TWI421662B - 改善電壓識別瞬變響應的方法以及電壓調節器 - Google Patents

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Description

改善電壓識別瞬變響應的方法以及電壓調節器
本發明是有關於電壓調節器，且特別是有關於改善電壓識別瞬變響應的方法以及電壓調節器的電路結構。
現今之中央處理器(CPU)的電壓識別(voltage Identification,VID)是高度動態的而且是非常快速地由低變高以及由高變低。CPU的VID瞬變很可能在很短的時間內連續發生，因此導致電腦的性能不完全依賴於CPU的效能，還將受到電壓調節器的VID追逐速度(chasing speed)的影響。通常，CPU僅僅在電壓調節器的輸出電壓穩定至期望VID時才會處理給定的任務；換言之，如果電壓調節器的VID追逐速度不能滿足給定規格(given spec)，CPU將有可能會因為電壓不符而受損，或者可能會因為需要等待更長時間而閒置過久並因此降低系統的性能。
於自適應電壓定位(adaptive voltage position,AVP)系統中，電壓調節器會根據感測到的電感電流產生電流感測訊號並依據產生的電流感測訊號來提供下調電壓控制訊號(droop control signal)以調節輸出電壓；請參閱圖1A及圖1B，其分別繪示出在VID向上瞬變以及向下瞬變兩種情形下電流感測訊號與輸出電壓的狀態示意圖。從圖1A所示的VID值由VID1改變至VID2之VID向上瞬變期間或者圖2A所示的VID值由VID2改變至VID1之VID向下瞬變期間可以得知，電感電流IL因VID值的改變而有額外的增加或減少，致使電流感測訊號VCS0會相應地增大或減小，進而導致輸出電壓VOUT平均值呈非線性變化，結果造成輸出電壓VOUT的實際穩定時間Ta大於給定的VID瞬變穩定時間規格Ts。
本發明的目的之一是提供一種改善電壓識別瞬變響應的方法，其能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內將輸出電壓穩定至目標電壓識別值。
本發明的再一目的是提供一種電壓調節器，其能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內將輸出電壓穩定至目標電壓識別值。
本發明實施例提出的一種改善電壓識別瞬變響應的方法，應用於電壓調節器。本實施例中的方法包括步驟：持續感測電壓調節器的電感電流以輸出電流感測訊號；於穩態操作期間，採樣電流感測訊號而得採樣結果以用於提供下調電壓控制訊號；當自穩態操作期間進入電壓識別瞬變期間，保持住上述之採樣結果以用於提供下調電壓控制訊號；以及將下調電壓控制訊號作為產生用於調節電壓調節器的輸出電壓之脈寬調變訊號的考量因素。
在本發明的實施例中，上述之將下調電壓控制訊號作為產生用於調節電壓調節器的輸出電壓之脈寬調變訊號的考量因素的步驟可包括：對電壓調節器的輸出電壓之回饋值與電壓識別值之間的差異進行放大處理後輸出誤差訊號；以及比較誤差訊號與下調電壓控制訊號以依據比較結果輸出脈寬調變訊號。又或者，上述之將下調電壓控制訊號作為產生用於調節電壓調節器的輸出電壓之脈寬調變訊號的考量因素的步驟包括：對電壓調節器的輸出電壓的回饋值與複合訊號之間的差異進行放大處理後輸出誤差訊號，其中複合訊號由下調電壓控制訊號與電壓識別值經複合而得；以及比較誤差訊號與斜坡訊號以輸出脈寬調變訊號。
本發明實施例提出的一種電壓調節器包括：電感電流感測器、採樣及保持模組以及脈寬調變比較器。其中，電感電流感測器感測電壓調節器的電感電流以輸出電流感測訊號；採樣及保持模組電性耦接至電感電流感測器以接收電流感測訊號並擇機對電流感測訊號進行採樣以提供採樣結果用於產生下調電壓控制訊號；脈寬調變比較器利用下調電壓控制訊號作為考量因素來產生脈寬調變訊號以調節電壓調節器的輸出電壓。再者，採樣及保持模組的採樣結果於電壓調節器的電壓識別瞬變期間保持不變。
在本發明的實施例中，上述之電壓調節器可為電流模式電壓調節器或者是電壓模式電壓調節器；當為電流模式電壓調節器，電壓調節器更可包括誤差放大器，其中誤差放大器根據電壓調節器的輸出電壓之回饋值與電壓識別值之間的差異輸出誤差訊號，而脈寬調變比較器藉由比較下調電壓控制訊號與誤差訊號以產生上述之脈寬調變訊號；當為電壓模式電壓調節器，電壓調節器更可包括下調電壓控制模組以及誤差放大器，其中下調電壓控制模組根據採樣及保持模組的採樣結果產生下調電壓控制訊號，誤差放大器根據電壓調節器的輸出電壓之回饋值與複合訊號之間的差異輸出誤差訊號，此處的複合訊號係由電壓識別值與下調電壓控制訊號經由合併器複合而得，而脈寬調變比較器藉由比較誤差訊號與斜坡訊號以產生上述之脈寬調變訊號。
本發明實施例提出的另一種改善電壓識別瞬變響應的方法，應用於電壓調節器。本實施例的方法包括步驟：於電壓調節器之電壓識別值為第一設定值的第一穩態操作期間，採樣電壓調節器的電流感測訊號以用於產生下調電壓控制訊號；於電壓識別值從第一設定值改變至第二設定值的電壓識別瞬變期間，停止採樣電流感測訊號以保持下調電壓控制訊號不變；以及於電壓識別值為第二設定值的第二穩態操作期間，重新採樣電壓調節器的電流感測訊號以用於產生下調電壓控制訊號。進一步地，本實施例中的方法更可包括步驟：將下調電壓控制訊號作為產生用於調節電壓調節器的輸出電壓之脈寬調變訊號的考量因素。
本發明實施例藉由在下調電壓控制訊號的產生路徑中提供採樣及保持模組，以使VID瞬變期間電感電流的額外增加值或減少值對電壓調節器產生的下調電壓控制訊號的影響被阻擋住，電壓調節器的VID追逐速度僅會受到輸出電壓與VID差異值的影響，因此電壓調節器能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內將輸出電壓穩定至目標電壓識別值。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參閱圖2，其繪示出相關於本發明第一實施例的電流模式(current-mode)電壓調節器的電路結構示意圖。如圖2所示，電壓調節器100接收輸入電壓VIN並根據脈寬調變訊號VPWM對開關電晶體HS-MOS及LS-MOS進行控制來調節電感電流IL對輸出電容(圖2中未繪示)進行充放電以向負載(例如CPU)提供輸出電壓VOUT。本實施例中，電壓調節器100主要包括：電感電流感測器110、採樣及保持模組130、誤差 放大器EA以及脈寬調變比較器PWMCP。
電感電流感測器110根據接收到的電流感測電阻Rs兩端的電壓訊號ISEN_P與ISEN_N來產生電流感測訊號VCS0；本實施例中，電感電流感測器110可為電壓放大器。
採樣及保持模組130電性耦接至電感電流感測器110以接收電流感測訊號VCS0並擇機對電流感測訊號VCS0進行採樣以輸出採樣結果訊號VCS1用於提供下調電壓控制訊號VCS，本實施例中採樣結果訊號VCS1直接用作下調電壓控制訊號VCS。
誤差放大器EA具有正相輸入端(+)與反相輸入端(-)，正相輸入端(+)接收電壓識別值VID，當電壓調節器100應用於向CPU提供工作電壓時電壓識別值VID可由CPU提供；反相輸入端(-)接收輸出電壓VOUT的回饋值FB。在此，誤差放大器EA對所接收到的輸出電壓回饋值FB與電壓識別值VID之間的差異進行放大處理以輸出誤差訊號COMP。
脈寬調變比較器PWMCP具有正相輸入端(+)與反相輸入端(-)，其正相輸入端(+)接收誤差放大器EA輸出的誤差訊號COMP，而反相輸入端(-)接收下調電壓控制訊號VCS；本實施例中，脈寬調變比較器PWMCP藉由比較所接收的誤差訊號COMP與下調電壓控制訊號VCS以產生脈寬調變訊號VPWM來對開關電晶體HS-MOS及LS-MOS進行控制以實現對輸出電壓VOUT的調節。
請一併參閱圖2、圖3A及圖3B，其中圖3A及圖3B分別繪示出在VID向上瞬變以及向下瞬變兩種情形下採樣結果訊號VCS1與輸出電壓VOUT的狀態示意圖。如圖3A及圖3B 所示，於電壓調節器100的工作期間，電感電流感測器110會持續感測電感電流IL,(1)當處於電壓識別值VID為VID1(或VID2)之穩態操作期間(steady operation period)，由採樣及保持模組130採樣電流感測訊號VCS0並根據採樣結果輸出採樣結果訊號VCS1作為下調電壓控制訊號VCS並提供至脈寬調變比較器PWMCP的反相輸入端(-)；(2)於電壓識別值VID從VID1(或VID2)改變至VID2(或VID1)的電壓識別瞬變期間，採樣及保持模組130將根據接收到的停止採樣指令(例如由CPU發出)停止對電流感測訊號VCS0進行採樣，其輸出結果訊號VCS1將保持不變，進而使得脈寬調變比較器PWMCP的反相輸入端(-)所接收的下調電壓控制訊號VCS保持不變；(3)當處於電壓識別值VID為VID2(或VID1)之穩態操作期間，由採樣及保持模組130重新採樣電流感測訊號VCS0並根據採樣結果輸出新的採樣結果訊號VCS1作為下調電壓控制訊號VCS並提供至脈寬調變比較器PWMCP的反相輸入端(-)。簡言之，下調電壓控制訊號VCS係作為脈寬調變比較器PWMCP產生脈寬調變訊號VPWM的考量因素之一，並且下調電壓控制訊號VCS在穩態操作期間會隨電感電流IL而變化，但在電壓識別瞬變期間則不會受到電感電流IL的額外增加值或減少值的影響而保持不變；因此在電壓識別瞬變期間，輸出電壓VOUT能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內穩定至目標VID值。
比較相關於本發明實施例的圖3A及3B與相關於先前技術的圖1A及1B可清楚地發現：(a)於先前技術中，感測電流訊號VCS0在電壓識別瞬變期間會跟隨電感電流IL的變化而變化，致使圖1A及1B所示的VOUT平均值會存在多個爬升或多個下降的斜率，從而導致輸出電壓VOUT的實際穩定時 間Ta超出給定的VID瞬變穩定時間規格Ts；(b)而於本發明實施例中，由於增設了採樣及保持模組130，其輸出的採樣結果訊號VCS1在電壓識別瞬變期間不會跟隨電感電流IL變化而係保持不變，以致於VOUT平均值例如可以按照圖3A及3B所示的單一斜率爬升或下降，進而使得輸出電壓VOUT能夠在VID瞬變穩定時間規格內穩定至目標值，達成發展本案之目的。
請參閱圖4，其繪示出相關於本發明第二實施例的電壓模式(voltage-mode)電壓調節器的電路結構示意圖。如圖4所示，電壓調節器300接收輸入電壓VIN並根據脈寬調變訊號VPWM對開關電晶體HS-MOS及LS-MOS進行控制來調節電感電流IL對輸出電容(圖4中未繪示)進行充放電以向負載提供輸出電壓VOUT。本實施例中，電壓調節器300主要包括：電感電流感測器310、採樣及保持模組330、下調電壓控制模組350、合併器370、誤差放大器EA以及脈寬調變比較器PWMCP。
電感電流感測器310根據接收到的電流感測電阻Rs兩端的電壓訊號ISEN_P與ISEN_N來產生電流感測訊號VCS0；本實施例中，電感電流感測器310可為電壓放大器。
採樣及保持模組330電性耦接至電感電流感測器310以接收電流感測訊號VCS0，並擇機對電流感測訊號VCS0進行採樣以輸出採樣結果訊號VCS1用於提供下調電壓控制訊號VCS。
下調電壓控制模組350電性耦接至採樣及保持模組330以接收採用結果訊號VCS1並根據採樣結果訊號VCS1輸出下調電壓控制訊號VCS；下調電壓控制模組350輸出的下調電壓控制訊號VCS透過合併器370與電壓識別值VID合併後形成複合訊號輸入至誤差放大器EA。
誤差放大器EA具有正相輸入端(+)與反相輸入端(-)，其正相輸入端(+)接收電壓識別值VID與下調電壓控制訊號VCS合併後的複合訊號，當電壓調節器300應用於向CPU提供工作電壓時電壓識別值VID可由CPU提供；誤差放大器EA的反相輸入端(-)接收輸出電壓VOUT的回饋值FB。在此，誤差放大器EA對所接收到的輸出電壓回饋值FB與複合訊號之間的差異進行放大處理以輸出誤差訊號COMP。
脈寬調變比較器PWMCP具有正相輸入端(+)與反相輸入端(-)，其正相輸入端(+)接收誤差放大器EA輸出的誤差訊號COMP，而反相輸入端(-)接收斜坡訊號RAMP；本實施例中，脈寬調變比較器PWMCP藉由比較所接收的誤差訊號COMP與斜坡訊號RAMP以產生脈寬調變訊號VPWM來對開關電晶體HS-MOS及LS-MOS進行控制以實現對輸出電壓VOUT的調節。
請一併參閱圖4、圖3A及圖3B，於電壓調節器300的工作期間，電感電流感測器310會持續感測電感電流IL，(1)當處於電壓識別值VID為VID1(或VID2)之穩態操作期間，由採樣及保持模組330採樣電流感測訊號VCS0並根據採樣結果輸出採樣結果訊號VCS1至下調電壓控制模組350，以由下調電壓控制模組350根據採樣結果訊號VCS1輸出下調電壓控制訊號VCS；(2)於電壓識別值VID從VID1(或VID2)改變至VID2(或VID1)的電壓識別瞬變期間，採樣及保持模組330將根據接收到的停止採樣指令(例如由CPU發出)而停止對電流感測訊號VCS0進行採樣，其輸出結果訊號VCS1將保持不變，進而使得下調電壓控制模組350輸出的下調電壓控制訊號VCS保持不變，致使誤差放大器EA的正相輸入端(-)所接收的複合訊號保持不變；(3)當處於電壓識別值VID為VID2(或VID1)之穩態操作期間，由採樣及保持模組330重新採樣電流感測訊號VCS0並根據採樣結果輸出新的採樣結果訊號VCS1，再由下調電壓控制模組350輸出新的下調電壓控制訊號VCS。簡言之，下調電壓控制訊號VCS係作為脈寬調變比較器PWMCP產生脈寬調變訊號VPWM的考量因素之一，並且下調電壓控制訊號VCS在穩態操作期間會隨電感電流IL而變化，但在電壓識別瞬變期間則不會受到電感電流IL的額外增加值或減少值的影響而保持不變；因此在電壓識別瞬變期間，輸出電壓VOUT能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內穩定至目標VID值。
綜上所述，本發明實施例藉由在下調電壓控制訊號的產生路徑中提供採樣及保持模組，以使VID瞬變期間電感電流的額外增加值或減少值對電壓調節器產生的下調電壓控制訊號的影響被阻擋住，電壓調節器的VID追逐速度僅會受到輸出電壓與VID差異值的影響，因此電壓調節器能夠在給定的VID瞬變穩定時間規格內將輸出電壓穩定至目標電壓識別值。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．電流模式電壓調節器
300．．．電壓模式電壓調節器
110、310．．．電感電流感測器
130、330．．．採樣及保持模組
350．．．下調電壓控制模組
370．．．合併器
EA．．．誤差放大器
PWMCP．．．脈寬調變比較器
ISEN_P、ISEN_N．．．電壓訊號
VCS0．．．電流感測訊號
VCS1．．．採樣結果訊號
VCS．．．下調電壓控制訊號
VPWM．．．脈寬調變訊號
RAMP．．．斜坡訊號
VID、VID1、VID2．．．電壓識別值
COMP．．．誤差訊號
VOUT．．．輸出電壓
FB．．．輸出電壓的回饋值
VIN．．．輸入電壓
HS-MOS、LS-MOS．．．開關電晶體
Rs．．．電流感測電阻
L．．．電感
IL．．．電感電流
Ta．．．實際穩定時間
Ts．．．給定的VID瞬變穩定時間規格
圖1A及圖1B分別繪示出先前技術中在VID向上瞬變以及向下瞬變兩種情形下電流感測訊號與輸出電壓的狀態示意圖。
圖2繪示出相關於本發明第一實施例的電流模式電壓調節器的電路結構示意圖。
圖3A及圖3B分別繪示出相關於本發明實施例之在VID向上瞬變以及向下瞬變兩種情形下採樣結果訊號與輸出電壓的狀態示意圖。
圖4繪示出相關於本發明第二實施例的電壓模式電壓調節器的電路結構示意圖。
100．．．電流模式電壓調節器
110．．．電感電流感測器
130．．．採樣及保持模組
EA．．．誤差放大器
PWMCP．．．脈寬調變比較器
ISEN_P、ISEN_N．．．電壓訊號
VCS0．．．電流感測訊號
VCS1．．．採樣結果訊號
VCS．．．下調電壓控制訊號
VPWM．．．脈寬調變訊號
VID．．．電壓識別值
COMP．．．誤差訊號
VOUT．．．輸出電壓
FB．．．輸出電壓的回饋值
VIN．．．輸入電壓
HS-MOS、LS-MOS．．．開關電晶體
Rs．．．電流感測電阻
L．．．電感
IL．．．電感電流

Claims (10)

  1. 一種改善電壓識別瞬變響應的方法，應用於一電壓調節器，該方法包括步驟：持續感測該電壓調節器的一電感電流以輸出一電流感測訊號；於該電壓調節器之電壓識別值為第一設定值的一穩態操作期間，採樣該電流感測訊號而得一採樣結果以用於提供一下調電壓控制訊號；當自該穩態操作期間進入該電壓識別值從該第一設定值改變至第二設定值的一電壓識別瞬變期間，保持住該採樣結果以用於提供該下調電壓控制訊號；以及將該下調電壓控制訊號作為產生用於調節該電壓調節器的輸出電壓之一脈寬調變訊號的考量因素。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中將該下調電壓控制訊號作為產生用於調節該電壓調節器的輸出電壓之該脈寬調變訊號的考量因素之步驟包括：對該電壓調節器的輸出電壓之一回饋值與該電壓識別值之間的差異進行放大處理後輸出一誤差訊號；以及比較該誤差訊號與該下調電壓控制訊號以依據比較結果輸出該脈寬調變訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中將該下調電壓控制訊號作為產生用於調節該電壓調節器的輸出電壓之該脈寬調變訊號的考量因素之步驟包括：對該電壓調節器的輸出電壓之一回饋值與一複合訊號之間的差異進行放大處理後輸出一誤差訊號，該複合訊號由該下 調電壓控制訊號與該電壓識別值經複合而得；以及比較該誤差訊號與一斜坡訊號以依據比較結果輸出該脈寬調變訊號。
  4. 一種電壓調節器，包括：一電感電流感測器，感測該電壓調節器的一電感電流以輸出一電流感測訊號；一採樣及保持模組，電性耦接至該電感電流感測器以接收該電流感測訊號，並擇機對該電流感測訊號進行採樣以提供一採樣結果用於產生一下調電壓控制訊號；以及一脈寬調變比較器，利用該下調電壓控制訊號作為一考量因素來產生一脈寬調變訊號以調節該電壓調節器的輸出電壓；其中，該採樣及保持模組的該採樣結果於該電壓調節器之電壓識別值從第一設定值改變至第二設定值的一電壓識別瞬變期間保持不變。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電壓調節器，其中該電壓調節器係一電流模式電壓調節器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電壓調節器，更包括：一誤差放大器，根據該電壓調節器的輸出電壓之一回饋值與該電壓識別值之間的差異輸出一誤差訊號，而該脈寬調變比較器則藉由比較該下調電壓控制訊號與該誤差訊號以產生該脈寬調變訊號。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的電壓調節器，其中該電壓 調節器係一電壓模式電壓調節器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電壓調節器，更包括：一下調電壓控制模組，根據該採樣及保持模組的該採樣結果產生該下調電壓控制訊號；以及一誤差放大器，根據該電壓調節器的輸出電壓之一回饋值與一複合訊號之間的差異輸出一誤差訊號，該複合訊號由該電壓識別值與該下調電壓控制訊號經由一合併器複合而得；其中，該脈寬調變比較器藉由比較該誤差訊號與一斜坡訊號以產生該脈寬調變訊號。
  9. 一種改善電壓識別瞬變響應的方法，應用於一電壓調節器，該方法包括步驟：持續感測該電壓調節器的一電感電流以輸出一電流感測訊號；於該電壓調節器之電壓識別值為第一設定值的一第一穩態操作期間，採樣該電壓調節器的該電流感測訊號以用於產生一下調電壓控制訊號；於該電壓識別值從該第一設定值改變至第二設定值的一電壓識別瞬變期間，停止採樣該電流感測訊號以保持該下調電壓控制訊號；以及於該電壓識別值為該第二設定值的一第二穩態操作期間，重新採樣該電壓調節器的該電流感測訊號以用於產生該下調電壓控制訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，更包括步驟： 將該下調電壓控制訊號作為產生用於調節該電壓調節器的輸出電壓之一脈寬調變訊號的考量因素。
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