DE202009009853U1

DE202009009853U1 - System zum korrekten Erhöhen von Stromaufteilung

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Publication number: DE202009009853U1
Application number: DE200920009853
Authority: DE
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: CN101662212A; CN101686011B; CN103227465B; TWI483506B; CN103227465A; US8239597B2; TW201010233A; CN101662212B; US20100017654A1; US8487477B2; CN101686011A; US20100013305A1

Abstract

System, umfassend:
einen Kommunikationsbus und
eine Vielzahl von POL-(Lastpunkt-)-Reglern, die an den Kommunikationsbus gekoppelt sind und in einer Stromaufteilungsanordnung konfiguriert sind, in der jeder POL-Regler aus der Vielzahl von POL-Reglern eine jeweilige Ausgangsstufe hat, die an eine gemeinsame Last gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Ausgangsstrom zu erzeugen, wobei jeder POL-Regler eine jeweilige Phase in der Stromaufteilungskonfiguration hat, wobei jeder POL-Regler dazu konfiguriert ist, Informationen über den Bus gemäß einem dem Bus entsprechenden Bus-Kommunikationsprotokoll zu übertragen und zu empfangen;
wobei die Vielzahl von POL-Reglern dazu konfiguriert sind, autonom eine Anfangszeit ihrer jeweiligen Ausgangsspannungssignalanstiege füreinander zu synchronisieren, indem sie über den Kommunikationsbus Überwachungsinformationen aneinander übertragen, während jeder der POL-Regler ein Tastverhältnis eines Gate-Signals, das einen Low-Side-Feldeffekttransistor (GL) der Ausgangsstufe des POL-Reglers steuert, gemäß einem Tastverhältnis eines Gate-Signals erhöht, das einen High-Side-FET (GH) der Ausgangsstufe des POL-Reglers steuert.

Description

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das Vorangehende sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung, zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen, vollständiger verständlich; dabei zeigt
1 eine Ausführungsform eines Systems mit verteilter Leistungsarchitektur (DPA);
2 eine Ausführungsform eines Systems, in dem ein Mikrocontroller über einen I²C-Bus mit POL-Wandlervorrichtungen kommuniziert;
3 eine Ausführungsform eines Systems, in dem Gleichspannungswandler in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration unter Steuerung durch einen zentralen Versorgungs-Controller miteinander verbunden sind, um eine spezifische Funktion zu erfüllen;
4 eine Ausführungsform eines Systems, in dem die in einem komplexen Gleichstrom-Leistungssystem erforderlichen allgemeinen Funktionen in einem einzelnen Controller kombiniert sind;
5 eine Ausführungsform eines Systems von POL-Reglern, die dazu konfiguriert sind, über einen Kommunikationsbus miteinander zu kommunizieren;
6 eine Ausführungsform eines Leistungsreglers, der allgemein als ”Tiefsetzregler” bezeichnet wird;
7 eine Ausführungsform einer Stromverteilungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform des DPA-Systems aus 5;
8 ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zum Strom, das einen idealen Fall darstellt, in dem die jeweiligen Lastlinien zweier POL-Vorrichtungen identische Neigungen aufweisen;
9 ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zum Strom, das einen Fall darstellt, in dem der Droop-Widerstand der Slave-Vorrichtung höher ist als der Droop-Widerstandswert der Master-Vorrichtung;
10 ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zum Strom, das einen Fall darstellt, in dem der Droop-Widerstand der Slave-Vorrichtung niedriger ist als der Droop-Widerstandswert der Master-Vorrichtung;
11 ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zum Strom, das Lastlinien für Stromaufteilung zweiter Ordnung darstellt;
12 ein Diagramm der Spannung im Verhältnis zum Strom, das Lastlinien für Stromaufteilung zweiter Ordnung mit Laständerung darstellt;
13 ein Steuerdiagramm mit einem Rückkopplungsweg für Steuerung erster Ordnung für den Stromausgleich einer Slave-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
14 ein Signaldiagramm, das Gate-Signale und Ausgangsströme für zwei Regler in einer Stromaufteilungskonfiguration während der normalen Regelung darstellt;
15 ein Signaldiagramm, das Gate-Signale und Ausgangsströme für zwei Regler in einer Stromaufteilungskonfiguration darstellt, wobei der zweite Regler die Breite seines GL-Impulses (GL2) langsam über eine programmierte Anzahl von Schaltzyklen verringert, bis er eliminiert ist und der Regler asynchron schaltet;
16 ein Signaldiagramm, das die Gate-Signale und Ausgangsströme aus 15 darstellt, wobei der zweite Regler sein GH-Signal (GH2) durch Verringerung der Breite des GH-Impulses über eine programmierte Anzahl von Schaltzyklen dämpft, bis es eliminiert ist;
17 ein Steuerdiagramm für eine Ausführungsform einer Modulationsschaltung zum Verringern oder Freigeben der Breite des Synchron-FET-Gate-Impulses;
18 ein Signaldiagramm, das die Gate-Signale und den Ausgangsstrom für einen einzelnen Regler zur Veranschaulichung dessen darstellt, wie die Modulationsschaltung funktionieren kann, um den Gate-Niedrig-Impuls zu dämpfen, wobei die minimale Pulsbreite als null oder nicht-null programmiert ist;
19 eine Ausführungsform einer Schaltung zur Durchführung von aufgeteilter Steuerung zwischen den Gate-Ansteuerungs-Signalwegen;
20 ein Signaldiagramm, das Gate-Signale und Ausgangsströme für zwei Regler in einer Stromaufteilungskonfiguration während des Vorgangs der Modulation der Synchron-Gate-Ansteuerung auf ein Tastverhältnis der Breite Null über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen darstellt;
21 ein Signaldiagramm, das Gate-Signale und Ausgangsströme für zwei Regler in einer Stromaufteilungskonfiguration während des Vorgangs der Modulation der Synchron-Gate-Ansteuerung auf ein Tastverhältnis voller Breite (D) über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen darstellt;
22 eine Tabelle, die eine mögliche Abtastdatenstruktur hervorhebt, die für die Programmierbarkeit der Stromaufteilung definiert sein könnte;
23 ein Beispiel für Kommunikation zwischen Reglern an dem Kommunikationsbus, wobei ein Befehl die Ereignisaktion definieren kann;
24 ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens für POL-Vorrichtungen darstellt, die sich in einer Stromaufteilungsgruppe bei der Hinzufügung einer Phase selbst konfigurieren;
25 ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens für POL-Vorrichtungen darstellt, die sich in einer Stromaufteilungsgruppe beim Entfernen einer Phase selbst konfigurieren;
26 die Gate-Signale für vier POL-Vorrichtungen in einer Stromaufteilungsgruppe, wobei jede Phase mit einem Satz Gate-Signale verknüpft ist, wobei die dritten und vierten Phasen entfernt werden und die zweite Phase sich auf einen von der ersten POL-Vorrichtung verschiedenen Versatz umverteilt;
27 die Gate-Signale für vier POL-Vorrichtungen in einer Stromaufteilungsgruppe, wobei jede Phase mit einem Satz Gate-Signale verknüpft ist, wobei die zweiten und dritten Phasen hinzugefügt werden und die vierte Phase sich auf einen von der ersten POL-Vorrichtung verschiedenen Versatz umverteilt;
28 stellt den Anstieg der Ausgangsspannung einer Master-Vorrichtung und den Anstieg der Ausgangsspannung einer Element-/Slave-Vorrichtung dar, wobei der Anstieg der Element-Vorrichtung signifikant früher einsetzt als der Anstieg der Master-Vorrichtung;
29 zeigt ein vorteilhafteres Lastlinienverhältnis zwischen der Lastlinie der Master-Vorrichtung und der Lastlinie der Slave-Vorrichtung aus 28, wobei die Ströme besser ausgeglichen sind als in der in 28 gezeigten Ausführungsform;
30 zeigt ein Signaldiagramm, das Gate-Signale für eine Master-Vorrichtung und eine Slave-Vorrichtung zeigt, wobei ein Hardware-Auslösemechanismus ermöglicht, dass die Vorrichtungen mit der Erhöhung der Ausgangsspannung beginnen;
31 zeigt ein Signaldiagramm, das Gate-Signale für eine Master-Vorrichtung und eine Slave-Vorrichtung darstellt, wobei das Tastverhältnis von GH zeitverzögert ist und das verzögerte GH-Signal an der Ausgangsstufe als das GL-Signal dupliziert ist; und
32 zeigt ein Signaldiagramm, das Gate-Signale und Ausgangsströme für zwei Regler in einer Stromaufteilungskonfiguration darstellt, wobei die Slave-Vorrichtungen das GL-Tastverhältnis freigeben, um ein GL-Signal zu erzielen, das eine Umkehrung des GH-Signals ist.
Obwohl die Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Alternativgestaltungen unterliegen kann, sind in den Zeichnungen spezifische Ausführungsformen davon als Beispiel dargestellt und werden vorliegend im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen und die dazugehörige detaillierte Beschreibung die Erfindung nicht auf die besondere offenbarte Form beschränken sollen, sondern dass die Erfindung vielmehr alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen umfassen soll, die innerhalb des Gedankens und Umfangs der vorliegenden Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche bestimmt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Überschriften lediglich zu Gliederungszwecken dienen und nicht zur Begrenzung oder Auslegung der Beschreibung oder der Ansprüche bestimmt sind. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass das Wort ”kann” bzw. ”können” in der Beschreibung durchgängig in permissivem Sinn (d. h. im Sinne von ”mit dem Potential zu...”, ”in der Lage zu...”) und nicht im vorschreibenden Sinn (d. h. als ”muss”) verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Gestaltung von Stromversorgungen hat sich zu einer kritischen und schwierigen Aufgabe entwickelt. Hochspannungs-/Niederspannungs-ICs erfordern eine sehr saubere und stabile Gleichstrom-Leistungsquelle. Die Leistungsquelle muss in der Lage sein, sehr schnelle Stromübergänge zu liefern. Der elektronische Weg zu diesen Lasten muss außerdem niedrigen Widerstand und niedrige Induktanz haben (eine Versorgung mit 1,5 V würde über einen Widerstand von 25 m bei 60 Ampere vollständig verloren gehen). Herkömmlicherweise waren Gleichstromversorgungen dazu gestaltet, Wechselstromnetzspannung in einen oder mehrere Gleichstromausgänge umzuwandeln, die durch ein ganzes System hindurch zu den Lastpunkten geleitet wurden. Zur Verringerung der negativen Wirkungen bei der Verteilung von Hochstromsignalen in einem ganzen System ist ein alternatives Verfahren zur Verteilung von Leistung mit mäßigen Spannungs- und Strompegeln eingeführt worden. Anstatt einen Wechselstromversorgungs-Spannungspegel an einer zentralen Stelle auf den für verschiedene Lasten erforderlichen Gleichspannungspegel umzuwandeln, wird die Wechselstromversorgungsspannung typischerweise in eine ”sinnvolle” Gleichspannung umgewandelt und zum ”Lastpunkt” (POL) geleitet, wo sie lokal in die erforderliche niedrige Spannung umgewandelt wird. Diese Technik wird als ”verteilte Leistungsarchitektur” oder DPA bezeichnet und ist in 1 dargestellt. Wie in dem DPA-System 200 aus 1 gezeigt, kann ein Wechselspannungs-Gleichspannungswandler 202 eine Zwischen-Gleichspannung Vx erzeugen, die zu einzelnen lokalen Gleichspannungswandlern 204, 206, 208 und 210 geleitet werden kann, welche wiederum die erforderlichen Gleichspannungen V1, V2, V3 bzw. V4 zu ihren entsprechenden POLs führen können. Mit einer DPA können Fehler verringert werden, da die von einem Hochstromsignal zurückgelegte Distanz minimiert ist, sodass ”I x R”-(resistive) und ”L di/dt”-(induktive)-Fehler verringert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke ”POL-Wandler” und ”Gleichspannungswandler” gemäß ihrer vorliegenden Verwendung austauschbar sind, wobei sich versteht, dass in DPA-Systemen Leistung POLs typischerweise über Gleichspannungswandler zugeführt wird.
Typischerweise reicht es in vielen Leistungsverteilungssystemen nicht aus, Leistung nur über ein System an die verschiedenen POLs zu verteilen. Komplexe elektronische Systeme werden im Allgemeinen überwacht und gesteuert, um maximale Zuverlässigkeit und Leistung zu erzielen. Einige der wichtigeren typischerweise in DPA-Systemen implementierten Funktionen (Stromversorgungmerkmale) sind unten aufgeführt.
Ablaufsteuerung der Stromversorgung
Ein modernes Elektroniksystem kann viele ICs enthalten, und jeder IC kann verschiedene Spannungsanforderungen haben. Beispielsweise kann die Kernlogik eine Spannung und die Ein-/Ausgabe eine andere Spannung benötigen. Dies führt typischerweise zur Notwendigkeit einer Einstellung der Reihenfolge, in der die auf einem einzelnen Chip vorgesehenen Spannungen angelegt werden, und der Reihenfolge, in der die Chips in einem System eingeschaltet werden.
Anstiegssteuerung
Manchmal ist es notwendig, die Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Ausgangs-Gleichspannung eines Wandlers von ihrem Anfangswert auf ihren Nennwert ansteigt. Dies kann zur Unterstützung der Verwaltung eines Umschaltereignisses unter Last, der Anforderung der Ablaufsteuerung oder zur Erfüllung der Anforderungen der Last erfolgen.
Verfolgung
Häufig ist es wünschenswert, den Ausgang eines oder mehrerer Wandler dem Ausgang eines oder mehrerer anderer Wandler in dem System folgen oder diesen spiegeln zu lassen. Die Verfolgung eines spezifischen Spannungspegels kann beispielsweise umfassen, den Spannungspegel eines verfolgenden Wandlers oder einer solchen Vorrichtung auf den Spannungspegel eines verfolgten Wandlers oder einer solchen Vorrichtung einzustellen und den Spannungspegel der verfolgenden Vorrichtung jedesmal dann entsprechend dem Spannungspegel der verfolgten Vorrichtung zu ändern, wenn der Spannungspegel der verfolgten Vorrichtung sich ändert. In manchen Fällen sind die Spannungspegel von verfolgenden Vorrichtungen und verfolgten Vorrichtungen unter Umständen nicht gleich; Veränderungen des verfolgten Spannungspegels würden einfach im Spannungsausgang der verfolgenden Vorrichtungen gespiegelt. Beispielsweise würde die verfolgende Spannung, wenn die verfolgte Spannung um 0,2 V steigt, ebenfalls um 0,2 V steigen.
Phasenregelung
Gleichspannung wird typischerweise auf einem von zwei Wegen heruntertransformiert: lineare Regelung und Gleichspannungswandlung. Gleichspannungswandler können Gleichspannung durch Pulsbreitenmodulation (PWM) einer Eingangsspannung und passives Filtern des Ausgangs heruntertransformieren. Das Tastverhältnis des PWM-Signals approximiert generell das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung, geteilt durch den Wirkungsgrad des Wandlers. Beispielsweise würde für einen idealen Gleichspannungswandler mit einem gewünschten Ausgang von 1,2 V und einem Eingang von 12 V das Tastverhältnis 10% betragen. In Hochstromanwendungen ist es häufig wünschenswert, zu erzwingen, dass die verschiedenen Gleichspannungswandler unterschiedliche ”Phasen” ihres Taktzyklus abtasten. Das bedeutet: Um zu verhindern, dass alle Gleichspannungswandler in einem System die ersten 10% eines Taktzyklus abtasten, kann ein Wandler die ersten 10% des Taktzyklus abtasten, der nächste Wandler kann andere 10% des Taktzyklus abtasten usw. Dies verringert typischerweise Geräusch und verbessert das Übergangsverhalten. Diese Technik wird auch in der Motorsteuerung verwendet und häufig zur Steuerung mehrerer Lüfter in einem System eingesetzt. PWM-gesteuerte Lüfter mit gestaffelter Phase bieten typischerweise verringertes akustisches Geräusch.
Stromaufteilung
Zusätzlich zur Erzwingung dessen, dass Gleichspannungswandler gestaffelte Phasen des Schalttaktes abtasten, ist es manchmal wünschenswert, zu erzwingen, dass zwei oder mehr unabhängige Wandler jeweils einen gleichen Anteil des Laststroms liefern. Dieser Ansatz sorgt für verbessertes Geräusch- und Übergangsverhalten in Hochstromanwendungen.
Synchronisation von Schalttakten
Häufig ist es erwünscht, die Schaltfrequenz von Gleichspannungswandlern in einem System miteinander oder mit einem anderen Systemtakt zu synchronisieren. Typischerweise erfolgt dies, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, den Takt oder seine Oberschwingungen mit wichtigen Systemtakten zu vermischen. Von besonderem Interesse ist dies in Kommunikationsanwendungen.
Es gibt weitere Funktionen, die für Leistungssysteme erforderlich sein können. Beispielsweise können einzelne Temperaturmesspunkte, offener/geschlossener Zustand von Türen sowie Vibration von Interesse sein.
Um einem Bedarf an mehr Leistung und dichteren Systemen mit den daraus entstehenden neuen Verteilungsproblemen Rechnung zu tragen, sind viele gegenwärtige Leistungsverteilungsschemata dazu übergegangen, Vielfache jeder Lösung, oder Funktionen, in einem einzigen Paket anzubieten. Typischerweise erfordert jede dieser Funktionen innerhalb des Systems eine separate Konfiguration. Das bedeutet: Jede Funktion erfordert unter Umständen ein eigenes Verbindungsnetzwerk, das die POL-Wandler miteinander verbindet. Das Verbindungsnetzwerk kann Glue-Logik implementieren, die zur Steuerung der POL-Wandler erforderlich sein kann, damit die jeweilige Funktion während des Systembetriebs erfolgreich ausgeführt wird. Viele dieser Funktionen umfassen Analogsignalsteuerung, für die entsprechende Analogsignalleitungen mit in Punkt-zu-Punkt-Konfigurationen verbundenen POL-Wandlern erforderlich sind. Die Leitung solcher Signale ist häufig schwierig, während keine echte Kommunikation zwischen verschiedenen POL-Wandlern und/oder zwischen den POL-Wandlern und anderen Elementen das Systems hergestellt wird.
In dem Bemühen, alle oder die meisten dieser Funktionen auf Systemebene miteinander zu verbinden, war ein möglicher Ansatz die Implementierung der Funktionen in Steuer-ICs, die für die Steuerung jeweiliger POL-Wandler verantwortlich sind. Ein Teil der Funktionalität kann auch in einen Mikrocontroller programmiert sein, der über einen I²C-(Zwischen-IC-Kommunikations-)-Bus mit angeschlossenen POL-Wandlern kommunizieren kann, um die Steuerung aller POL-Wandler im System zu koordinieren. 2 stellt ein Beispiel für ein System auf I²C-Basis dar. Wie in 2 gezeigt, kann ein Mikrocontroller 302 an POL-Wandler (auch als POL-Regler bezeichnet) 320, 322, 324 und 326 gekoppelt sein, wobei die Verbindungen zwischen den Vorrichtungen einen I²C-Bus repräsentieren. Eine Konfiguration wie in 2 gezeigt ist typischerweise zur aktiven Steuerung ungeeignet und kann hauptsächlich zur Zustandsüberwachung verwendet werden, wobei die POL-Wandler 320, 322, 324 und 326 ein Zustandssignal zurück an den Mikrocontroller 302 schicken können, der seinerseits auf Basis der aus dem jeweiligen POL-Wandler empfangenen Zustandsinformationen ein einfaches Steuersignal an einen jeweiligen POL-Wandler schicken kann. Im Allgemeinen prüft der Mikrocontroller 302 den Zustand für jeweils nur einen POL-Wandler gleichzeitig, was als Nachteil gesehen werden kann, wenn in einem System eher interaktive Kommunikation in Echtzeit gewünscht wird.
3 stellt ein Beispiel für eine in einem DPA-System implementierte Einzelfunktion dar. Typischerweise sind ein Versorgungs-Controller 350 (der Steuerung zum Ausführen der Funktion bereitstellt) und Gleichspannungswandler 352, 354, 356 und 358 wie dargestellt in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration verbunden. Der Versorgungs-Controller 350 ist über zweckgebundene Leitungen an jeden Gleichspannungswandler gekoppelt (typischerweise werden zur Implementierung der meisten Funktionen Analogleitungen verwendet); im Einzelnen über die Leitungen 372 und 362 an den Wandler 352, über die Leitungen 374 und 364 an den Wandler 354, über die Leitungen 376 und 366 an den Wandler 355 und über die Leitungen 378 und 368 an den Wandler 358. Die Eingangs-Versorgungsspannung VIN 360 ist an jeden Gleichspannungswandler gekoppelt, und der Gleichspannungswandler 352 kann wiederum die Ausgangs-Gleichspannung 370 für einen jeweiligen POL oder jeweilige POLs erzeugen, der Gleichspannungswandler 354 kann die Ausgangs-Gleichspannung 372 erzeugen, der Gleichspannungswandler 356 kann die Ausgangs-Gleichspannung 374 erzeugen, und der Gleichspannungswandler 358 kann die Ausgangs-Gleichspannung 376 erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen können die in einem komplexen Gleichstrom-Leistungssystem erforderlichen allgemeinen Funktionen in einem einzelnen Controller kombiniert sein, anstatt als separate IC-Funktionen behandelt zu werden. Wie in 4 gezeigt, kann ein Controller 502, der die Funktionen 1 bis N verwaltet, über einen digitalen Bus 504 an die POL-Regler 1 bis M gekoppelt sein (beispielhaft als POL-Regler 510, 512 und 514 dargestellt). Der digitale Bus 504 kann ein serieller Bus sein, der die Kommunikation mit verringerten Verdrahtungsanforderungen ermöglicht. In der in 4 gezeigten Konfiguration kann Echtzeitkommunikation zwischen den Wandlern 510, 512 und 514 sowie dem Controller 502 dadurch ermöglicht sein, dass sie an den seriellen digitalen Bus 504 gekoppelt sind. Dieses System kann jedoch weiterhin auf der Durchführung einer zentralen Steuerung der gekoppelten POL-Regler beruhen, wodurch die Reaktionszeit jedes POL-Reglers bei der Ausführung von Funktionen mit aufgeteilter Leistung begrenzt wird.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann eine systemorientierte Lösung mit Mischsignal-IC-Technik eine Einheit jeder Funktion einem einzelnen Lastpunkt-(POL-)-IC oder POL-Regler zuweisen. In diesen Ausführungsformen können ein Gleichspannungswandler, eine Einheit der Versorgungs-Ablaufsteuerung, eine Einheit der Lastüberwachung und jeweils eine Einheit verschiedener anderer Leistungsverwaltungsfunktionen (z. B. der oben erläuterten Funktionen) in einem einzelnen POL-Regler kombiniert sein, wie in 5 dargestellt. Eine wirkliche systemorientierte Lösung kann dadurch implementiert sein, dass jeder POL-Regler die Fähigkeit zur Kommunikation mit jedem anderen POL-Regler und/oder mit einem optionalen Master-Steuer-IC hat. Wie in der in 5 dargestellten Ausführungsform gezeigt, sind den POL-Reglern 602, 604 und 606 jeweils die Funktionen 1 bis N zugewiesen worden, und sie sind über den seriellen digitalen Bus 610 aneinander gekoppelt. Der Bus 610 kann einfacher als ein I²C-Bus sein und kann mehr Steuerung und Signalgabe bieten, unter anderem die Fähigkeit zur Echtzeit-Datenrückkopplung. Außerdem kann durch den Bus 610 ermöglicht werden, dass jeder POL-Regler an einen Master-Steuer-IC (MCIC) 800 gekoppelt ist oder dass sie direkt aneinander gekoppelt sind, wodurch die Konfiguration, Steuerung und Überwachung aller auf Systemebene liegenden Funktionen ermöglicht wird, sodass einfache und flexible Ergebnisse geliefert werden. 5 zeigt zwar einen an den Bus 610 gekoppelten MCIC 800, jedoch ist der MCIC 800 optional, und alternative Ausführungsformen können auf den MCIC 800 verzichten und nur an den Bus 610 gekoppelte POL-Regler aufweisen, und alle erforderlichen Funktionen können durch einen einzigen POL-Regler gesteuert sein, oder verschiedene Leistungsverwaltungsfunktionen können durch eine Gruppe aus zusammenwirkenden POL-Reglern kollektiv gesteuert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in 5 dargestellt, bieten einen modularen Ansatz zur Gestaltung von DPA-Systemen, wodurch Systemebenenfunktionalität bereitgestellt wird, ohne dass das System für jede gewünschte Funktion, die eventuell erforderlich ist, individuell und separat konfiguriert sein müsste. Jeder POL-Regler kann vor seiner Aufnahme ins System individuell konfiguriert sein und kann durch Zugriff auf Echtzeit-Rückkopplungsinformation über den Bus 610 und durch Kommunikation mit anderen POL-Reglern zur Ausführung aller notwendigen Funktionen operieren. Dabei handelt es sich um aktive Steuerung im Gegensatz zu simpler Zustandsüberwachung.
Schalt-Leistungsregler verwenden häufig zwei oder mehr Leistungstransistoren zum Umwandeln von Energie mit einer Spannung auf eine andere Spannung. Ein übliches Beispiel für einen solchen Leistungsreger 150, allgemein als ”Tiefsetzregler” bezeichnet, ist in 6 gezeigt. Typischerweise schaltet der Tiefsetzregler 150 ein Paar Leistungstransistoren, den High-Side-(HS-)-FET 138 und den Low-Side-(LS-)-FET 140, um eine Rechteckwelle an ihrem gemeinsamen Knoten SW zu erzeugen. Die erzeugte Rechteckwelle kann mit einer LC-Schaltung geglättet werden, die einen Induktor 142 und einen Kondensator 144 aufweist, um die gewünschte Spannung V_out zu erzeugen. Ein Regelkreis, bestehend aus einem Fehlerverstärker 146, einem Proportional-Integral-Differential-(PID-)-Filter 132, einem Pulsbreitenmodulator (PWM) 134 und einer Ausgangssteuerschaltung 136, kann zum Steuern des Tastverhältnisses der Ausgangs-Rechteckwelle und damit des entstehenden Wertes von V_out konfiguriert sein. In seiner vorliegenden Verwendung wird der HS-FET 138 als der Steuer-FET bezeichnet, der LS-FET 140 wird als der Synchron-FET bezeichnet, und das Signal von der Ausgangssteuerschaltung 136 an den HS-FET 138 wird als das (Ausgangs-)-Steuersignal des POL-Reglers bezeichnet. In einem typischen POL-Wandler lässt sich das Tastverhältnis (D) des Steuersignals als die gewünschte Ausgangsspannung (V_OUT), geteilt durch die Eingangsspannung (V_IN), definieren. Daher kann der Steuer-FET für die durch das Tastverhältnis definierte Dauer eingeschaltet sein, und umgekehrt kann der Synchron-FET für die Dauer des Schaltzyklus eingeschaltet sein, die als 1 – D definiert ist, wobei D das Tastverhältnis des Steuer-FET ist (wie bereits angegeben).
In einer Reihe von Ausführungsformen können POL-Regler als Mehrphasen-Lastpunkt-, bzw. POL-, -Gleichspannungswandler konfiguriert sein, die in einer Mehrphasenkonfiguration funktionieren, um den gesamten für ein System verfügbaren Strom hochzusetzen. Eins der Probleme, die in einer solchen Konfiguration entstehen können, ist der Stromausgleich, der möglicherweise durchgeführt werden muss, um die Stabilität aufrecht zu erhalten, während Hochstrom zugeführt wird. Die meisten heutigen Lösungen bieten kein Mittel zum Ausgleichen von Strom durch Verwendung eines Algorithmus für niedrige Bandbreite und stellen auch typischerweise keine Verfahren zum Ausgleichen von Lastlinienströmen durch Anpassen der Zielspannung in einer digital gesteuerten Rückkopplungsschleife bereit. In einer Reihe von Ausführungsformen kann der Stromausgleich durch Ausnutzung eines aktiven Stromaufteilungsalgorithmus für niedrige Bandbreite durchgeführt werden, der angepassten künstlichen Leitungswiderstand (Droop-Widerstand) verwendet, während sowohl im eingeschwungenen Zustand als auch während dynamischer Übergangszustände Stabilität über mehrere Schleifen aufrecht erhalten wird. Digitale Kommunikation zwischen den Vorrichtungen kann den Stromaufteilungsalgorithmus ermöglichen, wobei der digitale Bus ein Eindrahtbus, ein Parallelbus oder ein Takt- und Datenbus sein kann.
Aktive Droop-Strom-Aufteilung
Die Leistungsverteilung durch aufgeteilte Lastpunktversorgungen hat gegenüber einem Einzellastpunktversorgungs- bzw. POL-Regler eine Reihe von entscheidenden Vorteilen. Durch höheren Wirkungsgrad über einen großen Bereich von Ausgangsströmen, Zuverlässigkeit durch Redundanz sowie verteilte Wärmeabfuhr eignet sich die Verteilung oder Stromaufteilung dazu, dem laufend steigenden Strombedarf im Zusammenhang mit Niederspannungsanwendungen Rechnung zu tragen. Ein Beispiel für eine Stromaufteilungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform des DPA-Systems aus 5 ist in 7 gezeigt. Die POL-Wandler 102, 104 und 106 (die einen ersten, zweiten und N-ten POL-Wandler repräsentieren) können an einen Digitalkommunikationsbus 120 gekoppelt sein, wobei ihre jeweiligen geregelten Spannungsausgänge über die jeweiligen Induktoren 103, 105 und 107 sowie den Kondensator 110 aufgeteilt werden, um an einer durch den Widerstand 112 repräsentierten Last eine einzige Spannung bereitzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausgangsstufen (die HS-FET- und LS-FET-Transistorpaare) in 7 zwar außerhalb der jeweiligen POL-Wandler dargestellt sind, die Ausgangsstufe in 6 aber zur optimalen Hervorhebung bestimmter spezifizierter Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen als Teil des POL-Reglers dargestellt ist. Ebenso sei darauf hingewiesen dass, wenngleich die Ausgangsstufe ein funktioneller Teil des POL-Wandlers ist, beispielsweise bei Konfiguration des POL-Wandlers auf einer integrierten Schaltung (IC) die Steuerschaltung und die Ausgangsstufe auf derselben IC konfiguriert sein können oder auch nicht. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Illustrationen der vorliegend offenbarten POL-Regler für alle möglichen Implementierungen gemäß den vorliegend dargelegten Stromaufteilungsprinzipien stehen sollen.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann ein digitaler Regelkreis niederer Bandbreite und mehrfacher Ordnung dazu konfiguriert sein, die Ungleichheiten zwischen den Vorrichtungsausgängen durch Ausrichten der Lastlinien von Slave-Vorrichtungen (POL-Reglern, die als Slave-Vorrichtungen an dem Digitalkommunikationsbus funktionieren) an einer Master-Vorrichtung auszurichten (einem POL-Regler, der als Master-Vorrichtung an dem Digitalkommunikationsbus funktioniert). Ein digitaler Regelkreis erster Ordnung kann jedoch ausreichend sein. Ein selbst bestimmter oder zweckgebundener Master-POL-Regler (beispielsweise der POL-Regler 104) kann seinen erfassten Ausgangsstrom digitalisieren und Informationen, die den Wert dieses Stroms anzeigen, in einer herkömmlichen Master-Slave- Konfiguration über den Digitalkommunikationsbus 120 an alle Slave-POL-Regler der Gruppe (z. B. die POL-Regler 102 und 106) übertragen. Alle Slave-Vorrichtungen können das Tastverhältnis ihrer jeweiligen Steuer-FETs anpassen, um ihre Ausgangsspannung auf Basis der Differenz zwischen dem Wert des Ausgangsstroms der Master-Vorrichtung und dem Wert des Ausgangsstroms der jeweiligen Slave-Vorrichtung wirksam nach oben oder unten zu erhöhen bzw. zu verringern. Eine Ausführungsform zum Trimmen der Ausgangsspannungen kann durch Anpassen der Zielspannung (Vref in dem Regler 150) in dem Front-End-Fehlerverstärker (Verstärker 146 in dem Regler 150) erzielt werden. Weitere Ausführungsformen zum Trimmen der Ausgangsspannungen sind durch Skalieren des Tastverhältnisses erzielbar, indem entweder die Abgriffe in dem Steuerfilter (132 in dem Regler 150) korrigiert werden oder die Steuerzahl in den Tastverhältnis-Steuerblock (134 in dem Regler 150) angepasst wird. Die Master-Vorrichtung kann die Informationen, welche den Wert ihres Stroms angeben, über einen Kommunikationsbus wie beispielsweise I2C, SMBus oder einen anderen Kommunikationsbus (120 in der Konfiguration aus 7) aktiv übertragen, während die Slave-Vorrichtungen diese Information zum Trimmen ihrer programmierten Referenzspannung verwenden können, um die Strombelastung der einzelnen Vorrichtungen im System auszugleichen. Die Master-Vorrichtung kann die Informationen weiter übertragen, bis ein Fehler auftritt, ihre Phase entfernt wird oder ihre Kommunikationsschnittstelle ausfällt, wobei dann die anderen Slave-Vorrichtungen in der Gruppe die neue Master-Vorrichtung arbitrieren können. Die Element-Ströme (d. h. die individuellen Ströme der POL-Regler in der Stromaufteilungsgruppe) können dadurch beispielsweise bei einer Aktualisierungsbandbreite von 16 Hz auf maximal 5% Abweichung von dem als Durchschnitt ermittelten Element-Laststrom ausgeglichen werden.
Wie in 6 beispielhaft dargestellt, können POL-Regler Rückkopplungs-Steuerverfahren zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung auf Basis eines Bruchs bzw. von Tastverhältnis-Arithmetik einer Eingangsspannung erzeugen. Um die Systemanforderungen eines höheren Laststroms zu erfüllen, kann ein Verfahren zur Stromaufteilung implementiert sein. Die Stromaufteilung zwischen POL-Reglern lässt sich durch Anpassen der Lastlinien der Slave-Vorrichtungen mit Bezug auf den Strom eines benannten Masters erzielen. Ein Lastlinienalgorithmus kann das Hinzufügen von künstlichem Leitungswiderstand, vorliegend als ”Droop-Widerstand” bezeichnet, im Ausgangsspannungsweg des POL-Reglers implementieren, um die Neigung der Lastlinienkurve (d. h. Ausgangsspannung im Verhältnis zu Laststrom) zur Kalibrierung in Bezug auf die physikalischen parasitären Missverhältnisse zwischen Vorrichtungen und ihren Leistungszügen zu steuern, die durch Prozess- und Temperaturvarianzen sowie Unterschiede im Layout von gedruckten Schaltungen (PCB) entstehen können.
8 zeigt einen idealen Fall, in dem die jeweiligen Lastlinien (222 und 224) von zwei POL-Vorrichtungen identische Neigungen aufweisen. In einer Reihe von Ausführungsformen kann ein Stromaufteilungsbetrieb zum Erhöhen der Slave-Referenzspannung (z. B. der Referenzspannung der POL-Vorrichtung 102, die als Slave-POL-Wandler funktionieren kann), in Richtung der Master-Referenzspannung konfiguriert sein (z. B. der Referenzspannung der POL-Vorrichtung 104, die möglicherweise gerade als Master-POL-Wandler funktioniert), indem die Ausgangsspannung der Slaves in Bezug auf den Strom des Masters getrimmt wird. Hierdurch lässt sich der Abstand zwischen den jeweiligen Induktorströmen der beteiligten POL-Vorrichtungen effektiv verringern/aufheben. Ist der Strom des Masters höher als die erkannte Strombelastung der Slaves, so kann der Slave seine Ausgangsspannung erhöhen (nach oben trimmen), was einen Abfall des Induktorstroms des Masters bewirken kann, während sich der Induktorstrom des Slaves erhöht. Auch das Gegenteil kann der Fall sein. Das bedeutet: Wenn die abgefangene Referenzspannung des Slaves über der abgefangenen Referenzspannung des Masters liegt, kann die abgefangene Referenzspannung des Slaves verringert werden, um den Abstand der Induktorströme aufzuheben und ein Abfallen der Ausgangsspannung zu bewirken.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann ein Algorithmus dazu funktionsfähig sein, einen Integrator zu verwenden, um es den Slave-Vorrichtungen zu ermöglichen, ihre jeweiligen Ausgangsspannungen in Bezug auf die Ausgangsspannung der Master-Vorrichtung auszugleichen, indem die Missverhältnisse zwischen den Vorrichtungen aktiv auskalibriert werden. Der Algorithmus ist möglicherweise nicht auf die Stromaufteilung durch Vorrichtungen mit identischem Droop-Widerstand begrenzt und kann dazu konfiguriert sein, die Ausgangsspannung jeder Vorrichtung auf Basis des Droop-Widerstandes der Vorrichtung, des Laststroms der Vorrichtung und des kommunizierten Laststromwertes des Masters an den am besten geeigneten Arbeitspunkt anzupassen. Beispielsweise kann der Droop-Widerstand der Slave-Vorrichtung höher sein als der Droop-Widerstandswert der Master-Vorrichtung, wie in 9 beispielhaft dargestellt (Lastlinien 382, 384 und 386), oder er kann niedriger sein als der Droop-Widerstandswert der Master-Vorrichtung, wie in 10 beispielhaft dargestellt (Lastlinien 442, 444 und 446). Wie bereits erwähnt, ist die Anpassung der Ausgangsspannung durch Skalieren des Tastverhältnisses der Periode des Gate-Signals an den Steuer-FET an dem Ausgangsfilter erreichbar. Das Skalieren des Tastverhältnisses kann (wie ebenfalls bereits erwähnt) auf unterschiedlichen Wegen erfolgen, die insgesamt auf eine Verringerung oder Erhöhung entweder des Fehlersignals in dem Regelkreis (z. B. des Ausgangs des Fehlerverstärkers 146, wie in 6 beispielhaft dargestellt) oder des Ergebnisses des Regelkreises (z. B. des von der Ausgangssteuerung 136 bereitgestellten Steuersignals, wie in 6 beispielhaft dargestellt) abzielen. Der Algorithmus kann zur Steuerung der Stromaufteilung zwischen jeder Anzahl von Vorrichtungen angepasst sein, die physikalisch in einer Stromaufteilungskonfiguration enthalten sein können. Die Stromaufteilung ist auch auf eine Korrektur zweiter Ordnung anwendbar, wobei die Slave-Droop-Widerstände dazu angepasst sind, die zur Kurve des Masters passende optimale Neigung der Lastlinie zu finden. Lastlinien für Beispiele der Stromaufteilung zweiter Ordnung sind in 11 und 12 gezeigt. 11 zeigt Lastlinien 462, 464 und 466 für die Stromaufteilung zweiter Ordnung, und 12 zeigt Lastlinien 472, 474 und 476 für die Stromaufteilung zweiter Ordnung mit Laständerung.
In einer Ausführungsform kann der Ausgleichsalgorithmus durch Signalverarbeitung implementiert sein, um zu ermöglichen, dass der Master den Wert seines Stroms über eine weitaus geringere Bandbreite kommuniziert. 13 zeigt einen Rückkopplungsweg für Steuerung erster Ordnung für den Stromausgleich einer Slave-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. In 13 ist zwar nur ein Steuermechanismus erster Ordnung dargestellt, jedoch können auch Regelkreise zweiter, dritter und höherer Ordnung implementiert sein, abhängig sowohl von dem System als auch von der erforderlichen Konvergenzzeit. Der Steuer-Rückkopplungsweg aus 13 ist durch die folgende Gleichung darstellbar: Vout = Vref + Vtrim(n) = Vref + Rdroop·(IMaster – IMember)·KS + Vtrim(n – 1).
In einem geschlossenen digitalen System kann Rückfaltung auftreten, wenn die höchste Frequenz des abgetasteten Datensignals nicht niedriger als die Nyquist-Rate ist. Die Abtastrate kann jedoch unbestimmbar sein, da unter Umständen nicht jede Strom-Abtastung unmittelbar übertragen oder empfangen wird. Die Unsicherheit der Abtastrate kann die Sicherheit von Schwebungsfrequenzen in der Abtastung verringern und kann als zufällige Instabilität in der Ausgangsspannung erscheinen. In einer Ausführungsform kann der Algorithmus auch dazu konfiguriert sein, die Frequenz des Oszillators zu steuern, sodass die Unsicherheit der Verarbeitungsrate zwischen Vorrichtungsprozessoren verteilt und dadurch Nicht-Korrelation bewirkt wird. Da die Vorrichtungen interne Vorrichtungsoszillatoren aufweisen können, kann die Korrelation außerdem durch Vorrichtungsprozess- und Temperaturvarianz sowie Fertigung weiter verringert werden. Daneben kann der Verkehr auf dem Kommunikationsbus die Stromaufteilungs-Abtastraten noch weiter dithern.
Der Algorithmus kann zur Dämpfung des Fehlersignals (z. B. des Ausgangs des Fehlerverstärkers 146 in 6) mit einem spezifizierten Verstärkungsfaktor K_Stable (454 in 13) funktionieren, zum Beispiel: KStable = 0,0014 ,multipliziert mit einem Droop-Widerstand (452 in 13), der typischerweise 1,25 mV/A betragen kann, allerdings auch andere Werte annehmen kann. Der Droop-Widerstand kann dazu funktionsfähig sein, alle physikalischen Missverhältnisse im Platinenlayout zwischen den Master- und Slave-Leistungsstufen sowie Rückkopplungs-Erfassungswegen auszukalibrieren. Um die Stabilität aufrechtzuerhalten und das Überschwingen des Integrators (458 in 13) zu verringern, kann die maximale Korrektur – mit der die Slave-Vorrichtungen ihre jeweiligen Ausgangsspannungsanpassungen pro Stromaufteilungszyklus begrenzen können – spezifiziert sein und programmierbar sein.
Ausführungsformen können unter Annahme einer idealen Neigung der Lastlinien konfiguriert sein. Jedoch ist der Lastlinienwiderstand des Slaves möglicherweise nicht gleich dem Widerstand des Masters, wie bereits erläutert (siehe beispielsweise 9 und 10). Gemäß der bestimmten Gleichung können verschiedene Ausführungsformen des Stromaufteilungsalgorithmus die Ströme dennoch in geeigneter Weise ausgleichen. Mit der Veränderung des Ausgangsstroms kann der Algorithmus im Verlauf der Zeit mehr oder weniger aktiv sein, da die beiden Lastlinien sich in dem Punkt schneiden, an dem die Induktorströme gleich sind. Dies kann auch beim Ausgleichen der Vorrichtungen über Prozess, Spannung und Temperatur zu erwarten sein.
Eine spezifische Stromausgleichsbandbreite (von beispielsweise 16 Hz) kann als ausreichend zur Aufrechterhaltung der Stabilität verifiziert sein, und die Kommunikationsrate kann dazu spezifiziert sein, sicherzustellen, dass die Lastdifferenz zwischen Stromaufteilungs-Element-Vorrichtungen unter einem spezifizierten, akzeptablen Anteil (z. B. 5%) der Gesamtlast liegt.
Die Stromaufteilungskonfiguration und -programmierung lässt sich durch eine serielle Kommunikation oder durch Pin-Strap-Einstellungen und Widerstände erzielen (bei Pin-Strap-Einstellungen können Pins zur wirksamen Programmierung der Vorrichtung an einen Spannungspegel, der einer logischen ”1” entspricht, oder an einen Spannungspegel, der einem logischen Pegel ”0” entspricht, gekoppelt sein). Die Aufteilungsgruppen können eine unendliche Zahl Vorrichtungselemente unterstützen, jedoch kann die tatsächliche Anzahl von Element-Vorrichtungen (Element-POL-Reglern) in der Gruppe als festgelegte Anzahl, z. B. sechzehn, spezifiziert sein, die um den Einheitskreis phasenverteilt sein kann, bzw. 360°/16 = 22,5° Grad Trennung zwischen dem Schalten der Elemente derselben Gruppe. In bestimmten Ausführungsformen können die Elemente einer Stromaufteilungsgruppe manuell verschachtelt sein oder autonom um den Einheits-Phasenkreis verteilt sein, um die Beanspruchung durch die Schaltwirkungen auf die Eingangsspannung zu verteilen. Dargestellt ist dies in 14, welche die Stromaufteilung während der normalen Regelung zeigt, wobei GH das Steuersignal an den Steuer-FET bezeichnet und GL für das Komplement des Steuersignals an den Synchron-FET steht. Die Rechteckwellen 622 und 624 repräsentieren die jeweiligen Gate-Signale einer ersten POL-Vorrichtung, während die Rechteckwellen 626 und 628 die jeweiligen Gate-Signale einer zweiten POL-Vorrichtung repräsentieren. Der Ausgangsstrom 630 der ersten POL-Vorrichtung und der Ausgangsstrom 632 der zweiten POL-Vorrichtung sind in der Stromaufteilungskonfiguration kombiniert, um den Laststrom 634 zu erzielen.
Mit dem Anstieg des Ausgangsstroms kann außerdem der Droop-Betrag – um den die Ausgangsspannung von dem gewünschten Sollpegel abweichen kann – eine Funktion des Droop-Widerstandes, multipliziert mit dem Ausgangs-Laststrom, sein. Daher kann die geregelte Spannung absinken, während der Ausgangslaststrom ansteigt. Die Master-Vorrichtung kann jedoch alle Slave-Vorrichtungen in der Stromaufteilungsgruppe anweisen, als Funktion des erkannten Ausgangsstroms gleichzeitig ihre jeweiligen Ausgangsspannungen zu trimmen. Da die Master-Vorrichtung möglicherweise über Informationen bezüglich der Anzahl der aktiven Vorrichtungen in einer Stromaufteilungsgruppe, ihren Ausgangslaststrom und den Droop-Widerstand verfügt, kann sie (die Master-Vorrichtung) alle Slave-Vorrichtungen über einen Kommunikationsbus synchronisieren, um ihre jeweiligen Ausgangs-Sollwerte zu begrenzen, um die Wirkung von Laststrom und Droop-Widerstand auf den geregelten Spannungspegel zu minimieren.
Zusätzlich können zur Ermöglichung von verbessertem Übergangsverhalten Regelkreise in jedem Element dazu verwendet werden, auf ein Übergangsereignis auch dann gleichzeitig als Gruppe zu reagieren, wenn die Element-Spannungsregelkreise phasenverschachtelt sind. Die bisherigen Ansätze zur Stromaufteilung über passive Droop-Aufteilung waren zwar einfach und billig, jedoch war dafür üblicherweise manuelle Kalibrierung in irgendeiner Form (z. B. Trimmen der Ausgangsspannungen der Vorrichtungen) erforderlich. Dagegen sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegend dargestellten aktiven Droop-Strom-Aufteilung durch vollständig digitale Kommunikationstechniken mit einem einzelnen Bus und einem einzelnen entsprechenden Busprotokoll realisierbar, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit erhöht wird.
Hinzufügen und Entfernen von Phasen in einer Stromaufteilungsgruppe
Beim Betrieb mehrerer POL-Vorrichtungen in einer Mehrphasenkonfiguration zum Hochsetzen des gesamten für ein System verfügbaren Stroms kann es nötig werden, auf korrekte Weise Phasen einer Stromaufteilungsgruppe hinzuzufügen und zu entfernen. Die Hinzufügung oder Beseitigung von Phasen kann aufgrund bestimmter Systemanforderungen erfolgen oder auch nicht; allerdings kann im Allgemeinen die Anzahl der aktiven Phasen (aktiven POL-Regler) von entweder dem Wirkungsgrad der Stromaufteilungsgruppe bei bestimmten Ausgangslastniveaus oder Fehlerbedingungen abhängen. Um bei Mehrphasen-Versorgungssystemen nicht den Wirkungsgrad zu opfern, kann es von Vorteil sein, Phasen hinzuzufügen und zu entfernen (POL-Regler zu der Stromaufteilungsgruppe hinzuzufügen oder sie daraus zu beseitigen), ohne Störungen der Ausgangsspannung zu verursachen. In den meisten heutigen Implementierungen wird zum Hinzufügen oder Entfernen von Phasen die Einschaltzeit der jeweiligen Steuer-FETs aller Elemente einer Stromaufteilungsgruppe angepasst.
In einer Reihe von Ausführungsformen können Gate-Signale der hinzuzufügenden oder zu entfernenden Vorrichtung aus einer Stromaufteilungsgruppe ohne Kommunikation oder Kenntnis der anderen Vorrichtungen skaliert werden. Wie bereits (mit Bezug auf 6) erwähnt, kann der Steuer-FET für die durch das Tastverhältnis bestimmte Dauer eingeschaltet sein, und umgekehrt kann der Synchron-FET für die Dauer des Schaltzyklus eingeschaltet sein, definiert als D' = 1 – D, wobei D das Tastverhältnis des Steuer-FETs ist. D' ist zwar typischerweise nur die Umkehrung des Gate-Hoch-Signals, jedoch kann D' beim Hinzufügen und Entfernen von Phasen unabhängig gesteuert werden. Dementsprechend wird das Signal an den Synchron-FET vorliegend als das Gate-Niedrig-Signal bezeichnet. In einer Reihe von Ausführungsformen können Hardwareschaltungen/-elemente zur Steuerung der Einschaltzeit des Steuer-FET-Signals und der Einschaltzeit des Synchron-FET-Signals konfiguriert sein. Diese Hardwareschaltungen/-elemente können zur gleichzeitigen oder separaten Skalierung beider Gate-Signale (des Steuersignals und des Signals an den Synchron-FET) synchronisiert sein. In einer Reihe von Ausführungsformen können Phasen einer Stromaufteilungsgruppe hinzugefügt und entfernt werden, ohne einen Übergang an der Ausgangsspannung zu verursachen. Eine Phase kann bei Erkennung einer Lastbedingung (z. B. geringer Last) ohne Störung der Ausgangsspannung hinzugefügt oder entfernt werden. Die Stromaufteilungsgruppe kann die Lastbedingung (z. B. geringe Lasten) autonom erkennen, oder ein Host-Prozessor kann ein die Lastbedingung anzeigendes Steuersignal oder solche Kommunikation bereitstellen. Wie die Vorrichtung in der Stromaufteilungsgruppe bestimmt, warum die Vorrichtung hinzugefügt oder entfernt werden soll, hat jedoch für sich möglicherweise keinen Einfluss auf die Art und Weise des Hinzufügens oder Entfernens einer Phase.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann eine Schaltung dazu konfiguriert sein, gemäß wenigstens zwei Verfahren zum nahtlosen Hinzufügen und Entfernen von Phasen in einer Stromaufteilungsgruppe aus POL-Reglern ohne Störung der Ausgangsspannung einer der Vorrichtungen (POL-Regler) in der Stromaufteilungsgruppe zu funktionieren. Typischerweise entstehen Übergänge an der Ausgangsspannung, wenn ein Element einer Stromaufteilungsgruppe seinen Beitrag zur Ausgangsspannung vollständig beseitigt, indem das Gate-Hoch-Signal und das Gate-Niedrig-Signal unmittelbar eliminiert werden. Das unmittelbare Beseitigen des Gate-Hoch-Signals eines Elementes kann daher einen Übergang an der Ausgangsspannung verursachen, ähnlich wie bei einem Belastungsfall (Lasterhöhung; d. h. die Last am Ausgang hat sich erhöht), wobei die Ausgangsspannung höher ausschlägt. Dies kann deshalb auftreten, weil die Ladung in dem Induktor (siehe beispielsweise 6 und 7 – Induktoren 142 bzw. 103, 105, 107) abgeleitet werden muss. Umgekehrt sucht sich, wenn eine Element-Vorrichtung unmittelbar ihr Gate-Niedrig-Signal eliminiert, ihr Induktorstrom einen anderen Rückführungsweg, und der Übergang kann als Entlastungsfall erscheinen (Lastreduktion; d. h. die Last am Ausgang hat sich verringert). Die Übergänge können selbstinduziert sein, oder das System kann einige Schaltzyklen zur Wiederherstellung brauchen.
Stromaufteilungsgruppen können die Phasengestaltung der aktiven Vorrichtungen schachteln, wodurch sich die Schaltfrequenz effektiv um die Anzahl der aktiven Vorrichtungen erhöhen kann, während die Ausgangswelligkeit verringert wird. Wie bereits erwähnt, zeigt 14 Signaldiagramme für die Stromaufteilung während der normalen Regelung, in denen die Phasen der Stromsignatur einer zweiphasigen Stromaufteilungsgruppe (zweier zusammen operierender POL-Regler) um 180 Grad phasenverschoben sind. In einer Reihe von Ausführungsformen kann eine Element-Vorrichtung einer Stromaufteilungsgruppe sowohl ihre GL-(Gate-Niedrig-) als auch ihre GH-(Gate-Hoch-)-Impulse sequentiell über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen beseitigen. Hierdurch kann ermöglicht werden, dass das System über eine als Durchschnitt ermittelte Anzahl Zyklen günstig auf den Übergang reagiert; unabhängig davon, wie die Vorrichtung bestimmt, ob ihr Phasenbeitrag zu der Stromaufteilungsgruppe hinzuzufügen oder zu entfernen ist. Beispielsweise kann die POL-Vorrichtung in manchen Fällen eine Steuereinheit (z. B. einen Mikroprozessor) aufweisen, der Programmanweisungen (z. B. Firmware) ausführt, und die Steuereinheit kann einen Kommunikationsimpuls oder ein Paket von einem externen Host empfangen, oder die POL-Vorrichtung selbst kann bestimmen, dass die Phase hinzugefügt oder entfernt werden kann. In anderen Fällen enthält die POL-Vorrichtung möglicherweise keine solche Steuereinheit, und die Bestimmung zum Hinzufügen oder Entfernen einer Phase kann mit anderen Mitteln implementiert sein, beispielsweise als diskreter endlicher Automat (FSM).
In einer Reihe von Ausführungsformen kann eine Steuereinheit (z. B. Mikroprozessor), die innerhalb der POL-Vorrichtung Anweisungen (z. B. Firmware) ausführt, oder ein diskreter FSM innerhalb der POL-Vorrichtung zum Hinzufügen oder Entfernen einer Phase durch sequentielles Manipulieren der Pulsbreite der Gate-Signale (d. h. der GL- und GH-Signale) angewiesen werden. Um eine Phase hinzuzufügen oder zu entfernen, kann die Vorrichtung ihre Gate-Ansteuersignale gezielt und systematisch einschalten oder abschalten, um die Einführung eines Übergangs in das System zu verhindern. Beispielsweise kann das Entfernen einer Phase durch Modulieren des synchronen Gate-Treibers auf ein Tastverhältnis mit einer Breite von null über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen erzielt werden, und das Hinzufügen einer Phase kann durch Modulieren des synchronen Gate-Treibers auf ein Tastverhältnis mit einer vorbestimmten oder erwarteten Breite (beispielsweise gemäß einer dynamischen Bestimmung durch das System) über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen erzielt werden.
Beim Entfernen einer Phase kann die POL-Vorrichtung den Fehlerweg zur Eliminierung jedes störenden Einflusses auf das Tastverhältnis gestalten oder auch nicht. Die Vorrichtung kann das in den Integrator des Wandlers (z. B. das PID-Filter 132 in 6) zugeführte Fehlersignal dämpfen, und auch der gegenwärtige Zustand des Integrators kann eingefroren werden. Die POL-Vorrichtung kann die Breite ihres GL-Impulses über eine programmierte Anzahl von Schaltzyklen langsam verringern, bis er eliminiert ist und die Vorrichtung asynchron schaltet, wie in 15 gezeigt, wobei das GL-Signal einer der POL-Vorrichtungen (in diesem Fall der POL-Vorrichtung 2) allmählich eliminiert wird. Bei der letztlichen Eliminierung von GL2 ändert sich der Ausgangsstrom I_L2 der zweiten POL-Vorrichtung, was sich auch auf den Gesamtstrom I_O auswirkt. Dieselbe POL-Vorrichtung kann dann ihr GH-Signal durch Verringerung der Breite des GH-Impulses über eine programmierte Anzahl von Schaltzyklen, bis sie eliminiert ist, dämpfen, wie in 16 gezeigt. Bei der letztlichen Eliminierung von GH2 wird der Ausgangsstrom I_L2 der zweiten POL-Vorrichtung letztlich auf null verringert, was dazu führt, dass der Gesamtstrom I_O dem Ausgangsstrom I_L1 der ersten POL-Vorrichtung folgt.
Beim Hinzufügen einer Phase kann die Vorrichtung den letzten Zustand des Integrators als Anfangs-Betriebs-Tastverhältnis verwenden. Die Vorrichtung kann die Ausgangsspannung abtasten und die Sollspannung mit der gegenwärtig erfassten Ausgangsspannung vorspannen, um in den Integrator hinein einen Fehler von null zu erzielen. Der Integrator kann gemäß der erfassten Ausgangsspannung initialisiert werden, um einen Initial-Tastverhältniswert von Vout/Vin zu erlangen. Die Vorrichtung kann dann den GH-Impuls freigeben; beispielsweise durch einen stetigen Anstieg zum maximal zulässigen Impuls, von null über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen bis auf das volle Maß. Sodann kann die Vorrichtung den Integrator in der GL-Modulationsschaltung umkehren und den GL-Impuls effektiv über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen freigeben und dann den Integrator freigeben, um die Regelung der Ausgangsspannung durch die Vorrichtung zu ermöglichen.
Ein Steuerdiagramm für eine Ausführungsform einer möglichen Schaltung zum Verringern oder Freigeben der Breite des Synchron-FET-Gate-Impulses oder GL ist in 17 dargestellt. Die Schaltung kann auf einem beschränkten Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) erster Ordnung 696 basieren. Die Eingangsfehlerquelle kann in einer Fehlerumwandlungstabelle 694 programmierbar sein als Unterstromfehler, in 17 als UCF dargestellt, als Überstromfehler, in 17 als OCF dargestellt, oder als Steuerung aus einem Controller (z. B. Mikroprozessor), in 17 als ”Set-OCF-Enable” und ”Set-UCF-Enable” dargestellt. In einer Reihe von Ausführungsformen kann der Fehlereingang (”EIN”) in das IIR-Filter 696 als Zwei-Bit-Wert mit Vorzeichen definiert sein und kann über den Multiplexer 654 entsprechend einem Fehlerquellenauswahlsignal ausgewählt sein. Der Anstieg des Integrators kann durch einen ersten Verstärkungsfaktor, K1 658, gesteuert werden. Die Stabilität des Systems kann von dem Wert von K1 abhängen, der in bestimmten Ausführungsformen als Acht-Bit-Integer definiert sein kann. Der Verstärkungsfaktor K1 kann zum Bestimmen der Schrittweite, des Integrator-Anstiegs und der Frequenz von Modulationsanpassungen verwendet werden. Da der Eingang im Bereich von –1 bis 1 liegen kann (im Fall eines Zwei-Bit-Wertes mit Vorzeichen – wenn der Fehlerwert mit einer anderen Bitlänge definiert ist, kann der Bereich entsprechend abweichen), kann die Notwendigkeit eines Multiplizierers entfallen, da der Filterintegrator auf Basis des Fehlereingangs in Schritten mit dem Wert von K1 entweder inkrementieren oder dekrementieren kann. Weiterhin kann der Integrator (664) ohne Vorzeichen und unipolar konfiguriert sein, da GL (wie durch den Multiplexer 668 gewählt) entweder ein- oder abgeschaltet sein kann, und das Filter erwartet möglicherweise keine Übergänge.
Die Verstärkung des GL-Integrators (K_GL) kann durch Gleichung 1 definiert sein, wobei X die laufende Summe im Integrator ist und N die Gesamtzahl von Schaltzyklen ist, die zum Sättigen des Integrators oder Abschalten von GL benötigt werden:
Zum Auflösen der Summierung kann Gleichung 1 in Integralform umgewandelt werden:
Bei Auflösung des Integrals lässt sich K_GL bezüglich der erforderlichen Zeit zum Beseitigen von GL (die Beseitigung von GL kann als Befehl über den Kommunikationsbus, z. B. den Bus 120 in 7, kommuniziert werden) und der Schaltrate ausdrücken:
woraus sich ergibt:
Wie in 18 dargestellt, kann die GL-Modulationsschaltung zur Dämpfung des Gate-Niedrig-Impulses (1102) (zusammen mit dem entsprechenden GH-Impuls/-Signal 1104 dargestellt) funktionsfähig sein, wobei die minimale Pulsbreite als null oder nicht-null programmiert sein kann. 18 zeigt auch eine mögliche Wellenform des Phasenzählsignals (1106), das durch die dekrementierende Schaltung 698 (in 17) erzeugt werden kann. Der mögliche Modulationsbereich ist in dem schraffierten Bereich dargestellt.
In einer weiteren Reihe von Ausführungsformen kann ein Firmware betreibender Mikroprozessor oder ein diskreter Zustandsautomat angewiesen werden, eine Phase hinzuzufügen oder zu entfernen, indem die Pulsbreite der beiden Gate-Signale (GH und GL) gleichzeitig manipuliert wird. Zum Hinzufügen oder Entfernen einer Phase kann die Vorrichtung ihre Gate-Ansteuersignale effektiv ein- oder abschalten und dabei die Einführung eines Übergangs in das System vermeiden. Diese Funktionalität kann durch eine Schaltung implementiert sein, die einen Aufwärts-/Abwärtszähler abtastet und gleichzeitig die Gate-Ansteuersignale in einen typischen Wandlerausgang skaliert (z. B. die Ausgangsstufen der in 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen von Wandlern). 19 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung zur Durchführung von aufgeteilter Steuerung zwischen den Gate-Ansteuersignalwegen. Beim Entfernen einer Phase kann die Vorrichtung das Fehlersignal auf null steuern, wodurch effektiv der Zustand des Integrators (DPWM 802) eingefroren werden kann und die Vorrichtung den Zustand des Integrators speichern kann. Beim Hinzufügen einer Phase kann die Vorrichtung den letzten Zustand des Integrators als Anfangs-Betriebs-Tastverhältnis verwenden. Alternativ kann die Vorrichtung die Ausgangsspannung abtasten, und sie kann die Sollspannung mit der gegenwärtigen erfassten Ausgangsspannung vorspannen, um in den Integrator hinein einen Fehler von null zu erzielen. Der Integrator kann entsprechend der erfassten Spannung initialisiert werden, um einen Anfangs-Tastverhältniswert von Vout/Vin zu erlangen. Die Vorrichtung kann dann die GH- und GL-Impulse freigeben, indem ein Aufwärtszählen eines Zählers (808) zugelassen wird. Der Zählerwert kann zum logischen Freigeben des Tastverhältnis-Impulses über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen verwendet werden. Sodann kann die Vorrichtung den Integrator freigeben, um zu ermöglichen, dass die Vorrichtung die Ausgangsspannung regelt.
Der Skalierungszähler 808 kann bis/von N aufwärts/abwärts zählen, und die gegenwärtige Zählung als Bruchteil von N (806) kann einen Skalierungsfaktor K_D ergeben, der zum Modifizieren des effektiven Tastverhältnisses des GH-Signals verwendet werden kann. Sowohl der Skalierungszähler 808 als auch das IIR-Filter 810 können ein Steuersignal (Hinzufügen/Entfernen) empfangen, das angibt, ob eine Phase hinzugefügt oder entfernt werden soll. Der Ausgang des IIR-Filters 810 kann (unter Verwendung des Komparators 816) mit dem aktuellen Zählerwert aus dem Zähler 808 verglichen werden, wodurch ein Skalierungsfaktor K_D bereitgestellt wird, der in dem UND-Gate 814 mit dem modifizierten GH-Signal kombiniert werden kann, um das modifizierte GL-Signal (Impuls) zu erzeugen. Wie angegeben, kann, wenn der Ausgang des IIR-Filters größer als oder gleich dem Zählerwert ist, GL bei null gehalten werden (0 x 0), andernfalls ist es für die dem Skalierungsfaktor K_D entsprechende Dauer die Umkehrung von GH.
20 zeigt ein Diagramm, das den Prozess der Modulation des Synchron-Gate-Treibers auf ein Tastverhältnis der Breite Null über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen darstellt. Wie in 20 gezeigt, können sowohl GH als auch GL gleichzeitig moduliert werden, um letztlich einen Wert von null zu erreichen, bei dem also der Ausgangsstufe des betroffenen POL-Reglers (in diesem Fall Regler 2) keine Impulse zugeführt werden. Die schraffierten Bereiche repräsentieren die skalierte Originalbreite des jeweiligen Signals. Ebenso zeigt 21 ein Diagramm, das den Prozess der Modulation des Synchron-Gate-Treibers auf das Tastverhältnis in voller Breite (D) über eine programmierbare Anzahl von Schaltzyklen darstellt. Wie in 21 gezeigt, können sowohl GH als auch GL gleichzeitig moduliert werden, um letztlich einen Wert von null zu erreichen, d. h. einen solchen, bei dem der Ausgangsstufe des betroffenen POL-Reglers (in diesem Fall Regler 2) keine Impulse zugeführt werden.
Intelligente Verwaltung einer Stromaufteilungsgruppe
Es können auch ein oder mehrere zusätzliche Algorithmen dazu entwickelt sein, das Verhalten einer Stromaufteilungsgruppe weiter zu verbessern. Der Algorithmus/die Algorithmen können folgendes umfassen:

1. Eine pseudo-masterlose Master-Slave-Form der Stromausgleichskonfiguration, in der alle Element-Vorrichtungen autonom eine neue Master-Zuweisung arbitrieren, falls die aktuelle Master-Vorrichtung aus irgendeinem Grund aus der Regelung ausscheidet.
2. Verbesserungen des Wirkungsgrades auf Basis einer Systemparameterebene, wie beispielsweise Tastverhältnis oder Ausgangsstrom. Die Verbesserungen können sowohl ein Verfahren zum autonomen Hinzufügen und Entfernen von Phasen als auch ein Verfahren zur Anpassung der Schaltfrequenz an das System umfassen.
3. Minimierung von Schaltverlusten und Ausgangswelligkeit durch ein Verfahren zur Umverteilung der Elementphasen in gleichmäßigen Abständen um den Einheitskreis auf Basis der Anzahl aktiver Elemente.
4. Autonome Wiederherstellung eines einzelnen Elementes, nachdem seine Fehlerbedingung abgelaufen ist.

Der Algorithmus/die Algorithmen können zur Durchführung der Verwaltung der Stromaufteilungsgruppe über den digitalen Bus (z. B. den Bus 120 in 7) implementiert sein, wie bereits beschrieben.
Heutige Systeme bieten kein Mittel zur autonomen Umverteilung des zugewiesenen Masters über ein Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikationsverfahren, das ein Stabil- und Aktivbleiben des Systems beim Ausfall einer Vorrichtung ermöglicht. Es bringt jedoch viele Vorteile mit sich, während der Umverteilung von Gruppenelement-Phasenausrichtungen relativ zueinander Phasen autonom hinzuzufügen und zu entfernen und das Verhalten einer Stromaufteilungsgruppe unter Verwaltung durch die Gruppe in Reaktion auf das Lesen von Systemparametern anpassen.
Eine Stromaufteilungsgruppe aus POL-Vorrichtungen/-Reglern ist auf verschiedene Arten konfigurierbar. 22 zeigt eine Tabelle, die eine mögliche Abtastdatenstruktur darstellt, welche für die Programmierbarkeit der Stromverteilung definiert sein könnte. Die Konfiguration durch einen Kommunikationsbus für einen masterlosen Algorithmus kann von der Programmierung der eindeutigen Vorrichtungs-Kennung abhängig sein, beispielsweise entweder einer ID oder einer Adresse, die in dem Kommunikationsbusprotokoll verwendet werden kann. In dem dargestellten Beispiel kann eine 5-Bit-Stromaufteilungsgruppen-ID oder -Adresse definiert sein. Natürlich kann die Anzahl der Bits von der Anzahl der POL-Vorrichtungen in der Gruppe abhängen und größer als 5 Bits oder kleiner als 5 Bits sein. Zusätzlich können die Anzahl der Vorrichtungen in einer Gruppe, die Position oder die Reihenfolgennummer in der Gruppe spezifiziert sein. Außerdem können auch Aktionen über den Bus kommuniziert werden, beispielsweise das Hinzufügen/Entfernen einer Phase, die autonome Wiederherstellung nach einem Fehler und die Freigabe eines Stromaufteilungsalgorithmus.
23 zeigt ein Beispiel für Kommunikation 1300, in dem ein Befehl 1302 die Ereignis-Aktion wie beispielsweise das Entfernen/Hinzufügen einer Phase definieren kann, eine ID 1304 die eindeutige Kennung der Stromaufteilungsgruppe wie beispielsweise eine Adresse oder eine ID bezeichnen kann und eine bzw. ein Vorrichtungsposition/-Zustand 1306 die einzelne Vorrichtung mit ihrem Zustand verknüpfen kann, beispielsweise als eine die Phase entfernende Vorrichtung. In dieser Ausführungsform kann die Benennung einer ersten (oder anfänglichen) Master-Vorrichtung anwenderbestimmt sein, beispielsweise indem die Vorrichtungen mit eindeutigen Positionen programmiert sind. Sind zum Beispiel vier Vorrichtungen in einer Stromaufteilungskonfiguration konfiguriert, so kann die Vorrichtung mit der Position 0 als die anfängliche Master-Vorrichtung benannt sein, während die mit 1, 2 und 3 programmierten Vorrichtungen anfangs Slave-Vorrichtungen sein können. In einer Reihe von Ausführungsformen können die POL-Vorrichtungen Pin-Strap-Gestaltung aufweisen, und während des Betriebs können sie ihre Position aus ihrer Kommunikationsadresse ermitteln, wobei z. B. eine Vorrichtung mit der Adresse 0 x 20 des Bus-(z. B. SMBus-)-Adressraums in Position 0 übersetzt werden kann, wie anhand der niederwertigen Bits definiert. Sobald ein neuer Master deklariert worden ist, kann der neue Master ein Signal von allen aktiven Elementen anfordern, wobei das Signal den Phasenversatz jedes Elementes als Ergebnis der neuen Konfiguration anzeigen kann. Durch Senden der neuen Phase kann der Master errechnen, welche Phase jedes Element sein soll, und dies mit der empfangenen Information vergleichen. Zusätzlich kann das Übertragen der Phase implizieren, dass die Elemente über Kenntnis und Bewusstsein von der Gruppe verfügen.
In einer Reihe von Ausführungsformen kann ein masterloser Algorithmus dazu konfiguriert sein, die Stromaufteilungskommunikation zwischen Elementen der Stromaufteilungsgruppe zu verwalten und auch Fehlerverwaltung und Fehlerantwort innerhalb der Stromaufteilungsgruppe zu implementieren. In einer Reihe von Ausführungsformen können Stromaufteilungsgruppen mit mehreren Vorrichtungen konfiguriert sein, die so programmiert sein können, dass eine Vorrichtung als anfängliche Master-Vorrichtung der Stromaufteilungsgruppe benannt ist, während die anderen Vorrichtungen als anfängliche Slave-(oder Element-)-Vorrichtungen benannt sind. In einer weiteren Reihe von Ausführungsformen können die Vorrichtungen so programmiert sein, dass die Gruppe autonom eine Master-Vorrichtung benennen könnte. Die Master-Vorrichtung kann aktiv erste Informationen, die den Wert/Zustand von Strom anzeigen, über einen Kommunikationsbus übertragen (z. B. I²C, SMBus oder ein anderer Kommunikationsbus), wobei die Element-/Slave-Vorrichtungen diese Informationen zum Anpassen des Wertes ihres GH-Steuersignal-Tastverhältnisses zum Ausgleichen der Strombelastung jeder Vorrichtung im System verwenden. Die Master-Vorrichtung kann die ersten Informationen weiter übertragen, bis ein Fehler auftritt, ihre Phase entfernt wird oder ihre Kommunikationsschnittstelle ausfällt, wobei dann die Slave-Elemente in der Gruppe eine neue Master-Vorrichtung arbitrieren können.
Ein pseudo-masterloser Master-Slave-Algorithmus lässt sich daher als ein Algorithmus definieren, der zur Benennung wenigstens einer Vorrichtung als Standard-Master-Vorrichtung in einem Vorrichtung-zu-Vorrichtung-System funktionsfähig ist, das mehrere Vorrichtungen aufweist, und die anderen Vorrichtungen bezüglich der Master-Vorrichtung als Standard-Slave-Vorrichtungen benennt. Der Aspekt der Pseudo-Masterlosigkeit bezeichnet eine Fähigkeit des Systems, immer wenigstens eine als Master-Vorrichtung benannte Vorrichtung aufzuweisen, ohne dass Slave-Vorrichtungen explizit verlangen, an dem Bus zu Master-Vorrichtungen zu werden, und zwar aufgrund der Fähigkeit zum Arbitrieren (d. h. zur Benennung anhand bestimmter Kriterien, zu denen Prioritätsinformationen gehören können) einer neuen Master-Vorrichtung bei Funktionsausfall der benannten Standard-Mastervorrichtung. In einer Ausführungsform verfolgen alle Element-Vorrichtungen einer Stromaufteilungsgruppe den Zustand anderer Elemente der Gruppe mit einem Zustandsvektor. Dieser Vektor kann zum Verfolgen des aktuellen Masters (der beispielsweise der Standard-Master sein kann) verwendet werden, beispielsweise entsprechend einer niedrigsten aktiven Position oder einem anderen Adressierungsschema. Zusätzlich kann die Standard-Master-Vorrichtung des Systems als die niedrigste programmierte Position definiert sein (d. h. als die Vorrichtung mit der niedrigsten Vorrichtungs-ID unter den Vorrichtungen in der Stromaufteilungsgruppe).
Jedes Element einer Stromaufteilungsgruppe kann eine Anfangskonfiguration haben (d. h. jedes POL-Vorrichtungs-Element einer Stromaufteilungsgruppe kann vor dem Betrieb konfiguriert sein). Jedes Element kann mit einer Stromaufteilungsgruppen-ID konfiguriert sein (siehe wiederum 22 und 23), die eine Verwendung desselben Kommunikationsbusses durch mehrere Gruppen zulassen kann. Zusätzlich kann jedes Element einer Stromaufteilungsgruppe mit Informationen konfiguriert sein (oder solche speichern), welche die Anzahl der in der Stromaufteilungsgruppe konfigurierten Vorrichtungen anzeigen, sowie Informationen, welche die eindeutige Position der Vorrichtung selbst innerhalb der Gruppe anzeigen. Während der Spannungs-/Stromregelung kann jedes Element über den Kommunikationsbus sowohl mitverfolgen, wie viele Elemente aktiv an der Stromaufteilung der Ausgangsspannung teilnehmen, als auch welche Vorrichtung der gegenwärtig benannte Master ist. Jede Vorrichtung, die sich entweder zu der Gruppe hinzufügt oder aus der Gruppe ausscheidet, kann über den Datenbus ihre Gruppen-ID, ihren aktuellen Zustand (Hinzufügung oder Entfernen) sowie ihre Position kommunizieren.
24 zeigt ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens für POL-Vorrichtungen darstellt, die sich innerhalb einer Stromaufteilungsgruppe selbst konfigurieren, wenn eine Phase hinzugefügt wird, d. h. wenn ein POL-Regler freigegeben/aktiviert werden soll, um in der Stromaufteilungskonfiguration zusätzlichen Strom bereitzustellen. Alle an den Kommunikationsbus angeschlossenen Vorrichtungen können bestimmen, ob ein übertragenes Paket für sie relevant ist, indem sie die empfangene Gruppen-ID mit ihrer programmierten Gruppen-ID vergleichen (2402). Anders ausgedrückt: Jede Vorrichtung kann zunächst bestimmen, ob sie Teil der Stromaufteilungsgruppe ist, für die das übertragene Paket bestimmt ist. Stimmen die IDs überein, so kann die empfangende Vorrichtung den in dem Paket übertragenen Zustand des Gruppenelements beurteilen. Wenn die Vorrichtung sich zu der Gruppe hinzufügt, können die Positionen verglichen werden (2404). Wenn die empfangene Position niedriger als die programmierte Position der empfangenden Vorrichtung ist (d. h. wenn die empfangenen Informationen eine Position anzeigen, die niedriger ist als die programmierte Position der empfangenden Vorrichtung), dann kann die empfangende Vorrichtung sich als Slave-Vorrichtung (re)konfigurieren (2408). Ist die empfangene Position höher als die programmierte Position, so muss sich die empfangende Vorrichtung möglicherweise nicht rekonfigurieren (2406). Die empfangende Vorrichtung kann dann ein entsprechendes Positionsbit in einem Vorrichtungs-Vektor setzen/löschen, um anzuzeigen, dass die der empfangenen Position entsprechende Vorrichtung zu der Stromaufteilungsgruppe (2410) hinzugefügt worden ist, und den normalen Betrieb fortsetzen, sofern das Paket während des normalen Betriebs empfangen wird (2412), bzw. mit dem Betrieb beginnen, sofern die Stromaufteilungsgruppe gerade eingeschaltet wird (2412). Ist die Vorrichtungsposition der empfangenden Vorrichtung die niedrigste von allen aktiven Vorrichtungen, so kann sie sich als Master-Vorrichtung konfigurieren, anstatt sich nicht zu rekonfigurieren (in 2406).
25 zeigt ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens für POL-Vorrichtungen darstellt, die sich innerhalb einer Stromaufteilungsgruppe konfigurieren, wenn eine Phase entfernt wird, d. h. wenn ein POL-Regler für die Bereitstellung eines Elementstroms in der Stromaufteilungskonfiguration gesperrt/deaktiviert werden soll. Wiederum können alle an den Kommunikationsbus angeschlossenen Vorrichtungen bestimmen, ob ein übertragenes Paket für sie relevant ist, indem die empfangene Gruppen-ID mit ihrer programmierten Gruppen-ID verglichen wird (2502). Zeigen die empfangenen (Zustands-)Informationen in dem übertragenen Paket an, dass der Absender seine Phase entfernt, so kann die empfangende Vorrichtung zunächst in ihrem Vorrichtungs-Vektor das der übertragenden Vorrichtung entsprechende Bit setzen/löschen, um anzuzeigen, dass die der empfangenen Position entsprechende Vorrichtung entfernt worden ist (2504). Sodann kann die empfangende Vorrichtung bestimmen, ob sie (die empfangende Vorrichtung) gegenwärtig aktiv ist und als Master-Vorrichtung funktioniert (2506), und falls ja, kann sie den normalen Betrieb fortsetzen (2518). Wenn die empfangende Vorrichtung feststellt, dass sie gegenwärtig aktiv ist und nicht die Master-Vorrichtung ist, so kann sie dann vergleichen, ob die empfangene Position niedriger ist als die programmierte Position der empfangenden Vorrichtung (2508), und falls ja, kann die empfangende Vorrichtung den normalen Betrieb fortsetzen (2518). Andernfalls kann die empfangende Vorrichtung den Vorrichtungs-Vektor analysieren (2510), um ihre eigene Position zwischen allen aktiven Vorrichtungen zu bestimmen (2512).
Wenn die empfangende Vorrichtung feststellt, dass ihre Position nicht die niedrigste von allen aktiven Vorrichtungen ist, kann sie sich als Slave-Vorrichtung (re)konfigurieren (oder Slave-Vorrichtung bleiben, falls sie es schon ist). Stellt die empfangende Vorrichtung an diesem Punkt jedoch fest, dass ihre Position die niedrigste von allen aktiven Vorrichtungen ist, so kann sie sich als Master-Vorrichtung rekonfigurieren (2514) und dann den normalen Betrieb fortsetzen (2518). Insgesamt kann, wenn die empfangene Position anzeigt, dass die gegenwärtige Master-Vorrichtung ausgeschieden ist, das nächstniedriger positionierte Element die Aufgaben des Masters übernehmen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Ablaufdiagramme in 24 und 25 dafür spezifisch sind, dass die Priorität zwischen den Vorrichtungen durch den relativen Wert der ID einer Vorrichtung mit Bezug auf die ID einer anderen Vorrichtung innerhalb der Stromaufteilungsgruppe bestimmt wird. Ob eine Vorrichtung sich beim Hinzufügen/Entfernen von Phasen als Master oder Slave (re)konfigurieren soll, kann ebenso anhand von anderen spezifizierten oder vorgegebenen oder programmierten Kriterien als der relativen Position bestimmt werden, während die vorliegend offenbarten Funktionsprinzipien befolgt werden.
Es kann auch der Wirkungsgrad der Stromaufteilungskonfigurationen verbessert werden. Beispielsweise kann die Stromaufteilungsgruppe auch zum autonomen Erkennen von geringen Lasten konfiguriert sein, oder ein Host-Prozessor (zentraler Controller) kann ein Steuersignal oder eine Kommunikation für geringe Lasten bereitstellen. Der Wirkungsgrad kann in Stromaufteilungsgruppen durch eine oder mehrere der folgenden Aktionen wiedererlangt werden: Entfernen von Phasen bei geringen Ausgangslasten und/oder Verringern der Schaltfrequenz. Das Entfernen von Phasen kann den Wirkungsgrad auf mindestens zwei Arten steigern. Erstens kann das Entfernen von Phasen den von den übrigen aktiven Elementen zugeführten Strom erhöhen, wodurch ihre Effizienzkurven nach oben verschoben werden können, sodass der Gesamtwirkungsgrad der Gruppe sich erhöht. Zweitens kann das Entfernen von Phasen die effektive Schaltrate des Systems verringern, was die Verluste aufgrund der Rate des Ein- und Ausschaltens der FETs (d. h. aufgrund der Rate, mit der die FETs ein- und ausgeschaltet werden) verringern kann/minimiert. Entsprechend kann ein einfaches Verringern der Schaltfrequenz auch die Verluste aufgrund der Rate des Ein- und Ausschaltens der FETs minimieren.
Durch Lesen von parametrischen Informationen (d. h. von Informationen, die bestimmte Parameter anzeigen), beispielsweise Tastverhältnis und/oder Ausgangsstrom, kann der Master der Stromaufteilungsgruppe bestimmen, ob versucht werden soll, den Wirkungsgrad entweder durch Anpassung der Anzahl der aktiven Elemente einer Stromaufteilungsgruppe zu erhöhen, oder ob die Schaltfrequenz nach oben oder unten angepasst werden soll. Wie bereits angegeben, kann das Tastverhältnis idealerweise der Eingangsspannung, geteilt durch die gewünschte Ausgangsspannung, entsprechen. Eine Vorrichtung mit der Fähigkeit, entweder ihr Tastverhältnis zu messen oder ihr Tastverhältnis irgendwie zu erkennen, kann in der Lage sein, auf intelligente Weise zu bestimmen, welche Teile ihres System zu optimieren sind. Ist das gemessene Tastverhältnis größer als das ideale Tastverhältnis, so kann die Belastung höher sein als die diskontinuierliche Region, wobei ”diskontinuierliche Region” sich auf die Region bezieht, in der die Ausgangslaststromwelligkeit möglicherweise die Nullgrenze überschreiten kann. Wenn das gemessene Tastverhältnis der gegenwärtigen Master-Vorrichtung der Stromaufteilungsgruppe unter einem spezifizierten (erwarteten bzw. idealen) Wert liegt, kann daher die Master-Vorrichtung entweder die Schaltfrequenz des Systems oder die Anzahl der aktiven Elemente anpassen, um so den Wirkungsgrad der Gruppe zu erhöhen. Die Anpassung der Schaltfrequenz kann gemäß einem Suchalgorithmus, beispielsweise einer Sukzessives-Approximationsregister-(SAR-)-Routine, erfolgen. Der Anpassungsprozess kann sich fortsetzen, bis die Tendenz von Tastverhältnis und/oder Ausgangsstrom sich fortsetzt oder (ein) spezifizierte(r) Grenzwert(e) des Tastverhältnisses und/oder des Ausgangsstroms überschritten sind und der Master-POL-Regler der Stromaufteilungsgruppe die Anpassungen zur Steigerung des Wirkungsgrades umzukehren beginnt. In einer Reihe von Ausführungsformen kann der Wirkungsgrad durch Hinzufügen und Entfernen von Phasen und/oder durch Verringern der Frequenz der gemeinsamen Taktquelle zwischen den Elementen der Gruppe erhöht werden. Die Taktquelle kann aus einer der Element-Vorrichtungen stammen oder auch nicht. Jedoch kann die Taktquelle durch Steuerung irgendeiner Art anpassbar sein, beispielsweise über den Datenkommunikationsbus (z. B. den Bus 120 in 7).
Steigerungen der Leistungsfähigkeit – beispielsweise eine höhere effektive Schaltrate, minimierte Ausgangswelligkeit und effizient aus der Spannungsversorgung des Busses gezogener Strom – in einem Stromaufteilungssystem sind durch gleichmäßige Verteilung von Phasen um den Einheitskreis realisierbar. Beispielsweise kann ein System mit einer spezifizierten Anzahl an Vorrichtungen (z. B. vier Vorrichtungen) die Phasengestaltung jeder Vorrichtung um denselben Betrag versetzt positionieren (z. B. um 90 Grad bei vier Vorrichtungen). In einer Reihe von Ausführungsformen können die Phasen in einer Stromaufteilungsgruppe auf Basis der Anzahl aktiver Elemente zu einem jeweiligen Zeitpunkt autonom verteilt werden. Da Element-POL-Vorrichtungen hinzugefügt oder entfernt werden können und Element-Vorrichtungen aus vielfältigen möglichen Gründen Fehlerbedingungen unterliegen können, können die übrigen, aktiven Vorrichtungen dazu konfiguriert sein, ihre Phasenverteilung autonom umzuverteilen.
Alle Elemente einer Stromaufteilungsgruppe können den Zustand anderer Elemente der Gruppe über einen Zustandsvektor verfolgen. Der Zustandsvektor kann zum Speichern von Informationen konfiguriert sein, die angeben, welchen Phasenversatz die Element-Vorrichtung gemäß bestimmten Spezifikationen einhalten sollte. Beispielsweise kann die Vorrichtung mit der niedrigsten Nummer (d. h. die Vorrichtung mit der niedrigsten ID-Nummer im Verhältnis zu den anderen Vorrichtungen) bei einem Versatz von 0 Grad liegen, während die andere Vorrichtung auf Basis der relativen Position (in Bezug auf die anderen Vorrichtungen), der Gesamtzahl aktiver Vorrichtungen und eines Quantisierungsgrades auf Basis der Hardwarefähigkeit der Vorrichtung verschachtelt sein kann. 26 zeigt die Gate-Signale für vier Vorrichtungen in einer Stromaufteilungsgruppe, wobei jede Phase mit einem Satz Gate-Signale GH und GL verknüpft ist, gefolgt von der Phasennummer (1–4), was zu den Gate-Signalen GH1–GH4 bzw. GL1–GL4 führt. Alle Phasen können anfangs um 90 Grad um den Einheitskreis versetzt sein. Phase 1 kann bei 0 Grad, Phase 2 bei 90 Grad, Phase 3 bei 180 Grad und Phase 4 bei 270 Grad angeordnet sein. Wenn Phase 3 und Phase 4 (aus irgendeinem Grund) entfernt werden, kann dies bewirken, dass Phase 2 ihre Phasengestaltung aus einem 90-Grad-Versatz bezüglich des Ankers bei Phase 1 zu einem 180-Grad-Versatz bezüglich des Ankers bei Phase 1 umverteilt, wie in 26 gezeigt. 27 zeigt ähnlich dem in 26 Gezeigten die Gate-Signale für vier Vorrichtungen in einer Stromaufteilungsgruppe. In diesem Fall können Phase 2 und Phase 3 wieder dem System hinzugefügt werden, und Phase 4 kann sich infolgedessen aus einem 180-Grad-Versatz zu einem 270-Grad-Versatz umverteilen.
Die Stromaufteilungsgruppe kann auch auf verschiedene Arten zur Fehlerverwaltung in der Gruppe oder in einem größeren System konfiguriert sein. In einer Ausführungsform kann die Stromaufteilungsgruppe nach einem ”Szenario des letzten Überlebenden” konfiguriert sein. Das bedeutet: Unterliegt eine einzelne POL-Vorrichtung in der Stromaufteilungsgruppe einer Fehlerbedingung, so führt dies möglicherweise nicht dazu, dass die gesamte Stromaufteilungsgruppe in eine Fehlerbedingung eintritt, sondern dass die einzelne Vorrichtung einfach aus der Konfiguration ausscheiden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann die Stromaufteilungsgruppe dazu konfiguriert sein, kollektiv in eine Fehlerbedingung einzutreten, wenn eine einzelne Vorrichtung einer Fehlerbedingung unterliegt. In der Konfiguration des ”letzten Überlebenden” kann eine Vorrichtung dazu konfiguriert sein, sich entsprechend einem Satz spezifizierter Bedingungen auszuschalten, beispielsweise der Temperatur oder einer anderen Systemanomalie. In diesem Fall kann die Vorrichtung sich selbst aus der Stromaufteilungsgruppe beseitigen, als ob sie eine entfernte Phase wäre. Auf diese Weise verursacht die dem Fehler unterliegende Vorrichtung möglicherweise keinen Übergang in der Ausgangsspannung. Die der Fehlerbedingung unterliegende Vorrichtung kann ein Phasenentfernungsereignis an die anderen Stromaufteilungselemente der Gruppe übertragen, und alle Elemente können ihren Zustandsvektor bezüglich der dem Fehler unterliegenden Vorrichtung aktualisieren. Sobald der Fehler behoben ist, kann die Vorrichtung jedoch wieder zu dem System hinzugefügt werden. Dies kann autonom durch die einzelne Vorrichtung oder gemäß Anforderung durch die Master-Vorrichtung durchgeführt werden. In dem Fall, dass ein Element sich entweder der Gruppe hinzufügt oder aus ihr ausscheidet, können die übrigen Elemente der Gruppe ihre Phasenversetzungen entsprechend dem Zustandsvektor neu ausrichten.
Korrektes Erhöhen von Stromaufteilungs-Railspannung
In einer Reihe von Ausführungsformen können die Anstiege der Ausgangsspannungen sämtlicher Element-Vorrichtungen sowohl in einer unabhängigen Anwendung als auch in einer Verfolgungsanwendung synchronisiert sein, während Rezirkulationsströme verringert werden. Auch hier ist ein zwischen den Element-POL-Vorrichtungen konfigurierter digitaler Digitalkommunikationsbus zur Ermöglichung von intelligenter Verwaltung der POL-Vorrichtungen und der Stromaufteilungsgruppe verwendbar. In einer Ausführungsform können Rezirkulationsströme vor dem Anstieg vermindert werden, indem der Beginn der Anstiege durch ein Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikationsverfahren synchronisiert wird, während auch das Tastverhältnis des Synchron-FETs entsprechend dem Tastverhältnis des Steuer-FET-Signals erhöht wird, wie in den in 17 und 19 gezeigten Modulationsschaltungen vorgeschlagen. Diese Schaltungen können auch zur Synchronisation der Anstiege aller Element-Vorrichtungen verwendet werden, um Schwankungen der Ausgangsspannung zu vermeiden und die in den meisten Stromaufteilungssystemen vorhandenen großen Rezirkulationsströme zu vermindern.
Einzelne Phasenströme in einer Aufteilungskonfiguration können durch den Kreuzungspunkt der Lastspannung und der Lastlinie für den betreffenden Wandler bestimmt werden. Während der Sanftanlaufperiode können die Lastlinien für jeden Wandler niedrig beginnen und sich in Richtung der letztlichen Lastlinienposition bewegen. Innerhalb mancher POL-Vorrichtungen, z. B. mikroprozessorbasierter Vorrichtungen, kann es Verarbeitungslatenzen geben, die sich als wahrgenommene Zeitdifferenzen zwischen dem Beginn des Ausgangsspannungsanstiegs der einzelnen Vorrichtungen manifestieren können, was sich als signifikante Differenz in den Lastlinien zeigen kann. Da jede Vorrichtung an dieselbe Last gebunden ist (dank der Stromaufteilungskonfiguration – siehe beispielsweise 7, in der die allgemeine Last beispielhaft durch den Widerstand 112 dargestellt ist), kann dies zu einer signifikanten Differenz in den Lastlinien führen, bis das Ende des Anstiegs für die Master-Vorrichtung und die Element-/Slave-Vorrichtung(en) erreicht ist.
28 stellt zwei Anstiege dar: den Anstieg der Ausgangsspannung einer Master-Vorrichtung und den Anstieg der Ausgangsspannung einer Element-/Slave-Vorrichtung, wobei der Anstieg der Element-Vorrichtung signifikant früher einsetzt als der Anstieg der Master-Vorrichtung. Zum einfacheren Verständnis ist in 28 der Anstieg nur einer Slave-Vorrichtung gezeigt. Das Diagramm 2800 stellt die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Zeit dar, während das Diagramm 2802 die Ausgangsspannung im Verhältnis zu den Ausgangsströmen und dem Gesamtlaststrom darstellt. Zum Zeitpunkt ”t” liegt die Lastlinie des Elementes näher am Ausgangsspannungswert der letztlichen Lastlinie (als horizontale Linie dargestellt) als die Master-Lastlinie. Dies kann zu einem signifikanten Missverhältnis zwischen dem Element-/Slave-Strom und dem Master-Strom führen. Tatsächlich kann, wie in Diagramm 2802 gezeigt, das Systemverhalten widerspiegeln, dass der Master-Strom negativ ist (Hochsetzmodus), während der Element-/Slave-Strom positiv ist (Tiefsetzmodus). Die horizontale Linie in Diagramm 2802 steht für die Lastspannung zu der Zeit ”t”.
Da der Laststrom die Summe der Ströme aus beiden Wandlern ist, kann es, wenn der eine Wandler Strom zieht, erforderlich sein, dass der/die andere(n) Wandler für mehr Strom als Quelle dienen müssen, als tatsächlich von der Last benötigt wird. 29 stellt ein vorteilhafteres Lastlinienverhältnis zwischen der Lastlinie einer Master-Vorrichtung und der Lastlinie einer Slave-Vorrichtung dar, bei dem die Ströme besser ausgeglichen sind. Das Diagramm 2900 stellt die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Zeit dar, während das Diagramm 2909 die Ausgangsspannung im Verhältnis zu den Ausgangsströmen und dem Gesamtlaststrom darstellt. Der Anstieg mehrerer Stromaufteilungsvorrichtungen kann mit einer Reihe von zusätzlichen Einstellungen konfiguriert sein, um die Menge der Rezirkulationsströme zu vermindern. Wie in 29 gezeigt, sind zu der Zeit ”t” die Elementlastlinie und die Master-Lastlinie nahezu gleich weit vom Ausgangsspannungswert der letztlichen Lastlinie (als horizontale Linie dargestellt) entfernt. Dies kann jedes signifikante Missverhältnis zwischen dem Element-/Slave-Strom und dem Master-Strom signifikant verringern. Wie in Diagramm 2902 gezeigt, kann sich im Systemverhalten widerspiegeln, dass der Master-Strom und der Element-/Slave-Strom beide positiv sind (Tiefsetzmodus). Die horizontale Linie im Diagramm 2902 steht wiederum für die Lastspannung zu der Zeit ”t”.
Um die in 29 dargestellten gewünschten Ergebnisse zu erzielen, kann die Zeitgestaltung des Anstiegsbeginns, wie bereits erwähnt, durch Kommunikation über einen Digitalkommunikationsbus synchronisiert sein, während die Pulsbreite des Steuersignals an den Synchron-FET während der Anstiegsperiode moduliert werden kann. Bei der Synchronisation der Zeitgestaltung des Anstiegsbeginns aller Elemente einer Stromaufteilungsgruppe ist wiederum eine Konfiguration vom Master-Slave-Typ einsetzbar. Eine Vorrichtung kann anfangs als Master-Vorrichtung konfiguriert sein (beispielsweise wie oben beschrieben), und alle anderen Elemente können bezüglich dieses Masters als Slave-Vorrichtungen konfiguriert sein. Sobald eine Systemfreigabe erzwungen ist und von allen Elementen der Stromaufteilungsgruppe erkannt ist, können die Slave-POL-Vorrichtungen die gesamte zum Beginn eines Anstiegs benötigte Hardware einrichten und können im Leerlaufmodus warten, bis die Master-Vorrichtung ein Paket für den Anstiegsbeginn überträgt. Sobald eine von der Erzwingung einer Systemfreigabe bis zum gewünschten Anstiegsbeginn erforderliche spezifische Zeitdauer abgelaufen ist, kann die Master-Vorrichtung ein zweites Paket über den Kommunikationsbus an alle Elemente der Stromaufteilungsgruppe übertragen, damit die Elemente mit dem Erhöhen ihrer jeweiligen Ausgangsspannungen beginnen. Das zweite Paket kann bewirken, dass ein Hardware-Auslösemechanismus allen Vorrichtungen ermöglicht, mit der Erhöhung der Ausgangsspannung zu beginnen, wie in 30 dargestellt. Wie in 30 dargestellt, kann ein erster Satz Gate-Signale, GH1 und GL1, einer Master-Vorrichtung entsprechen, während ein zweiter Satz Gate-Signale, GH2 und GL2, einer Slave-Vorrichtung entsprechen kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Master-Vorrichtung, da sie auch ein Element der Stromaufteilungsgruppe ist, ebenfalls auf das zweite Paket reagieren kann, um mit der Erhöhung ihrer eigenen Ausgangsspannung zu beginnen. In dem in 30 gezeigten Beispiel funktionieren die Master-Vorrichtung und die Slave-Vorrichtung in Bezug aufeinander um 180 Grad phasenverschoben.
Zusätzlich kann eine Modulationsschaltung (z. B. die in 17 gezeigte Modulationsschaltung) auf den jeweiligen GL-Signalen der Vorrichtungen in der Stromaufteilungsgruppe angewendet werden, um zur Erhöhung der jeweiligen Ausgangsspannungen der Vorrichtungen in der Stromaufteilungsgruppe beizutragen, indem so viele Rezirkulationsströme in dem System wie möglich verringert werden. Die Modulation von GL kann die großen Ausgangsströme verringern, die in einem Leistungsstufenfilter vorhanden sein können, wenn zahlreiche in einer Stromaufteilungsgruppe konfigurierte Controller zahlreiche FETs mit in leichtem Missverhältnis stehenden Controller-FET-Tastverhältnissen ansteuern. Das Tastverhältnis von GL kann die Strommenge bestimmen, die über den Synchron-FET an Erde abgeleitet werden kann.
Die Modulationsschaltung kann auf verschiedene Arten konfiguriert sein. In einer Ausführungsform kann die Anzahl der Vorrichtungen einer Stromaufteilungsgruppe Stromgrenzwerte (d. h. Grenzwerte für den Ausgangsstrom) konfigurieren, die einem Zwischenpegel, einem Überstrompegel und einem Unterstrompegel entsprechen. Wenn einer dieser Grenzwerte überschritten wird, kann die Modulationsschaltung das Tastverhältnis des Synchron-FETs dithern. Durch Dithern des Tastverhältnisses des Synchron-FETs kann die Element-Vorrichtung die Strommenge begrenzen, die durch den Induktor abgeleitet wird. Außerdem kann das Tastverhältnis des High-Side-FETs zeitverzögert sein und am Ausgang als die Pulsbreite des Synchron-FETs dupliziert werden, wie in 31 gezeigt. Dies kann die durch den Induktor abgeleitete Strommenge durch die Strommenge begrenzen, die für jedes Element der Stromaufteilungsgruppe durch den Induktor zum Ausgang geführt wird. Zusätzlich kann ein minimales Low-Side-Tastverhältnis für die Dauer des Anstiegsprozesses programmiert sein, wie bereits in 18 gezeigt (siehe auch die obige Beschreibung dazu). Schließlich kann ein innerhalb des POL-Reglers konfigurierter Controller (z. B. ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor) zum Bestimmen des notwendigen Tastverhältnisses des Synchron-(Low-Side-)-FETs auf Basis eines Systemparameters wie beispielsweise des Tastverhältnisses oder des Ausgangsstroms verwendet werden.
Die Modulationsschaltung 17 kann dazu programmiert sein, den GL-Impuls vollständig wegzumodulieren, oder es kann eine minimale Pulsbreite programmiert sein, wie in 18 gezeigt. In manchen Fällen wird das Leistungssystem möglicherweise nicht in asynchronem Modus betrieben. Der mögliche Bereich für die Modulation ist zwischen einer Minimalpulsbreiteneinstellung zu der steigenden Flanke von GH definierbar. Der effektive Modulationsbereich ist jedoch möglicherweise das Tastverhältnis des GL-Impulses selbst. Sobald die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist und ein Signal oder Paket übertragen wird, um anzuzeigen, dass die Stromaufteilungsgruppe funktionsbereit ist, können die Vorrichtungen mit der Freigabe des Low-Side-FET-Tastverhältnisses für die erwartete Inversion des High-Side-FET-Tastverhältnisses bzw. D' = 1 – D beginnen, wobei D = Vout/Vin. 32 zeigt die Gate-Signale und Ausgangsstromwellenformen, die darstellen, wie die Slave-Vorrichtungen das Low-Side-FET-Tastverhältnis freigeben können, um stattdessen die erwartete Inversion des High-Side-FET-Tastverhältnisses zu erzielen.
Eine Schaltung (z. B. eine Schaltung wie die in 19 gezeigte) kann zur gleichzeitigen Manipulation der Pulsbreiten sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-FET-Gate-Signale verwendet werden. Wie bereits mit Bezug auf die Ausführungsform aus 19 erwähnt, ist dies erzielbar durch Abtasten eines Aufwärtszählers und gleichzeitiges Skalieren der Gate-Ansteuersignale an das typische Hochsetzwandlerausgangsfilter (z. B. die in 6 und 7 gezeigte Ausgangsstufe).
Die obigen Ausführungsformen sind zwar relativ detailliert beschrieben worden, jedoch sind andere Versionen möglich. Für den Fachmann werden nach dem vollständigen Verständnis der obigen Offenbarung zahlreiche Varianten und Abwandlungen ersichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie alle solchen Varianten und Abwandlungen umfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegend verwendeten Abschnittsüberschriften lediglich zu Gliederungszwecken und nicht zur Einschränkung der vorliegenden Beschreibung oder der vorliegend beigefügten Ansprüche bestimmt sind.

Claims

System, umfassend: einen Kommunikationsbus und eine Vielzahl von POL-(Lastpunkt-)-Reglern, die an den Kommunikationsbus gekoppelt sind und in einer Stromaufteilungsanordnung konfiguriert sind, in der jeder POL-Regler aus der Vielzahl von POL-Reglern eine jeweilige Ausgangsstufe hat, die an eine gemeinsame Last gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Ausgangsstrom zu erzeugen, wobei jeder POL-Regler eine jeweilige Phase in der Stromaufteilungskonfiguration hat, wobei jeder POL-Regler dazu konfiguriert ist, Informationen über den Bus gemäß einem dem Bus entsprechenden Bus-Kommunikationsprotokoll zu übertragen und zu empfangen; wobei die Vielzahl von POL-Reglern dazu konfiguriert sind, autonom eine Anfangszeit ihrer jeweiligen Ausgangsspannungssignalanstiege füreinander zu synchronisieren, indem sie über den Kommunikationsbus Überwachungsinformationen aneinander übertragen, während jeder der POL-Regler ein Tastverhältnis eines Gate-Signals, das einen Low-Side-Feldeffekttransistor (GL) der Ausgangsstufe des POL-Reglers steuert, gemäß einem Tastverhältnis eines Gate-Signals erhöht, das einen High-Side-FET (GH) der Ausgangsstufe des POL-Reglers steuert.
System gemäß Anspruch 1, wobei jeder POL-Regler eine Modulationsschaltung umfasst, die zum Modulieren des GH-Signals und des GL-Signals des POL-Reglers konfiguriert ist; wobei jeder POL-Regler dazu konfiguriert ist, wenigstens drei mit einem Ausgangsstrom des POL-Reglers verknüpfte Stromgrenzwerte zu konfigurieren, wobei die Modulationsschaltung dazu konfiguriert ist, das Tastverhältnis des GL-Signals zu dithern, wenn einer der wenigstens drei Stromgrenzwerte überschritten ist, um den Ausgangsstrom des POL-Reglers zu begrenzen.
System gemäß Anspruch 2, wobei die Modulationsschaltung dazu konfiguriert ist, das Tastverhältnis des GH-Signals zeitlich zu verzögern und das zeitverzögerte GH-Signal an der Ausgangsstufe des POL-Reglers als das GL-Signal zu duplizieren.