JP2004503999A

JP2004503999A - 高出力電源用の熱保護回路

Info

Publication number: JP2004503999A
Application number: JP2002511460A
Authority: JP
Inventors: トゥレスラー，クリス; チェン，メアリー
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2004-02-05
Also published as: TWI234335B; EP1303901A1; WO2001097367A1; US6721893B1

Abstract

高出力電源用の熱保護回路。電源回路はスイッチングレギュレータ回路（７０）に結合されたスイッチング制御回路（６０）を含む。スイッチング制御回路（６０）はスイッチングレギュレータ回路を制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成される。電源回路はまた、サーミスタ（２０）を含む温度感応性回路（１０）を含む。温度感応性回路（１０）はさまざまな電圧レベルの出力を位相制御回路にもたらすよう構成される。スイッチング制御回路（６０）はまた、出力において予め定められた電圧レベルを検出するとスイッチングレギュレータ回路（７０）の動作を一時停止するよう構成される。

Description

【０００１】
【発明の背景】
１．技術分野
この発明は電源に関し、より特定的に、マイクロプロセッサの電源の保護に関する。
２．背景技術
さまざまな種類の装置で電源が用いられている。さまざまな利益と不利益とを有する特別な種類の電源回路は多い。コンピュータのマイクロプロセッサは高レベルの効率を維持したまま高レベルの電流を調整する電源回路を必要とすることがある。
【０００２】
特別な電源回路のこのような種類の１つにスイッチングレギュレータがある。スイッチングレギュレータ回路は、典型的に、非調整入力よりも低い電圧出力をもたらし、それと同時に非調整電源から引込まれる電流よりも高い電流をもたらす。このことは、飽和モードと非導通モードとの間で常に切換わるトランジスタを用いることによって達成される。典型的に、電力供給用に最適化された、パワー電界効果トランジスタ等のトランジスタが用いられる。このトランジスタは飽和状態か非導通状態のいずれかにあるため、電力の消散が極めて少ない。したがって、スイッチングレギュレータは高効率で大量の電流を調整することができる。
【０００３】
これらの電源回路は通常動作中に高レベルの電流を調整するため、それらはまた、動作中に著しい量の熱を生成し得る。通常の動作状態下では熱が問題を生じることはない。しかしながら、たとえば、短絡回路、不適切な電源動作、および容認できない環境条件等の理想的とは言えない状態下では、熱が過剰となり得る。過剰な熱は、マザーボード、マイクロプロセッサ、または電源自体を含むさまざまなコンピュータシステムの構成要素に損傷を与えるおそれがある。
【０００４】
スイッチングレギュレータによって生成される熱は、制御気流（ｄｉｒｅｃｔｅｄａｉｒｆｌｏｗ）およびヒートシンクの使用等の方法によって制御され得る。これらの方法はいくつかの場合に効果的であるかもしれないが、最悪の場合の動作状態に適応するためには、これらの方法は費用のかかるおそれがある。加えて、最悪の発生し得る状態を予測できないおそれがある。
【０００５】
【発明の開示】
熱保護回路を含む電源回路のさまざまな実施例を開示する。一実施例では、電源回路はスイッチングレギュレータ回路に結合されたスイッチング制御回路を含む。スイッチング制御回路は、スイッチングレギュレータ回路を制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成される。電源回路はまた、サーミスタを含む温度感応性回路を含む。温度感応性回路は、可変電圧レベルの出力を位相制御回路にもたらすよう構成される。スイッチング制御回路はまた、出力において予め定められた電圧レベルを検出するとスイッチングレギュレータ回路の動作を一時停止するよう構成される。
【０００６】
別の実施例では、電源回路は第１のスイッチングレギュレータ回路と第２のスイッチングレギュレータ回路とに結合された位相制御回路を含む。位相制御回路は、第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の切換を制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成される。位相制御回路はまた、低電力動作モードを示す信号の受信に応答して、第２のスイッチングレギュレータ回路の動作を選択的に一時停止するよう構成される。電源回路はまた、サーミスタを含む温度感応性回路を含む。温度感応性回路は可変電圧レベルの出力を位相制御回路にもたらすよう構成される。位相制御回路は、出力において予め定められた電圧レベルを検出すると第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の動作を一時停止するようさらに構成される。
【０００７】
さまざまな他の実施例において、サーミスタは、第１のスイッチングレギュレータ回路または第２のスイッチングレギュレータ回路の温度の上昇を検出してサーミスタ内の抵抗値を変更するよう構成される。さらに、サーミスタは、温度の上昇の検出に応答して内部抵抗値を下げるよう構成される。温度感応性回路は、サーミスタが内部抵抗値を下げることに応答して予め定められた電圧レベルを発生する。
【０００８】
この発明は、さまざまな変更および代替的形態が可能であるが、その特定の実施例が図面で例として示され、この明細書で詳細に説明される。しかしながら、それに対する図面および詳細な説明は、この発明を、開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、反対に、前掲の請求項によって規定されるこの発明の精神および範囲内にある変更物、等価物、および代替物のすべてを包含することを意図するものであると理解されるべきである。
【０００９】
【発明を実施するためのモード】
次に、図１を参照すると、スイッチング電源回路の一実施例のブロック図が示される。図１のスイッチング電源回路はスイッチングレギュレータ回路７０に結合されたスイッチング制御回路６０を含む。スイッチングレギュレータ回路７０の出力はＶｏｕｔ８０であり、それを用いてマイクロプロセッサ（図示せず）に給電することができる。スイッチング制御回路６０はまた、温度感応性回路１０に結合される。
【００１０】
この実施例では、スイッチングレギュレータ回路７０は、マイクロプロセッサまたは他の装置によって用いられるための電源電圧を調整するのに用いられる１つ以上のパワートランジスタおよびさまざまな他の構成要素（図示せず）を含み得る。他の実施例では、より多くのスイッチングレギュレータ回路があってよいことに注目されたい。スイッチング制御回路６０は、スイッチングレギュレータ回路７０に対して制御信号を生成するよう構成される。これらの制御信号はトランジスタをオンとオフとに切換える。
【００１１】
一実施例では、スイッチング制御回路６０はイネーブル入力を含み、この入力は、活性状態のイネーブル信号５０によって活性化されると、スイッチング制御回路６０の通常動作を可能にする。しかしながら、イネーブル信号５０が非活性化されると、スイッチング制御回路６０はスイッチングレギュレータ回路７０の動作を一時停止する。この実施例において、活性状態の信号は１の論理値を意味し、非活性化された信号は０の論理値を指す。
【００１２】
温度感応性回路１０のノード４０はスイッチング制御回路６０のイネーブル入力に接続される。一実施例では、温度感応性回路１０は、サーミスタ２０と抵抗器３０とを含む電圧分割回路である。抵抗器３０の一方のリード線はＶＣＣに接続され、抵抗器３０の他方のリード線はサーミスタ２０の一方のリード線に接続される。サーミスタ２０の第２のリード線は回路接地に接続される。この電圧分割回路は、抵抗器３０とサーミスタ２０とにわたり、各構成要素の抵抗に比例して電圧を発生する。したがって、図１のノード４０における電圧を計算するための等式は以下のとおりである：Ｖ_ｎｏｄｅ＝ＶＣＣ（Ｒ_{ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ}）／（Ｒ_{ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ}＋Ｒ_{ｒｅｓｉｓｔｏｒ}）。しかしながら、サーミスタ２０の抵抗値は温度の変化によって変わるため、ノード４０で発生する電圧もまた温度の変化によって変わる。この特定の実施例では、温度が上昇するとサーミスタ２０の抵抗値が下降する。この種類のサーミスタは負の温度係数を有すると言われる。正の温度係数を有するもの等の他の種類のサーミスタを用いてよいことが企図される。他の実施例では、たとえば、トランジスタ等の能動素子等の他の温度感応性回路が用いられてもよい。加えて、スイッチング制御回路６０のイネーブル入力が活性状態のロー入力である場合、電圧分割器はサーミスタ２０がＶＣＣに接続されかつ抵抗器３０が接地に接続されるよう再構成され得る。
【００１３】
上述のとおり、ノード４０で発生する電圧は、抵抗器３０の選択された抵抗値とサーミスタ２０の周囲抵抗値とに依存する。サーミスタ２０の周囲温度が上昇すると、結果的にサーミスタ２０の抵抗値が下降することにより、ノード４０の電圧が比例して降下する。反対に、サーミスタ２０の周囲温度の下降により、ノード２１８の電圧が上昇する。ノード４０の電圧は、抵抗器３０の選択された抵抗値とサーミスタ２０が取り得る抵抗値の範囲とに依存して、０ボルトと、サーミスタ２０の両端間に発生し得る最大電圧レベルとの間で変化し得る。したがって、ノード４０で特定の周囲温度電圧レベルを得るために、抵抗器３０およびサーミスタ２０用に適切な抵抗値が計算されかつ選択されなければならない。
【００１４】
以下により詳細に説明するように、サーミスタ２０は、スイッチングレギュレータ回路７０の周囲動作温度に対応する温度の上昇が検出できるよう位置づけられる。周囲温度が上昇し始めると、サーミスタ２０の抵抗値は下降し始め、ノード４０の電圧が比例して降下する。電圧がスイッチング制御回路６０のイネーブル入力回路のしきい値よりも下降すると、スイッチング制御回路６０はイネーブル信号５０を非活性状態にあると検出し、スイッチング制御回路６０はスイッチングレギュレータ回路７０の動作をディスエーブルにする。この作用により、スイッチングレギュレータ回路７０によって給電されるあらゆる装置の電源が切れる（ｐｏｗｅｒｄｏｗｎ）。
【００１５】
周囲温度が下降し始めると、サーミスタ２０の抵抗値は上昇し始め、ノード４０の電圧が比例して上昇する。電圧がスイッチング制御回路６０のイネーブル入力回路のしきい値よりも上昇すると、スイッチング制御回路６０はイネーブル信号５０を活性状態にあると検出し、スイッチング制御回路６０はスイッチングレギュレータ回路７０の動作をイネーブルにする。この作用により、スイッチングレギュレータ回路７０によって給電されるあらゆる装置の電源が入る（ｐｏｗｅｒｕｐ）。
【００１６】
図２を参照すると、多相スイッチング電源回路の一実施例のブロック図が示される。図１に示されたものと同じ構成要素には、平易かつ明瞭となるよう、同じ番号が付けられる。図２の多相スイッチング電源回路は、位相制御回路１５０に結合された４つのスイッチングレギュレータ回路１１０Ａ−Ｄを含む。スイッチングレギュレータ回路１１０Ａ−Ｄの各々の出力は、ノードＶｏｕｔ１７０で共に結合される。位相制御回路１５０はまた、温度感応性回路１０に結合される。
【００１７】
この特定の実施例では、電源回路１００は、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄと示される同期式スイッチングレギュレータ回路を含む。同期式スイッチングレギュレータ回路１１０Ａ−Ｄは、個別にまたはまとめて、スイッチングレギュレータ回路１１０と称され得る。スイッチングレギュレータ回路１１０はＶｏｕｔ１７０においてマイクロプロセッサ１６０に給電するよう結合される。異なる実施例が、４つより多くの、または少ないスイッチングレギュレータ回路を含んでよいことに注目することが重要である。
【００１８】
示された実施例において、各スイッチングレギュレータ１１０は、電源端子ＶＣＣと接地との間に結合された１対のトランジスタ（たとえば、トランジスタ１０１および１０２、トランジスタ１１１および１１２等）を含む。各スイッチングレギュレータ１１０は、ダイオード（たとえばダイオード１０３、１１３等）、インダクタ（たとえばインダクタ１０４、１１４等）、およびキャパシタ（たとえばキャパシタ１０５、１１５等）をさらに含む。各スイッチングレギュレータ１１０を実現するために他の特定の回路構成を用いてよいことに注目されたい。
【００１９】
位相制御回路１５０は、スイッチングレギュレータ１１０のトランジスタの状態を、スイッチングレギュレータ１１０が互いに位相をずらして（ｏｕｔｏｆｐｈａｓｅ）動作するよう制御するための、複数の制御信号を生成するよう構成される。特定の実施例では、位相制御回路１５０はセムテック（Ｓｅｍｔｅｃｈ）ＳＣ１１４４集積回路を含んでよい。さらに詳細に以下に説明するように、位相制御回路１５０はまた、低電力動作モード中にスイッチングレギュレータ１１０のサブセットの動作を選択的に一時停止する回路を含み、それにより、効率を改善することができる。位相制御回路１５０はまた、すべてのスイッチングレギュレータ回路１１０の動作を一時停止する回路をさらに含む。
【００２０】
位相制御回路１５０はトランジスタ１０１、１１１、１２１、および１３１をそれぞれ、異なる動作位相中に活性化（すなわちオン）する。第１の動作位相（「位相１」）中にトランジスタ１０１はオンされ、トランジスタ１１１、１２１、および１３１はオフされる。各スイッチングレギュレータ１１０は同期式レギュレータとして実現されているため、トランジスタ１０１がオンされると、トランジスタ１０２は（位相制御回路１５０からの対応する制御信号に応答して）オフされる。したがって、位相１中に、電流はＶＣＣからトランジスタ１０１およびインダクタ１０４を通り、キャパシタ１０５を充電する。また、位相１中に、トランジスタ１１１、１２１、および１３１はオフされ、トランジスタ１１２、１２２、および１３２はオンされる。
【００２１】
次の動作位相（「位相２」）中に、位相制御回路１５０はトランジスタ１０１をオフし、トランジスタ１０２をオンする。トランジスタ１０２がオンされてトランジスタ１０１がオフされると、電流は一時的にインダクタ１０４を通り続けてキャパシタ１０５を充電することになるであろう。なぜなら、インダクタ１０４を通る電流は瞬時に変化し得ないからである。トランジスタ１０２はこの電流に帰路をもたらす。
【００２２】
位相２中ではまた、スイッチングレギュレータ１１０Ｂのトランジスタ１１１はオンされ、トランジスタ１１２はオフされる。したがって、上に論じたように、キャパシタ１１５はトランジスタ１１１を通ったＶＣＣからの電流によって充電される。位相３および４中のスイッチングレギュレータ５１０Ｃおよび５１０Ｄの以降の動作も同様である。
【００２３】
位相制御回路１５０は、フィードバック制御信号を介してノード１７０の出力電圧Ｖｏｕｔを監視してトランジスタ１０１、１１１、１２１、および１３１のデューティーサイクルをそれに応じて調節し、一定の電圧レベルを維持するよう、さらに構成され得る。
【００２４】
上に述べたとおり、マイクロプロセッサ１６０は低電力動作モードで動作するよう構成される。このような動作中に、マイクロプロセッサ１６０が必要とする電流は少なくなる。低電力動作モードは、たとえば、所望であれば或るシステムの非活性状態を検出する電力管理ユニット（図示せず）によって制御され得る。位相制御回路１５０は、マイクロプロセッサ１６０が現在低電力モードで動作していることを示す低電力モード制御信号がアサートされると、スイッチングレギュレータ１１０のサブセット（たとえば、スイッチングレギュレータ１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄ）の動作を選択的に一時停止するよう構成される。低電力モード制御信号は電力管理ユニットから受信され得る。この実施例において、位相制御回路１５０は、関連するスイッチングトランジスタ１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、および１３２がオフ状態に保持されるよう、それらに与えられる制御信号を除去（またはその他の態様では駆動またはディスエーブルに）することによって低電力モード中にスイッチングレギュレータ回路１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄの動作を一時停止する。このモード中に、スイッチングレギュレータ１１０Ａは上述のとおり通常の態様で動作する。
【００２５】
一実施例では、位相制御回路１５０はイネーブル入力を含み、この入力は、活性状態のイネーブル信号５０によって活性化されると、位相制御回路１５０の通常動作を可能にする。しかしながら、イネーブル信号５０が非活性化されると、位相制御回路１５０はすべてのスイッチングレギュレータ回路１１０の動作を一時停止する。この特定の実施例において、活性状態の信号は１の論理値を意味し、これは２ボルト以上の電圧レベルに対応する。非活性化された信号は０の論理値を指し、これは０．８ボルトより低い電圧レベルに対応する。用いられる集積回路に依存して、これらの電圧レベルが異なってよいことに注目されたい。さまざまな集積回路を用いてよく、したがって、特定の集積回路の入力電圧仕様を満たすために、或る範囲の電圧レベルを用いてよいことが企図されかつ意図される。
【００２６】
温度感応性回路１０の出力は位相制御回路１５０のイネーブル入力に接続される。図１の説明で上に述べたとおり、温度感応性回路１０はサーミスタ２０と抵抗器３０とを含む電圧分割回路であり得る。ノード４０で発生する電圧は、抵抗器３０の選択された抵抗値とサーミスタ２０の周囲抵抗値とに依存する。サーミスタ２０の周囲温度が上昇すると、結果的にサーミスタ２０の抵抗値が下降することにより、ノード４０の電圧が比例して降下する。反対に、サーミスタ２０の周囲温度の下降により、ノード４０の電圧が上昇する。したがって、抵抗器３０の選択された抵抗値とサーミスタ２０が取り得る抵抗値の範囲とに依存して、ノード４０の電圧は、０ボルトと、サーミスタ２０の両端間で発生し得る最大電圧レベルとの間で変化し得る。ノード４０で特定の周囲温度電圧レベルを得るために、抵抗器３０およびサーミスタ２０用に適切な抵抗値が計算されかつ選択されなければならない。
【００２７】
上でより詳細に述べたように、図２のノード４０で発生する電圧は、抵抗器３０およびサーミスタ２０用に選択された抵抗値に依存する。したがって、この実施例において、抵抗値は、周囲動作温度においてノード４０の電圧が２ボルトを超え、したがって、位相制御回路１５０がスイッチングレギュレータ回路１１０にスイッチング制御信号をもたらすことができるよう選択される。
【００２８】
以下により詳細に説明されるように、サーミスタ２０は、スイッチングレギュレータ回路１１０の周囲動作温度に対応する温度の上昇が検出できるよう位置づけられる。周囲動作温度が上昇し始めると、サーミスタ２０の抵抗値は下降し始め、ノード１４０の電圧が比例して降下する。電圧が位相制御回路１５０のイネーブル入力回路のしきい値よりも下降すると、位相制御回路１５０はイネーブル信号を非活性状態にあると検出し、位相制御回路１５０はスイッチングレギュレータ回路２２０の動作をディスエーブルにする。この作用により、マイクロプロセッサ１６０の電源が切れる。スイッチングレギュレータ回路１１０とマイクロプロセッサ１６０とをディスエーブルにすることにより、有利にも、いくつかのコンピュータシステム構成要素に対する熱関連の損傷を減じることができる場合がある。
【００２９】
周囲温度が下降し始めると、サーミスタ２０の抵抗値は上昇し始め、ノード４０の電圧が比例して上昇する。電圧が位相制御回路１５０のイネーブル入力回路のしきい値よりも上昇すると、位相制御回路１５０はイネーブル信号を活性状態にあると検出し、位相制御回路１５０はスイッチングレギュレータ回路１１０の動作をイネーブルにする。この作用により、マイクロプロセッサ１６０の電源が入る。
【００３０】
図３を参照すると、電源回路を含むコンピュータシステムのマザーボードの一実施例の図が示される。図１および図２に示されるものと同じ構成要素には、平易かつ明瞭となるように同じ番号が付けられる。マザーボード３００は電源回路１００とマイクロプロセッサ１６０とを含む。電源回路２００は位相制御回路１５０、スイッチングレギュレータ回路１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄ、ならびにサーミスタ２０を含む。
【００３１】
この実施例では、サーミスタ２０はスイッチングレギュレータ回路１１０Ａ−Ｄと極めて近接して位置づけられる。極めて近接していることにより、サーミスタ２０はスイッチングレギュレータ回路１１０Ａ−Ｄの動作温度に対応する温度を検出することができる。図３に示されるサーミスタ２０の位置が一例にすぎないことに注目されたい。サーミスタ２０がスイッチングレギュレータ回路２２０Ａ−Ｄの動作温度に対応する温度の検出が可能になり得る他の位置に置かれてよいことが企図される。
【００３２】
上の開示を十分に認識すると、当業者には、多くのさまざまな変更および変形が明らかになるであろう。前掲の請求項はすべてこのような変更および変形を含むように解釈されるべきであることを意図するものとする。
【００３３】
【産業上の利用可能性】
この発明は電源に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スイッチング電源回路の一実施例のブロック図である。
【図２】多相スイッチング電源回路の一実施例のブロック図である。
【図３】電源回路を含むコンピュータシステムのマザーボードの一実施例の図である。

Claims

スイッチングレギュレータ回路（７０）と、
前記スイッチングレギュレータ回路に結合されたスイッチング制御回路（６０）とを含み、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチングレギュレータ回路の切換を制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成され、さらに、
サーミスタ（２０）を含みかつ前記スイッチング制御回路に結合された温度感応性回路（１０）を含み、前記温度感応性回路はその出力の電圧レベルが前記サーミスタの両端間の電圧降下の変化の結果として変化し、
前記スイッチング制御回路は前記出力において予め定められた電圧を検出すると前記スイッチングレギュレータ回路の動作を一時停止するようさらに構成される、電源回路。
前記温度感応性回路は前記サーミスタと抵抗器（３０）とを含む電圧分割回路であり、前記電圧分割回路は可変電圧レベルを前記スイッチング制御回路にもたらすよう構成され、前記可変電圧レベルは前記サーミスタと前記抵抗器との間のノードで発生される、請求項１に記載の電源回路。
前記温度感応性回路は前記スイッチングレギュレータ回路の温度に対応する温度の上昇を検出するようさらに構成される、請求項２に記載の電源回路。
前記温度感応性回路は前記サーミスタが前記内部抵抗値を下げることに応答して前記予め定められた電圧レベルを発生するようさらに構成される、請求項３に記載の電源回路。
前記サーミスタは温度の前記上昇の検出に応答して内部抵抗値を下げるよう構成される、請求項２に記載の電源回路。
前記サーミスタは第１の接続で回路接地に接続され、さらに第２の接続で前記抵抗器に接続され、前記抵抗器は第３の接続で電源電圧に接続される、請求項５に記載の電源回路。
前記スイッチング制御回路はイネーブル入力をさらに含み、前記スイッチング制御回路は前記イネーブル入力において前記予め定められた電圧レベルを検出するようさらに構成される、請求項１に記載の電源回路。
第１のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ａ）と、
第２のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ｂ）と、
前記第１のスイッチングレギュレータ回路と前記第２のスイッチングレギュレータ回路とに結合された位相制御回路（１５０）とを含み、前記位相制御回路は、前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の切換を制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成され、前記位相制御回路は低電力動作モードを示す信号の受信に応答して前記第２のスイッチングレギュレータの動作を選択的に一時停止するよう構成され、さらに、
サーミスタ（２０）を含みかつ前記位相制御回路に結合された温度感応性回路（１０）を含み、前記温度感応性回路はその出力の電圧レベルが前記サーミスタの両端間の電圧降下の変化の結果として変化し、
前記位相制御回路は前記出力で予め定められた電圧レベルを検出すると前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の動作を一時停止するようさらに構成される、電源。
前記温度感応性回路は前記サーミスタと抵抗器（３０）とを含む電圧分割回路であり、前記電圧分割回路は可変電圧レベルを前記位相制御回路にもたらすよう構成され、前記可変電圧レベルは前記サーミスタと前記抵抗器との間のノードで発生される、請求項８に記載の電源回路。
前記温度感応性回路は前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の温度に対応する温度の上昇を検出するようさらに構成される、請求項９に記載の電源回路。