DE102017221441B4

DE102017221441B4 - Ein Mehrphasen-Schaltwandler

Info

Publication number: DE102017221441B4
Application number: DE102017221441.4A
Authority: DE
Inventors: Alin Gherghescu; Amit Bavisi; Ershad Ahmed; Narendra Nath Gaddam; Vineet Tiwari
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: DE102017221441A1

Abstract

Verfahren für einen Betrieb eines Mehrphasen-Schaltwandlers (500), der eine Vielzahl von Phasenschaltungen (505) aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:Setzen (405) eines Adaptivspannungspositionierungs-Parameters einer Adaptivspannungspositionierungs-Steuervorrichtung (510);Steuern (410) einer Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers unter Verwendung der Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung (510);Erzeugen (415)) eines Schwellenspannungswerts auf der Grundlage des Adaptivspannungspositionierungs-Parameters;Vergleichen (420) der Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers mit dem Schwellenspannungswert;Durchführen (425) zumindest eines aus Aktivieren und Deaktivieren einer Phasenschaltung auf der Grundlage des Vergleichs;Erfassen eines Laststroms an einem Ausgang des Wandlers;Bereitstellen einer ersten programmierbaren Stromquelle (575), die dazu ausgelegt ist, einen ersten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von einem konstanten Strom und dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter ist; undBereitstellen einer zweiten programmierbaren Stromquelle (576), die dazu ausgelegt ist, einen zweiten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von dem erfassten Laststrom, dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter und einem konstanten Wert ist;wobei der erste Strom dazu verwendet wird, den Schwellenspannungswert zu erzeugen.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Regeln eines Ausgangs eines Mehrphasen-Schaltwandlers.
Hintergrund
Mehrphasige Schaltwandler haben gegenüber einphasigen Schaltwandlern eine Anzahl von Vorteilen. Insbesondere zeigen Mehrphasen-Schaltwandler eine höhere Effizienz für große Lastströme als Einphasen-Schaltwandler. Bei kleinen Lastströmen kann eine Effizienz durch Betrieb des Mehrphasen-Schaltwandlers in einem einphasigen Betriebsmodus verbessert werden.
Bei einem Schalten zwischen mehrphasigen und einphasigen Modi kann der Schaltwandler eine schlechte Transientenantwort zeigen, was zu einem Unterschwingen oder Überschwingen der Ausgangsspannung führt.
Solche Überschwingungen und Unterschwingungen können durch Implementieren von Adaptivspannungspositionierungs(AVP - adaptive voltage positioning)-Steuertechniken reduziert werden. Wenn eine AVP-Steuerung verwendet wird, kann die Ausgangsspannung zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert variieren und bei oder nahe diesen Werten bleiben. Der AVP-Widerstand R_AVP wird als das Verhältnis der Änderung der Ausgangsspannung gegenüber der Änderung des Laststroms ausgedrückt. Der AVP-Widerstand kann abhängig von einer spezifischen Anwendung auf einen spezifischen Wert eingestellt werden.
Wenn R_AVP geändert wird, ändert sich auch ein Stromwert, bei dem Phasenschaltungen des Mehrphasen-Schaltwandlers aktiviert oder deaktiviert werden.
Dies reduziert die Effizienz des Mehrphasen-Schaltwandlers.
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, eine oder mehrere der oben angeführten Einschränkungen zu adressieren.
Die US 2007/0013350 A1 beschreibt einen digitalen Mehrphasen-Tiefsetzregler, der einen Adaptivspannungspositionierungsblock aufweist, der mit einer Aktivtransientenantwort- (active transient response - ATR-) Schaltung verbunden ist.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren für einen Betrieb eines Mehrphasen-Schaltwandlers mit einer Vielzahl von Phasenschaltungen vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist ein Setzen eines Adaptivspannungspositionierung-Parameters einer Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung; Steuern einer Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers unter Verwendung der Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung; Erzeugen eines Schwellenspannungswerts basierend auf dem Adaptivspannungspositionierung-Parameter; Vergleichen der Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers mit dem Schwellenspannungswert; und Durchführen zumindest eines aus Aktivieren oder Deaktivieren einer Phasenschaltung basierend auf dem Vergleich.
Optional weist das Verfahren auf ein Aktivieren der Phasenschaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der Phasenschaltung, wenn die Ausgangsspannung größer als die Spannungsschwelle ist.
Optional weist das Erzeugen einer Schwellenspannung ein Erzeugen eines Stroms auf, der eine Funktion des Adaptivspannungspositionierung-Parameters ist.
Optional weist das Erzeugen eines Schwellenspannungswerts ein Erzeugen eines ersten Schwellenwerts auf, der mit einer ersten Phasenschaltung assoziiert ist, und ein Erzeugen eines zweiten Schwellenwerts, der mit einer zweiten Phasenschaltung assoziiert ist, wobei der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert ist.
Optional weist das Verfahren auf ein Aktivieren der ersten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der ersten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung größer als die erste Spannungsschwelle ist, und ein Aktivieren der zweiten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als zweite Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der zweiten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung größer als die zweite Spannungsschwelle ist.
Optional kann das Verfahren ein Anpassen des Schwellenspannungswerts aufweisen, wenn eine Phasenschaltung aktiviert oder deaktiviert ist. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um ein Modus-Springen zu begrenzen oder zu verhindern.
Optional kann der Schwellenspannungswert vorübergehend für eine spezifische Zeitdauer angepasst werden. Zum Beispiel kann die Zeitdauer für eine Dauer eingestellt werden, die lang genug ist, um der Ausgangsspannung des Wandlers zu ermöglichen, sich von einem Unterschwingen oder einem Überschwingen zu erholen.
Optional kann der Schwellenspannungswert verringert werden, wenn eine Phasenschaltung deaktiviert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird ein Mehrphasen-Schaltwandler zum Vorsehen einer Ausgangsspannung vorgesehen, der aufweist eine Vielzahl von Phasenschaltungen; eine Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung, die mit der Vielzahl von Phasenschaltungen gekoppelt ist, aufweisend eine programmierbare Schaltung zum Setzen eines Adaptivspannungspositionierung-Parameters; einen Spannungsschwellengenerator, der mit der Vielzahl von Phasenschaltungen gekoppelt ist, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Spannungsschwellenwerts basierend auf dem Adaptivspannungspositionierung-Parameter; einen ersten Komparator, der mit dem Spannungsschwellengenerator und mit einer ersten Phasenschaltung gekoppelt ist, der ausgebildet ist zum Vergleichen der Ausgangsspannung mit dem ersten Schwellenwert und zum Vorsehen eines ersten Signals zum Durchführen von zumindest einem aus einem Aktivieren oder Deaktivieren der ersten Phasenschaltung basierend auf dem Vergleich.
Optional ist der Spannungsschwellengenerator ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Spannungsschwellenwerts basierend auf dem Adaptivspannungspositionierung-Parameter, wobei der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert ist; und der Mehrphasen-Schaltwandler einen zweiten Komparator aufweist, der mit dem Spannungsschwellengenerator und einer zweiten Phasenschaltung gekoppelt ist, wobei der zweite Komparator ausgebildet ist zum Vergleichen der Ausgangsspannung mit dem zweiten Schwellenwert und zum Vorsehen eines zweiten Signals, um zumindest eines aus einem Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Phasenschaltung basierend auf dem Vergleich durchzuführen.
Optional ist das erste Signal ausgebildet zum Aktivieren der ersten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, und zum Deaktivieren der ersten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung gleich oder größer als die erste Spannungsschwelle ist, und wobei das zweite Signal ausgebildet ist zum Aktivieren der zweiten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die zweite Spannungsschwelle ist, und zum Deaktivieren der zweiten Schaltung, wenn die Ausgangsspannung gleich oder größer als die zweite Spannungsschwelle ist.
Optional ist der Adaptivspannungspositionierung-Parameter mit einem Adaptivspannungspositionierung-Widerstandswert assoziiert.
Optional weist der Mehrphasen-Schaltwandler einen Spannungsschwelle-Anpasser auf, der mit dem Spannungsschwellengenerator gekoppelt ist, wobei der Spannungsschwelle-Anpasser ausgebildet ist zum Anpassen des Schwellenspannungswerts, wenn eine Phasenschaltung aktiviert oder deaktiviert ist.
Optional kann der Schwellenspannungswert vorübergehend für eine spezifische Zeitdauer angepasst werden.
Optional kann der Schwellenspannungswert verringert werden, wenn eine Phasenschaltung deaktiviert ist.
Detaillierte Beschreibung
Die Offenbarung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei:

1 ein Diagramm eines Mehrphasen-Buck- bzw. Abwärtswandlers gemäß dem Stand der Technik ist;
2 ein Ablaufdiagramm ist, das die Arbeitsweise des Wandlers von 1 zeigt;
3 ein Diagramm ist, das das Verhalten eines Schaltwandlers zeigt, der mit einer herkömmlichen Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung vorgesehen ist;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für einen Betrieb eines Mehrphasen-Schaltwandlers gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
5 ein Diagramm eines Mehrphasen-Schaltwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
6 ein Ablaufdiagramm ist, das die Arbeitsweise des Wandlers von 5 zeigt;
7 ein Zeitdiagramm ist, das den Betrieb des Schaltwandlers von 5 zeigt;
8 ein Zeitdiagramm ist, das Lasttransiente-Simulationen mit und ohne Aktivierung und Deaktivierung von Phasen zeigt;
9 ein Diagramm eines Mehrphasen-Abwärtswandlers ist, der mit einer Schwellenanpassschaltung vorgesehen ist;
10 ein Zeitdiagramm ist, das den Betrieb des Wandlers von 9 zeigt.

1 zeigt ein Diagramm eines Mehrphasen-Abwärtswandlers 100, der eine Vielzahl von Phasenschaltungen 105 umfasst. Die Vielzahl von Phasenschaltungen 105 umfasst eine erste Phasenschaltung 111, eine zweite Phasenschaltung 112 und eine dritte Phasenschaltung 113. Jede Phasenschaltung umfasst einen hochseitigen Leistungsschalter 125 und einen niedrigseitigen Leistungsschalter 130, die über einen Schaltknoten Lx mit einem Induktor 135 verbunden sind. Der Induktor 135 hat einen ersten Anschluss, der mit dem Lx-Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der einem Ausgang der Phasenschaltung entspricht. Die Ausgänge der Phasenschaltungen sind mit einem gemeinsamen Knoten gekoppelt, der mit einer Last gekoppelt ist. Ein Kondensator 140 hat einen ersten Anschluss, der mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist. Jede Wandlerschaltung umfasst einen Gate-Treiber 145, der zwei Ausgänge hat, die mit dem hochseitigen Leistungsschalter 125 bzw. dem niedrigseitigen Leistungsschalter 130 verbunden sind. Die Schaltfrequenz jeder Phasenschaltung arbeitet mit einer Phasenverschiebung relativ zu den anderen Wandlerschaltungen und daher hat jede Phasenschaltung eine assoziierte Phase.
Ein Schwellenkomparator 150 hat einen ersten Eingang zum Empfangen einer Schwellenspannung und einen zweiten Eingang zum Empfangen der Ausgangsspannung Vout. Der Schwellenkomparator hat einen Ausgang, der mit den Gate-Treibern 145b und 145c der zweiten und dritten Phasenschaltungen gekoppelt ist. Der Schwellenkomparator 150 ist mit der Last des Mehrphasen-Abwärtswandlers 105 unter Verwendung einer Kelvin-Verbindung 160 gekoppelt, um die Ausgangsspannung Vout zu empfangen. Die Kelvin-Verbindung 160 wird verwendet, um die Ausgangsspannung Vout direkt an der Last zu erfassen, um sicherzustellen, dass in der Leitung, die die Last mit dem zweiten Eingang verbindet, kein Spannungsabfall auftritt, daher entspricht Vout der Spannung an dem Lastpunkt.
Ein Operationsverstärker, der als ein Einsverstärkung-Verstärker 165 konfiguriert ist, hat einen ersten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung, VREF-high_z. Der Operationsverstärker 165 hat einen zweiten Eingang, der mit einem Ausgang des Operationsverstärkers 165 gekoppelt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 165 ist die Spannung VREF_EA. Der Ausgang des Operationsverstärkers 165 ist mit einem Widerstand Ro 170 gekoppelt, der in Serie mit einer Stromquelle 175 an einem Schwellenknoten Th verbunden ist.
Eine Schwellenspannung Vthreshold an dem Knoten Th kann ausgedrückt werden als: $V t h r e s h o l d = V R E F h i g h_z - R o \times I b i a s 1$
wobei Ibias1 Konstantstrom ist, der von der Stromquelle 175 erzeugt wird. Da VREFhigh_z, Ro und Ibias1 feste Werte sind, ist Vthreshold ebenfalls fest.
Eine Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations- (PWM - pulse width modulation) -Steuervorrichtung 180 weist einen Fehlerverstärker 185, einen Takt- und Rampengenerator 190 und eine Vielzahl von PWM-Komparatoren 191, 192, 193 auf zum Erzeugen digitaler Steuersignale für einen Betrieb der Phasenschaltungen 111, 112, 113.
Der Fehlerverstärker 185 hat einen ersten Eingang, der mit dem Widerstand 196 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang zum Empfangen der Spannung VREF_EA. Der Widerstand 196 hat einen ersten Anschluss, der mit Vout gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers 185 gekoppelt ist. Ein zweiter Widerstand 197 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers 185 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einem Ausgang des Fehlerverstärkers 185 gekoppelt ist.
Jeder PWM-Komparator hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers 185 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Takt- und Rampengenerator 190 gekoppelt ist. Ein Ausgang des ersten PWM-Komparators 191, gegeben durch PWM1, ist mit einem Eingang des Gate-Treibers 145a der ersten Phasenschaltung 111 gekoppelt. Ein Ausgang des zweiten PWM-Komparators 192, gegeben durch PWM2, ist mit einem Eingang des Gate-Treibers 145b der zweiten Phasenschaltung 112 gekoppelt. Ein Ausgang des dritten PWM-Komparators 193, gegeben durch PWM3, ist mit einem Eingang des Gate-Treibers 145c der dritten Phasenschaltung 113 gekoppelt. Die Ausgänge der PWM-Komparatoren 191, 192, 193 sind digitale Signale, die aus dem Vergleich zwischen dem Ausgang des Fehlerverstärkers 185 und der durch den Takt- und Rampengenerator 190 erzeugten Spannung resultieren.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm 200 des Verfahrens zum Steuern des Aktivierens und Deaktivierens von Phasen des Mehrphasen-Abwärtswandlers unter Verwendung der in 1 dargestellten Schaltung. In Schritt 205 wird eine Ausgangsspannung Vout durch den Mehrphasen-Abwärtswandler erzeugt. In Schritt 210 wird Vout erfasst. In Schritt 215 wird Vout mit der Schwellenspannung Vthreshold verglichen. Wenn Vout größer als Vthreshold ist, gibt der Schwellenkomparator 150 ein Logiksignal an die Gate-Treiber 145 aus, das die zweiten und dritten Phasenschaltungen 112, 113 deaktiviert, wenn sie aktiviert sind (Schritt 220). Zum Beispiel kann dies dem entsprechen, dass sowohl die hochseitigen als auch niedrigseitigen Schalter für die entsprechenden Phasenschaltungen geöffnet sind. In diesem Fall arbeitet der Multiphasen-Abwärtswandler in dem einphasigen Modus. Wenn Vout kleiner als Vthreshold ist, gibt der Schwellenkomparator 150 ein Logiksignal an die Gate-Treiber 145 aus, das die zweiten und dritten Phasenschaltungen 112, 113 aktiviert, wenn sie deaktiviert sind (Schritt 225). In diesem Fall sind alle Phasenschaltungen aktiviert und der Abwärtswandler arbeitet in dem mehrphasigen Modus. Der Prozessablauf wird wiederholt und daher reagiert die Schaltung während ihres Betriebs in Übereinstimmung mit dem Ablaufdiagramm. Transientenantwort und Leistungsverluste von Schaltwandlern können durch Implementieren einer Adaptivspannungspositionierung-Steuerung verbessert werden.
3 zeigt das Profil einer Stromlast 305 zusammen mit dem Profil der Ausgangsspannung Vout eines Schaltwandlers mit Adaptivspannungspositionierung(AVP - adaptive voltage positioning)-Steuerung 310 und ohne AVP-Steuerung 315.
An dem Zeitpunkt t1 steigt die Stromlast 305 von einem Zustand mit geringer Last zu einem Zustand mit hoher Last an. An dem Zeitpunkt t2 nimmt die Stromlast von dem Zustand mit hoher Last zurück in den Zustand mit geringer Last ab.
Betrachtet man zuerst den Fall eines Schaltwandlers ohne AVP-Steuerung, wenn die Stromlast 305 an dem Zeitpunkt t1 ansteigt, sinkt die Ausgangsspannung 315 auf eine Minimalspannung Vmin und kehrt kurz darauf auf ihren Anfangswert zurück. Eine ähnliche Transiente tritt an dem Zeitpunkt t2 auf, wenn die Ausgangsspannung 315 auf eine maximale Spannung Vmax ansteigt, bevor sie auf ihren Anfangswert zurückkehrt.
Unter Verwendung der AVP-Steuerung kann die Ausgangsspannung 310 zwischen dem Minimalwert Vmin und dem Maximalwert Vmax variieren und bei oder nahe an diesen Werten bleiben. Unter Verwendung dieser Technik ist es möglich, die Transientenantworten der Ausgangsspannung signifikant zu reduzieren. Sie ermöglicht auch eine Begrenzung von Leistungsverlusten.
An dem Zeitpunkt t1 nimmt die Ausgangsspannung auf Vmin ab und bleibt bis zu dem Zeitpunkt t2 im Wesentlichen konstant, wenn Vout wieder auf Vmax ansteigt. Ein AVP-Widerstand R_AVP kann ausgedrückt werden als: $R_{A V P} = Δ V / Δ I,$
wobei ΔV die Änderung der Ausgangsspannung ΔV = V_max - V_min ist und ΔI die Änderung des Laststroms ΔI = I_max - I_min ist.
Der AVP-Widerstand R_AVP kann abhängig von einer spezifischen Anwendung auf einen spezifischen Wert gesetzt werden.
Der Mehrphasen-Abwärtswandler von 1 kann modifiziert werden, um eine AVP-Steuerung zu implementieren. In diesem Fall würde sich der Schwellenwert Vthreshold für verschiedene Werte von R_AVP ändern.
Betrachtet man zum Beispiel einen Schwellenstrom I_Th, bei dem die Phasenschaltungen aktiviert oder deaktiviert sind, von 4A und einen AVP-Widerstand R_AVP von 5 mΩ, wäre die Schwellenspannung V_th gleich 20 mV gemäß der Gleichung (2). Daher führt ein Setzen von Vthreshold auf 20 mV dazu, dass der Komparator die Phasenschaltungen aktiviert oder deaktiviert, wenn der Laststrom Iload gleich 4A ist.
Wenn jedoch R_AVP auf einen anderen Wert gesetzt ist, zum Beispiel auf 10 mΩ, bleibt Vthreshold fest bei 20 mV und die Phasenschaltungen werden bei einem Laststrom Iload von 2A aktiviert/deaktiviert. Wenn daher der AVP-Widerstand R_AVP geändert wird, variiert auch die Stromschwelle I_Th.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für einen Betrieb eines Mehrphasen-Schaltwandlers mit einer Vielzahl von Phasenschaltungen.
In Schritt 405 wird ein Adaptivspannungspositionierung-Parameter einer Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung gesetzt. Zum Beispiel kann dies erreicht werden durch Setzen einer Verstärkung einer DAC-Stromquelle. In Schritt 410 wird eine Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers unter Verwendung der Adaptivspannungspositionierung- Steuervorrichtung gesteuert. In Schritt 415 wird ein Schwellenspannungswert basierend auf dem Adaptivspannungspositionierung-Parameter erzeugt. In Schritt 420 wird die Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers mit dem Schwellenspannungswert verglichen. In Schritt 425 wird basierend auf dem Vergleich eine Phasenschaltung aktiviert oder deaktiviert. Daher kann der Schwellenspannungswert, bei dem eine oder mehrere Phasenschaltungen aktiviert oder deaktiviert werden können, in Abhängigkeit von dem AVP-Parameter angepasst werden.
Der Adaptivspannungspositionierung-Parameter kann mit einem Adaptivspannungspositionierung-Widerstandswert assoziiert sein. Zum Beispiel kann der AVP-Parameter ein konstanter Wert sein. Folglich können eine oder mehrere Phasenschaltungen bei einem spezifischen Laststromwert aktiviert oder deaktiviert sein, der nicht von einem Wert der AVP-Konstanten abhängt.
5 zeigt ein Diagramm eines Mehrphasen-Abwärtswandlers 500, der eine Vielzahl von Phasenschaltungen 505 umfasst, die mit einer AVP-Steuervorrichtung 510 und einer PWM-Steuervorrichtung 580 gekoppelt sind.
Die Vielzahl von Phasenschaltungen 505 umfasst eine erste Phasenschaltung 511, eine zweite Phasenschaltung 512 und eine dritte Phasenschaltung 513. Jede Phasenschaltung umfasst einen hochseitigen Leistungsschalter 525 und einen niedrigseitigen Leistungsschalter 530, die über einen Schaltknoten Lx mit einem Induktor 535 verbunden sind, Der Induktor 535 hat einen ersten Anschluss, der mit dem Lx-Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der dem Ausgang der Phasenschaltung entspricht. Die Ausgänge der Phasenschaltungen sind mit einem gemeinsamen Knoten gekoppelt, der mit einer Last gekoppelt ist. Ein Kondensator 540 hat einen ersten Anschluss, der mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist. Jede Wandlerschaltung umfasst einen Gate-Treiber 545, der zwei Ausgänge hat, die jeweils mit dem hochseitigen Leistungsschalter 525 bzw. dem niedrigseitigen Leistungsschalter 530 gekoppelt sind. Die Schaltfrequenz jeder Phasenschaltung arbeitet mit einer Phasenverschiebung relativ zu den anderen Wandlerschaltungen und daher hat jede Phasenschaltung eine assoziierte Phase. In 5 sind drei Phasenschaltungen dargestellt, jedoch kann die Anzahl von Phasenschaltungen erweitert oder verringert werden. Der Typ der Phasenschaltung kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel kann eine Phasenschaltung als Abwärts- bzw. Buck-Wandler oder Aufwärts- bzw. Boost-Wandler oder Abwärts-Aufwärts- bzw. Buck-Boost-Wandler implementiert werden.
Die PWM-Steuervorrichtung 580 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Ausgangsspannung Vout des Mehrphasen-Abwärtswandlers, einen zweiten Eingang zum Empfangen einer Spannungsreferenz VREF_EA und eine Vielzahl von Ausgängen zum Vorsehen eines Steuersignals für jede einzelne Phasenschaltung. Die Anzahl von Ausgängen entspricht daher der Anzahl von vorhandenen Phasenschaltungen.
Der PWM-Steuervorrichtung kann auf verschiedene Art und Weise implementiert sein. In dem vorliegenden Beispiel ist die PWM 580 identisch zu der PWM-Steuervorrichtung 180 von 1. Die Komponenten der PWM 580 haben Bezugszeichen wie in 1 angegeben.
Die AVP-Steuervorrichtung 510 weist einen Operationsverstärker 565, der als Einsverstärkung-Verstärker konfiguriert ist, einen Widerstand R1 577 und eine erste programmierbare Stromquelle 576 auf. Der Einsverstärkung-Verstärker hat einen ersten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung VREFhigh_z, einen zweiten Eingang, der mit einem Potentialteiler gekoppelt ist, und einen Ausgang, der über den Widerstand R1577 mit der ersten programmierbaren Stromquelle 576 gekoppelt ist. Der Ausgang ist mit dem Potentialteiler gekoppelt.
Die erste programmierbare Stromquelle 576 hat einen Eingang zum Empfangen eines Stroms proportional zu dem Laststrom.
Der Potentialteiler ist durch einen ersten Widerstand R2 571 gebildet, der in Serie mit einem zweiten Widerstand R3 572 an dem Knoten N2 verbunden ist. Der Potentialteiler hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Eingang des Einsverstärkung-Verstärkers 565 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einer zweiten programmierbaren Stromquelle 575 an dem Knoten N3 gekoppelt ist. Zum Beispiel können die erste und die zweite programmierbare Stromquelle 576, 575 als DAC-Stromquellen implementiert sein.
Der Potentialteiler ist mit der Vielzahl von Phasenschaltungen 505 über eine Vielzahl von Komparatoren gekoppelt. Ein Ausgang eines ersten Schwellenkomparators 551 ist mit einem Eingang der zweiten Phasenschaltung 512 gekoppelt. Ein Ausgang eines zweiten Schwellenkomparators 552 ist mit einem Eingang der dritten Phasenschaltung 513 gekoppelt. Der erste Schwellenkomparator 551 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Knoten N2 gekoppelt ist. Der erste Eingang ist über eine Verbindung 560, die eine Kelvin-Verbindung sein kann, mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers verbunden. Der zweite Schwellenkomparator 552 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Knoten N3 gekoppelt ist. Der erste Eingang ist über die Verbindung 560 mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers verbunden.
In Betrieb wird die erste programmierbare Stromquelle 576 mit einem gegebenen Wert des AVP-Widerstands R_AVP gesetzt, der für eine spezifische Anwendung geeignet wäre. Wenn die Stromquelle eine DAC-Stromquelle ist, kann ein digitaler Code, der mit einem Wert von R_AVP assoziiert ist, verwendet werden, um die Stromquelle zu programmieren.
Die erste programmierbare Stromquelle 576 erzeugt dann einen Strom Ibias2, ausgedrückt als: $I b i a s 2 = I l o a d \times K_{A V P} \times K_{I s e n s e}$
wobei K_AVP die Verstärkung von DAC ist, K_Isense eine Konstante ist, die mit einem Erfassen des Laststroms Iload assoziiert ist derart, dass der Erfassungsstrom Isns = Iload x K_Isense ist.
Der AVP-Widerstand R_AVP kann ausgedrückt werden als: $R_{A V P} = K_{A V P} \times K_{I s e n s e} \times R 1$
Die AVP-Steuervorrichtung 510 sieht eine Referenzspannung VREF_EA vor, die eine Funktion des von der ersten programmierbaren Stromquelle 576 erzeugten Stroms ist, ausgedrückt als: $V R E F_E A = V R E F h i g h_z - R 1 \times I b i a s 2$
$V R E F_E A = V R E F h i g h_z - R a v p \times I l o a d$
wobei VREFhigh_z eine konstante Referenzspannung ist.
Die PWM-Steuervorrichtung 580 empfängt die Referenzspannung VREF_EA und die Ausgangsspannung Vout und sieht drei Steuersignale PWM1, PWM2 und PWM3 an die Gate-Treiber 545a, 545b und 545c bzw. die erste, zweite und dritte Phasenschaltung vor.
Der PWM-Steuervorrichtung wird verwendet, um die Spannung Vout, die der Spannung an dem Lastpunkt entspricht, nahe oder gleich der Referenzspannung VREF_EA zu regeln.
Die zweite programmierbare Stromquelle 575 wird mit einem gegebenen Wert des AVP-Widerstands R_AVP gesetzt. Wenn die Stromquelle eine DAC-Stromquelle ist, kann ein digitaler Code, der mit einem Wert von R_AVP assoziiert ist, verwendet werden, um die Stromquelle zu programmieren.
Die zweite programmierbare Stromquelle 575 erzeugt dann einen Strom I_bias1, ausgedrückt als: $I b i a s 1 = I c s t \times K_{A V P}$
wobei Icst ein konstanter Strom ist, der von dem Konstantstromgenerator 578 erzeugt wird.
Der Potentialteiler sieht eine erste Schwellenspannung VTh2 und eine zweite Schwellenspannung VTh3 an die Knoten N2 bzw. N3 vor. Die erste Schwellenspannung VTh2 ist größer als die zweite Schwellenspannung VTh3, was ausgedrückt werden kann als: $V t h 2 = V R E F h i g h_z - R 2 \times I b i a s 1$
$V t h 3 = V R E F h i g h_z - (R 2 + R 3) \times I b i a s 1$
Der erste Schwellenkomparator 551 empfängt die Spannung Vout und die erste Schwellenspannung VTh2 und sieht ein Signal vor zum Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Phasenschaltung 512.
Der zweite Schwellenkomparator 552 empfängt die Spannung Vout und die zweite Schwellenspannung VTh3 und sieht ein Signal vor zum Aktivieren oder Deaktivieren der dritten Phasenschaltung 513.
Die erste Spannungsschwelle VTh2 ist mit einer ersten Stromschwelle ITh2 assoziiert; und die zweite Spannungsschwelle VTh3 ist mit einer zweiten Stromschwelle ITh3 assoziiert.
Die erste Stromschwelle ITh2 kann ausgedrückt werden als; $I T h 2 = \frac{R 2}{R 1 \times K_{I s e n s e}} \times I c o n s t a n t$
Die zweite Stromschwelle ITh3 kann ausgedrückt werden als; $I T h 3 = \frac{R 2 + R 3}{R 1 \times K_{I s e n s e}} \times I c o n s t a n t$
Die Ströme ITh2 und ITh3 hängen nicht von K_AVP ab, daher bleiben die Ströme ITh2 und ITh3 konstant, wenn sich K_AVP ändert.
Wie oben erwähnt, kann R_AVP von dem Benutzer geändert werden. Wenn zum Beispiel R_AVP auf 5 mΩ gesetzt ist und der Schwellenstrom auf 4A gesetzt ist, ist die Schwellenspannung gemäß der Gleichung (2) 20 mV.
Wenn der AVP-Widerstand R_AVP auf 10 mΩ geändert wird, dann ist die Schwellenspannung 40 mV, und die Stromschwelle wird bei 4A gehalten.
Somit bleibt der Laststrom, bei dem Phasen aktiviert/deaktiviert werden, konstant, wenn R_AVP variiert wird.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein einzelner Komparator verwendet werden, um die zweiten und dritten Phasenschaltungen zu steuern. In diesem Fall würden die zweiten und dritten Phasenschaltungen zusammen aktiviert oder deaktiviert werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der Phasenschaltungen auf eine Anzahl N geändert werden, wobei N eine Ganzzahl gleich oder größer als 2 ist. Das System würde auch N Komparatoren umfassen, wobei jeder Komparator mit einer entsprechenden Phasenschaltung gekoppelt ist. In diesem Fall würde der Spannungsteiler auch N Widerstände enthalten, die in Serie verbunden sind, um N Spannungsschwellen vorzusehen.
Durch Erhöhen der Anzahl von Phasenschaltungen und entsprechender Komparatoren ist es möglich, die Flexibilität des Systems zu verbessern. Zum Beispiel kann der Schaltwandler in der Lage sein, auf relativ kleinere Schwankungen des Laststroms zu reagieren.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm 600 des Verfahrens zum Steuern des Aktivierens und Deaktivierens einzelner Phasen des in 5 dargestellten Mehrphasen-Abwärtswandlers. In Schritt 605 wird eine Ausgangsspannung durch den Mehrphasen-Abwärtswandler erzeugt. In Schritt 610 wird Vout mit der ersten Schwellenspannung VTh2 verglichen. Wenn Vout gleich oder größer als VTh2 ist, gibt der erste Schwellenkomparator 551 ein Logiksignal an den Gate-Treiber 545b aus, um die zweite Phasenschaltung 512 zu deaktivieren (Schritt 615). Dies kann zum Beispiel dem entsprechen, dass sowohl die hochseitigen als auch die niedrigseitigen Schalter der Phasenschaltung ausgeschaltet sind (offen). Wenn Vout kleiner als VTh2 ist, gibt der erste Schwellenkomparator 551 ein Logiksignal an den Gate-Treiber 545b aus, um die zweite Phasenschaltung 512 zu aktivieren (Schritt 620).
In Schritt 625 wird Vout mit der zweiten Schwellenspannung VTh3 verglichen. Wenn Vout gleich oder größer als VTh3 ist, gibt der zweite Schwellenkomparator 552 ein Logiksignal an den Gate-Treiber 545c aus, um die dritte Phasenschaltung 513 zu deaktivieren (Schritt 630). Dies kann zum Beispiel dem entsprechen, dass sowohl die hochseitigen als auch die niedrigseitigen Schalter der Phasenschaltung ausgeschaltet sind (offen). Wenn Vout kleiner als VTh3 ist, gibt der zweite Schwellenkomparator 552 ein Logiksignal an den Gate-Treiber 545c aus, um die dritte Phasenschaltung 513 zu aktivieren (Schritt 635).
Wenn sowohl die zweite als auch die dritte Phasenschaltung 512, 513 deaktiviert sind, dann arbeitet der Mehrphasen-Abwärtswandler in einem einphasigen Modus mit nur der ersten Phasenschaltung. Der Prozessablauf wird wiederholt und somit reagiert die Schaltung während ihres Betriebs in Übereinstimmung mit dem Ablaufdiagramm.
7 zeigt die Profile von VREFhigh_z 705, VREF_EA 710, Vout 715 und Iload 730. 7 zeigt auch den Zustand, aktiviert oder deaktiviert, der zweiten Phasenschaltung 720 und der dritten Phasenschaltung 725.
Ein hohes Signal entspricht einer aktivierten Phase und ein niedriges Signal entspricht einer deaktivierten Phase der Phasenschaltung 2 und der Phasenschaltung 3.
Von dem Zeitpunkt t0 zu dem Zeitpunkt t1 ist Vout 715 größer als VTh2 und VTh3 und daher ist nur die erste Phasenschaltung aktiviert. Während dieser Zeit arbeitet der Mehrphasen-Abwärtswandler in dem einphasigen Modus. Von dem Zeitpunkt t1 zu dem Zeitpunkt t2 ist Vout kleiner als VTh2, jedoch größer als VTh3. Die zweite Phasenschaltung ist aktiviert. Somit sind zwischen dem Zeitpunkt t1 und t2 sowohl die erste als auch die zweite Phasenschaltung aktiviert. Nach dem Zeitpunkt t2 ist Vout kleiner als VTh3, was dazu führt, dass die dritte Phasenschaltung aktiviert wird. Nach dem Zeitpunkt t2 sind alle drei Phasenschaltungen aktiv.
8 zeigt Simulationsergebnisse des Mehrphasen-Abwärtswandlers bei einem Betrieb unter Lasttransienten für den Fall, dass die Anzahl von aktiven Phasen fest ist 800, und für den Fall, dass Phasen aktiviert oder deaktiviert sind 805 abhängig von dem Laststrom 810.
Die folgenden Parameter, die für den Fall gezeigt sind, in dem die Anzahl von aktiven Phasen fest ist 800, sind wie folgt: erster Phasenschaltungsinduktor 815, zweiter Phasenschaltungsinduktor 820, dritter Phasenschaltungsinduktor 825, Ausgangsspannung 830, ideale Ausgangsspannung 835. Von einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 ist der Laststrom 810 schwach und alle Phasenschaltungen liefern Strom an die Last. An dem Zeitpunkt t1 findet eine Lasttransiente statt, wobei der Laststrom 810 auf einen Hochlastzustand ansteigt. An dem Zeitpunkt t1 nimmt der durch die Induktoren fließende Strom zu. Nach dem Zeitpunkt t1 zeigt die Ausgangsspannung 830 anfänglich ein Unterschwingen im Vergleich zu der idealen Ausgangsspannung 835. An einem Zeitpunkt t2 findet eine andere Lasttransiente statt, wobei der Laststrom 810 auf einen Schwachlastzustand abnimmt. An dem Zeitpunkt t2 nimmt der durch die Induktoren fließende Strom ab. Nach dem Zeitpunkt t2 zeigt die Ausgangsspannung 830 anfänglich ein Überschwingen im Vergleich zu der idealen Ausgangsspannung 835.
Die folgenden Parameter, die für den Fall gezeigt sind, in dem die Phasen aktiviert oder deaktiviert sind 805 in Abhängigkeit von dem Laststrom 810, sind wie folgt: erster Induktorstrom 840, zweiter Induktorstrom 845, dritter Induktorstrom 850, Ausgangsspannung 855, ideale Ausgangsspannung 860. Von einem Zeitpunkt t0 zu einem Zeitpunkt t1 ist der Laststrom 810 schwach und eine einphasige Schaltung liefert Strom an die Last. An einem Zeitpunkt t1 findet eine Lasttransiente statt, wobei der Laststrom 810 auf einen Hochlastzustand ansteigt. An dem Zeitpunkt t1 sind die zweiten und dritten Phasenschaltungen aktiviert und der durch die Induktoren fließende Strom steigt an. Nach dem Zeitpunkt t1 zeigt die Ausgangsspannung 855 anfänglich ein Unterschwingen im Vergleich zu der idealen Ausgangsspannung 860. An einem Zeitpunkt t2 findet eine weitere Lasttransiente statt, wobei der Laststrom 810 auf einen Schwachlastzustand abnimmt. An dem Zeitpunkt t2 sind die zweiten und dritten Phasenschaltungen deaktiviert und der durch die Induktoren fließende Strom nimmt ab. Nach dem Zeitpunkt t2 zeigt die Ausgangsspannung 855 anfänglich ein Überschwingen im Vergleich zu der idealen Ausgangsspannung 860. Es kann beobachtet werden, dass durch Deaktivieren der Phasenschaltung 2 und der Phasenschaltung 3 für einen Betrieb des Mehrphasen-Abwärtswandlers in dem einphasigen Modus an dem Zeitpunkt t2 die Ausgangsspannung 855 ein kleineres Überschwingen und eine schnellere Rückkehr zu der idealen Ausgangsspannung 860 zeigt, als für die Ausgangsspannung 830 beobachtet, die für den Fall gezeigt wird, in dem alle Phasenschaltungen aktiv bleiben 800.
Ein Aktivieren und Deaktivieren von Phasenschaltungen kann zu einem Auftreten von Modus-Springen (Bouncing) führen. Dieses Phänomen ist ausgeprägter für einen niedrigen Laststrom, zum Beispiel, wenn der Mehrphasen-Schaltwandlers von zwei aktivierten Phasenschaltungen zu einer einzelnen aktivierten Phasenschaltung übergeht. In diesem Fall kann die Transiente, die durch Deaktivieren einer Phasenschaltung verursacht wird, zu einem wiederholten Zyklus eines Aktivierens und Deaktivierens der Phasenschaltung führen. Es ist möglich, ein Modus-Springen zu verhindern durch vorübergehendes Anpassen der Spannungsschwelle des Komparators, der die Phasenschaltung steuert. Auf diese Weise ist es möglich, eine Effizienz des Systems für niedrige Lastströme zu verbessern.
9 zeigt ein Diagramm eines Mehrphasen-Abwärtswandlers 900, der ausgebildet ist zum Verhindern eines Modus-Springens. Der Mehrphasen-Abwärtswandler ist ähnlich zu dem unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Mehrphasen-Abwärtswandler, bei dem eine Schwellenanpassschaltung 902 hinzugefügt wurde und bestimmte Teile der Schaltung modifiziert wurden. Andere Komponenten haben Bezugsziffern, wie oben angegeben und in 5 gezeigt. Der Klarheit halber werden die Komponenten der Vielzahl von Phasenschaltungen 505 und der PWM-Steuervorrichtung 580 nicht gezeigt. In dem vorliegenden Beispiel ist die AVP-Steuervorrichtung 510 identisch zu der AVP-Steuervorrichtung 510 von 5.
Der Potentialteiler wird durch drei Widerstände gebildet, den ersten und zweiten Widerständen R2a 971 und R3 972 sowie einem dritten Widerstand R2b 973. Der erste Widerstand R2a, 971 ist in Serie mit dem dritten Widerstand R2b 973 an einem Knoten N2a verbunden und der dritte Widerstand R2b 973 ist in Serie mit dem zweiten Widerstand R3 972 an einem Knoten N2b verbunden. Der Potentialteiler ist mit der Vielzahl von Phasenschaltungen 505 über einen ersten Schwellenkomparator 951 und einen zweiten Schwellenkomparator 952 gekoppelt. Ein Ausgang des ersten Schwellenkomparators 951 ist mit einem Eingang der zweiten Phasenschaltung 512 gekoppelt. Ein Ausgang des zweiten Schwellenkomparators 952 ist mit einem Eingang der dritten Phasenschaltung 513 gekoppelt.
Der erste Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 ist über eine Verbindung 560, die eine Kelvin-Verbindung sein kann, mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers verbunden. Der erste Schwellenkomparator 951 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit den Knoten N2a und N2b über einen ersten Schalter 905 bzw. einen zweiten Schalter 910 gekoppelt ist. Der erste Schalter 905 hat einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Knoten N2a gekoppelt ist, und der zweite Schalter 910 hat einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Knoten N2b gekoppelt ist. Der erste Schalter 905 und der zweite Schalter 910 sind mit einem Ausgang der Schwellenanpassschaltung 902 gekoppelt.
Der zweite Schwellenkomparator 952 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Knoten N3 gekoppelt ist. Der erste Eingang ist über die Verbindung 560 mit dem Ausgang des Mehrphasenwandlers verbunden.
Die Schwellenanpassschaltung 902 wird durch eine Speichervorrichtung gebildet, die mit einem Nulldurchgangsdetektor und einem Zähler gekoppelt ist. In diesem Beispiel wird die Speichervorrichtung durch ein Flip-Flop 920 vorgesehen, das mit dem Nulldurchgangsdetektor 925 und mit der Zählerschaltung 930 gekoppelt ist. Das Flip-Flop 920 hat drei Eingänge und einen Ausgang. Der erste Eingang D ist mit einer Spannung VDD gekoppelt, wobei VDD einem hohen Signal entspricht, zum Beispiel einer logischen Eins. Der zweite Eingang des Flip-Flops 920 ist mit einem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 925 gekoppelt. Der Nulldurchgangsdetektor 925 hat einen Eingang zum Empfangen eines Induktorstroms IL von der ersten Phasenschaltung 511. Der dritte Eingang CLR ist mit einem Ausgang der Zählerschaltung 930 gekoppelt. Die Zählerschaltung 930 hat einen ersten Eingang, der mit einem Buck_Clk-Signal gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Buck_Off-Signal gekoppelt ist. Der Ausgang Q des Flip-Flops 920 ist über einen Inverter 915 mit dem zweiten Schalter 910 und mit dem ersten Schalter 905 gekoppelt.
In 9 sind drei Phasenschaltungen dargestellt, jedoch kann die Anzahl von Phasenschaltungen je nach Bedarf erweitert oder verringert werden. Wenn zum Beispiel die Anzahl von Phasenschaltungen zum Beispiel von 3 auf 4 erhöht wird, würde die Schaltung einen zusätzlichen Komparator und eine zusätzliche Schwellenanpassschaltung umfassen. In diesem Fall würde der Potentialteiler modifiziert werden, um einen zusätzlichen Widerstand zu umfassen. Der Typ der Phasenschaltung kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel kann eine Phasenschaltung als ein Abwärtswandler oder ein Aufwärtswandler oder ein Abwärts-Aufwärts-Wandler implementiert werden.
In Betrieb, wenn der Induktorstrom IL Null durchquert, gibt der Nulldurchgangsdetektor 925 ein hohes Signal aus, zum Beispiel eine logische 1, andernfalls wird ein niedriges Signal vorgesehen, zum Beispiel eine logische Null, wodurch ein Taktsignal für einen Betrieb des Flip-Flops 920 erzeugt wird. Das Taktsignal wird verwendet, um den ersten Ausgang Q des Flip-Flops 920 auf die Spannung VDD an dem ersten Eingang D entsprechend dem hohen Signal zu setzen. Die Zählerschaltung 930 empfängt das Buck_Clk-Signal und ein Buck_Off-Signal. Das Buck_Off-Signal repräsentiert einen Zustand der zweiten Phasenschaltung 512. Das Buck_Off-Signal ist ein hohes Signal, zum Beispiel eine logische Eins, wenn die zweite Phasenschaltung 512 deaktiviert ist. Ähnlich ist das Buck_Off-Signal ein niedriges Signal, zum Beispiel eine logische Null, wenn die zweite Phasenschaltung 512 aktiviert ist.
Wenn die zweite Phasenschaltung 512 durch den ersten Schwellenkomparator 951 deaktiviert ist, gibt die Zählerschaltung 930 ein hohes Signal, zum Beispiel eine logische Eins, für eine feste Zeitdauer aus. Die feste Zeitdauer kann durch eine Anzahl von Zyklen von Buck_Clk festgelegt werden. Wenn der dritte Eingang CLR des D-Flip-Flops 920 ein hohes Signal von der Zählerschaltung 930 empfängt, ist der erste Ausgang Q des D-Flip-Flops 920 ein niedriges Signal, unabhängig von der Operation des Taktsignals, das von dem Nulldurchgangsdetektor 925 und dem ersten Eingang D des Flip-Flops 920 erzeugt wird. Die feste Zeitdauer entspricht einer festgelegten Anzahl von Taktzyklen, nachdem die zweite Phasenschaltung 512 deaktiviert wurde, definiert durch die Zählerschaltung 930. Während der festen Zeitdauer ist der erste Schalter 905 offen und der zweite Schalter 910 ist geschlossen, und der Knoten N2b wird mit dem zweiten Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 gekoppelt.
Wenn das D-Flip-Flop 920 ein hohes Signal ausgibt, empfängt der Schalter 910 ein hohes Signal, das den Schalter 910 öffnet, und der Schalter 905 empfängt ein niedriges Signal, das den Schalter 905 schließt. Als Ergebnis wird der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 mit dem Knoten N2a gekoppelt. In ähnlicher Weise, wenn das D-Flip-Flop 920 ein niedriges Signal ausgibt, wird der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 95 mit dem Knoten N2b gekoppelt.
Wenn der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 mit dem Knoten N2a gekoppelt ist, kann die erste Schwellenspannung VTh2 ausgedrückt werden als: $V t h 2 = V t h 2 a = V R E F h i g h_z - R 2 a \times I b i a s 1$
Wenn der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 mit N2b gekoppelt ist, kann die erste Schwellenspannung VTh2 ausgedrückt werden als: $V t h 2 = V t h 2 b = V R E F h i g h_z - (R 2 a + R 2 b) \times I b i a s 1$
Die zweite Schwellenspannung VTh3 kann ausgedrückt werden als: $V t h 3 = V R E F h i g h_z - (R 2 a + R 2 b + R 3) \times I b i a s 1$
Die erste Schwellenspannung VTh2a, die von dem Knoten N2a genommen wird, ist größer als die erste Schwellenspannung VTh2b, die von dem Knoten N2b genommen wird, die größer als die zweite Schwellenspannung VTh3 ist.
Die Schwellenspannungen können als Schwellenströme repräsentiert werden. Die erste Spannungsschwelle VTh2 ist mit einer ersten Stromschwelle ITh2 assoziiert; und die zweite Spannungsschwelle VTh3 ist mit einer zweiten Stromschwelle ITh3 assoziiert.
Wenn der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 mit dem Knoten N2a gekoppelt ist, kann der erste Schwellenstrom ITh2 ausgedrückt werden als: $I T h 2 = I T h 2 a = \frac{R 2 a}{R 1 \times K_{I s e n s e}} \times I c o n s t a n t$
Wenn der zweite Eingang des ersten Schwellenkomparators 551 mit dem Knoten N2b gekoppelt ist, kann der erste Schwellenstrom ITh2b ausgedrückt werden als: $I T h 2 = I T h 2 b = \frac{R 2 a + R 2 b}{R 1 \times K_{I s e n s e}} \times I c o n s t a n t$
Die zweite Stromschwelle ITh3 kann ausgedrückt werden als: $I T h 3 = \frac{R 2 a + R 2 b + R 3}{R 1 \times K_{I s e n s e}} \times I c o n s t a n t$
Die Ströme ITh2 und ITh3 hängen nicht von K_AVP ab, daher bleiben die Ströme ITh2 und ITh3 konstant, wenn sich K_AVP ändert.
Wie oben erwähnt, kann R_AVP durch den Benutzer geändert werden. Daher bleibt der Laststrom, bei dem Phasen aktiviert/deaktiviert werden, konstant, wenn R_AVP variiert wird.
Der erste Schwellenkomparator 951 und der zweite Schwellenkomparator 952 können eine Hysterese zeigen, wobei die Ausgangsspannung Vout des Mehrphasenwandlers, bei der eine Phasenschaltung aktiviert und deaktiviert wird, nicht gleich ist. Folglich sind in diesem Fall eine Aktivierungsschwellenspannung und eine Deaktivierungsschwellenspannung mit jeder Phasenschaltung assoziiert, wobei die Aktivierungsschwellenspannung und die Deaktivierungsschwellenspannung einer Phasenschaltung ungleich sind.
In einem normalen Betrieb ist der Knoten N2a mit dem zweiten Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 gekoppelt und der erste Schwellenstrom ITh2 = ITh2a, wie durch Gleichung (d) definiert. Wenn die zweite Phasenschaltung 512 deaktiviert ist, wird der Knoten N2b mit dem zweiten Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 für eine durch die Zählerschaltung 930 eingestellte Zeitdauer gekoppelt. Unter diesen Umständen ist der erste Schwellenstrom ITh2 = ITh2b, wie durch Gleichung (e) definiert. Nach Ablauf der Zeitdauer wird der Knoten N2a mit dem zweiten Eingang des ersten Schwellenkomparators 951 gekoppelt und der erste Schwellenstrom h2 = ITh2a. ITh2b ist größer als ITh2a.
10 zeigt Simulationsergebnisse des in 9 gezeigten Mehrphasen-Abwärtswandlers. 10 zeigt den Laststrom Iload 1000, die Ausgangsspannung Vout des Mehrphasen-Abwärtswandlers 1005, die Referenzspannung Vref_EA 1045, den Zustand 1010 der dritten Phasenschaltung 513, wo ein hohes Signal angibt, dass die dritte Phasenschaltung 513 deaktiviert ist, den Zustand Buck_0ff 1015 der zweiten Phasenschaltung 512, wo ein hohes Signal angibt, dass die zweite Phasenschaltung 512 deaktiviert ist, ein Zeitdauersignal 1050 zum Erhöhen eines Aktivierungsschwellenstroms der zweiten Phasenschaltung 512 für eine bestimmte Zeitdauer, eine Aktivierungsschwellenspannung 1020 der zweiten Phasenschaltung 512, die mit dem Aktivierungsschwellenstrom der zweiten Phasenschaltung 512 assoziiert ist, eine Aktivierungsschwellenspannung 1055 der dritten Phasenschaltung 513, den Strom in dem ersten Induktor 1025, den Strom in dem dritten Induktor 1030, den Strom in dem zweiten Induktor 1035 und eine Summe 1040 der Ströme durch die ersten, zweiten und dritten Induktoren.
Der erste Schwellenkomparator 951 zeigt eine Hysterese derart, dass die zweite Phasenschaltung 512 aktiviert wird, wenn der Laststrom Iload einen Aktivierungsschwellenstrom von 6A übersteigt, und deaktiviert wird, wenn der Laststrom Iload unter einen Deaktivierungsschwellenstrom von 4A fällt. Der Aktivierungsschwellenstrom ist mit der Aktivierungsschwellenspannung assoziiert; und der Deaktivierungsschwellenstrom ist mit einer Deaktivierungsschwellenspannung assoziiert.
Vor dem Zeitpunkt t1 ist der Laststrom Iload 1000 4A und die zweite Phasenschaltung ist aktiviert 1015. An dem Zeitpunkt t1 nimmt der Laststrom Iload 1000 auf 3A ab, was zu einem Überschwingen der Ausgangsspannung Vout des Mehrphasen-Abwärtswandlers 1005 führt. An dem Zeitpunkt t2 registriert die Schaltung die Änderung des Laststroms Iload 1000 und die zweite Phasenschaltung 512 wird deaktiviert 1015. Wenn die zweite Phasenschaltung 512 deaktiviert ist, nimmt die Aktivierungsschwellenspannung 1020 der zweiten Phasenschaltung 512 ab, was einer Zunahme des Aktivierungsschwellenstroms von 6A auf 8A für eine Zeitdauer entspricht, die durch die Zählerschaltung 930 gesetzt wird. Die Zeitdauer entspricht einer Dauer t3-t2, wenn das digitale Signal 1050 hoch ist. In diesem Beispiel entspricht die Dauer t3-t2 32 Taktzyklen. Die Ausgangsspannung Vout des Mehrphasen-Abwärtswandlers 1005 zeigt während der Zeitdauer ein Spannungsunterschwingen von 16 mV. Die verringerte Aktivierungsschwellenspannung der zweiten Phasenschaltung 512 ist derart, dass das Spannungsunterschwingen nicht zu einem erneuten Aktivieren der zweiten Phasenschaltung 512 und zu einem Modus-Springen führt, wobei die zweite Phasenschaltung 512 wiederholt aktiviert und deaktiviert wird. An dem Zeitpunkt t3 nach 32 Taktzyklen, wenn sich die Ausgangsspannung Vout des Mehrphasen-Abwärtswandlers 1005 von dem Spannungsunterschwingen erholt hat, nimmt die Aktivierungsschwellenspannung 1020 der zweiten Phasenschaltung 512 zu, was einem Zurückkehren des Aktivierungsschwellenstroms auf 6A entspricht. Die dritte Phasenschaltung 513 ist durchgängig deaktiviert, wie durch das hohe Signal des Zustands 1010 der dritten Phasenschaltung 513 gezeigt. Der Strom 1030 durch den dritten Induktor ist Null.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend wird die obige Beschreibung des spezifischen Ausführungsbeispiels nur auf beispielhafte Weise und nicht zum Zweck der Beschränkung vorgesehen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass geringfügige Modifikationen ohne signifikante Änderungen der beschriebenen Operation vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren für einen Betrieb eines Mehrphasen-Schaltwandlers (500), der eine Vielzahl von Phasenschaltungen (505) aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Setzen (405) eines Adaptivspannungspositionierungs-Parameters einer Adaptivspannungspositionierungs-Steuervorrichtung (510); Steuern (410) einer Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers unter Verwendung der Adaptivspannungspositionierung-Steuervorrichtung (510); Erzeugen (415)) eines Schwellenspannungswerts auf der Grundlage des Adaptivspannungspositionierungs-Parameters; Vergleichen (420) der Ausgangsspannung des Mehrphasen-Schaltwandlers mit dem Schwellenspannungswert; Durchführen (425) zumindest eines aus Aktivieren und Deaktivieren einer Phasenschaltung auf der Grundlage des Vergleichs; Erfassen eines Laststroms an einem Ausgang des Wandlers; Bereitstellen einer ersten programmierbaren Stromquelle (575), die dazu ausgelegt ist, einen ersten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von einem konstanten Strom und dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter ist; und Bereitstellen einer zweiten programmierbaren Stromquelle (576), die dazu ausgelegt ist, einen zweiten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von dem erfassten Laststrom, dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter und einem konstanten Wert ist; wobei der erste Strom dazu verwendet wird, den Schwellenspannungswert zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ein Aktivieren der Phasenschaltung, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der Phasenschaltung, wenn die Ausgangsspannung größer als die Spannungsschwelle ist, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Erzeugen eines Schwellenspannungswerts ein Erzeugen eines ersten Schwellenwerts, der mit einer ersten Phasenschaltung (512) assoziiert ist, und ein Erzeugen eines zweiten Schwellenwerts aufweist, der mit einer zweiten Phasenschaltung (513) assoziiert ist, wobei der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, das ein Aktivieren der ersten Schaltung (512), wenn die Ausgangsspannung kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der ersten Schaltung (512), wenn die Ausgangsspannung größer als die erste Spannungsschwelle ist, und ein Aktivieren der zweiten Schaltung (513), wenn die Ausgangsspannung kleiner als die zweite Spannungsschwelle ist, und ein Deaktivieren der zweiten Schaltung (513) aufweist, wenn die Ausgangsspannung größer als die zweite Spannungsschwelle ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Anpassen des Schwellenspannungswerts aufweist, wenn eine Phasenschaltung aktiviert oder deaktiviert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schwellenspannungswert vorübergehend für eine spezifische Zeitdauer angepasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der Schwellenspannungswert verringert wird, wenn eine Phasenschaltung deaktiviert ist.
Mehrphasen-Schaltwandler (500) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, der Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Phasenschaltungen (505); eine Adaptivspannungspositionierungs-Steuervorrichtung (510), die mit der Vielzahl von Phasenschaltungen (505) gekoppelt ist, mit einer programmierbaren Schaltung zum Setzen eines Adaptivspannungspositionierungs-Parameters; einen Spannungsschwellengenerator, der mit der Vielzahl von Phasenschaltungen (505) gekoppelt ist, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Spannungsschwellenwert auf der Grundlage des Adaptivspannungspositionierungs-Parameters zu erzeugen; einen ersten Komparator (551), der mit dem Spannungsschwellengenerator und mit einer ersten Phasenschaltung (512) gekoppelt ist, der dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung mit dem ersten Schwellenwert zu vergleichen und ein erstes Signal zum Durchführen von zumindest einem aus einem Aktivieren oder Deaktivieren der ersten Phasenschaltung (512) auf der Grundlage des Vergleichs bereitzustellen; einen Stromsensor, der an einen Ausgang des Wandlers gekoppelt ist, zum Erfassen eines Laststroms; eine erste programmierbare Stromquelle (575), die dazu ausgelegt ist, einen ersten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von einem konstanten Strom und dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter ist; und eine zweite programmierbare Stromquelle (576), die dazu ausgelegt ist, einen zweiten Strom bereitzustellen, der gleich einem Produkt von dem erfassten Laststrom, dem Adaptivspannungspositionierungs-Parameter und einem konstanten Wert ist, wobei der Spannungsschwellengenerator den ersten Strom dazu verwendet, den Schwellenspannungswert zu erzeugen.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß Anspruch 8, wobei der Spannungsschwellengenerator dazu ausgebildet ist, einen zweiten Spannungsschwellenwert auf der Grundlage des Adaptivspannungspositionierungs-Parameters zu erzeugen, wobei der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert ist; und der Mehrphasen-Schaltwandler einen zweiten Komparator (552) aufweist, der mit dem Spannungsschwellengenerator und einer zweiten Phasenschaltung (513) gekoppelt ist, wobei der zweite Komparator (552) dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung mit dem zweiten Schwellenwert zu vergleichen und ein zweites Signal bereitzustellen, um zumindest eines aus einem Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Phasenschaltung (513) auf der Grundlage des Vergleichs durchzuführen.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß Anspruch 9, wobei das erste Signal dazu ausgebildet ist, die erste Schaltung (512) zu aktivieren, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, und die erste Schaltung (512) zu deaktivieren, wenn die Ausgangsspannung gleich oder größer als die erste Spannungsschwelle ist, und wobei das zweite Signal dazu ausgebildet ist, die zweite Schaltung (513) zu aktivieren, wenn die Ausgangsspannung kleiner als die zweite Spannungsschwelle ist, und die zweite Schaltung (513) zu deaktivieren, wenn die Ausgangsspannung gleich oder größer als die zweite Spannungsschwelle ist.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Adaptivspannungspositionierungs-Parameter mit einem Adaptivspannungspositionierungs-Widerstandswert assoziiert ist.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, der einen Spannungsschwelle-Anpasser (902) aufweist, der mit dem Spannungsschwellengenerator gekoppelt ist, wobei der Spannungsschwelle-Anpasser (902) dazu ausgebildet ist, den Schwellenspannungswert anzupassen, wenn eine Phasenschaltung aktiviert oder deaktiviert ist.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß Anspruch 12, wobei der Schwellenspannungswert vorübergehend für eine spezifische Zeitdauer angepasst wird.
Mehrphasen-Schaltwandler gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Schwellenspannungswert verringert wird, wenn eine Phasenschaltung deaktiviert ist.