JP2004343997A

JP2004343997A - アクティブ電圧ポジショニング方法および実施

Info

Publication number: JP2004343997A
Application number: JP2004142818A
Authority: JP
Inventors: David Jauregui; ジョーレギーデビッド; Jason Zhang; ツァンジェーソン
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2004-12-02
Also published as: CN100458634C; US20040240238A1; US7098637B2; CN1598733A; TWI252966B; TW200500827A

Abstract

【課題】調整および最適化に対して、より高い順応性を可能にするＡＶＰ方法および実施を提供すること。
【解決手段】マイクロプロセッサ等の電源のための改良されたアクティブ電圧ポジショニング（ＡＶＰ）の実施は、過渡応答を制御可能に調整する並列ＲＣフィードバック回路６４，６６を有するバッファ増幅器６２により、電源誤差増幅器４２から分離されたＡＶＰ回路を含む。出力負荷電流感知要素から得られたＡＶＰ信号が、バッファ増幅器６２に入力を供給する。第２の入力は、電源の基準電圧Ｖrefで与えられる。バッファ増幅器６２の出力は、誤差増幅器４２に入力として接続されてＡＶＰウインドウを与える。これによって、誤差ループとＡＶＰループの過渡挙動を別々に調整することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は電圧調整器に関し、より詳細には、電源性能に厳しい要求を課すマイクロプロセッサおよび他の用途の電圧調整器に関する。一般的な現代のマイクロプロセッサは、極めて狭いウインドウの範囲内で安定している２ボルトより下の動作電圧、および０と５０アンペア以上とが非常に速い速度で切り換わることができる電流を必要とし、また最先端技術の電源は、約１ボルトで約１００アンペアの電流を、１．０パーセント未満の電圧精度で供給しなければならない。そのような条件の下で安定した電圧を維持するために、非常に高度な電源設計技術を使用しなければならない。

マイクロプロセッサ電源の出力を制御するのに好ましい技術は、アクティブ電圧ポジショニング（ＡＶＰ）であり、これの基本的な概念を図１に示す。これに従って、電源出力電圧は、それぞれ最大電圧Ｖ_ｍａｘと最小電圧Ｖ_ｍｉｎで画定される許容電圧ウインドウ８の範囲内で、負荷電流の関数として制御される。要求される出力電流が１０のように小さい場合、出力電圧は電圧ウインドウの最上部近くに調整されるので、階段状に出力電流が増加したとき、電圧は最小電圧Ｖ_ｍｉｎより下に低下しない。逆に、出力電流が１２のように大きい場合、電圧は電圧ウインドウの最下部近くに調整されるので、出力電流が下のレベルに戻ったとき、電圧は最大電圧Ｖ_ｍａｘより上に上昇しない。

パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用するスイッチングレギュレータが、一般に、マイクロプロセッサ電源として使用されている。ＡＶＰが使用されるとき、内蔵のＡＶＰ回路を有する集積回路（ＩＣ）コントローラが用意される。そのようなコントローラの主な特徴部分を図２に示し、全体を１８で示す。この特徴部分には、誤差増幅器２０、補償回路網２２、ＰＷＭ生成器２４、およびＭＯＳＦＥＴ２６および２８のような少なくとも１対のハイ側およびロー側トランジスタスイッチが含まれ、これらのトランジスタスイッチが、インダクタ−コンデンサ回路３０を通して出力電圧Ｖ_Ｏを負荷に供給する。負荷は、マイクロプロセッサＣＰＵ３２で表される。しかし、当業者は理解するであろうが、これは、電源からの電圧に非常な安定を要求する、高速電流過渡現象を特徴とする任意の大電流低電圧負荷を代表するものである。

制御を行うために、電圧Ｖ_Ｏを表す信号が、入力抵抗３４を通して誤差増幅器２０にフィードバックされる。当業者は理解するように、この信号は通常、シャント抵抗器または完全導電ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗Ｒ_ｄｓｏｎのような電流感知要素（図示しない）によって、または任意の他の適切なやり方で供給される。

ＩＣ１８の中の電流源３６は電流フィードバック信号に応答して動作し、入力抵抗器３４に電流信号を注入して電圧オフセットを生成し、かつＡＶＰウインドウ８を作る（図１を参照されたい）。

この従来方式には、２つの主要な不利点がある。第１に、図１に示すように理想的なＡＶＰ出力電圧波形を生成するために、誤差回路とＡＶＰ回路の両方の利得およびループ応答、並びにＡＶＰループ応答の最適設定が必要になる。図示の方法では、使用者が両方のループ応答を容易に最適化することができない。

第２に、誤差増幅器２０の入力抵抗器３４は、また、すべての動作条件の下で発振が起こらないように制御ループを安定化する補償回路網２２の一部でもある。抵抗器３４の値は、通常、ＡＶＰウインドウを設定するために固定値に設定されるので、このために、使用者は、入力抵抗器３４に選ばれた値に基づいて、補償回路網２２の他の抵抗器およびコンデンサのすべてを選ばなければならなくなる。補償回路網２２の設計変更に対応するように抵抗器３４の値を変えるとＡＶＰウインドウが変化することになり、したがってシステムを補償することが面倒になる。

したがって、マイクロプロセッサなどの電源のＡＶＰを実現する、より順応性のある解決法が必要とされている。

したがって、本発明の目的は、調整および最適化に対して、より高い順応性を可能にするＡＶＰ方法および実施を提供することである。

本発明の他の目的は、誤差増幅器ループとＡＶＰループの過渡応答および利得を別々に調整することができるようにして、フィードバックループの安定性およびＡＶＰウインドウ形状のより適切な制御を可能にするＡＶＰ方法および実施を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、使用者の能力を単純にし、かつ向上させて、安定性の応答を補償するＡＶＰ方法および実施を提供することである。

本発明のその他の目的は、ＡＶＰ機能を実現するように設計されていないコントローラで使用することができるＡＶＰ方法および実施を提供することである。

これらの目的は、本発明に従って、コントロールＩＣの残部とは別個にＡＶＰ機能を実施し、かつ、ＡＶＰ電流源をバッファ回路を通して誤差増幅器の入力に結合することにより達成される。補償における順応性が高まること、および、誤差増幅器ループ応答とＡＶＰループ応答を別々に調整して、これによりほぼ理想的なＡＶＰを実現できることは、実施により回路が複雑になることを埋め合わせて余りある。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する次の本発明の説明から明らかになるであろう。

図３は、本発明に従ったＡＶＰ方法の好ましい実施を示す。ここで、図示されたコントローラの部分は、出力電圧フィードバック信号Ｖ_Ｏに接続された第１の入力抵抗器４４を有する誤差増幅器４２を含む。誤差増幅器４２の出力は、図２に示す回路の２４に相当するＰＷＭ生成器に入力として接続される。

図２の回路では、ＡＶＰ電流源３６は、電圧フィードバック信号と同様、誤差増幅器２０の入力に結合される。対照的に、本発明に従えば、図３に示すように、一般的に４６で示すＡＶＰ電流源は、誤差増幅器４２の別個の入力に接続され、入力抵抗器４４はＡＶＰ回路の一部でない。

本発明に従って、ＡＶＰ電流源４６および入力増幅器５０は、出力電流感知要素に接続された直接入力および反転入力を有し、増幅器５０および抵抗器５２，５４で決定されるオフセット信号を与える。このオフセット信号は、バッファ増幅器６２の反転入力に結合される。バッファ増幅器６２は、公称電源電圧を定める基準信号源６８に結合された直接入力を有する。このようにして、バッファ増幅器６２の出力は、誤差増幅器と電圧基準の間にオフセット電圧を生成する。

コンデンサ６６と並列に接続された抵抗器６４を含んだＲＣフィードバック回路が、ＡＶＰ回路のループ応答を制御する。

抵抗器５２、５４および６４の値とコンデンサ６６の値を選ぶことで、使用者は、用途の要求条件に従って、誤差ループの利得と無関係にＡＶＰ回路６０の利得および応答特性を最適化することができる。

従来通りの製造技術を使用して誤差増幅器４２、補償回路網４８およびＡＶＰ回路６０を含むＩＣコントローラを実現して、本発明を実施することができる。また、別々のＩＣで誤差補償ループおよびＡＶＰループを実施することもできる。当業者は理解するように、これによって、既存のＩＣコントローラを用いた本発明のＡＶＰ実施を使用できるようになる。

図４は、本発明に従ったＡＶＰ回路で実現できるＡＶＰ挙動のモデル化された範囲および利点を、従来の実施と比較して示す。図４において、波形８０ａは、関連したマイクロプロセッサの動作で要求されるような電源電流出力の段階変化を表す。この例では、電源は、０アンペアから約５０アンペアまで変化する電流を供給するはずである。波形８０ｂは過補償のＡＶＰ波形を示す。すなわち、ＡＶＰループ応答が速すぎる。このことが、オーバシュートおよびアンダシュートのピークの原因となる。逆に、波形８０ｃは補償不足のＡＶＰ波形を示す。すなわち、ＡＶＰループの過渡応答が遅すぎて電流変化に有効に追従することができていない。

波形８０ｄは対照的に、本発明に従って適切に補償されたＡＶＰループの挙動を示す。

波形８０ｂおよび８０ｃは、図２に示したような従来の回路で達成される一般的な性能であり、これは、誤差増幅器の入力抵抗器３４を誤差補償回路とＡＶＰ回路の両方の一部として使用することによっている。波形８０ｄは、図３に示す実施を使用した適切な補償によって実現することができる性能を表し、誤差ループ過渡応答とＡＶＰループ過渡応答を独立に設定できることによる。

図３に従って実施された適切補償ＡＶＰ回路の実測性能を図５に示す。

図示の実施例では、負荷電流フィードバック信号を使用して電圧基準のオフセットを変えている。このことは、スイッチングレギュレータでは通常のことである。しかし、当業者には当然明らかなことであるが、マイクロプロセッサが行うべき来るべき動作を解析して、予測に基づいてオフセットを制御することも可能である。このことから、電源負荷電流の段階変化を識別することができ、それに応じてＡＶＰ電流源の出力を調整できることが、おそらく動作に必要になる。

本発明は、特定の実施例に関連して説明したが、多くの他の変形物および修正物、および他の用途が、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、明細書の特定の開示によって制限されることなく、添付の特許請求の範囲に従って可能な全範囲を与えられることを意図する。

ＡＶＰの基本的な概念を示す波形図である。ＡＶＰの従来の実施を例示するマイクロプロセッサ電源用のコントローラの特徴部分を示す概略回路図である。本発明に従ったＡＶＰ機能の実施を例示するコントローラを示す部分概略回路図である。従来の実施と比較して本発明の利点を示す波形図である。本発明に従ったＡＶＰ実施の実測性能を示す波形図である。

符号の説明

４２誤差増幅器
４４，５２，５４，６４抵抗器
４６ＡＶＰ電流源
４８補償回路網
５０入力増幅器
６２バッファ増幅器
６６コンデンサ
６８基準信号源

Claims

誤差増幅器と、前記誤差増幅器の入力回路と、フィードバック補償回路網とを含んだ誤差補正回路、および、電源の出力電圧を前記誤差補正回路と協働して電源負荷電流の急速な変化に無関係な所定の電圧範囲Ｖ_ｍａｘからＶ_ｍｉｎに維持するＡＶＰ回路を備える電源コントローラであって、前記ＡＶＰ回路は、
前記誤差増幅器の前記入力回路に接続された出力を有するバッファ回路、
前記電源の出力電流に応じて変化する入力を前記バッファ回路に供給するように結合されたＡＶＰ信号源、および、
前記ＡＶＰ信号源で供給された前記バッファ回路の入力の変化に応答して前記バッファ回路の過渡挙動を制御するように動作する補償回路
を含むことを特徴とする電源コントローラ。
前記ＡＶＰ回路および前記誤差増幅器は、別個の集積回路にあることを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
前記ＡＶＰ回路および前記誤差増幅器は、単一の集積回路にあることを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
前記ＡＶＰ信号源は、所定の利得を有する入力増幅器に結合された電源負荷電流感知要素によって実現されることを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
前記バッファ回路は複数の直接入力および反転入力を有するバッファ増幅器を含み、前記ＡＶＰ信号源は前記バッファ増幅器の前記入力の一方に接続され、および、基準電圧信号が前記バッファ増幅器の前記入力の他方に接続されることを特徴とする請求項４に記載の電源コントローラ。
前記バッファ回路は、前記誤差補正回路に接続された出力および前記ＡＶＰ回路に接続された入力を有し、さらに、
前記バッファ増幅器の補償回路網は、前記バッファ増幅器の前記出力と前記ＡＶＰ信号源に接続された前記入力との間に接続されたフィードバック回路を備えることを特徴とする請求項５に記載の電源コントローラ。
前記補償回路網は、前記バッファ増幅器の前記入力と前記出力の間に接続された並列ＲＣ回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の電源コントローラ。
前記バッファ回路は、前記誤差補正回路に接続された出力および前記ＡＶＰ回路に接続された入力を有するバッファ増幅器を含み、
前記バッファ増幅器の補償回路網は、前記バッファ増幅器の前記出力と前記ＡＶＰ信号源に接続された前記入力の間に接続されたフィードバック回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
前記補償回路網は、前記バッファ増幅器の前記入力と前記出力の間に接続された並列ＲＣ回路を備えることを特徴とする請求項８に記載の電源コントローラ。
前記誤差補正回路は、複数の直接入力および反転入力を有する誤差増幅器を含み、
前記入力のうちの１つは前記電源負荷電流から得られるフィードバック信号で与えられ、さらに、
前記入力のうちの第２の入力は前記バッファ回路の出力で与えられることを特徴とする請求項１に記載の電源コントローラ。
前記ＡＶＰ回路は前記基準電圧信号にオフセットを与えるように動作し、該オフセットによって、前記電源負荷電流が小さいときは前記電源の前記出力電圧がＶ_ｍａｘに近づくようになり、かつ、前記電源負荷電流が大きいときはＶ_ｍｉｎに近づくようになり、これにより、急速な負荷電流低下に起因する出力電圧の上昇は前記出力電圧がＶ_ｍａｘを超えるのに十分でなく、また、急速な負荷電流増大に起因する前記出力電圧の低下は前記出力電圧がＶ_ｍｉｎより下に低下するのに十分でないことを特徴とする請求項５に記載の電源コントローラ。
誤差増幅器と、前記誤差増幅器の入力回路と、フィードバック補償回路網とを含んだ誤差補正回路、および、電源の出力電圧を前記誤差補正回路と協働して電源負荷電流の急速な変化に無関係な所定の電圧範囲Ｖ_ｍａｘからＶ_ｍｉｎに維持するＡＶＰ回路を備える電源コントローラであって、前記ＡＶＰ回路は、
前記誤差補正回路の入力に接続された出力を有するバッファ回路、
前記バッファ回路の第１の入力に結合されたＡＶＰ信号源、
前記バッファ回路の第２の入力に接続された基準電圧信号、および、
前記ＡＶＰ信号源で供給される前記バッファ回路の入力の変化に応答して前記バッファ回路の過渡挙動を制御するように動作する補償回路を含み、
前記ＡＶＰ回路が、前記基準電圧信号に対して前記バッファ回路の出力を調整して、前記電源負荷電流が小さいときは前記出力電圧をＶ_ｍａｘに近づけ、かつ、前記電源負荷電流が大きいときはＶ_ｍｉｎに近づけるように動作することにより、急速な負荷電流低下に起因する前記出力電圧の上昇は前記出力電圧がＶ_ｍａｘを超えるのに十分でなく、かつ、急速な負荷電流増大に起因する前記出力電圧の低下は前記出力電圧がＶ_ｍｉｎより下に低下するのに十分でないことを特徴とする電源コントローラ。