TWI439837B - 穩壓電路控制器 - Google Patents

Description

穩壓電路控制器

本發明是有關電壓控制器的技術，尤指一種高效率的穩壓電路控制器和相關的參考電壓調整方法。

高能源使用效率是許多電源轉換器設計時的主要目標。例如，在Intel提出的VR12設計規範中，就要求穩壓電路(voltage regulator)控制器既提升中央處理器的操作性能，並且又能兼顧穩壓電路在負載較低時的操作效率。

圖1是習知電腦中的電源控制系統100簡化後的功能方塊圖。電源控制系統100包含有處理器110、電壓控制介面120、以及電源轉換器(power converter)130。

當電源控制系統100的負載較低時，處理器110為了降低電力消耗，會透過電壓控制介面120傳送電壓衰減指令(Decay command)給電源轉換器130，要求電源轉換器130將輸出電壓Vo降到指定的電壓水平。

圖2的時序圖描繪了電源轉換器130的輸出電壓的變化。在圖2的例子中，處理器110於時間T1發出電壓衰減指令給電源轉換器130，要求電源轉換器130將輸出電壓Vo從原先的電壓水平VID1下降到較低的電壓水平VID2。

為了達到處理器110的電壓衰減指令的要求，習知的電源轉換器130收到該電壓衰減指令後，會將用來調控輸出電壓Vo的內部參考電壓Vr線性下降至電壓衰減指令所指定的目標電壓水平VID2，並暫停電壓調制(voltage regulation)的運作。如此一來，電源轉換器130的輸出電壓Vo就會因負載的電流消耗而慢慢地下降至目標電壓水平VID2。

當電源轉換器130的輸出電壓Vo於時間T2降至目標電壓水平VID2時，電源轉換器130就會恢復電壓調制運作，使輸出電壓Vo維持在目標電壓水平VID2的附近。

圖3的時序圖則描繪了電源轉換器130的輸出電壓在另一種情境下的變化。在圖3的例子中，處理器110會在電源轉換器130的輸出電壓Vo到達目標電壓水平VID2之前，例如時間T3，發出一動態電壓識別(Dynamic Voltage ID，DVID)指令給電源轉換器130，要求電源轉換器130將輸出電壓Vo拉高到另一目標電壓水平VID3。此時，電源轉換器130會將其內部參考電壓Vr由當時的電壓水平VID2逐漸調升至新的目標電壓水平VID3。

當電源轉換器130的內部參考電壓Vr於時間T4大於等於輸出電壓Vo當時的電壓水平VB時，電源轉換器130便會啟動電壓調制運作，開始將輸出電壓Vo逐漸提升至目標電壓水平VID3。

當電源轉換器130的輸出電壓Vo於時間T5提升至新的目標電壓水平VID3時，電源轉換器130會進行電壓調制運作，使輸出電壓Vo維持在目標電壓水平VID3的附近。

換言之，從處理器110發出動態電壓識別指令後，電源轉換器130 必須等待P1的時間才開始電壓調制運作，而共需耗費TA(=P1+P2)的時間才能將輸出電壓Vo調校至新的目標電壓水平VID3，使電壓調整的速度受限。

此外，如圖3所示，當電源轉換器130將其內部參考電壓Vr由電壓水平VID2逐漸調升至新的目標電壓水平VID3之際，亦即在時間T3到T4的時段中，電源轉換器130的輸出電壓Vo會從時間T3時的電壓水平VA逐漸降低至時間T4時的電壓水平VB，然後才開始被逐漸拉升。

然而，前述電源轉換器130的輸出電壓Vo先降低再被拉升的過程會造成能源使用上的浪費，因而降低電源轉換器130的轉換效率。

有鑑於此，如何有效提升電源轉換器的能源轉換效率，並加快電壓調整的速度，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供了一種穩壓電路控制器之實施例，其包含有：一參考電壓產生電路，用於依據一數位控制信號產生一參考電壓；一比較電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於將該參考電壓與一穩壓電路的一輸出電壓進行比較；一控制電路，耦接於該參考電壓產生電路與該比較電路，用於產生該數位控制信號，並依據該比較電路的比較結果產生一第一控制信號；以及一脈寬調制信號產生器，耦接於該控制電路，用於依據該第一控制信號控制該穩壓電路的運作；其中當該穩壓電路控制器接收到一電壓控制介面傳來的一省電指令時，該脈寬調制信號產生器會停止運作，且該 控制電路會調整該數位控制信號以使該參考電壓呈階梯式降低。

另一種穩壓電路控制器的實施例包含有：一參考電壓產生電路，用於產生一參考電壓；一比較電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於將該參考電壓與一穩壓電路的一輸出電壓進行比較；以及一控制電路，耦接於該參考電壓產生電路與該比較電路，用於在該穩壓電路控制器接收到一電壓控制介面傳來的一省電指令時，控制該參考電壓產生電路將該參考電壓呈階梯式降低。

另一種穩壓電路控制器的實施例包含有：一參考電壓產生電路，用於產生一參考電壓；一比較電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於將該參考電壓與一穩壓電路的一輸出電壓進行比較；以及一控制電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於在該穩壓電路控制器接收到一省電指令時，控制該參考電壓產生電路調降該參考電壓，並於該輸出電壓與調降後的參考電壓的差距小於一閥值時，控制該參考電壓產生電路再次調降該參考電壓。

本說明書還提供了一種調整穩壓電路控制器之參考電壓的方法，其中該穩壓電路控制器用來控制一穩壓電路，該方法包含有：產生一數位控制信號；依據該數位控制信號產生該穩壓電路控制器的一參考電壓；將該參考電壓與該穩壓電路的一輸出電壓進行比較；依據該參考電壓與該輸出電壓的比較結果產生一第一控制信號；依據該第一控制信號控制該穩壓電路的運作；以及當接收到一電壓控制介面傳來的一省電指令時，停止產生該第一控制信號(CS1)，並調整該數位控制信號以使該參考電壓呈階梯式降低。

本說明書還提供另一種調整穩壓電路控制器之參考電壓之方法， 其中該穩壓電路控制器用來控制一穩壓電路，該方法包含有：利用一參考電壓產生電路產生該穩壓電路控制器的一參考電壓；當接收到一省電指令時，控制該參考電壓產生電路調降該參考電壓；將調降後的參考電壓與該穩壓電路的一輸出電壓進行比較；以及當該輸出電壓與調降後的參考電壓的差距小於一閥值時，控制該參考電壓產生電路再次調降該參考電壓。

上述實施例的優點之一是能有效加快電壓調整的速度。

上述實施例的另一優點是能有效降低能源的浪費，進而提升電源轉換器的整體轉換效率。

100、400‧‧‧電源控制系統

110、410‧‧‧處理器

120、420‧‧‧電壓控制介面

130‧‧‧電源轉換器

430‧‧‧穩壓電路

440‧‧‧穩壓電路控制器

450‧‧‧控制電路

452‧‧‧控制單元

454、456‧‧‧控制邏輯

460‧‧‧參考電壓產生電路

470‧‧‧比較電路

480‧‧‧脈寬調制信號產生器

圖1為習知電腦中的電源控制系統簡化後的功能方塊圖。

圖2為描繪圖1中的電源轉換器的輸出電壓變化的時序圖。

圖3為描繪圖1中的電源轉換器在另一種情境下的輸出電壓變化的時序圖。

圖4是本發明的電源控制系統的一實施例簡化後的功能方塊圖。

圖5為描繪圖4中的穩壓電路控制器的一運作實施例的時序圖。

圖6為描繪圖4中的穩壓電路控制器在另一種情境下的運作實施例的時序圖。

圖7為圖6的實施例中的輸出電壓與參考電壓間的關係示意圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式)連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電性或信號連接至該第二裝置。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

圖4是本發明一實施例的電源控制系統400簡化後的功能方塊圖。電源控制系統400包含有處理器410、電壓控制介面420、以及由穩壓電路430和穩壓電路控制器440所組成的電源轉換器。實作上，電壓控制介面420可以是序列式電壓識別碼(Serial VID，SVID)介面，或是其他可供處理器410和穩壓電路控制器440進行電壓控制指令傳輸的介面。

如圖4所示，穩壓電路控制器440包含有控制電路450，以及耦接於控制電路450的參考電壓產生電路460、比較電路470和脈寬調制信號產生器(PWM signal generator)480。本實施例中的控制電路450包含有控制單元452以及控制邏輯454和456。參考電壓 產生電路460可以採用數位至類比轉換器(DAC)實現。

在運作時，處理器410會透過電壓控制介面420傳送省電指令或電壓調整指令給穩壓電路控制器440。穩壓電路控制器440的控制電路450會依據處理器410傳來的指令產生數位控制信號DS，並控制脈寬調制信號產生器480的運作。參考電壓產生電路460會依據控制電路450輸出的數位控制信號DS產生參考電壓Vref。比較電路470則會將參考電壓Vref與穩壓電路430的輸出電壓Vout進行比較。當處理器410透過電壓控制介面420傳送省電指令給穩壓電路控制器440時，穩壓電路控制器440會將穩壓電路430的輸出電壓Vout降到省電指令所指定的電壓水平以降低電力消耗。

本說明書中所指稱的省電指令和電壓調整指令可以分別是Intel的VR12設計規範中定義的電壓衰減指令和動態電壓識別指令，也可以是其他規範中所定義的類似用途指令。以下將搭配圖5來進一步說明穩壓電路控制器440的運作方式。

圖5為描繪穩壓電路控制器440的一運作實施例的時序圖。在圖5的實施例中，處理器410會於時間T1發出省電指令給穩壓電路控制器440，要求穩壓電路控制器440將穩壓電路430的輸出電壓Vout從原先的電壓水平VID1下降到較低的電壓水平VID2。

在穩壓電路控制器440接收到該省電指令前，亦即時間T1之前，控制電路450的控制單元452會依據處理器410先前傳來的電壓調整指令產生數位控制信號DS，而參考電壓產生電路460則會依據該數位控制信號DS將產生的參考電壓Vref維持於原先的電壓水平VID1。此時，控制電路450的控制邏輯456會依據比較電路470的 比較結果調整控制信號CS1。脈寬調制信號產生器480則會依據控制信號CS1控制穩壓電路430進行電壓調制運作，以使穩壓電路430的輸出電壓Vout維持在原先的電壓水平VID1附近。

當穩壓電路控制器440接收到省電指令時，控制單元452還可利用控制信號CS2停止(disable)脈寬調制信號產生器480的運作，以節省電力消耗。如此一來，穩壓電路430的電壓調制運作便會暫停，使穩壓電路430的輸出電壓Vout根據負載的電流消耗而慢慢地下降至目標電壓水平VID2。

另外，當穩壓電路控制器440接收到省電指令時，控制電路450和參考電壓產生電路460不會將參考電壓Vref一次調降到目標電壓水平VID2。在圖5的實施例中，控制邏輯454會在穩壓電路430的輸出電壓Vout逐漸下降的過程中，依據比較電路470的比較結果產生控制信號CS3。每當控制單元452受到控制信號CS3的觸發時，便會藉由調整該數位控制信號DS的方式，控制參考電壓產生電路460將參考電壓Vref調降一些，以使參考電壓產生電路460產生的參考電壓Vref跟隨著穩壓電路430的輸出電壓Vout呈階梯式降低。

在另一實施例中，控制電路450會在穩壓電路控制器440接收到該省電指令時，調整數位控制信號DS以控制參考電壓產生電路460調降參考電壓Vref，但不會直接調降到目標電壓水平VID2。之後，每當輸出電壓Vout下降到與調降後的參考電壓Vref的差距小於一閥值時，控制電路450便會調整數位控制信號DS以控制參考電壓產生電路460再次調降參考電壓Vref，使得參考電壓Vref跟隨著穩壓電路430的輸出電壓Vout逐步調降。

實作上，控制電路450和參考電壓產生電路460每次調降參考電壓Vref的幅度可以是固定的，也可以彈性調整。

當穩壓電路430的輸出電壓Vout於時間T2降至目標電壓水平VID2時，控制單元452便會利用控制信號CS2致能(enable)脈寬調制信號產生器480的運作，使脈寬調制信號產生器480依據控制邏輯456產生的控制信號CS1控制穩壓電路430的電壓調制運作，讓穩壓電路430的輸出電壓Vout維持在目標電壓水平VID2附近。

圖6為描繪穩壓電路控制器440的另一運作實施例的時序圖。在穩壓電路控制器440接收到前述的省電指令之後、但穩壓電路430的輸出電壓Vout尚未達到目標電壓水平VID2之前，亦即在時間T1與T2間的時段中，若處理器410於時間T3發出電壓調整指令給穩壓電路控制器440，要求穩壓電路控制器440將穩壓電路430的輸出電壓Vout拉高到另一目標電壓水平VID3，則控制單元452會藉由調整數位控制信號DS的方式，控制參考電壓產生電路460將參考電壓Vref由當時的電壓水平VC調升至新的目標電壓水平VID3。

當參考電壓產生電路460產生的參考電壓Vref於時間T6大於或等於穩壓電路430的輸出電壓Vout當時的電壓水平VB’時，控制單元452便會利用控制信號CS2致能脈寬調制信號產生器480的運作。脈寬調制信號產生器480會依據控制邏輯456產生的控制信號CS1控制穩壓電路430的電壓調制運作，以將輸出電壓Vout逐漸提升至目標電壓水平VID3。

當穩壓電路430的輸出電壓Vout於時間T7提升至新的目標電壓水平VID3時，脈寬調制信號產生器480會繼續依據控制邏輯456產生 的控制信號CS1控制穩壓電路430的電壓調制運作，讓穩壓電路430的輸出電壓Vout維持在目標電壓水平VID3附近。

圖7為圖6的實施例中的輸出電壓Vout與參考電壓Vref間的關係示意圖。如圖7所示，處理器410於時間T3發出電壓調整指令後，參考電壓產生電路460產生的參考電壓Vref是從電壓水平VC往上調升，而非從電壓水平VID2往上調升，故穩壓電路控制器440只需歷時TA’(=P1’+P2’)便能將穩壓電路430的輸出電壓Vout調校至新的目標電壓水平VID3。相較於圖3的情況，圖7中的時段P1’和P2’的明顯短於圖3中的時段P1和P2，故前述穩壓電路控制器440的架構能有效加快電壓調整的速度。

另外，當控制單元452控制參考電壓產生電路460將參考電壓Vref由電壓水平VC調升至新的目標電壓水平VID3之際，亦即在時間T3到T6的時段中，雖然穩壓電路430的輸出電壓Vout會從時間T3時的電壓水平VA逐漸降低至時間T6時的電壓水平VB’，但由於圖7中的時段P1’明顯短於圖3中的時段P1，故穩壓電路430的輸出電壓Vout的下降幅度(亦即VA-VB’)，會遠低於圖3的習知技術中的情況(亦即VA-VB)。因此，前述穩壓電路控制器440的架構也能有效降低能源的浪費，進而提升電源轉換器的整體轉換效率。

請注意，前述穩壓電路控制器440中的不同功能方塊，在實作上可以整合在同一電路中。或者，某一功能方塊的功能亦可分拆成多個電路來實現。另外，在說明書及圖示中，部分信號是以高態有效(active high)方式表達以簡化說明。在其他實施例中，各個信號能以高態有效、低態有效(active low)或分別使用高態有效和低態有效的方式實施。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

400‧‧‧電源控制系統

410‧‧‧處理器

420‧‧‧電壓控制介面

430‧‧‧穩壓電路

440‧‧‧穩壓電路控制器

450‧‧‧控制電路

452‧‧‧控制單元

454、456‧‧‧控制邏輯

460‧‧‧參考電壓產生電路

470‧‧‧比較電路

480‧‧‧脈寬調制信號產生器

Claims (9)

1. 一種穩壓電路控制器，其包含有：一參考電壓產生電路，用於依據一數位控制信號產生一參考電壓；一比較電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於將該參考電壓與一穩壓電路的一輸出電壓進行比較；一控制電路，耦接於該參考電壓產生電路與該比較電路，用於產生該數位控制信號，並依據該比較電路的比較結果產生一第一控制信號；以及一脈寬調制信號產生器，耦接於該控制電路，用於依據該第一控制信號控制該穩壓電路的運作；其中當該穩壓電路控制器接收到一電壓控制介面傳來的一省電指令時，該脈寬調制信號產生器會停止運作，且該控制電路會調整該數位控制信號以使該參考電壓呈階梯式降低。
2. 如請求項1所述的穩壓電路控制器，其中在該穩壓電路控制器接收到該省電指令前，該參考電壓產生電路會依據該數位控制信號將產生的參考電壓維持於一預定值。
3. 如請求項1所述的穩壓電路控制器，其中當該穩壓電路控制器接收到該省電指令時，該控制電路會停止該脈寬調制信號產生器的運作。
4. 如請求項3所述的穩壓電路控制器，其中該控制電路包含有：一控制單元，用於依據該省電指令調整該數位控制信號，並利用 一第二控制信號停止該脈寬調制信號產生器的運作；以及一第一控制邏輯，耦接於該控制單元，用於依據該比較電路的比較結果產生一第三控制信號；其中該控制單元受到該第三控制信號觸發時，會控制該參考電壓產生電路調降該參考電壓。
5. 如請求項3所述的穩壓電路控制器，其中在接收到該省電指令之後，若該穩壓電路控制器接收到該電壓控制介面傳來的一電壓調整指令，該控制電路會控制該參考電壓產生電路調升該參考電壓。
6. 如請求項5所述的穩壓電路控制器，其中在該穩壓電路控制器接收到該電壓調整指令之後，該控制電路會致能該脈寬調制信號產生器的運作。
7. 如請求項5所述的穩壓電路控制器，其中當該參考電壓大於或等於該輸出電壓時，該控制電路會致能該脈寬調制信號產生器的運作。
8. 如請求項7所述的穩壓電路控制器，其中該控制電路包含有：一控制單元，用於依據該電壓調整指令調整該數位控制信號，並利用一第二控制信號致能該脈寬調制信號產生器的運作；以及一第二控制邏輯，耦接於該控制單元，用於依據該比較電路的比較結果調整該第一控制信號。
9. 一種穩壓電路控制器，其包含有：一參考電壓產生電路，用於產生一參考電壓；一比較電路，耦接於該參考電壓產生電路，用於將該參考電壓與一穩壓電路的一輸出電壓進行比較；以及一控制電路，耦接於該參考電壓產生電路與該比較電路，用於在該穩壓電路控制器接收到一省電指令時，控制該參考電壓產生電 路將該參考電壓呈階梯式降低；其中該控制電路包含有：一控制單元，用於依據該省電指令控制該參考電壓產生電路；以及一第一控制邏輯，耦接於該控制單元，用於依據該比較電路的比較結果產生一第三控制信號；其中該控制單元受到該第三控制信號觸發時，會控制該參考電壓產生電路調降該參考電壓。