TW201401010A - 用於切換模式調節器之動態下降之系統與方法 - Google Patents

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Abstract

一種具有動態下降的調節器系統，包含：一調節器控制網路，其被調適成用以控制將輸出電壓調節至參考位準；一DC下降網路，其會提供一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；以及一動態下降網路，其會響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。一暫態縮減網路可被併入，用以根據工作週期類型來縮減負載插入或負載釋放的暫態過衝。該動態下降網路調整該下降訊號，用以在AC偏移電壓允許值和該預設DC負載線之間轉變時最佳化AC延遲參數之運用。

Description

用於切換模式調節器之動態下降之系統與方法
本發明關於用於切換模式調節器之動態下降之系統與方法。
相關申請案交互參照
本申請案主張2012年5月10日提申之美國臨時申請案序號第61/645,264號的利益，本文針對所有意圖與目的以引用的方式將其完整併入。
電壓下降(voltage droop)係響應於輸出負載的位準而對切換模式調節器之輸出電壓的刻意調整。當負載輕時，輸出電壓可被調節至較高的電壓位準。當負載增加時，輸出電壓則會根據負載位準而被調節至成比例的較低電壓位準。輸出電壓和負載之間的關係通常由DC負載線規格(或是DC下降)來決定。AC負載線規格(或是AC下降)則提供負載轉變期間的容限位準。一般來說，AC負載線容限提供一電壓允許偏移(voltage allowance offset)以及一延遲參數，其決定允許偏離該DC負載線規格的輸出電壓的數額以及響應於負載轉變或暫態的時間長度。
響應於負載暫態位在該輸出訊號之上升緣與下降緣中的習知下降響應時間(droop response time)通常相同。該等訊號緣和響應的速度為不可調整。習知的下降網路(droop network)含有針對AC下降與DC下降兩者的一或兩個對稱的下降位準。
根據本發明的一項觀點，一種具有動態下降的調節器系統包括：一調節器控制網路，其被調適成用以控制將輸出電壓調節至參考位準；一DC下降網路，其提供一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；以及一動態下降網路，其響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
根據本發明的另一項觀點，一種電子裝置包括：一補償與比較器網路，其比較一輸出電壓感測訊號和一參考訊號，用以提供一表示其比較結果的補償訊號，並且以該補償訊號為基礎產生一脈衝控制訊號，用以控制輸出電壓；一下降網路，其產生一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該輸出電壓感測訊號；以及一動態下降網路，其響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
根據本發明的再一項觀點，一種控制具有動態下降之調節器系統的方法包括：將輸出電壓調節至參考位準；根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；偵測一負載暫態；以及響應於該負載暫態來調整該已修正之參考位準，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
100‧‧‧電子裝置
101‧‧‧電力系統
102‧‧‧調節器
105‧‧‧匯流排
107‧‧‧處理器
109‧‧‧週邊系統
111‧‧‧系統記憶體
113‧‧‧I/O系統
201‧‧‧閘極驅動器
203‧‧‧中間相位節點
205‧‧‧輸出節點
207‧‧‧LOAD
209‧‧‧節點
211‧‧‧下降網路
213‧‧‧跨導放大器
215‧‧‧加法器
217‧‧‧節點
219‧‧‧積分誤差放大器
221‧‧‧電壓源
223‧‧‧PWM比較器網路
300‧‧‧動態下降網路
301‧‧‧電壓源
303‧‧‧比較器
305‧‧‧電流源
307‧‧‧電流槽
309‧‧‧節點
311‧‧‧跨導裝置
313‧‧‧電壓源
315‧‧‧比較器
317‧‧‧延遲裝置
319‧‧‧單擊裝置
401‧‧‧GM˙(VIN-VOUT)/C設定動態下降的快速邊緣響應
403‧‧‧RON˙C時間常數設定初始響應後面的慢速下降速度
405‧‧‧Q4在負載釋放期間重置慢速下降迴圈
500‧‧‧動態下降網路
501‧‧‧跨導裝置
601‧‧‧暫態縮減網路
602‧‧‧非所希的過衝
603‧‧‧閘極驅動網路
604‧‧‧非所希的下衝
605‧‧‧暫態縮減網路
607‧‧‧閘極驅動網路
801‧‧‧穩態電壓位準
803‧‧‧低電壓位準
805‧‧‧電壓位準
807‧‧‧動態下降讓VOUT比較緩慢地上升
809‧‧‧較高電壓位準
811‧‧‧尖峰
813‧‧‧縮減的尖峰
901‧‧‧尖峰
903‧‧‧後續的重複性尖峰
1001‧‧‧調節器的功率損失
1003‧‧‧功率損失偏差
1101‧‧‧暫態縮減網路
1103‧‧‧閘極驅動網路
1105‧‧‧工作週期偵測網路
1201‧‧‧暫態縮減網路
參考下面說明以及隨附圖式會更瞭解本發明的好處、特點、以及優點，其中：圖1所示的係根據本發明實施例的電子裝置的簡化方塊圖，其係以具有利用動態下降所施行之調節器的電力系統配置而成；圖2所示的係根據本發明實施例利用動態下降所施行之圖1的示範性調節器的簡化電路圖與方塊圖；圖3所示的係根據一實施例所施行之動態下降網路的簡化電路圖與方塊圖，其係用以產生用於低工作週期應用的下降調整電流，並且圖中還顯示操作情形的關係代表圖；圖4所示的係根據其中一實施例用於低工作週期應用之圖3的動態下降網路的操作時序圖，其對照用於習知配置的對應訊號；圖5所示的係根據其中一實施例針對高工作週期應用所施行之動態下降網路的操作時序圖(其中，VIN與VOUT的比值為相對低)，其對照用於習知配置的對應訊號；圖6所示的係圖1之調節器的輸出部的電路圖與方塊圖，其包含一用於低工作週期應用之過衝縮減(overshoot reduction)的暫態縮減網路以及一用於高工作週期應用之下衝縮減(undershoot reduction)的暫態縮減網路；圖7所示的係利用習知下降和圖6之暫態縮減網路所施行之調節器之以負載插入/釋放的頻率(負載暫態重複率)為基礎的能量損失(且因而為功率損失)關係圖；圖8所示的係具有如本文中所述之動態下降的配置(例如，圖1的調節 器)，其包含圖6之暫態縮減網路，在低至中暫態重複率處的能量損失關係圖；圖9所示的係具有如本文中所述之動態下降的配置，例如，圖1的調節器，其包含圖6之暫態縮減網路，在相對高的暫態重複率處的能量損失關係圖；圖10所示的係一種特殊配置的功率損失(以瓦(W)為單位)相對於負載重複率(Hz)的關係圖；圖11所示的係根據替代實施例所施行之暫態縮減網路的方塊圖，其結合圖6之暫態縮減網路的功能；以及圖12所示的係根據另一替代實施例所施行之暫態縮減網路的方塊圖，其結合圖6之暫態縮減網路的功能。
參考下面說明以及隨附圖式會更瞭解本發明的好處、特點、以及優點。下面說明之提出可讓熟習本技術的人士在特殊應用的背景及其必要條件內製作並且使用本發明。然而，熟習本技術的人士便會明白可以對本發明的較佳實施例進行各種修正，而且本文中所定義的一般性原理可以套用至其它實施例。所以，本發明並沒有受限於本文中所示與所述之特殊實施例的意圖，而是與本文中所揭示之原理和新穎特點一致的最廣範疇相符。
電壓下降係響應於輸出負載的位準對切換模式調節器之輸出電壓的刻意調整。當負載輕時，輸出電壓可被調節至較高的電壓位準。當負載增加時，輸出電壓則會以負載位準為基礎被調節至成比例的較低電 壓位準。輸出電壓和負載之間的關係通常由DC負載線規格(或是DC下降)來決定。AC負載線規格(或是AC下降)則提供負載轉變期間的容限位準。一般來說，AC負載線容限提供一電壓允許偏移以及一延遲參數，其決定允許偏離該DC負載線規格的輸出電壓的數額以及響應於負載轉變或暫態的時間長度。
響應於負載暫態位在該輸出訊號之上升緣與下降緣中的習知下降響應時間通常相同。該等訊號緣和響應的速度為不可調整。習知的下降網路含有針對AC下降與DC下降兩者的一或兩個對稱的下降位準。
已經判斷出在多種情況下以工作週期為基礎的動態下降響應可以令人滿意的方式提供最佳的暫態回復。於降壓型轉換器的低工作週期應用中，其會希望在負載插入中有慢速下降響應，而在負載釋放中有快速下降響應。於降壓型轉換器的高工作週期應用中，其會希望在負載插入中有快速下降響應，而在負載釋放中有慢速下降響應。一般來說，如本文中所述的動態下降配置可操作用以在從AC偏移電壓容限轉變至DC負載線規格時最佳化AC延遲參數之運用。
降壓型切換調節器會將較高的輸入電壓VIN轉換成較低之已調節的輸出電壓VOUT。工作週期「D」通常係指由該調節器產生用以控制電壓轉換之脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制訊號的導通時間(on-time)和週期之間的比值。工作週期通常決定穩態條件期間的VIN與VOUT之間的關係，其中，VOUTD˙VIN。應該瞭解的係，工作週期會響應於負載暫態而改變，例如，在負載插入暫態期間提高以及在負載釋放期間降低；工作週期類型係穩態條件期間輸入電壓與輸出電壓之間的通用關 係。低工作週期應用或類型係穩態條件期間輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN的比值為相對低的應用或類型，例如，當輸入電壓為相對高及/或輸出電壓為相對低時(舉例來說，VOUT與VIN之間相對大的差異)。高工作週期應用或類型係穩態條件期間輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN的比值為相對高的應用或類型，例如，當輸入電壓為相對低及/或輸出電壓為相對高時(舉例來說，VOUT與VIN之間相對小的差異)。
圖1所示的係根據本發明實施例的電子裝置100的簡化方塊圖，其係以具有利用動態下降所施行之調節器102的電力系統101配置而成。電力系統101會產生一或更多個供應電壓，該等供應電壓提供電力給電子裝置100的其它系統裝置。於圖中所示的實施例中，電子裝置100包含一處理器107以及一週邊系統109，兩者會透過匯流排105被耦合用以從電力系統101處接收供應電壓，該匯流排105包含由電力及/或訊號導體組成的任何組合。於圖中所示的實施例中，週邊系統109可以包含由一系統記憶體111(舉例來說，包含由RAM型裝置與ROM型裝置以及記憶體控制器以及類似物組成的任何組合)以及一輸入/輸出(Input/Output，I/O)系統113組成的任何組合，該輸入/輸出(I/O)系統113可以包含系統控制器以及類似物，例如，圖形控制器、中斷控制器、鍵盤與滑鼠控制器、系統儲存裝置控制器(舉例來說，用於硬碟機以及類似物的控制器)…等。圖中所示的系統僅為示範性，因為該處理器系統以及該等支援裝置中有許多可如熟習本技術人士所瞭解般地被整合於處理器晶片上。
電子裝置100可以係任何類型的電腦或計算裝置，例如，電腦系統(舉例來說，筆記型電腦、桌上型電腦、上網筆記型電腦(netbook computer)…等)、媒體平板裝置(舉例來說，蘋果公司的iPad、亞馬遜公司的Kindle…等)、通訊裝置(舉例來說，蜂巢式電話、智慧型電話…等)、以及其它類型的電子裝置(舉例來說，媒體播放器、記錄裝置…等)。電力系統101可以被配置成包含電池(可充電式及/或不可充電式)及/或可以被配置成以交流轉接器或類似物來操作。
圖2所示的係根據本發明實施例利用動態下降所施行之示範性調節器102的簡化電路圖與方塊圖。圖2中雖然並未顯示；不過，調節器102可以進一步包含一如本文中進一步說明的暫態縮減網路。圖中雖然圖解單一相位，不過，應該瞭解的係，本發明亦涵蓋多相位調節器。調節器102包含一閘極驅動器201，用以接收一脈衝控制訊號或PWM訊號並且提供個別的閘極驅動訊號給上電子切換器Q1與下電子切換器Q2。該等電子切換器Q1與Q2的電流終端(舉例來說，汲極與源極)被串聯耦合在一輸入電壓VIN與一顯示為接地(GND)的共同參考電壓之間。應該注意的係，GND大體上代表一或更多個參考節點，例如，一或更多個接地位準或節點(舉例來說，訊號接地、電力接地、底板接地…等)；或者，位於任何其它正參考電壓位準或負參考電壓位準處的一或更多個參考節點。該等切換器Q1與Q2一起被耦合在中間相位節點203處，用以產生一對應的相位電壓。輸出電感器L的其中一端被耦合至該相位節點203；而其另一端被耦合至輸出節點205，用以產生輸出電壓VOUT。輸出電容器CO和LOAD 207被耦合在輸出節點205和GND之間。LOAD 207大體上代表一或更多個負載，例如，舉例來說，處理器107及/或週邊系統109的任何一或更多個裝置。
VOUT或是表示VOUT的回授訊號VFB會透過一補償網路 或是類似物被提供至積分誤差放大器219的一輸入。VFB可以係一表示VOUT的已感測或是成比例的訊號，例如，由分壓器或是類似物(圖中並未顯示)所產生。如圖所示，VOUT(或VFB)會被提供至電阻器R2的其中一端，而電阻器R2的另一端則被耦合至節點217，節點217會進一步被耦合至電阻器R3的其中一端並且被耦合至誤差放大器219的負向(-)或反向輸入。電阻器R3和電容器C2被串聯耦合在該負輸入和誤差放大器219的輸出之間。電壓源221會產生一相對於GND的參考電壓VREF，其中，VREF會被提供至誤差放大器219的正向(+)或非反向輸入。R2、R3、以及C2共同形成一RC補償網路，其中，該誤差放大器219會在其輸出處產生一補償訊號VCOMP。VCOMP會被提供至PWM比較器網路223的輸入，PWM比較器網路223會在其輸出處產生用以控制調節器102的PWM訊號。
圖中所示的電阻器DCR和電感器L串聯耦合，其中，DCR並非分離的實際電阻器，取而代之的係，其代表電感器L的DC電阻值。流經該電感器的電流IL可藉由感測跨越DCR的電壓來感測。如圖所示，電阻器R1與電容器C1彼此串聯耦合並且被擺放跨越該電感器L。在R1與C1之中間接合點處的節點209會被耦合至下降網路211的其中一個輸入，而輸出節點205則被提供至該下降網路211的另一個輸入。跨越C1所產生的電壓(介於節點205與209之間)為用於感測電感器電流的電壓IL˙DCR。該下降網路211會產生一下降電壓VD，其會被提供至一跨導放大器213的正輸入，該跨導放大器213的負輸入被耦合至GND。該跨導放大器213會以跨導增益GM為基礎將輸入電壓VD轉換成成比例的下降電流ID。
在習知配置中，下降電流ID係被注入控制迴圈之中，例如， 圖中所示之補償網路的輸入節點217，用以提供習知的下降功能。於其中一實施例中，加法器215會被插入，用以將ID加入至下降調整電流IDADJ，以便提供一經過修正的下降電流IDMOD。IDADJ會被調適成用以調整ID而提供IDMOD，以便為習知的下降電流提供所希的動態下降調整，如本文中的進一步說明。該動態下降調整係以運用於特殊應用的工作週期配置為基礎。於低工作週期應用中，IDMOD係被配置成用以為負載插入提供慢速下降響應，然後為負載釋放提供快速下降響應。於高工作週期應用中，IDMOD係被配置成用以為負載插入提供快速下降響應，然後為負載釋放提供慢速下降響應。
當輸出電壓下降不適用時，該控制迴圈會使用電壓VREF將VOUT的電壓位準設為預設的參考位準。被注入節點217之中的下降電流會根據DC負載線(DC Load Line，DCLL)規格來應用電壓下降用以修正VOUT的參考位準。下降調整電流IDADJ會響應於一負載暫態來調整該下降電流，以便從AC負載線(AC Load Line，ACLL)容限延遲回復至該DC負載線規格。輸出電壓雖然仍維持在該AC負載線容限內；但是，動態下降卻允許當響應於負載暫態轉變至DCLL時最佳化該AC延遲參數之運用，該AC延遲參數定義允許偏離DCLL的VOUT的時間數額。
下降電壓VDROOP係VREF與VOUT之間的所希差異。該下降電壓被決定為VDROOP=IDMOD˙R2。VDROOP並沒有明確地產生在任何特殊的節點處，而且其未必係跨越電阻器R2的電壓，因為除了該經過修正的下降電流IDMOD之外，還有其它電流會流過R2。不過，仍可以IDMOD和R2為基礎輕易地決定VDROOP。
圖3所示的係根據其中一實施例所施行之動態下降網路300的簡化電路圖與方塊圖，其係用以產生用於低工作週期應用(或類型)的下降調整電流IDADJ，而且圖中還顯示操作情形的關係代表圖。於此特殊配置中，PWM比較器網路223會產生一視窗電壓VW，其分離VCOMP成為視窗差異電壓△VW(△VW=VW-VCOMP)。圖中雖然並未顯示，不過，已知各種方法可用以產生視窗電壓，例如，注入視窗電流至以VCOMP為基準的視窗電阻器之中。該PWM比較器網路223進一步產生一漣波電壓，其會在VCOMP(在下端處)和VW(在上端處)之間觸變，用以產生PWM。舉例來說，當VR下落到VCOMP時，PWM會被判定為高位準，而VR會在抵達VW之前繼續斜升。當VR抵達VW時，PWM會被下拉為低位準，而VR會再次斜降。在PWM之多個連續循環中的操作會依此方式重複進行。
用以產生第一觸發電壓差△VTRIG1的電壓源301的負端係以VR為基準，而它的正端則被耦合至比較器303的正輸入。VCOMP會被提供至比較器303的負輸入，而比較器303的輸出會提供一負載插入訊號LI，其會被提供至一N型場效電晶體(Field-Effect Transistor，FET)Q3的閘極。本發明亦涵蓋其它類型的電子切換器。Q3的源極被耦合至GND，而它的汲極被耦合至電阻器RON的其中一端。電阻器RON的另一端被耦合至節點309，其會產生一下降調整電壓VDADJ。電容器C被耦合在節點309與GND之間。電流源305提供電流GM˙VIN給節點309。電流槽307會將電流GM˙VOUT從節點309處吸取至接地。跨導裝置311的輸入被耦合至節點309，用以接收VDADJ；而輸出則提供下降調整電流IDADJ。跨導裝置311的增益係數為GM˙K，其中，GM為跨導增益，而K為增益係數。依此方式， 下降調整電壓VDADJ會被轉換成下降調整電流IDADJ。
在圖中所示的實施例中，當Q3被關閉時，RON會有效地被移除，因此，電流裝置305與307的淨電流會利用電流GM˙(VIN-VOUT)來充電電容器C。因為VIN大於VOUT，所以，當Q3不導通時，VDADJ會斜升。當Q3被開啟時，RON係一串聯電阻器，其具有合宜的阻值來建立電阻器-電容器(RC)時間常數，因此，VDADJ會以所希的速率斜降。於替代實施例中，Q3係一相對小的電晶體，而RON代表Q3為導通時的汲極至源極阻值，或者，RDS_ON。於此替代實施例中，Q3的尺寸及/或配置係配合具有合宜阻值的RON(或是RDS_ON)來選擇，以便以選定的速率來斜降VDADJ。
用以產生第二觸發電壓差△VTRIG2的另一電壓源313的正端係以VR為基準，而它的負端則被耦合至比較器315的正輸入。VW會被提供至比較器315的負輸入，而比較器315的輸出會提供一負載釋放訊號LR給一延遲裝置317的輸入。延遲裝置317的輸出被耦合至一單擊裝置319的輸入，該單擊裝置319的輸出被耦合至另一N型場效電晶體(FET)Q4的閘極。Q4的源極被耦合至GND，而它的汲極被耦合至節點309。Q4被配置成用以讓節點309快速接地，以便相對快速地放電該電容器C。
如圖3中所示，圖中所示之負載電流ILOAD的關係圖表示負載的位準，而圖中所示之VDADJ的電壓的關係圖則顯示VDADJ的對應響應。ILOAD會在時間t0處響應於一表示負載插入的負載暫態而從一較低的位準處跳升至一較高的位準。ILOAD會在接續的時間t1處向下跳回，用以表示負載釋放。VCOMP與VW會在時間t0處響應於該負載插入而快速地提高，並且接著在時間t1處快速地降低回到約原來的位準。斜升電壓VR 會以不若VCOMP和VW快速的扭轉速率(slew rate)提高，因此，VCOMP和VW兩者會響應於負載插入而暫時上升至VR之上。同樣地，VR會以不若VCOMP和VW快速的扭轉速率降低，因此，VCOMP和VW兩者會響應於負載釋放而暫時降低至VR之下。
比較器303的輸出L1正常為高位準，並且會在VR因表示負載插入的△VTRIG1而位於VCOMP之上時觸發為低位準。比較器315的輸出LR正常為低位準，並且會在VW因△VTRIG2而降低至VR之下時觸發為高位準。因△VTRIG1上升至VR之上的VCOMP表示負載插入並且啟動一慢速下降迴圈。比較器315之觸發僅會在VW因△VTRIG2而降低至VR之下由延遲裝置317所決定之一段預設的延遲週期時才被偵測，以避免響應於假雜訊造成的觸發。降低至VR之下的VW表示負載釋放並且重置/取消該慢速下降迴圈。單擊裝置319有一預設的時間週期，當被觸發時，足以開啟Q4維持一段足夠的時間，用以重置/取消該慢速下降迴圈(藉由將電容器C放電)。
在操作中，Q4正常為不導通，而Q3正常為導通，以便有效地將電容器C的電壓最小化至低電壓或零。在時間t0之後VCOMP因△VTRIG1而上升至VR之上的負載插入處，比較器303會觸發為低位準，從而關閉Q3，有效地移除RON。電流源305會提供一電流GM˙VIN用以充電該電容器C，而電流槽307則會沉入一電流GM˙VOUT，俾使得VDADJ會如圖所示般在時間t0之後立刻以GM˙(VIN-VOUT)/C的速率斜升。電壓VDADJ會被跨導裝置311轉換成IDADJ電流，或者，IDADJ=K˙GM˙VDADJ。當VR上升至VCOMP-△VTRIG1之上時，比較器303會回頭開啟Q3，俾使 得RON被放回並聯於C。當Q3被回頭開啟時，電容器C會被放電，且因此VDADJ會以時間常數RON˙C為基礎斜降。當VW因△VTRIG2而降低至VR之下時在約時間t1處的負載釋放處，比較器315會被觸發至少維持延遲裝置317的延遲，而單擊裝置319會產生其高位準輸出脈衝維持一段足夠的時間週期，用以開啟Q4，以便放電該電容器C並且將VDADJ拉回到GND。
圖中所示之動態下降網路300的VDADJ電壓可能沒有趨穩在0V處，而可能會有一小電壓位準。然而，在穩態條件期間卻希望IDADJ為零；因此，額外的電路器件(圖中並未顯示)可以被併入，以便確保當沒有任何負載暫態時VDADJ會在穩態條件期間變成0V。或者，傳輸閘或類似物可以被提供用以在VDADJ沒有響應於負載暫態而改變時阻隔IDADJ。
圖4所示的係根據其中一實施例用於低工作週期應用的動態下降網路300的操作時序圖(其中，VIN和VOUT的比值在穩態中為相對高)，其對照用於習知配置的對應訊號。圖中針對習知配置(沒有IDADJ)和運用使用動態下降網路300之動態下降的配置(以ID+IDADJ為基礎的IDMOD)兩者，在時間t0與t1之間響應於負載插入與負載釋放繪製下降電壓VDROOP和VOUT的對應輸出電壓暫態相對於時間的關係圖。剛好在時間t0之後的初始負載插入處，QQ3會被關閉，而且GM˙(VIN-VOUT)/C會設定動態下降的快速邊緣響應，如401處所示。IIDADJ加入ID會導致下降電壓比習知的情況更快速降低至較低的數值。相較於習知的情況，VOUT轉變不會以明顯更大的數額降低。VOUT會降低至以AC負載線(ACLL)規格為基礎的位準。就在負載插入之後，當比較器303輸出變成高位準開啟Q3時，IDADJ會以RON˙C時間常數為基礎斜降，其會導致VDROOP斜升，如403 處所示。習知的下降電壓會相對快速地跳升至穩態位準，而且VOUT同樣會在負載插入之後趨穩回到由DC負載線(DCLL)規格所決定的目標位準。該動態下降會設定初始響應後面的慢速下降速度，俾使得VDROOP和輸出電壓暫態兩者皆會比較緩慢地斜行至DCLL位準。就在時間t1之後的負載釋放處，Q4會被開啟，用以重置該慢速下降迴圈，如405處所示，俾使得該等動態下降訊號實質上遵循負載釋放的習知情況。這允許習知的快速下降迴圈控制輸出電壓回復。
應該注意的係，特定的微處理器規格允許VOUT從AC負載線下降位準至對應的DC負載線下降位準有指定的回復時間週期。於其中一實施例中，規格允許500微秒(μs)的回復。動態下降網路300會被配置成使得VOUT在該指定的週期內抵達DC負載線位準。允許下降訊號比較慢速地回復會提供如本文中所述的顯著好處。
圖5所示的係根據其中一實施例針對高工作週期應用所施行之動態下降網路500的操作時序圖(其中，VIN與VOUT的比值為相對低)，其對照用於習知配置的對應訊號。動態下降網路500係被施行用於高工作週期應用。動態下降網路500實質上雷同於動態下降網路300，其中，雷同的器件假設有完全相同的元件符號。在動態下降網路500中，用於負載插入的觸發網路(電壓源301和比較器303)以及用於負載釋放的觸發網路(電壓源313和比較器315)相互交換，而且跨導裝置311套用反向的增益係數(-GM˙K)。如圖所示，比較器315的LR輸出被反向(圖中雖然顯示一反向輸出；不過，亦可以使用反向器)並且被提供至Q3的閘極，而比較器303的LI輸出被反向並且被提供至延遲裝置317的輸入。另外，跨導裝置311 被跨導裝置501取代，其會套用該反向增益係數-GM˙K。於高工作週期配置的情況中(其中，VIN為相對低且VOUT為相對高)，動態下降響應在負載插入中很快速，而在負載移除中則很緩慢，如圖所示。
輸出電容係總成本的主要成本貢獻因子，尤其是用於計算應用的核心調節器。本發明希望盡可能降低輸出電容，同時保持效率在可接受的程度處。本文中進一步說明的暫態縮減網路便允許降低輸出電容。
圖6所示的係調節器102的輸出部的電路圖與方塊圖，其包含一用於低工作週期應用之過衝縮減的暫態縮減網路601以及一用於高工作週期應用之下衝縮減的暫態縮減網路605。圖中還顯示沒有動態下降之操作的時序圖，其中，VOUT快速地轉變至DCLL電壓位準。於低工作週期應用的情況中，在負載插入之後的負載釋放時會出現非所希的過衝602。暫態縮減網路601包含一偵測控制與閘極驅動網路603以及一N型金屬氧化物半導體FET(Metal-Oxide Semiconductor FET，MOSFET)Q5，其中，該偵測控制與閘極驅動網路603操作用以比較VOUT和VREF，並且在VOUT上升至VREF之上預設的數額時判定一暫態縮減訊號TR，用以開啟Q5。Q5會藉由從輸出處暫時吸取電流而有效地縮減或移除該非所希的過衝602。
於高工作週期應用的情況中，在負載插入時會出現非所希的下衝604。暫態縮減網路605包含一偵測控制與閘極驅動網路607以及一N型MOSFET Q6，其中，該偵測控制與閘極驅動網路607操作用以比較VOUT和所希的輸出電壓，並且在VOUT降低至該所希輸出電壓之下預設的數額時判定TR，用以開啟Q6。Q6會藉由從VIN處暫時傳送電流至VOUT而有效地縮減或移除該非所希的下衝604。
圖7所示的係利用習知下降和暫態縮減網路601所施行之調節器之以負載插入/釋放的頻率(負載暫態重複率)為基礎的能量損失(且因而為功率損失)關係圖。於圖中所示之習知的情況中，VOUT降至ACLL位準並且接著快速地回復到DCLL位準。當負載插入與釋放發生在相對低的重複率時，例如，100赫茲(Hz)，因Q5之重複性導通所造成的能量損失數額會導致相對適度數額的功率損失，例如，小於1瓦(W)，甚至少到1毫瓦(mW)。然而，當負載暫態重複率提高時，該習知下降配置中的功率損失數額卻會成比例地提高。特定的微處理器配置可能會有高達10百萬赫茲(MHz)的重複負載率，其可能會導致100W甚至更大的功率損失(舉例來說，參見圖10)。如本文中所述的動態下降會因為如本文中進一步所述之過衝/下衝縮減的關係而顯著降低功率損失。
圖8所示的係具有如本文中所述之動態下降的配置(例如，調節器102)，其包含暫態縮減網路601，在低至中暫態重複率處的能量損失關係圖。VOUT剛開始係在穩態電壓位準801處，其表示輕或無負載條件。響應於約時間t0處的負載插入，VOUT會相對快速地降至由AC負載線(ACLL)規格所決定的低電壓位準803處。於如圖7中所示的習知配置中，VOUT會快速地返回到由DC負載線(DCLL)規格所決定的電壓位準805處。取而代之的係，如圖8中所示，動態下降會讓VOUT如807處所示般比較緩慢地上升。當VOUT幾乎抵達DCLL電壓位準805時，一負載釋放事件發生在時間t1處，導致VOUT快速地上升至以ACLL規格為基礎的較高電壓位準809處。VOUT正常會超過該較高電壓位準809過衝至尖峰811。然而，暫態縮減網路601卻會操作用以縮減該尖峰811，俾使得VOUT不會超 過809可接受的數額。
VOUT接著會返回原始的穩態電壓位準801，並且接著另一負載插入會發生於約時間t2處。VOUT會再次降至低電壓位準803處並且以由動態下降所決定之相同的速率上升到DCLL 805。操作係以相同的速率重複進行，其中，另一負載釋放會發生於約時間t3處，從而導致另一縮減的尖峰813。因為暫態重複率係在低至中的速率處，所以，該等縮減的尖峰出現在相對低的速率處，從而導致因尖峰暫態縮減所造成之相對低數額的能量損失。
圖9所示的係具有如本文中所述之動態下降的配置(例如，調節器102)，其包含暫態縮減網路601，在相對高的暫態重複率處的能量損失關係圖。再次地，VOUT剛開始係在穩態電壓位準801處，其表示輕或無負載條件。響應於約時間t0處的負載插入，VOUT會相對快速地降至由ACLL規格所決定的低電壓位準803處，並且接著以如807處所示之動態下降為基礎慢速地(相較於習知的配置)上升。然而，於此情況中，一負載釋放會在VOUT抵達DCLL電壓位準805之前發生在時間t1處，導致VOUT抵達尖峰901。於此情況中，因為當負載釋放出現時VOUT遠在電壓位準805之下，所以，尖峰901不會超過較高的電壓位準809。於此情況中，暫態縮減網路601不會修正該尖峰901，並且沒有因暫態縮減所造成之任何能量損失。
VOUT接著會返回穩態電壓位準801，並且另一負載插入會發生於約時間t2處。操作係以較高的暫態重複率重複進行，從而導致後續的重複性尖峰903，每一個尖峰903都在該較高的電壓位準809之下。因為該等尖峰901與903中的每一者都在該較高的電壓位準809之下，所以，暫 態縮減網路601不會縮減尖峰，並且在該較高的暫態重複率處沒有因暫態縮減所造成之任何能量損失。
圖10所示的係一種特殊配置的功率損失(以瓦(W)為單位)相對於負載重複率(Hz)的關係圖。1001處所示的第一關係圖圖解的係利用習知下降和一暫態縮減網路所施行之調節器的功率損失。當負載暫態重複率超過約3至5千赫茲(KHz)時，因為過渡尖峰之縮減所造成之暫態縮減網路中的功率損失會持續增加，直到功率損失在約10MHz的速率處達到約100W為止。1003處所示的第二關係圖圖解的係針對利用本文中所述之動態下降所施行之調節器和習知情況所產生的功率損失偏差。於此情況中，當負載暫態重複率達到3至5KHz時，功率損失的尖峰值會在約50mW處。當速率超過3至5KHz時，功率損失會降低並且最後在較高的負載暫態重複率處達到零。
圖11所示的係根據替代實施例所施行之暫態縮減網路1101的方塊圖，其結合暫態縮減網路601與605的功能。暫態縮減網路1101包含MOSFET Q7與Q8，它們源極被耦合在一起，而它們的汲極被耦合在電感器L的任一端。明確地說，Q7的汲極被耦合至相位節點203，而Q8的汲極被耦合至調節器102的輸出節點205。Q7與Q8的閘極被耦合在一起並且被一偵測控制與閘極驅動網路1103驅動。該偵測控制與閘極驅動網路1103會偵測或接收VREF與VOUT。該暫態縮減網路1101進一步包含一工作週期偵測網路1105，用以接收VIN與VOUT並且提供一工作週期類型(Duty Cycle Type，DCT)的訊號給該偵測控制與閘極驅動網路1103。
在操作中，工作週期偵測網路1105會比較VIN與VOUT的 比值，並且判定DCT用以表示該應用究竟係低工作週期類型或高工作週期類型。該偵測控制與閘極驅動網路1103會比較VOUT與VREF，並且在VOUT偏離VREF預設的數額時開啟Q7與Q8用以暫時短路電感器L，以便縮減尖峰電壓。當DCT表示低工作週期應用時，該偵測控制與閘極驅動網路1103會在VOUT超過VREF預設的數額時開啟Q7與Q8，用以暫時短路電感器L，以便以和前面針對暫態縮減網路601所述雷同的方式來縮減所希的暫態過衝。當DCT表示高工作週期應用時，該偵測控制與閘極驅動網路1103會在VOUT降至VREF之下預設的數額時開啟Q7與Q8，以便以和前面針對暫態縮減網路605所述雷同的方式來縮減所希的暫態下衝。背對背串聯耦合Q7與Q8會在Q7與Q8不導通時於正常操作期間防止任何內部二極體短路該電感器L。該電感器L僅會在該偵測控制與閘極驅動網路1103開啟Q7與Q8進行暫態縮減時才被短路。
圖12所示的係根據另一替代實施例所施行之暫態縮減網路1201的方塊圖，其結合暫態縮減網路601與605的功能。暫態縮減網路1201的配置方式實質上雷同於暫態縮減網路1101；不過，Q7與Q8則由單一MOSFET Q9取代。Q9的汲極被耦合至節點203，它的源極被耦合至節點205。再者，Q9的基板(或本體)連接被外部耦合至一參考電壓位準，例如，GND，以便移除它的內部二極體的效應，防止當Q9不導通時短路該電感器L。該電感器L僅會在該偵測控制與閘極驅動網路1103開啟Q9進行暫態縮減時才被短路。暫態縮減網路1201的操作方式實質上雷同於暫態縮減網路1101。
根據其中一實施例之具有動態下降的調節器系統包含：一調 節器控制網路，其會被調適成用以控制將輸出電壓調節至參考位準；一DC下降網路，其會提供一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；以及一動態下降網路，其會響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。一暫態縮減網路可被併入，用以根據工作週期類型來縮減負載插入或負載釋放的暫態過衝。該動態下降網路可以調整該下降訊號，用以在AC偏移電壓允許值和該預設DC負載線之間轉變時最佳化AC延遲參數之運用。
根據其中一實施例的一種控制具有動態下降之調節器系統的方法包含：將輸出電壓調節至參考位準；根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；偵測一負載暫態；以及響應於該負載暫態來調整該已修正之參考位準，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
本文雖然已經參考本發明的特定較佳版本相當詳細地說明過本發明；不過，亦可以採用並且涵蓋其它版本與變化。熟習本技術的人士便應該明白，他們能夠輕易地使用已揭概念和特定實施例為基礎來設計或修正其它結構，用以提供本發明相同的目的，但卻不會脫離下面申請專利範圍所定義之本發明的精神與範疇。
300‧‧‧動態下降網路
301‧‧‧電壓源
303‧‧‧比較器
305‧‧‧電流源
307‧‧‧電流槽
309‧‧‧節點
311‧‧‧跨導裝置
313‧‧‧電壓源
315‧‧‧比較器
317‧‧‧延遲裝置
319‧‧‧單擊裝置

Claims (20)

  1. 一種具有動態下降的調節器系統，包括：一調節器控制網路，其被調適成用以控制將輸出電壓調節至參考位準；一DC下降網路，其提供一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；以及一動態下降網路，其響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
  2. 根據申請專利範圍第1項的調節器系統，其中，該調節器控制網路根據低工作週期應用來操作，且其中，該動態下降網路響應於一負載插入暫態來調整該下降訊號。
  3. 根據申請專利範圍第2項的調節器系統，進一步包括一暫態縮減網路，其響應於一負載釋放暫態當一輸出節點的電壓超過該預設DC負載線時，從該輸出節點處吸取電流。
  4. 根據申請專利範圍第1項的調節器系統，其中，該調節器控制網路根據高工作週期應用來操作，且其中，該動態下降網路響應於一負載釋放暫態來調整該下降訊號。
  5. 根據申請專利範圍第4項的調節器系統，進一步包括一暫態縮減網路，其響應於一負載插入暫態當一輸出節點的電壓在該預設DC負載線之下時，提供電流給該輸出節點。
  6. 根據申請專利範圍第1項的調節器系統，進一步包括：一工作週期偵測網路，其根據一輸入電壓與一輸出電壓之間的關 係來決定工作週期應用類型，並且提供一表示其決定結果的工作週期類型訊號；一偵測網路，其響應於一負載釋放暫態，當該工作週期類型訊號表示低工作週期而且當該輸出節點的電壓超過該預設DC負載線時，暫時判定一暫態縮減訊號，並且響應於一負載插入暫態，當該工作週期類型訊號表示高工作週期而且當該輸出節點的電壓降至該預設DC負載線之下時，暫時判定該暫態縮減訊號；以及當該暫態縮減訊號被判定時，至少其中一個切換器會被調適成用以平行於一輸出電感器來導通電流。
  7. 根據申請專利範圍第1項的調節器系統，其中，該動態下降網路調整該下降訊號，用以在AC偏移電壓允許值和該預設DC負載線之間轉變時，最佳化AC延遲參數之運用。
  8. 根據申請專利範圍第1項的調節器系統，其中，該動態下降網路包括：一加法器，其將下降調整訊號加至該下降訊號，用以提供一經過修正的下降訊號；以及一充電網路，其產生該下降調整訊號，其中，該充電網路會以輸入電壓和輸出電壓之間的差異為基礎提高該下降調整訊號的強度，並且以電阻器-電容器時間常數為基礎降低該下降調整訊號的強度。
  9. 一種電子裝置，包括：一補償與比較器網路，其比較一輸出電壓感測訊號和一參考訊號，用以提供一表示其比較結果的補償訊號，並且以該補償訊號為基礎產生一脈衝控制訊號，用以控制輸出電壓； 一下降網路，其產生一下降訊號，用於根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該輸出電壓感測訊號；以及一動態下降網路，其會響應於一負載暫態來調整該下降訊號，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
  10. 根據申請專利範圍第9項的電子裝置，進一步包括：一輸出節點，用以產生該輸出電壓；以及一負載，被耦合至該輸出節點。
  11. 根據申請專利範圍第10項的電子裝置，其中，該負載包括一處理器，其被耦合至一記憶體。
  12. 根據申請專利範圍第9項的電子裝置，其中，該補償與比較器網路根據低工作週期類型來操作，其中，該動態下降網路響應於一負載插入暫態來調整該下降訊號，並且進一步包括一暫態縮減網路，其響應於一負載釋放暫態當一輸出節點的電壓超過該預設DC負載線時，提供電流給該輸出節點。
  13. 根據申請專利範圍第9項的電子裝置，其中，該補償與比較器網路根據高工作週期類型來操作，其中，該動態下降網路響應於一負載釋放暫態來調整該下降訊號，並且進一步包括一暫態縮減網路，其響應於一負載插入暫態當一輸出節點的電壓在該預設DC負載線之下時，提供電流給該輸出節點。
  14. 根據申請專利範圍第9項的電子裝置，進一步包括：一工作週期偵測網路，其根據一輸入電壓與一輸出電壓的比較來決定工作週期類型，並且提供一表示其決定結果的工作週期類型訊號； 一偵測網路，其響應於一負載釋放暫態，當該工作週期類型訊號表示低工作週期而且當該輸出節點的電壓超過該預設DC負載線時，暫時判定一暫態縮減訊號，並且響應於一負載插入暫態，當該工作週期類型訊號表示高工作週期而且當該輸出節點的電壓在該預設DC負載線之下時，暫時判定該暫態縮減訊號；以及當該暫態縮減訊號被判定時，至少其中一個切換器被調適成用以平行於一輸出電感器來導通電流。
  15. 一種控制具有動態下降之調節器系統的方法，包括：將輸出電壓調節至參考位準；根據預設的DC負載線以輸出負載為基礎來修正該參考位準；偵測一負載暫態；以及響應於該負載暫態來調整該已修正之參考位準，以便在AC負載線容限內延遲回復至該預設DC負載線。
  16. 根據申請專利範圍第15項的方法，其中，該偵測一負載暫態包括偵測一負載插入暫態與一負載釋放暫態中其中一者，且其中，該調整該已修正之參考位準包括響應於一負載插入暫態來調整該已修正之參考位準。
  17. 根據申請專利範圍第16項的方法，進一步包括響應於一負載釋放暫態當輸出電壓超過該預設DC負載線時，從一輸出節點處吸取電流。
  18. 根據申請專利範圍第15項的方法，其中，該偵測一負載暫態包括偵測一負載插入暫態與一負載釋放暫態中其中一者，且其中，該調整該已修正之參考位準包括響應於一負載釋放暫態來調整該已修正之參考位 準。
  19. 根據申請專利範圍第18項的方法，進一步包括響應於一負載插入暫態當輸出電壓在該預設DC負載線之下時，提供電流給一輸出節點。
  20. 根據申請專利範圍第15項的方法，進一步包括根據一輸入電壓與一輸出電壓的比較來決定工作週期類型；響應於一負載釋放暫態，當該工作週期類型訊號表示低工作週期而且當輸出電壓超過該預設DC負載線時，平行於一輸出電感器來導通電流，用以調整該輸出電壓；以及響應於一負載插入暫態，當該工作週期類型訊號表示高工作週期而且當輸出電壓在該預設DC負載線之下時，平行於該輸出電感器來導通電流，用以調整該輸出電壓。
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