TWI465011B - Ｐｗｍ電壓調節器的控制電路及方法 - Google Patents

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Description

PWM電壓調節器的控制電路及方法
本發明係有關一種脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM)電壓調節器，特別是關於一種PWM電壓調節器的控制電路及方法。
近代中央處理器(CPU)的負載電流係高度動態且從輕載到最大負載的變化非常快速的。CPU的一次電流暫態變化可能在1微秒(μs)以內，此時間小於典型的脈寬調變電壓調節器的切換週期，不論其係電壓模式或電流模式控制。為解決此問題，用來提供電壓給CPU的PWM電壓調節器大部分係藉設定其輸出的電壓變化門檻來觸發另一非閉迴路調節機制，例如觸發另一PWM工作時間(on-time)或立刻停止非工作時間(off-time)，或增加PWM信號的工作週期比(duty)。然而這種設計有兩個主要的缺點：第一，該電壓變化門檻是不連續的，因此只有在輸出的衰減電壓超過該電壓變化門檻時才能改善暫態響應；第二，該電壓變化門檻是固定的，因此不適用各種應用。此外，若使用外部元件來設定該電壓變化門檻，則需要額外的接腳，這將增加成本且降低電路板設計的彈性。
目前，應用在CPU的電壓調節器大多使用適應性電壓位置(Native Adaptive Voltage Position;N-AVP)控制，例如美國專利號7,436,158。傳統的PWM架構通常使用鋸齒波信號作為參考值與輸出電壓信號或電感電流信號比較而產生PWM信號供控制電壓調節器的切換。在負載由輕載轉為重載的暫態期間，PWM電壓調節器的輸出電壓瞬間下降，可能因為降到太低而導致CPU停止操作。目前已有許多解決控制迴路暫態問題的方案，例如美國專利申請案公開號2007/0013356利用電壓模式控制迴路來解決快速暫態響應問題，但這種方法會因為同步時脈而遭遇時序問題，而且也無法在暫態發生時即時反應。美國專利申請案公開號2007/0109825提出一種感測負載電流以改變時序源的方法以克服前述的時脈時序問題，但此方法也無法在暫態發生時即時反應。美國專利號7,615,982在負載電流超過門檻時插入一非閉迴路PWM脈衝以改善暫態響應，雖然可以在暫態發生時即時反應，但其係非線性控制，可能造成電壓調節器的控制迴路不穩定。
本發明的目的之一，在於提出一種改善PWM電壓調節器的暫態效能的控制電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，在該PWM電壓調節器暫態期間根據其輸出的電壓變化動態地調整其PWM信號。
本發明的目的之一，在於提出一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，根據該PWM電壓調節器的輸出電壓漣波頻率判斷是否發生暫態。
根據本發明，一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，結合高頻回授技巧與固定工作時間或固定非工作時間架構，以改善該PWM電壓調節器的暫態效能。
根據本發明，該PWM電壓調節器根據一電流產生固定工作時間或固定非工作時間以產生PWM信號，並在暫態期間根據其輸出的電壓變化動態地調整該電流。
根據本發明，該PWM電壓調節器偵測其輸出電壓漣波頻率，使用高頻回授迴路調整該電流。
根據本發明的控制電路及方法至少達成多項優點：第一，不需要任何負載步階偵測的門檻，其觸發僅與暫態速度有關，且其響應正比於暫態速度及步階；第二，可以不需要額外的接腳就能改善暫態響應；第三，提供高度彈性予電路板設計以改變加速暫態響應的能力；第四，適用多種類型的應用。
在傳統的PWM電壓調節器中，習慣增加補償電路來濾除回授信號的高頻成分，但本發明反其道而行，提出一種特別的高頻回授迴路來控制高頻回授信號，其能有效的改善PWM電壓調節器的暫態響應。此高頻回授迴路為線性控制迴路而且只針對控制迴路的高頻部分。此高頻回授迴路可以用簡單的被動元件及結構實現。
參照圖1的實施例，本發明應用在定電流漣波(Constant Current Ripple;CCR)固定工作時間(Constant On Time;COT)PWM電壓調節器。該CCR COT PWM電壓調節器使用N-AVP控制且其PWM觸發機制類似谷值電流模式(valley current mode)COT控制迴路。正如同已經廣為熟知的，該PWM電壓調節器包括控制電路10及輸出級12，且輸出級12根據控制電路10提供的PWM信號Spwm產生輸出電壓Vout供給CPU 14的電源輸入接腳142。輸出級12包括驅動器20根據PWM信號Spwm切換開關SW1及SW2而控制電感電流IL對電容Co充電，以產生輸出電壓Vout，這些是習知技術。控制電路10包括電阻Rset、電源管理IC 18及高頻回授控制器16。電阻Rset連接在電壓輸入端Vin及電源管理IC 18的固定時間設定接腳182之間，供應電流Iset到固定時間設定接腳182，電源管理IC 18根據從固定時間設定接腳182接收到的電流I1產生固定時間Tcon，用來決定PWM信號Spwm的工作時間或非工作時間。在CCR COT PWM電壓調節器中，電流I1正比於電感電流IL以使輸出電壓Vout的漣波固定。高頻回授控制器16連接在固定時間設定接腳182及電源輸入接腳142之間，用來建立高頻回授迴路。固定時間設定接腳182及電源輸入接腳142都是IC或晶片原本就有的接腳，因此在此實施例中不需要增加額外的接腳。
參照圖1，在正常操作期間，輸出電壓Vout的漣波處於低頻，高頻回授控制器16如同斷路，因此經固定時間設定接腳182流入電源管理IC 18的電流I1=Iset。在供給CPU 14的輸出電壓Vout發生快速且大範圍下降時，輸出電壓Vout的漣波頻率超過高頻回授控制器16的門檻，促使高頻回授控制器16建立高頻回授迴路從固定時間設定接腳182抽取電流Iqr，因而調整電流I1=Iset-Iqr，進而調整固定時間Tcon。電流Iqr的大小取決於輸出電壓Vout的衰減電壓，因此高頻回授控制器16會自行追蹤輸出電壓Vout的衰減電壓而調整電流Iqr，因而動態地調整固定時間Tcon。高頻回授控制器16係設置在電路板上而非電源管理IC 18中，因此電路板設計者只要改變高頻回授控制器16的元件就可以改變高頻回授控制器16的加速能力，以符合各種應用，故對電路板設計者而言，本發明提供更好的彈性。
圖2係圖1中的電源管理IC 18及高頻回授控制器16的實施例。電源管理IC 18包括固定時間產生器30根據電流I1產生固定時間Tcon，以及PWM比較器32在回授電壓VFB低於參考電壓Vref1時觸發信號St給固定時間產生器30以觸發PWM信號Spwm。如同大家已熟知的，回授電壓VFB係PWM電壓調節器的輸出回授信號，通常與輸出電壓Vout成正比。固定時間產生器30包括電流控制電流源(Current Control Current Source;CCCS)34根據電流I1產生電流I2對電容C1充電，開關SW3與電容C1並聯，比較器36比較電容C1的電壓Vc1及參考電壓Vref2以產生PWM信號Spwm。在一實施例中，當控制器38響應觸發信號St而產生短脈衝Ssp重設電容C1至接地電壓時，PWM信號Spwm轉為高準位，在短脈衝Ssp結束使開關SW3變為開路(off)後，電容C1的電壓Vc1上升，當電壓Vc1達到參考電壓Vref2時，PWM信號Spwm轉為低準位。電流I2的大小決定電壓Vc1的上升速度，因而決定PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon的長度。
參照圖2，高頻回授控制器16包括由快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr組成的高通RC濾波器。快速響應電容Cqr與快速響應電阻Rqr串聯，快速響應電容Cqr連接電源輸入接腳142，快速響應電阻Rqr連接固定時間設定接腳182。在正常操作時，輸出電壓Vout的漣波處於低頻，因此快速響應電容Cqr如同斷路。當輸出電壓Vout發生暫態而瞬間下降時(為高頻的暫態)，回授電壓VFB也瞬間下降而低於參考電壓Vref1，因而立即觸發信號St以觸發PWM信號Spwm，進而達成即時響應，同時，因為輸出電壓Vout的漣波頻率上升至高頻範圍，快速響應電容Cqr如同短路，所以快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr形成分流路徑從固定時間設定接腳182抽取電流Iqr以降低電流I1，因而降低電流I2。隨著電流I2下降，電壓Vc1的上升速度變慢，因此PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon變長，進而避免輸出電壓Vout過低而導致CPU 14停止操作。適當的選擇高頻回授控制器16的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr的RC值，能有效改善電壓調節器的暫態響應。在其他實施例中，高通濾波器中的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr可以用主動元件取代。除了高通濾波器之外，高頻回授控制器16也可以用其他高頻訊號過濾電路來實現。
由於控制電路10並非根據輸出電壓Vout的變化量來判斷是否發生暫態，因此毋須設定電壓變化門檻，而且可以根據輸出電壓Vout的變化量線性地調整PWM信號Spwm的固定時間Tcon，因此具有較佳的控制迴路穩定性。當輸入電壓Vin改變、負載改變或電壓識別(voltage identification)VID改變而導致輸出電壓Vout發生暫態時，控制電路10皆可提供較佳的暫態效能。
在圖2的實施例中，快速響應電阻Rqr在暫態發生後可以使分流路徑持續一段時間，但是電流Iqr的大小受限於快速響應電阻Rqr，因而限制了PWM信號Spwm的固定時間Tcon的長度，使得所能提升的效能也受到限制。圖3係高頻回授控制器16的另一實施例，其除了圖2中的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr所形成的第一分流路徑外，還包括旁通電容Cbp與快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr並聯以形成第二分流路徑。由於在該第二分流路徑上沒有電阻，因此在暫態發生後，旁通電容Cbp立即分流較大的電流以產生較長的固定時間Tcon，但是也由於該第二分流路徑上沒有電阻，因此該第二分流路徑只能維持很短暫的時間，在該第二分流路徑變成斷路後，該第一分流路徑將再維持一段時間，因而可以大大地改善寬範圍負載暫態響應。
圖4係圖1的PWM電壓調節器的波形圖，波形44及46分別為使用圖2的高頻回授控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout，波形48及50分別為使用圖3的高頻回授控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout，為了對照之用，波形40及42分別為不使用高頻回授控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout。在發生暫態時，如時間t1所示，沒有使用高頻回授控制器16的PWM信號Spwm的固定時間Tcon維持不變，如波形40所示，因此無法即時提供足夠的能量來穩定輸出電壓Vout，導致輸出電壓Vout低於CPU 14所需要的最低電壓Vsd，如波形42所示；使用圖2的高頻回授控制器16的PWM電壓調節器在暫態發生時立即增加PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon，因此不但可以避免輸出電壓Vout過低，也可以使輸出電壓Vout更快回復穩定，如波形44及46所示；使用圖3的高頻回授控制器16的PWM電壓調節器在暫態發生時能更加長PWM控制信號Spwm的固定工作時間Tcon，因此具有更好的效能，如波形48及50所示。
在圖1及圖2的實施例中，高頻回授控制器16係藉調整電流I1來改變固定時間Tcon，但在其他實施例中，高頻回授控制器16也可以連接固定時間產生器30中的其他節點，例如在圖5的實施例中，高頻回授控制器16係經電源管理IC 18的接腳184連接電流控制電流源34的輸出端，在暫態發生時分流電流I2以調整固定時間Tcon。接腳184可以是額外增加的接腳。
前述實施例係利用CCR COT PWM電壓調節器來解說，但其他類型的固定工作時間PWM電壓調節器或固定非工作時間PWM電壓調節器也可以使用高頻回授控制器16來調節PWM信號Spwm的固定時間Tcon。
10．．．控制電路
12．．．輸出級
14．．．CPU
142．．．CPU的電源輸入接腳
16．．．高頻回授控制器
18．．．電源管理IC
182．．．電源管理IC的固定時間設定接腳
184．．．電源管理IC的接腳
20．．．驅動器
30．．．固定時間產生器
32．．．PWM比較器
34．．．電流控制電流源
36．．．比較器
38．．．控制器
40．．．PWM信號Spwm的波形
42．．．輸出電壓Vout的波形
44．．．PWM信號Spwm的波形
46．．．輸出電壓Vout的波形
48．．．PWM信號Spwm的波形
50．．．輸出電壓Vout的波形
圖1係應用本發明的CCR COT PWM電壓調節器；
圖2係圖1中的電源管理IC及高頻回授控制器的實施例；
圖3係圖1中的高頻回授控制器的另一實施例；
圖4係圖1的PWM電壓調節器的波形圖；以及
圖5係本發明的控制電路的另一實施例。
142．．．電源輸入接腳
16．．．高頻回授控制器
18．．．電源管理IC
182．．．固定時間設定接腳
30．．．固定時間產生器
32．．．PWM比較器
34．．．電流控制電流源
36．．．比較器
38．．．控制器

Claims (15)

  1. 一種PWM電壓調節器的控制電路，用來提供脈寬調變信號控制該PWM電壓調節器將輸入電壓轉換為輸出電壓，該控制電路包括：固定時間產生器，產生固定時間以決定該脈寬調變信號的固定工作時間或非固定工作時間；以及高頻回授控制器，連接該固定時間產生器，在該PWM電壓調節器發生暫態時建立高頻回授迴路，以即時調整該固定時間。
  2. 如請求項1之控制電路，其中該固定時間產生器包括：電容；電流控制電流源，連接該電容，根據第一電流決定第二電流對該電容充電；開關，並聯該電容，以重設該電容；以及比較器，連接該電容，比較該電容上的電壓與參考電壓以產生該脈寬調變信號。
  3. 如請求項2之控制電路，其中該高頻回授控制器調整該第一電流以調整該固定時間。
  4. 如請求項2之控制電路，其中該高頻回授控制器調整該第二電流以調整該固定時間。
  5. 2、3或4之控制電路，其中該高頻回授控制器包括高頻訊號過濾電路。
  6. 如請求項5之控制電路，其中該高頻訊號過濾電路包括高通濾波器。
  7. 如請求項6之控制電路，其中該高通濾波器包括：快速響應電容；以及快速響應電阻，與該第一快速響應電容串聯在該固定時間產生器及該PWM電壓調節器的輸出端之間。
  8. 如請求項7之控制電路，其中該高頻回授控制器更包括旁通電容與該串聯的快速響應電容及快速響應電阻並聯。
  9. 如請求項6之控制電路，其中該高通濾波器包括主動元件。
  10. 如請求項2之控制電路，更包括電阻連接該固定時間產生器，根據該輸入電壓產生該第一電流。
  11. 一種PWM電壓調節器的控制方法，用來提供脈寬調變信號控制該PWM電壓調節器將輸入電壓轉換為輸出電壓，該控制方法包括下列步驟：(A)產生固定時間以決定該脈寬調變信號的固定工作時間或非固定工作時間；以及(B)在該PWM電壓調節器發生暫態時建立高頻回授迴路以即時調整該固定時間以加快暫態響應。
  12. 如請求項11之控制方法，其中該步驟A包括：根據第一電流決定第二電流；根據該第二電流產生線性變動的電壓；以及比較該線性變動的電壓與參考電壓產生該脈寬調變信號。
  13. 如請求項12之控制方法，其中該步驟B包括調整該第一電流以調節該固定時間。
  14. 如請求項12之控制方法，其中該步驟B包括調整該第二電流以調節該固定時間。
  15. 如請求項11、12、13或14之控制方法，其中該步驟B包括對該輸出電壓進行高頻訊號過濾。
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