollstrom gemäß einer Verarbeitungsarbeitslast eingestellt wird.
  7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Berechnen der Anzahl der Regelmodulphasen, die erforderlich sind, um den Sollstrom zu liefern, ein Zugreifen auf eine Nachschlagetabelle unter Verwendung des Sollstroms umfasst.
  8. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Berechnen der Anzahl der Regelmodulphasen, die erforderlich sind, um den Sollstrom zu liefern, ein Ausführen einer Gradientensuche umfasst.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Sollstrom größer als ein mittlerer Strom ist, der erforderlich ist, um ein Ausgangsspannungsniveau an der Last zu regulieren.
  10. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Erzeugen des Stroms umfasst: abwechselnd Einschalten eines ersten Umschaltmechanismus, um die Stromquelle an eine elektrische Leistungsquelle zu koppeln, während ein zweiter Umschaltmechanismus ausgeschaltet wird, um gemäß dem Sollstrom und der Anzahl der Regelmodulphasen die Stromquelle von einer Stromsenke zu entkoppeln, und dann Ausschalten des ersten Umschaltmechanismus, um die Stromquelle von der elektrischen Leistungsquelle zu entkoppeln, während der zweite Umschaltmechanismus eingeschaltet wird, um gemäß dem Sollstrom und der Anzahl der Regelmodulphasen die Stromquelle an die Stromsenke zu koppeln.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Stromquelle einen Induktor umfasst, der zwischen dem Spannungssteuerungsmechanismus und dem Stromsteuerungsmechanismus gekoppelt ist.
  12. Eine mehrphasige Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung, aufweisend: mindestens zwei Regelmodulphasen; und eine mehrphasige Steuerungseinheit, die ausgelegt ist zum: Erlangen eines Sollstroms; Berechnen einer Anzahl der Regelmodulphasen, die erforderlich dafür ist, den Sollstrom an eine Last zu liefern, basierend auf einer Effizienz-Charakteristik der Regelmodulphasen, wobei jede Regelmodulphase einen Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2), einen Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) und eine zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (M1, M2) und dem Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) gekoppelte Stromquelle (L1) umfasst, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus einen Schaltmechanismus zum Koppeln der Stromquelle (L1) mit der Last (110) umfasst; und Konfigurieren der Regelmodulphasen dafür, den Sollstrom an die Last zu liefern, wobei eine erste Regelmodulphase der Regelmodulphasen dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der ersten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus an die Last zu koppeln, um einen ersten Anteil des Sollstroms zu liefern, wobei eine zweite Regelmodulphase der Regelmodulphasen dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der zweiten Regelmodulphase über den Schaltmechanismus an die Last zu koppeln und von dieser zu entkoppeln, um einen restlichen Anteil des Sollstroms zu liefern, wobei die erste Regelmodulphase ferner dazu ausgelegt ist, die Stromquelle der ersten Regelmodulphase nur von der Last zu entkoppeln, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last höher als eine obere Grenzwertspannung (Vhi) ist, und die Stromquelle der ersten Regelmodulphase mit der Last zu koppeln, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last kleiner als eine Nominalspannung (Vnom) der Last ist, wobei die zweite Regelmodulphase die Last an die Stromquelle der zweiten Regelmodulphase koppelt, wenn ein Ausgangsspannungsniveau an der Last niedriger als ein minimales Spannungsniveau (Vlow_biasedi) ist, welches kleiner als die Nominalspannung (Vnom) und größer als eine untere Grenzwertspannung (Vlow) ist, und die Last von der Stromquelle der zweiten Regelmodulphase entkoppelt, wenn das Ausgangsspannungsniveau an der Last höher als ein maximales Spannungsniveau (Vhi_biasedi) ist, welches kleiner als die obere Grenzwertspannung (Vhi) und größer als die Nominalspannung (Vnom) ist.
  13. Die mehrphasige Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Leistung gemäß Anspruch 12, wobei eine dritte Regelmodulphase der Regelmodulphasen dazu ausgelegt ist, eine Stromquelle der dritten Regelmodulphase von der Last zu entkoppeln.
DE102013114620.1A 2013-03-01 2013-12-20 Ein mehrphasiges, stromparkendes Umschaltregelmodul Active DE102013114620B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/783,137 US9201434B2 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Multiphase current-parking switching regulator
US13/783,137 2013-03-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102013114620A1 DE102013114620A1 (de) 2014-09-04
DE102013114620B4 true DE102013114620B4 (de) 2023-02-09

Family

ID=51353032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013114620.1A Active DE102013114620B4 (de) 2013-03-01 2013-12-20 Ein mehrphasiges, stromparkendes Umschaltregelmodul

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9201434B2 (de)
CN (1) CN104022644A (de)
DE (1) DE102013114620B4 (de)
TW (1) TWI529510B (de)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012216114A1 (de) * 2012-09-12 2014-03-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Stromnulldurchgang bei Umrichter
US9755517B2 (en) 2015-12-16 2017-09-05 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-threshold panic comparators for multi-phase buck converter phase shedding control
US20170357282A1 (en) * 2016-06-08 2017-12-14 Integrated Device Technology, Inc. Autonomous power and timing system
WO2018085438A1 (en) * 2016-11-01 2018-05-11 Lion Semiconductor Inc. Charge recycling switched capacitor regulators
JP6712547B2 (ja) * 2016-12-27 2020-06-24 株式会社京三製作所 電源装置、及び電源装置の制御方法
US11418120B2 (en) 2018-12-26 2022-08-16 Empower Semiconductor, Inc. Deeply integrated voltage regulator architectures
CN112904988B (zh) * 2021-02-19 2023-03-14 浪潮电子信息产业股份有限公司 一种电源模块效率调优方法、装置及相关组件
TWI826114B (zh) * 2022-11-15 2023-12-11 宏碁股份有限公司 穩壓電路模組與電壓控制方法
CN117895787A (zh) * 2024-01-26 2024-04-16 合肥为国半导体有限公司 多相电源及控制方法、液晶显示器、电子设备及存储介质

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2250575A1 (de) 1972-10-14 1974-04-18 Licentia Gmbh Schaltung zum verlustarmen konstantregeln einer gleichspannung
DE3022108A1 (de) 1979-06-12 1981-01-08 Sits Soc It Telecom Siemens Schaltungsanordnung fuer ein stromversorgungssystem
US20080055940A1 (en) 2006-08-25 2008-03-06 Lawson Labs, Inc. Bi-polar bi-directional energy balancing power-conversion engine
US20080252273A1 (en) 2007-04-16 2008-10-16 Jda Technology Co. Ltd. Dc/dc converter
US20100231186A1 (en) 2009-03-13 2010-09-16 Richtek Technology Corp. Single-inductor multiple-output power converter
US20120176114A1 (en) 2009-09-30 2012-07-12 Fuji Electric Co., Ltd. Power supply system, controller therefor, and method of manufacture of controller
DE102013114588A1 (de) 2013-02-05 2014-08-07 Nvidia Corporation Nachgeschaltete Steuerung Vortreiber für einen Strompark Schaltregler
DE102013114097A1 (de) 2013-02-08 2014-08-14 Nvidia Corporation Vorgelagerte Schaltregler-Steuereinheit zum vorübergehenden Speichern von Strom

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6448746B1 (en) * 2000-06-30 2002-09-10 Intel Corporation Multiple phase voltage regulator system
US7804733B2 (en) * 2007-12-31 2010-09-28 Intel Corporation System and method for memory phase shedding
TWI396957B (zh) 2008-05-30 2013-05-21 Asustek Comp Inc 變頻多相位電壓調節器及其控制方法
US7889525B2 (en) 2009-03-25 2011-02-15 Intersil Americas Inc. System and method for phase dropping and adding
US8558523B2 (en) * 2010-04-01 2013-10-15 Intersil Americas Inc. System and method of intermittent diode braking for multiple phase voltage regulator
US9287778B2 (en) 2012-10-08 2016-03-15 Nvidia Corporation Current parking response to transient load demands

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2250575A1 (de) 1972-10-14 1974-04-18 Licentia Gmbh Schaltung zum verlustarmen konstantregeln einer gleichspannung
DE3022108A1 (de) 1979-06-12 1981-01-08 Sits Soc It Telecom Siemens Schaltungsanordnung fuer ein stromversorgungssystem
US20080055940A1 (en) 2006-08-25 2008-03-06 Lawson Labs, Inc. Bi-polar bi-directional energy balancing power-conversion engine
US20080252273A1 (en) 2007-04-16 2008-10-16 Jda Technology Co. Ltd. Dc/dc converter
US20100231186A1 (en) 2009-03-13 2010-09-16 Richtek Technology Corp. Single-inductor multiple-output power converter
US20120176114A1 (en) 2009-09-30 2012-07-12 Fuji Electric Co., Ltd. Power supply system, controller therefor, and method of manufacture of controller
DE102013114588A1 (de) 2013-02-05 2014-08-07 Nvidia Corporation Nachgeschaltete Steuerung Vortreiber für einen Strompark Schaltregler
DE102013114097A1 (de) 2013-02-08 2014-08-14 Nvidia Corporation Vorgelagerte Schaltregler-Steuereinheit zum vorübergehenden Speichern von Strom

Also Published As

Publication number Publication date
US9201434B2 (en) 2015-12-01
CN104022644A (zh) 2014-09-03
US20140247025A1 (en) 2014-09-04
TW201435535A (zh) 2014-09-16
TWI529510B (zh) 2016-04-11
DE102013114620A1 (de) 2014-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013114620B4 (de) Ein mehrphasiges, stromparkendes Umschaltregelmodul
DE102013114611B4 (de) Pulsstrommessung
DE102013114097B4 (de) Vorgelagerte Schaltregler-Steuereinheit zum vorübergehenden Speichern von Strom
DE102013114248B4 (de) Stromparkender Schaltregler mit geteiltem Induktor
DE102013114588A1 (de) Nachgeschaltete Steuerung Vortreiber für einen Strompark Schaltregler
DE102013114331A1 (de) Vorhersagende Stromerfassung
DE102016109657B4 (de) Verfahren zur Erholung von Stromregelkreisinstabilität nach Zyklus-für-Zyklus-Stromgrenzeninvervention bei Spitzenstrommodussteuerung
DE102013109100B4 (de) Mehrphasige schaltumrichter für den betrieb über weite lastbereiche
DE112015003287B4 (de) Hysterese-Leistungssteuerverfahren für einstufige Leistungswandler
EP1920525B1 (de) Steuerungsanordnung für einen spannungskonverter und verfahren
DE102013114656A1 (de) Nachgeschaltete Steuerung für Strompark-Schaltregler
DE102012106866A1 (de) Schaltregler mit erhöhter Schwachlasteffizienz
DE102019002880A1 (de) Wirkungsgradverbesserung bei geringer Last eines Hybridschaltkondensatorwandlers
EP3028377B1 (de) Gleichspannungswandler
DE102016200389A1 (de) Mehrschwellenwert-Alarmkomparatoren für Mehrphasen-Tiefsetzsteller-Phasenabschaltsteuerung
DE102016105469B4 (de) Verfahren zum Verwalten einer Mehrzahl von Hysterese-Gleichstrom-Gleichstrom-Abwärtswandlern und entsprechender Gleichstrom-Gleichstrom-Abwärtswandler
DE112009001632T5 (de) Spannungswandler
DE102014019718B4 (de) Leistungswandlerschaltung
DE102013203320A1 (de) System und Verfahren zum Batteriemanagement
DE102015209330A1 (de) Hocheffiziente schaltende Ladevorrichtung mit verringerter Eingangsspannungswelligkeit
DE102014111109A1 (de) Leistungsfaktorkorrekturschaltung und -verfahren
DE112005002042T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Anpassen einer Leistungsversorgung anhand von Lastkennliniendaten
DE102015115149A1 (de) Dynamische Spannungsübergangssteuerung in getakteten Leistungswandlern
DE102008016532A1 (de) Dynamisch angepasster Mehrphasen-Regulator
DE112010001775T5 (de) Steuervorrichtung eines Boosters vom Transformator-Kopplungstyp

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: KRAUS & WEISERT PATENTANWAELTE PARTGMBB, DE

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final