TWI489746B - 用於主動下降電流分享的系統 - Google Patents

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Description

用於主動下降電流分享的系統
本發明通常關於用於POL調節器的技術，更特定來說，是關於用於電流分享的技術。
電源設計已經成為一項嚴峻而困難的任務。高電流/低電壓積體電路需要一種純淨而穩定的DC電源。這種電源必須能夠遞送非常快速的瞬變電流。到達這些負載的電子路徑還必須具有低電阻和低電感(1.5V的電源將以60安培在25毫歐姆的電阻上完全下降)。傳統地，DC電源被設計成將AC線電壓轉換成一個或多個DC輸出，這些DC輸出將通過系統被連線至負載點。為了降低在系統周圍分佈高電流信號的有害效應，已經採取了一種以適度的電壓和電流位準來分配功率的替代方法。不是在中心位置將AC電源電壓位準轉換為各種負載所需要的DC電壓位準，而是通常將AC電源電壓轉換為一種“合理的”DC電壓，並將其連線至“負載點”(POL)，在那裏“合理的”DC電壓被就地轉換為所需要的低電壓。這種技術被稱作“分散式電源架構”或DPA，並在圖1中顯示。如圖1的PDA系統200中所示，交流-直流電壓轉換器202可產生中間直流電壓Vx，該中間直流電壓Vx可被連線至單一的本地直流-直流轉換器204、206、208和210，它們依次可分別向其對應的POL提供所需的DC電壓V1、V2、V3和V4。使用DPA可以減 小誤差，因為高電流信號的行進的距離被最小化，從而降低了I ×R (電阻性)以及L di/dt(電感性)誤差。應當注意的是這裏使用的術語“POL轉換器”和“DC-DC轉換器”是可以互換的，並且應當理解通常在DPA系統中，電力是通過DC-DC轉換器供應給POL。
在許多功率分配系統中，只在系統周圍將功率分配給多個POL通常是不夠的。複雜的電子系統通常還要被監視和控制以確保最大程度的可靠性和性能。以下列舉了DPA系統中通常實現的一些更重要的功能(電源特徵)。
供電排序
現代電子系統可包含許多IC，並且每個IC可具有多種電源電壓需求。例如，核心邏輯可能需要一種電壓而I/O可能需要一種不同電壓。這通常導致需要設定單個晶片上各電壓被施加的順序以及對系統中的多個晶片施加電力的順序。
斜坡控制
有時，有必要控制轉換器的DC輸出電壓從其初始值傾斜到額定值的速率。這樣做可有助於管理熱插拔(hot swap)事件、排序需求或者滿足負載的需求。
追蹤
很多時候希望使一個或多個轉換器的輸出跟隨或鏡像對映(mirror)系統中一個或多個其他轉換器的輸出。例如，追蹤一種特定的電壓位準可包括將追蹤轉換器或裝置的電壓位準設定成被追蹤轉換器或裝置的電壓位準，並且當任 何時候被追蹤裝置的電壓位準發生變化時，改變追蹤裝置的電壓位準以與被追蹤裝置的電壓位準相匹配。有些情況下，追蹤裝置和被追蹤裝置的電壓位準可能並不相同；被追蹤電壓位準的變化將簡單地被鏡像對映到追蹤裝置的電壓輸出上。例如，如果被追蹤電壓增加了0.2V，那麽追蹤電壓也將增加0.2V。
相位控制
DC電壓通常以線性調節和DC-DC轉換這兩種方式中的一種方式逐步降低。DC-DC轉換器可通過對輸入電壓進行脈寬調變(PWM)以及對輸出進行被動濾波來逐步降低DC電壓。PWM信號的工作週期(duty cycle)大致約等於輸出電壓與輸入電壓的比率除以轉換器的效率。例如，對於所需要輸出為1.2V、輸入為12V的理想DC-DC轉換器，其工作週期將為10%。在大電流應用中，通常希望迫使各個DC-DC轉換器對其時脈周期的不同“相位”進行採樣。也就是說，為了防止系統中的DC-DC轉換器都對時脈周期的第一個10%進行採樣，一個轉換器可對時脈周期的第一個10%採樣，而下一個轉換器可對時脈周期的不同10%採樣，依此類推。這樣通常會降低雜訊和改善瞬變回應。這種技術還被應用於電機控制，並且常被實現來控制系統中的多個風扇。具有交錯相位的PWM控制的風機通常提供降低的音訊雜訊。
電流分享
除了迫使DC-DC轉換器對開關時脈的交錯相位採樣 外，有時還希望迫使兩個或多個獨立轉換器每個都能遞送均等份額的負載電流。這種方法改善了大電流應用中的雜訊和瞬變回應。
開關時脈的同步
通常希望使系統中的多個DC-DC轉換器的開關頻率彼此同步或與其他系統時脈同步。通常這樣做來降低將時脈或其諧波與重要的系統時脈混頻的可能性。這在通信應用中有著特別的意義。
還有一些功率系統可能需要的其他功能。例如，溫度測量的單一點，閘極的開/關狀態以及振盪或許也是感興趣的。
為了滿足對更多功率和更密集系統的需要以及由此帶來的重新分配問題，許多現在的功率分配方案開始在單一封裝內提供多種解決方案或功能。通常這些功能中的每一種功能都需要系統中的單獨配置。也就是說，每種功能需要其自己的互連網路將POL轉換器連接在一起。該互連網路可實現膠合邏輯(glue logic)，這對於控制POL轉換器以便在系統操作期間能夠成功執行該特定功能來說是需要的。這些功能中的許多功能包括類比信號控制，其需要對應的類比信號線，其中POL轉換器以點對點配置互聯。這些信號的連線通常很困難，同時各種POL轉換器之間和/或POL轉換器與系統的任何其他元件之間沒有建立起真正的通信。
本發明揭露一種系統，包括：通信匯流排；以及多個耦合到所述通信匯流排的POL(負載點)調節器，該多個POL調節器中的每個POL調節器具有各自的輸出級，該輸出級耦合到共用的負載並配置成產生各自的輸出電流，其中每個POL調節器還被配置成根據對應於該匯流排的匯流排通信協定通過該匯流排發送並接收資訊；其中POL調節器群組被配置成使POL調節器群組中的一個用作主POL調節器，而POL調節器群組中的其餘POL調節器用作從POL調節器；其中該主POL調節器被配置成通過該通信匯流排發送指示該主POL調節器的數位化的感測輸出電流值的資訊；其中該從POL調節器中的每個對應的從POL調節器被配置成基於該主POL調節器的數位化的感測輸出電流值和各個從POL調節器的數位化的感測輸出電流值之間的差來調節它的輸出級中的各個高側場效應電晶體(FET)的工作週期，以有效增加或減少它們各自的經調節的電壓輸出。
為了在系統級將這些功能中的全部或大多數連接在一起，一種方法已在負責控制各個POL變換器的控制IC中實現這些功能。一些功能還可被編程到微控制器中，該微控制器可通過一I2 C(IC間通信)匯流排與相連的POL轉換 器通信從而協調對系統中所有POL轉換器的控制。圖2顯示基於I2C的系統的例子。如圖2所示，微控制器302可耦合至POL轉換器(也被稱作POL調節器)320、322、324和326，其中各裝置之間的連接表示I2 C匯流排。圖2所示配置通常不適用於主動控制，而主要可用於狀態監視，其中POL轉換器320、322、324和326可向微控制器302發送回狀態信號，微控制器302進而可基於從各個POL轉換器接收的狀態資訊向各POL轉換器發送簡單的控制信號。一般而言，微控制器302一次檢查一個POL轉換器的狀態，當系統中需要更多互動式即時通信時，這可被視為是一個缺點。
圖3顯示在DPA系統中實現的單個功能的一個示例。通常，電源控制器350(提供對執行該功能的控制)與DC-DC電壓轉換器352、354、356和358以如圖所示的點對點配置連接。電源控制器350通過指定線耦合到每個DC-DC轉換器，(通常使用類比線路來實現大多數功能)，更具體地來說，是通過線路372和362耦合到轉換器352，通過線路374和364耦合到轉換器354，通過線路376和366耦合到轉換器356，以及通過線路378和368耦合到轉換器358。輸入電源電壓VIN 360耦合到每個DC-DC轉換器，且進而對於一個或多個對應的POL，DC-DC轉換器352可以產生DC輸出電壓370，DC-DC轉換器354可以產生DC輸出電壓372，DC-DC轉換器356可以產生DC輸出電壓374，以及DC-DC轉換器358可以產生DC輸出電壓376。
在各種實施例中，複雜的DC功率系統中所需要的共用功能可以組合到單一控制器中而不是被當作分開的IC功能。如圖4所示，管理功能1到N的控制器502可通過數位匯流排504被耦合到POL調節器1到M(作為例子被顯示為POL調節器510、512和514)。數位匯流排504可以是使通信所需線路減少的串列匯流排。在圖4所示配置中，通過將轉換器510、512和514與控制器502都耦合到串列數位匯流排504，使得轉換器510、512和514與控制器502之間的即時通信成為可能。然而，當執行共用的功率功能時，該系統可能仍然要依靠對所耦合的POL調節器執行中心控制，從而限制了每個POL調節器的回應時間。
在一組實施例中，使用混合信號IC技術的系統導向的解決方案可將每個功能的一個單元分配給單個負載點(POL)IC或POL調節器。在這些實施例中，一個DC-DC電壓轉換器、一個電源排序單元、一個負載監視單元以及多種其他功率管理功能(例如以上討論的功能)的一個對應單元可合併到單個POL調節器中，如圖5所示。一種真正系統導向的解決方案可通過能夠與其他POL調節器、及/或與替代主控制IC通信的POL調節器來實現。如圖5示出的實施例所示，POL調節器602、604和606各自被分配功能1-N，並經由串列數位匯流排610耦合在一起。匯流排610可比I2 C匯流排更簡單並且可提供更多控制和信號，包括即時資料反饋能力。匯流排610還可允許每個POL調節器耦合到主控制IC(MCIC)800，或直接彼此耦合，使得 所有系統層級功能得以配置、控制和監視從而提供簡單而靈活的結果。雖然圖5示出MCIC 800耦合到匯流排610，然而MCIC 800是替代的，且替代實施例可省略MCIC 800，而只包括耦合到匯流排610的POL調節器，且所有需要的功能可由單一POL調節器來控制，或者各種功率管理功能可由一起操作的一組POL調節器集中進行控制。
如圖5所示，本發明的實施例提供了一種用於設計DPA系統的模組化方法，其提供系統層級功能而不需要系統為了可能需要的每個期望功能而進行單獨和分開地配置。每個POL調節器在被放入系統之前可以被單獨配置，並且可操作以通過接觸匯流排610上的即時反饋資訊以及通過與其他POL調節器進行通信來實現所有必需的功能。這代表了主動控制，而不是簡單的狀態監視。
開關功率調節器通常使用兩個或多個功率電晶體將能量從一個電壓轉換為另一個電壓。通常被稱作“降壓調節器”的這種功率調節器150是調節器的一個常見的例子，在圖6中顯示。降壓調節器150通常切換一對功率電晶體：高側(HS)FET 138和低側(LS)FET 140以在其共用節點SW處產生方波。所產生的方波可以通過使用由電感器142和電容器144構成的LC電路進行整平以產生所需要的電壓Vout 。由誤差放大器146、比例積分微分(PID)濾波器132、脈寬調變器(PWM)134以及輸出控制電路136構成的控制迴路可被配置用於控制輸出方波的工作週期，以及由此控制所產生的Vout 值。該控制回路可以經由誤差放大器146 形成，該誤差放大器146會可以比較輸出電壓VOUT 的值與參考電壓Vref的值以產生提供至PID濾波器132的誤差信號。這裏使用的HS FET 138被稱作控制FET，LS FET 140被稱作同步FET，而從輸出控制電路136到HS FET 138的信號被稱作POL調節器的(輸出)控制信號。在典型的POL轉換器中，控制信號的工作週期(D)可被定義為所需要的輸出電壓(VOUT )除以輸入電壓(VIN )。因此，控制FET可在工作週期所定義的持續期間開通，相反同步FET在被定義為1-D的開關周期持續期間開通，這裏D為控制FET的工作週期(如前所述)。
在一組實施例中，POL調節器可被配置為負載或POL、DC/DC轉換器的多相點，在多相配置中操作以升高系統可用的總電流。這種配置中可能產生的一個問題是電流平衡，當提供大電流時可能需要執行電流平衡以保持穩定性。大多數當今的解決方案沒有提供通過使用低頻寬演算法來平衡電流的手段，並且通常也不提供通過調節數位控制反饋迴路中的目標電壓來平衡負載線電流的方法。在一組實施例中，可通過使用匹配的人工線電阻(下降電阻)的主動低頻寬電流分享演算法來執行電流平衡，與此同時在穩態和動態瞬變期間保持多個迴路的穩定性下降。各裝置間的數位通信可促進電流分享演算法，其中數位匯流排可以是單線路匯流排、平行匯流排或時脈和資料匯流排。
主動的下降電流分享
通過分享負載點供電的分散式功率與單負載點供電或 POL調節器相比有很多引人注目的優勢。分散式或電流分享通過在大範圍輸出電流上具有更好的效率、冗餘的可靠性以及分散式散熱而可被用於滿足與低電壓應用相關聯的日益增長的電流需求。圖7顯示根據圖5中DPA系統的一個實施例的電流分享配置的一個示例。POL轉換器102、104和106(代表第一、第二和第N個POL調節器轉換器)可耦合到數位通信匯流排120，它們各自的經調節電壓輸出通過各自的電感器103、105和107以及電容器110被分享以在電阻112表示的負載處提供單一電壓Vout。應當注意的是雖然圖7中輸出級(HS FET和LS FET電晶體對，每一者均接收輸入電源電壓Vdd)被顯示為位於各自POL轉換器的外部，但是在圖6中，輸出級卻被指示為POL調節器的一部分，從而最能強調不同實施例的某些特定特徵。還應當注意的是雖然輸出級是POL轉換器的一個功能部分，但是當POL轉換器舉例來說被配置在積體電路(IC)上時，控制電路和輸出級可以被配置在同一IC上，也可不配置在同一IC上。習於此技術者將會理解本文揭露的POL轉換器的各種例示說明旨在將與本文闡述的電流分享原理一致的所有可能的實現具體化。
在一組實施例中，一種低頻寬、多階數位控制迴路可被配置用於通過將從裝置(POL調節器作為數位通信匯流排上的從裝置來運行)的負載線與主裝置(POL調節器作為數位通信匯流排上的主裝置運行)對準來平衡各裝置輸出間的不均衡。然而，一階數位控制迴路可能就足夠了。 自主決定或專閘極的主POL調節器(例如POL調節器104)可將其感測到的輸出電流數位化，並將指示該電流值的資訊通過數位通信匯流排120傳送給傳統主-從配置中該組的所有從POL調節器(例如POL調節器102和106)。所有的從裝置可以根據主裝置的輸出電流值與對應從裝置輸出電流值之間的差值來調整它們各自的控制FET的工作週期，從而有效地增大或減小它們的輸出電壓。用於微調輸出電壓的實施例可以通過調整前端誤差放大器(調節器150中的放大器146)中的目標電壓(調節器150中的Vref)來實現。用於微調輸出電壓的其他實施例可以通過縮放工作週期來實現，而縮放工作週期通常通過校正控制濾波器(132，位於調節器150中)的接頭或者通過調整對工作週期控制模組(134，位於調節器150中)的控制數量來實現。主裝置可以主動地通過例如I2C、SM匯流排或其他一些通信匯流排(圖7配置中的120)的通信匯流排發送指示其電流值的資訊，而從裝置可使用該資訊來微調它們的被編程的參考電壓，從而平衡系統中每個裝置的電流負載。主裝置可繼續發送該資訊直到故障發生、它的相位下跌或其通信介面失敗，在該點處，組內的其他從裝置可裁定新的主裝置。成員電流(亦即電流分享群組中POL調節器的單個電流)可由此得以平衡，例如為平均成員負載電流的5%，並具有16Hz的更新頻寬。
如圖6所例示的，POL調節器可以使用反饋控制方法來基於輸入電壓的分數(fraction)或工作週期演算法產生經 調節輸出電壓。為了滿足系統對大負載電流的需要，可以實施一種新的電流分享方法。POL調節器間的電流分享可以通過相對於專用的主裝置電流調整從裝置的負載線來實現。負載線演算法可以實現在POL調節器的輸出電壓路徑中增加在本文中被稱作“下降電阻”的人工線路電阻，以控制負載線曲線(亦即輸出電壓-負載電流)的斜率，校準各裝置與其功率鏈之間的物理寄生不匹配，這可能是由於過程和溫度變化以及印刷電路板(PCB)的佈局差異而引起的。
圖8顯示一種理想情況，其中兩個POL裝置各自的負載線(222和224)具有相同的斜率。如圖8所示，「VM」稱作主調節器的輸出電壓，「VS」稱作從調節器的輸出電壓，「IM」稱作由主調節器提供的負載電壓，而「IS」稱作由從調節器提供的負載電流。「R」稱作定義調節器負載線路之斜率的下降電阻值。「VO」稱作在由主/從調節器提供的特定負載電流處之電流分享配置提供的總輸出電壓。「IP」稱作平均會員負載電流，也就是在電流分享配置中每一個調節器的平均負載電流值。隨附在該等符號之後的數字/字母下標可稱作相同調節器之不同類型的值。舉例來說，VS1 可稱作從調節器之第一電壓輸出值，而VS1 可稱作相同從調節器之第二電壓輸出值。同樣地，IM1 可以稱作由主調節器提供的負載電流的第一值，而IM2 可以稱作由主調節器提供的負載電流的第二值，RS1可稱作從裝置的第一下降電阻值，而RS2可稱作從裝置的第二下降電阻值等。這 這些同樣施用於圖9到圖12中。在一組實施例中，電流分享操作可以被配置成通過相對於主裝置的電流微調從裝置的輸出電壓以使從參考電壓(例如POL裝置102的參考電壓，POL裝置102可作為從POL轉換器操作)朝著主參考電壓(例如POL裝置104的參考電壓，POL裝置104作為主POL轉換器操作)增大。這可以有效減小/消除相關POL裝置各自電感器電流之間的間隙。如果主裝置的電流高於所檢測到的從裝置的電流負載，那麽從裝置可以增加(向上微調)它的輸出電壓，其可以導致主裝置的電感器電流下降而從裝置的電感器電流增加。相反的操作也是成立的。也就是說，如果從裝置的參考電壓的截點高於主裝置的參考電壓的截點，那麽可以減小從裝置的參考電壓的截點以消除電感器電流之間的間隙，並使輸出電壓下降。
在一組實施例中，一種演算法可操作以使用積分器，通過主動校準各裝置之間的不匹配來使從裝置相對於主裝置的輸出電壓主動地平衡它們各自的輸出電壓。該演算法可不限於通過設備具有相同下降電阻進行的電流分享，並且可被配置為根據裝置的下降電阻、裝置的負載電流以及被傳輸的主裝置的負載電流值將每個裝置的輸出電壓調整到最為合適的工作點上。例如，從裝置的下降電阻可以高於主裝置的下降電阻值，如圖9所示(負載線382、384和386)，或者它也可以低於主裝置的下降電阻值，如圖10所示(負載線442、444和446)。如上面提到的，可以通過縮放至輸出濾波器的控制FET的閘極信號的周期工作週 期來實現對輸出電壓的調節。對工作週期的縮放可以採用多種方式來實現(這在上面也提到了)，以全面減小或增加控制迴路中的誤差信號(例如誤差放大器146的輸出，如圖6所示)或者控制迴路的結果(例如輸出控制136提供的控制信號，如圖6所示)。該演算法可以適於控制在物理上可包括在電流分享配置中的任意數量的裝置間的電流分享。電流分享還可被應用於二階校正，其中從裝置下降電阻適於尋找最佳負載線斜率以與主裝置的曲線相匹配。二階電流分享的示例的負載線在附圖11和12中顯示。圖11顯示二階電流分享的負載線462、464和466，圖12顯示負載不同的二階電流分享的負載線472、474和476。
在一個實施例中，平衡演算法可以通過信號處理來實現，以允許主裝置在低很多的頻寬時傳輸它的電流值。附圖13顯示根據一個實施例的用於電流平衡從裝置的一階控制反饋路徑。雖然附圖13僅顯示一階控制機制，但是取決於該系統和所需要的收斂時間也可以實現二階、三階和更高階的控制迴路。圖13的控制反饋路徑可以用以下方程式表示：V out =V ref +V trim (n )=V ref +R droop *(I Moster -I Member )*K S +V trim (n -1)其中IMASTER 代表由主裝置提供的負載電流(如同也顯示在圖13中的)，而IMEMBER 代表由從裝置提供的負載電流(如同在圖13中的Islave )。
在一個封閉的數位系統中，如果被採樣的資料信號的最高頻率不小於奈奎斯特速率，則可能發生混淆。然而， 採樣速率可能是不確定的，因為每個電流採樣可能不會被立即傳送或接收。採樣速率的不確定性可能降低採樣過程中拍頻的確定性，並可表現為輸出電壓的隨機不穩定性。在一個實施例中，該演算法還可被配置成用來控制振盪器的頻率，因此在裝置處理器之間傳播處理速率的不確定性會造成非關聯。此外，由於裝置可以具有內部裝置振盪器，所以可能因裝置處理和溫度差異以及製造而進一步降低關聯性。此外，通信匯流排上的通信還可使電流分享採樣速率抖動。
該演算法可操作以將誤差信號(例如圖16中的誤差放大器146的輸出)衰減指定的增益因數Kstable (圖13中的454)乘以下降電阻(附圖13中的452)，例如：
下降，其通常為1.1.25毫伏/安培，當然它也可以取其他值。下降電阻可操作以校準主從能量級與反饋感測路徑之間的任何物理板佈線不匹配。為了保持穩定性以及降低積分器(圖13中的458)過衝，可以指定或編程最大校正值--從裝置可以借助於該最大校正值來限制每個電流分享周期內它們各自的輸出電壓調節量。該各自輸出電壓VoutTrim 因此可以被限制在限制檢查區塊456中編程的最大值，限制檢查區塊456的輸入可以與此比較而產生VoutTrim 。
各實施例可以在假定有理想負載線斜率的情況下進行配置。然而，如上所述(例如參見附圖9和10)，從裝置的負載線電阻可能與主裝置的電阻不相等。該電流分享演 算法的各種實施例仍可以根據所確定的方程來恰當地平衡電流。當輸出電流變化時，該演算法可能隨著時間更加活躍，這是因為兩條負載線在電感器電流相等的點處交叉。這還可以在裝置對於過程、電壓和溫度進行平衡時實現。
可以驗證特定電流平衡頻寬(例如16Hz)足以保持穩定性，並且可以指定所述通信速率以確保電流分享成員裝置的負載之間的差異小於總負載的指定的、可接受的比例(例如5%)。
電流分享配置和編程可以通過串列通信或通過接腳帶設置和電阻器來實現(在接腳帶設置中，可將接腳耦合到對應於在邏輯“1”的電壓位準或對應於邏輯“0”的電壓位準，以有效地對裝置進行編程)。分享群組可以支援無限數量的裝置成員，但是組內成員裝置(成員POL調節器)的實際數量調節器可以被指定為設定值，例如16，這樣可以在整個單位周期上進行相位擴展或在同組成員的切換之間有360°/16=22.5º的度數間隔。在某些實施例中，電流分享群組的各成員可以用人工交錯分佈或者繞著單位相位圓自主分佈，以分散開關效應對輸入電壓的影響。這在圖14中顯示，圖14顯示正常調節期間的電流分享，其中GH表示至控制FET的控制信號，而GL表示至同步FET的、該控制信號的補數。方波622和624表示第一POL裝置各自的閘極信號GH1與GL1，而方波626和628則表示第二POL裝置各自的閘極信號GH2與GL2。第一POL裝置的輸出電流IL1 630和第二POL裝置的輸出電流632IL2 在電流分享配 置中被組合以獲得負載電流634IO 。
此外，當輸出電流增加時，下降的量--輸出電壓偏離預期設定點位準的量--可以是下降電阻乘以輸出負載電流的函數。因此，當輸出負載電流增加時，被調節的電壓可能下降。然而，主裝置可命令電流分享群組內的所有從裝置根據檢測到的輸出電流同時微調它們各自的輸出電壓。由於主裝置可以擁有關於電流分享群組中活躍裝置的數量、它的輸出負載電流以及下降電阻的資訊，所以它(主裝置)可以在通信匯流排上使所有從裝置同步以界定它們各自的輸出電壓設定點，從而將負載電流和下降電阻對被調節電壓位準的影響降到最小。
此外，控制迴路可用在每個成員裝置中以作為群組同時回應瞬變事件，即使成員的電壓控制迴路是相位交錯的也是一樣，從而允許增強的瞬變回應。雖然前面用於電流分享的被動下降分享方法既簡單又便宜，但是前述方法通常需要一些形式的手工校正(例如微調裝置的輸出電壓)。與之相反，本發明提出的主動下降電流分享的各種實施例可以通過只使用單條匯流排和單對應的匯流排協定的全數位通信技術來實現，由此提高了長期可靠性。
增加和移除電流分享群組中的相 位
當在多相配置中操作多個POL裝置以增加系統可用的總電流時，或許有必要對電流分享群組適當增加或移除一些相位。由於某些系統需要而增加相位或移除相位可能發生也可能不發生，但活躍相位(活躍POL調節器)的數量 通常取決於電流分享群組在某些輸出負載級的效率或故障情況。為了避免犧牲多相電源系統的效率，在不引起輸出電壓擾動的情況下增加和移除一些相位(電流分享群組中增加或移除POL調節器)或許是有益的。在大多數當今的實現中，調整電流分享群組中所有成員各自的控制FET的導通時間來增加或移除相位。
在一組實施例中，可以在不與其他裝置通信或不瞭解其他裝置的情況下，縮放將對電流分享群組增加或移除的裝置的閘極信號。如前面提到的(參照圖6)，控制FET可在工作週期定義的持續時間內是導通的，相反同步FET可在D’=1-D定義的開關周期的持續時間內導通，其中D為控制FET的工作週期。雖然D’通常僅是閘極-高信號的逆態，但是在增加和移除相位時，D’可以獨立地進行控制。因此，至同步FET的信號在本文中被稱作閘極-低信號。在一組實施例中，硬體電路/元件可被配置用於控制該控制FET信號的導通時間和同步FET信號的導通時間。這些硬體電路/元件可被同步以同時地或單獨地縮放這兩個閘極信號(控制信號和至同步FET的信號)。在一組實施例中，可在不引起輸出電壓瞬變的情況下增加和移除電流分享群組的一些相位。在檢測負載狀況(例如輕負載)的基礎上，可以增加或移除相位而不擾動輸出電壓。電流分享群組可以自發地檢測負載狀況(例如輕載)，或者主處理器可以提供指示負載狀況的控制信號或通信。然而，電流分享群組中的裝置如何確定為何需要增加或是移除該裝置可能是 其本身不會影響增加或移除相位的方式。
在一組實施例中，電路可被配置用於根據至少兩種用於無縫地增加和移除POL調節器的電流分享群組中的一些相位的方法操作而不擾動電流分享群組中任何裝置(POL調節器)的輸出電壓。當電流分享群組中的一個成員通過瞬間消除閘極-高信號和閘極-低信號而完全移除它對輸出電壓的貢獻時，通常會引起輸出電壓的瞬變。瞬間移除成員裝置的閘極-高信號因此類似於載入情況(負載增加；亦即輸出端負載已增加)可引起輸出電壓的瞬變，其中輸出電壓將振盪升高。這種情況可能發生是因為電感器(參照圖6和7，例如分別是電感器142和103、105、107)的電荷必須耗盡。相反，如果成員裝置瞬間除去它的閘極-低信號，那麽其電感器電流將尋找不同的返回路徑，且該瞬變可表現為卸載狀況(負載減小；亦即輸出端負載已降低)。瞬變可以是自感應的，或者系統可以花幾個開關周期來恢復。
電流分享群組可以交錯分佈活躍裝置的成相，這可以有效地通過活躍裝置的數量來增加開關頻率，同時降低輸出紋波。如前面所提到的，圖14顯示正常調節期間電流分享的信號顯示圖，其中雙相電流分享群組(兩個POL調節器一起操作)的電流信號的相位相差180度。在一組實施例中，電流分享群組的一個成員裝置可以在可編程數目的開關周期上依次移除它的GL(閘極-低)和GH(閘極-高)脈衝。這可使得系統能在平均數量的周期上對瞬變做出有 利地回應，而不依靠該裝置如何決定是否應當增加或移除它電流分享群組的相位貢獻。例如，在某些情況下，POL裝置可以包括執行編程指令(例如韌體)的控制單元(例如微處理器)，且該控制單元可以從外部主機接收通信脈衝或封包，或者該POL裝置自身可以確定可增加或者移除相位。在其他情況下，POL裝置可以不包括這樣的控制單元，而是通過其他方式，例如作為一個離散有限狀態機(FSM)來實現增加或移除相位的決定。
在一組實施例中，可以通過連續地操縱閘極信號(亦即GL和GH信號)的脈寬來指示POL裝置中執行指令(例如韌體)的控制單元(例如微處理器)或者POL裝置中的離散FSM增加或移除相位。為了增加或移除相位，該裝置可以故意地和系統地開通或關斷它的閘極驅動信號以避免向系統引入瞬變。例如，可以通過將同步閘極驅動在可編程數目的開關周期上調變成0寬度工作週期來實現移除相位，以及通過將同步閘極驅動在可編程數目的開關周期上調變成具有預定或預期寬度(例如由系統動態決定)的工作週期來實現增加相位。
當移除相位時，POL裝置可以調節或不調節誤差路徑以消除任何干擾工作週期擾動。該裝置可以削弱饋送到轉換器的積分器(例如圖6中的PID濾波器132)的誤差信號，且它還可以凍結積分器的當前狀態。該POL裝置可以在可編程數目的開關周期上緩慢地減小它的GL脈衝的寬度直到其被消除，且該裝置非同步地切換，如圖15所示，其中 一個POL裝置(該情況下為POL裝置2)的GL信號被逐步消除。隨著GL2被最終消除，第二POL裝置的輸出電流IL2 不斷變化，還影響了總電流IO 。同一POL裝置隨後可通過在可編程數目的開關周期上減小GH脈衝的寬度來削弱它的GH信號直到其被消除，如圖16所示。隨著GH2最終被消除，第二POL裝置的輸出電流IL2 最終也被減小為零，使得總電流IO 追蹤第一POL裝置的輸出電流IL1 。
當增加相位時，該裝置可以使用積分器的最後狀態作為起始操作工作週期。該裝置可以對輸出電壓採樣和用當前感測到的輸出電壓來預先偏壓設定點電壓以實現零誤差進入積分器。積分器可以根據該感測到的輸出電壓進行初始化以獲得初始工作週期值Vout /Vin 。該裝置然後可以通過例如在可編程數目的開關周期上從零到全比例地穩步爬升到最大允許脈衝來釋放GH脈衝。該裝置隨後可以在GL調變電路中使積分器反向並有效地在可編程數目的開關周期上釋放GL脈衝，隨後釋放積分器以允許該裝置調節輸出電壓。
圖17顯示用於降低或釋放同步FET閘極脈衝或GL的寬度的可能電路的一個實施例的控制圖表。該電路可以基於有界的一階無限脈衝回應(IIR)濾波器696。輸入誤差源可以編程在故障轉換表694中，作為圖17所示UCF的欠流(under current)故障、圖17所示OCF的過流(over current)故障、或者圖17所顯示設置-OCF-賦能和設置-UCF-賦能的來自控制器(例如微處理器)的控制。在一組實施例中， 進入IIR濾波器696的誤差輸入(EIN)可被定義為有符號的兩位元值，並且可以通過複用器654根據誤差源選擇信號進行選擇。積分器的回轉可由第一增益因數K1 658控制，而輸出可以在從IIR濾波器696輸出前進一步經由第二增益因數K2 666來調整。系統的穩定性可取決於K1的值，其在某些實施例中可定義為8位元整數。增益因數K1可用於確定調變調整的步幅、積分器回轉及頻率。由於輸入的範圍可從-1到1(在有符號的兩位元值的情況下--當誤差值被定義為不同的位元長度時，範圍可能相對應地不同)，因此可以消除對乘法器的需要，因為濾波積分器可以基於誤差輸入以K1估值的幅度遞增或遞減。積分器(664)還可以被配置成無符號和單極的，因為GL可以導通或關斷(如通過複用器668選擇的)，並且濾波器可能不期望有瞬變。來自複用器668的輸出可以在比較器670中與來自遞減器電路698的相位計數器輸出相比較(參照以下連同圖18進一步說明)，而該比較器670的輸出可以接著被用作複用器672的選擇信號以選擇最後的GL輸出。
GL積分器的增益(KGL )可以通過方程式1定義，其中X是積分器的操作總和，N是使積分器飽和或關斷GL所需要的開關周期的總數量：
為了算出這個總和，可以將方程式1轉換成積分的形式：
在求解該積分時，KGL 可以根據所需時間來表達，以移除GL(移除GL可以作為指令通過通信匯流排進行通信，例如圖7中的匯流排120)，且該切換率： 從該式中可以得出：
如圖18所示，GL調變電路可以操作用於削弱閘極-低脈衝(1102)(與對應的GH脈衝/信號1104一起顯示)，其中最小脈衝寬度可以編程為0或非0。圖18還提供了相位計數器信號(1106)的一種可能波形，其可以通過遞減電路698(圖17)產生。陰影區域顯示可能的調變範圍。
在另一組實施例中，可通過同時操作兩個閘極信號(GH和GL)的脈衝寬度來指示操作韌體或離散狀態機的微處理器增加或移除相位。為了增加或移除相位，該裝置可以有效地導通或關斷它的閘極驅動信號，同時避免了向系統引入瞬變。該功能可以通過一電路來實現，該電路替代通向上/下下計數器並同時縮放到典型的轉換器輸出(例如圖6和7示出的轉換器實施例的輸出級)的閘極驅動信號。圖19顯示用於在閘極驅動信號路徑間執行共同控制的電路的一個實施例。當移除相位時，該裝置可以將誤差信號驅動為零，其可以有效地凍結積分器(DPWM 802)的狀態，且該裝置可以儲存積分器的狀態。當增加相位時，該裝置可以使用積分器的最後狀態作為起始操作工作週期。或者， 該裝置可以採樣輸出電壓，且它可以用當前感測到的輸出電壓來預偏壓設定點電壓，從而實現零誤差進入積分器。該積分器可以根據感測到的電壓被初始化從而獲得初始工作週期值V out /V in 。該裝置隨後可通過允許計數器(808)向上計數來釋放GH和GL脈衝。該計數器值可用於在可編程數目的開關周期上從邏輯上釋放工作週期脈衝。該裝置可以隨後釋放該積分器以使該裝置能調節輸出電壓。
縮放計數器808可以向上/向下計數到N，也可以從N向上/向下計數，且當前計數作為N(806)的分數可以產生縮放因數KD ，其可用於改變GH信號的有效工作週期。縮放計數器808和IIR濾波器810都可以接收指示是否增加或移除相位的資訊的控制信號(增加/移除)，而縮放計數器808也可以接收增益控制信號Kgain 。IIR濾波器810的輸出可以與計數器808的當前計數值比較(使用比較器816)，從而提供縮放因數KD’ ，其可以用於在及閘814中與經修改的GH信號組合以產生修改後的GL信號(脈衝)。如所指示的，當IIR濾波器的輸出大於或等於計數器值的時候，GL可被保持為零(0x0)，否則在與縮放因數KD’ 對應的持續時間上，它將是GH的逆態。
圖20顯示一個圖表，該圖表示在可編程數目的開關周期上將同步閘極驅動調變為0寬度工作週期的過程。如圖20所示，GH和GL可以被同時調變以最終達到0值，也就是說，沒有脈衝被遞送至受影響的POL調節器(該情況下為調節器2)的輸出級。陰影區域表示對應信號的經縮放初 始寬度。同樣地，圖21顯示一個圖表，該圖表示了在可編程數目的開關周期上將同步閘極驅動調變為全(D)寬度工作週期的過程。如圖21所示，GH和GL可以被同時調變以最終達到零值，也就是說，沒有脈衝被遞送至受影響的POL調節器(該情況下為調節器2)的輸出級。
電流分享群組的智慧管理
還可以設計一個或多個其他演算法來進一步改善電流分享群組的性能。該(些)演算法包括如下這些：
1.偽無主的主-從形式的電流平衡配置，其中倘若當前主裝置出於任何原因退出調節，則所有成員裝置自動地裁定一個新的主裝置指派。
2.基於系統參數級改善效率，例如工作週期或輸出電流。該改善可以包括自動地增加和移除相位的方法以及調節系統開關頻率的方法。
3.通過基於活躍成員的數量將繞著單位圓均勻間隔的所有成員相位重新分佈的方法，將開關損耗和輸出紋波最小化。
4.故障情況終止後自動地恢復單一成員。
如前所述，可以實施上述演算法以通過數位匯流排(例如圖7中的匯流排120)執行對電流分享群組的管理。
當今的系統不提供用於通過裝置對裝置的通信方法來對指定主裝置進行自動重新分佈的方法，如果任何裝置故障，這允許系統保持穩定和活躍。然而，在對組內成員相位排列相對彼此進行重新分佈時以及調節電流分享群組的 性能時，回應於讀取系統參數自動地增加或移除相位存在很多益處。
POL裝置/調節器的電流分享群組可以通過很多方式來配置。圖22顯示強調一種可能的樣本資料結構的表，該樣本資料結構可被定義用於電流分享編程。通過通信匯流排對無主演算法的配置可取決於編程唯一的裝置識別符號，比如ID或位址，其可在通信匯流排協定中使用。在顯示的例子中，可以定義5位元電流分享群組ID或地址。當然位元的數目可以取決於組內POL裝置的數目，並且可以大於5位元或小於5位元另外。另外，組內裝置的數目、組內的位置或順序編號都可以被指定。此外，動作還可以通過匯流排來傳達，比如增加/移除相位、從故障中自動恢復以及啟動電流分享演算法。
圖23顯示通信1300的一個例子，其中指令1302可以定義事件動作，比如移除/增加相位，ID 1304可以表示該電流分享群組的唯一識別符號，比如位址或ID，並且裝置位置/狀態1306可以把該獨立裝置與其狀態相關聯，例如裝置移除相位。在這個實施例中，第一(或初始的)主裝置的指定可以由用戶決定，例如對具有唯一位置的裝置進行編程。比如，如果在電流分享配置中配置有四個裝置，那麽位置為0的裝置可以被指定為初始的主裝置，而編程為1、2、3的裝置初始可為從裝置。在一組實施例中，POL裝置可能是接腳帶耦接的，並且在操作期間它們可以從其通信地址推斷出他們的位置，例如：具有匯流排(比如SM 匯流排)位址空間的位址0x20的裝置可以如該低位元位元所定義的轉譯為位置0。一旦已申明了新的主裝置，那麽該新的主裝置可以向所有的活躍成員請求信號，其中該信號可指示由於新配置導致的各成員的相位偏移量。通過發送新相位，該主裝置可以計算各成員應當為什麽相位並與接收到的資訊進行比較。另外，相位的傳輸也可以表示成員們認知到並認同該組。
在一組實施例中，可以配置無主演算法來管理電流分享群組成員之間的電流分享通信，並且還實現電流分享群組內的故障管理和故障反應。在一組實施例中，電流分享群組可以配置有多個裝置，這些裝置可被編程以使得一個裝置被指定為電流分享群組中的初始主裝置，而其他裝置被指定為初始從(或成員)裝置。在另一組實施例中，這些裝置可以被編程以使得該組可以自動指定主裝置。該主裝置可以通過通信匯流排(例如I2 C、SM匯流排或者一些其他的通信匯流排)主動傳送指示當前的值/狀態的第一資訊，其中成員/從裝置使用該資訊來調整他們的GH控制信號的工作週期值以平衡系統中各個裝置的電流負載。該主裝置可以繼續傳送第一資訊直到發生故障、其相位被移除或者其通信介面失敗，在這時該組中的從成員可以裁定出新的主裝置。
因此偽無主的主-從演算法可以被定義為這樣的演算法，其操作以在包括多個裝置的裝置到裝置系統中指定至少一個裝置作為預設的主裝置，並且指定其他的裝置作為 該主裝置的預設從裝置。該偽無主方面是指系統的這樣一種能力，在指定的預設主裝置停止起作用的情況下通過裁定(即根據包括優先順序資訊的某種準則進行指定)新主裝置的能力，該系統總是包括至少一個被指定為主裝置的裝置，而無需任何從裝置在匯流排上明確地要求變成主裝置。在一個實施例中，電流分享群組的所有成員裝置都用狀態向量來追蹤該組其他成員的狀態。該向量可以用於例如根據最低的有效位置或其他的編址方案追蹤當前主裝置(例如其可為預設的主裝置)。此外，系統的預設主裝置可以被定義為最低的編程位置(即該裝置在電流分享群組的裝置中具有最低的裝置ID)。
電流分享群組的各個成員可以具有初始配置(即電流分享群組的各個POL裝置成員可在操作之前被配置)。各個成員可以配置有電流分享群組ID(再次參看圖22和23)，其可以允許多個組使用同一條通信匯流排。此外，電流分享群組的各成員可以配置有(或可以存儲)指示該電流分享群組中配置的裝置數目的資訊、和指示該裝置在該組內擁有的唯一位置的資訊。在電壓/電流調整期間，各成員可以在該通信匯流排上保持追蹤有多少成員活躍地電流分享該輸出電壓，以及哪個裝置是現在指定的主裝置。將其自身增加到該組或者退出該組的任何裝置都可以通過該資料匯流排傳遞它的組ID、它的當前狀態(增加或退出)以及它的位置。
圖24顯示流程圖，顯示用於POL裝置在增加相位時在 電流分享群組內配置自己的方法的一個實施例，即當POL調節器被啟動/被啟動以在電流分享配置中提供額外的電流時。所有連接到通信匯流排的裝置都可以通過將接收到的組ID與它們已編程的組ID進行比較來確定所傳送封包是否與它們相關(2402)。換句話說，各裝置可以首先確定它是否為所傳送封包的預計到達的電流分享群組的部分。如果ID匹配，那麽接收裝置可以評估在封包中傳送的組成員的狀態。如果該裝置是將其自身增加到該組，那麽可比較位置(2404)。如果接收到的位置低於接收裝置的編程位置(即，如果接收到的資訊指示的位置低於接收裝置的編程位置)，那麽接收裝置可以(再次)將其自身配置為從裝置(2408)。如果接收到的位置高於該編程位置，接收裝置就可能不需要重新配置其自身(2406)。接收裝置然後可以設置/清除裝置向量中對應的位置位元以指示與接收到的位置相對應的裝置已經被增加到該電流分享群組(2410)，並且如果該封包是在正常操作期間被接收到的則繼續正常操作(2412)，或者如果該電流分享群組剛被施加電力則開始操作(2412)。如果接收裝置的裝置位置在所有活躍裝置中是最低的，則它可以將其自身配置為主裝置而非不重新配置它自身(在2406中)。
圖25顯示圖解一種方法的一個實施例的流程圖，該方法用於POL裝置在移除相位時在電流分享群組內配置他們自己，即當POL調節器將被禁用/去啟動而不在電流分享配置中提供成員電流時。再一次地，連接到通信匯流排的 所有裝置都可以通過比較接收到的組ID與它們的編程組ID來確定所傳送的封包是否是與它們有關(2502)。如果所傳送封包中接收到的(狀態)資訊指示該發送者正在移除它的相位，那麽接收裝置可以首先設置/清除它的裝置向量中與發送裝置相對應的位元來指示與接收到的位置相對應的裝置已經退出(2504)。接收裝置可以隨後確定它(該接收裝置)當前是否為活躍的並且作為主裝置操作(2506)，並且如果是這樣，它可以繼續正常操作(2518)。如果接收裝置確定它當前為活躍的且不是主裝置，那麽它隨後可以比較該接收到的位置是否低於接收裝置的編程位置(2508)，並且如果是這樣，接收裝置可以繼續正常操作(2518)。否則，接收裝置可以解析裝置向量(2510)來確定它自己在全部的活躍裝置中的位置(2512)。
如果接收裝置確定它的位置在所有活躍裝置中不是最低的，它可能將其自身(再次)配置(或如果它已經是，繼續保持)為從裝置。然而，如果接收裝置在該點確定它的位置在所有活躍裝置當中是最低的，那麽它可以將其自身重新配置為主裝置(2514)，然後重新開始正常操作(2518)。總的說來，如果接收到的位置指示當前的主裝置已經退出，那麽次低位置的成員可以承擔主裝置職責。還應該注意到的是，圖24和25的流程針對裝置之間由電流分享群組內一個裝置ID相對於另一個裝置ID的相對值來確定的優先順序。遵循這裏公開的操作原則的同時，在增加/移除相位時，可以根據不同於相對位置的任何指定或 預定或可編程標準來同樣地確定裝置應當將其自身(再次)配置為主裝置還是從裝置。
還可以改善電流分享配置的效率。例如，該電流分享群組還可以被配置為自動檢測輕負載，或者主處理機(中央控制器)可以提供輕負載控制信號或通信。可通過一個或多個下列動作來恢復電流分享群組的效率：在輕輸出負載時移除相位和/或減小開關頻率，移除相位至少可以通過兩種方式提高效率。首先，移除相位可以提高其餘的活躍成員提供的電流，這可以將它們的效率曲線調高，從而提高該組的累積效率。其次，移除相位可以減少該系統的有效開關率，這可以減少/最小化由於切換FET通斷的速率(即由於FET開通和關斷的速率)引起的損失。簡單地減小該開關頻率也可以因此使FET開通和關斷速率引起的損失最小化。
通過讀取參數資訊(即指示某些參數的資訊)，比如工作週期和/或輸出電流，電流分享群組的主裝置可以確定是否要嘗試通過調整電流分享群組的活躍成員的數目來提高效率，或者上調還是下調開關頻率。就像之前指出的那樣，理想的話，該工作週期可以對應於輸入電壓除以期望的輸出電壓。具有測量其工作週期或以某種方式鑒別其工作週期的能力的裝置也許能夠智慧地確定其系統的哪些部分應當最佳化。如果測量到的工作週期大於理想工作週期，那麽負載可能高於不連續區域，這裏不連續區域指的是輸出負載電流紋波可能穿越零邊界的區域。因此，如果 該測量到的電流分享群組當前主裝置的工作週期小於指定(期望或理想)的值，那麽該主裝置可以調整該系統的開關頻率或活躍成員的數目以企圖提高群組效率。開關頻率的調整可以根據搜索演算法來執行，比如逐次逼近寄存器(SAR)程式。該調整過程可以延續直到該工作週期和/或輸出電流趨勢繼續，或者超過工作週期和/或輸出電流的指定臨限值，並且電流分享群組的主POL調節器開始使效率增益調整反向。在一組實施例中，可以通過增加和移除相位和/或降低組成員間的共用時脈源的頻率來提高效率。時脈源可以是或不是源自成員裝置中的一個。然而，時脈源可以通過某種形式的控制來調節，例如通過資料通信匯流排(例如圖7中的匯流排120)。
電流分享系統中的性能增益--例如較高的有效開關速率、最小化的輸出漣波、以及高效地從匯流排電源汲取電流--可以通過繞單位圓平分享佈各相位來實現。例如，具有指定數量裝置(例如四個裝置)的系統可以將每個裝置的成相定位成偏移相同量(例如就四裝置來說是90度)。在一組實施例中，各相位可以基於任何給定時間活躍成員的數目自動地分佈在電流分享群組中。因為成員POL裝置可以增加或移除，並且成員裝置可能出於各種可能原因而經歷故障狀況，因此其餘活躍裝置可被配置成自動地重新分佈它們的相位分佈。
電流分享群組的所有成員都可以經由狀態向量來追蹤該組其他成員的狀態。該狀態向量可被配置為存儲資訊， 該資訊根據特定規範指示該成員裝置應當遵循什麽樣的相移。例如，最低編號的裝置(即該裝置與其他裝置相比具有最低的ID編號)可能為0度偏移，而其他裝置可基於相對位置(相對於其他裝置)、活躍裝置的總數目以及基於裝置硬體能力的一些量化程度而交錯分佈。圖26顯示電流分享群組中四個裝置的閘極信號，其中每一相位都與跟隨有相位編號(1-4)的一組閘極信號GH和GL相關聯，分別標引為閘極信號GH1-GH4和GL1-GH4。所有的相位最初繞著單位圓偏移90度。相位1可以位於0度，相位2可以位於90度，相位3可以位於180度並且相位4可以位於270度。當相位3和相位4被移除(無論因為什麽原因)時，其可能使相位2將其成相從與相位1偏離90度重新分佈到與相位1偏離180度，如圖26所示。圖27也示了與圖26所示類似的用於電流分享群組中四個裝置的閘極信號。在這種情況下，相位2和相位3可以被增加回系統，並且結果使得相位4可以將其自身從180度偏移量重新分佈到270度偏移量。
該電流分享群組還可以以多種方式被配置用於群組內或較大系統內的故障管理。在一個實施例中，該電流分享群組可以配置為“最後倖存者情景”。也就是說，當電流分享群組內單個POL裝置經歷故障情況時，它可能不會導致整個電流分享群組進入故障狀況，而是該單一裝置可簡單地退出該配置。在另一個實施例中，電流分享群組可被配置為當單一裝置經歷故障情況時集體進入故障情況。在 最後倖存者配置中，一裝置可以配置為根據一組指定情況斷電，比如溫度或其他的系統異常。在那種情況下，該裝置可以從該電流分享群組移除它本身就像它是移除的相位。這樣，該故障裝置不會引起輸出電壓的瞬變。經歷故障情況的裝置可以將移除相位事件傳送給該組的其他電流分享成員，並且所有成員可以相對於該故障裝置更新它們的狀態向量。然而，一旦該故障已經被清除，該裝置可以被增加回該系統。這可以由單一裝置自動執行或由主裝置請求執行。如果成員增加到或退出該組，該組的其餘成員可以根據狀態向量重新對準它們的相位偏移。
適當傾斜電流分享軌的方法
在一組實施例中，所有成員裝置的輸出電壓的斜坡可以在獨立應用中和追蹤應用中被同步，同時減少回流電流。再次，配置在成員POL裝置之間的數位通信匯流排可以用來促進POL裝置和電流分享群組的智慧管理。在一個實施例中，由如圖17和19所示的調變電路所示，在傾斜之前可以通過根據裝置到裝置通信方法將斜坡的起始同步，同時還根據控制FET信號的工作週期傾斜同步FET的工作週期，來減小回流電流。這些電路還能夠用於同步所有成員裝置的斜坡以避免輸出電壓波動，並且緩和存在於大多數電流分享系統中的大規模回流電流。
分享配置中單個相位電流可以由該轉換器的負載電壓和負載線的交叉點確定。在軟性起動時期，每個轉換器的負載線可以低起動並且向最後負載線位置移動。在一些POL 裝置內，例如基於微處理器的裝置，可能有處理延遲，其可以表示為察覺到的每個裝置的輸出電壓斜坡開始之間的時差，其可以表現為多個負載線中的顯著差異。因為各裝置連接到同一負載(借助於該電流分享配置，例如參見圖7，其中共同的負載例示為電阻器112)，這可能導致主裝置和成員/從裝置的負載線間的顯著差異，直到達到斜坡的末端。
圖28顯示兩個斜坡：主裝置的輸出電壓斜坡和成員/從裝置的輸出電壓斜坡，其中成員裝置的斜坡顯著地比主裝置的斜坡早開始。為了便於理解，在圖28中僅顯示一個從裝置的斜坡。顯示圖2800圖示了相對於時間標繪的輸出電壓，而顯示圖2802圖示了相對於輸出電流和總負載電流標繪的輸出電壓。在時間點“t”，成員負載線比主裝置負載線更接近於最後的負載線輸出電壓值(以位準線表示)。這可能導致在成員/從裝置電流和主裝置電流之間明顯不匹配。事實上，如示圖2802所示，當成員/從裝置電流為正(降壓模式)時，該系統行為可以反映主裝置電流為負(升壓模式)。示圖2802中位準線表示時刻“t”時的負載電壓。
因為負載電流是來自兩個轉換器的電流的總和，所以如果一個轉換器吸收電流，那麽另一個(多個)轉換器可以被要求輸出比負載實際上需要的更多的電流。圖29圖示了主裝置負載線和從裝置負載線之間更所需要的負載線關係，在這裏電流更為平衡。顯示圖2900圖示了相對於時間標繪的輸出電壓，而顯示圖2902圖示了相對於輸出電流和 總負載電流標繪的輸出電壓。多個電流分享裝置的斜坡可以配置有許多額外的設定以緩和回流電流的量。如圖29所示，在時間“t”，成員負載線和主裝置負載線距離最終負載線輸出電壓值(以位準線表示)有幾乎相同的距離。這可以顯著地減少和/或除去在成員/從裝置電流和主裝置電流之間任何顯著的不匹配。如示圖2902所示，該系統行為可以反映主裝置電流和成員/從裝置電流兩者都為正(降壓模式)。示圖2902中的位準線再次表示時間“t”的負載電壓。
正如前面提到的那樣，為了獲得圖29中顯示的期望的結果，斜坡開始時序可以通過在數位通信匯流排上通信來同步，而同步FET的控制信號的脈衝寬度可以在傾斜期間調整。當電流分享群組中所有成員的斜坡開始的時序同步時，可以再次使用主從類型配置。一裝置可以初始被配置為主裝置(例如如上所述)，並且所有其他成員可以被配置為主裝置的從裝置。一旦電流分享群組的所有成員發出和檢測到系統啟動，從POL裝置可以設置開始傾斜所必需的全部硬體，並且可以在空閒模式下等待直到該主裝置傳送開始斜坡封包。一旦超出從發出系統啟動到斜坡的期望開始所需的特定時段，該主裝置可以通過通信匯流排向電流分享群組的所有成員傳送第二封包，使成員開始傾斜它們各自的輸出電壓。第二封包可以作用於硬體觸發機制以允許該裝置開始傾斜輸出電壓，如圖30所示。如圖30所示，第一組閘極信號GH1和GL1可以對應於主裝置，而第 二組閘極信號GH2和GL2可以對應於從裝置。還應注意到的是，因為該主裝置同時也是電流分享群組的成員，它也同樣可回應於第二封包而開始傾斜它自己的輸出電壓。在圖30所示的例子中，主裝置和從裝置彼此反相180度地操作。
另外，可對電流分享群組內各裝置的對應各GL信號使用調變電路(例如圖17所示的調變電路)，以通過盡可能多地減少系統中的回流電流來幫助傾斜電流分享群組內各裝置的對應輸出電壓。GL的調變可以減少可能存在於具有配置成電流分享群組的衆多控制器的功率級濾波器內的大輸出電流，該電流分享群組以輕微失配的控制器FET工作週期來驅動許多FET。GL的工作週期可以確定可經由同步FET放電到接地的電流量。
該調變電路可以用多種方式配置。在一個實施例中，電流分享群組的成員裝置可以配置對應于中間位準、過流位準和欠流位準的電流閾值(即用於輸出電流的臨限值)。如果超過這些臨限值中的任何一個，該調變電路可使同步FET的工作週期抖動。通過使同步FET的工作週期抖動，成員裝置可以限制通過電感器放電的電流量。同時，高側FET的工作週期可以延時，並在輸出時被複製為同步FET的脈衝寬度，如圖31所示。這可以將經過電感器放電的電流量限制為通過電流分享群組中各成員的電感器流至輸出端的電流量。此外，最小的低側工作週期可以被編程用於傾斜過程的持續期，如圖18先前顯示的那樣(同時參考上 文的附加說明)。最後，配置在POL調節器內的控制器(比如微控制器或微處理器)可以用於基於例如工作週期或輸出電流等系統參數來確定同步(低側)FET必需的工作週期。
調變電路17可以被編程以將GL脈衝完全調整開，或者可調整最小脈衝寬度，如圖18所示。在某些情況下，該功率系統可以不以非同步模式操作。用於調變的可能範圍可以定義在最小脈衝寬度設置到GH的上升沿之間。然而該有效調變範圍可以是該GL脈衝自身的工作週期。一旦已經達到期望的輸出電壓並且傳送了信號或封包以指示電流分享群組可以操作，則該裝置可以開始釋放低側FET工作週期使其為高側FET工作週期的預期逆態或D'=1-D，其中D=Vout/Vin。圖32示出閘極信號和輸出電流波形，圖示了從裝置怎樣釋放低側FET工作週期以獲得高側FET工作週期的預期逆態。
可使用電路(例如圖19所示的一個電路)來同時地操作高側和低側FET閘極信號的脈衝寬度。正如前面關於圖19的實施例提及的，這可通過選通向上計數器並且同時縮放到典型的升壓轉換器輸出濾波器(例如圖6和7所示的輸出級)的閘極驅動信號來完成。
雖然在上面已經相當詳細地描述了該實施例，但也可能有其他版本。對習於此技術者來說，只要理解了上述揭露內容，許多的變化和修改將變得很明顯。所附申請專利範圍旨在被解釋為涵蓋所有這些變化和修改。注意，這裏使用的段落標題僅用於行文結構的目的，並不意味著對這 裏的說明或所附的申請專利範圍進行限制。
102‧‧‧POL轉換器
103‧‧‧電感器
104‧‧‧POL轉換器
105‧‧‧電感器
106‧‧‧POL轉換器
107‧‧‧電感器
110‧‧‧電容器
112‧‧‧電阻器
120‧‧‧數位通信匯流排
132‧‧‧比例積分微分(PID)濾波器
134‧‧‧脈寬調變器(PWM)
136‧‧‧輸出控制電路
138‧‧‧高側FET
140‧‧‧低側FET
142‧‧‧電感器
144‧‧‧電容器
146‧‧‧誤差放大器
150‧‧‧調節器
200‧‧‧PDA系統
202‧‧‧交流-直流電壓轉換器
204-210‧‧‧1本地直流-直流轉換器
222-224‧‧‧負載線
302‧‧‧微控制器
320‧‧‧POL轉換器
350‧‧‧電源控制器
352-358‧‧‧直流-直流電壓轉換器
360‧‧‧輸入電源電壓VIN
362-368‧‧‧線路
370‧‧‧直流輸出電壓
372-378‧‧‧線路
382-386‧‧‧負載線
442-446‧‧‧負載線
452‧‧‧下降電阻
454‧‧‧增益因數Kstable
456‧‧‧限制檢查區塊
458‧‧‧積分器
462-466‧‧‧二階電流分享的負載線
472-476‧‧‧具有負載改變的二階電流分享的負 載線
502‧‧‧控制器
504‧‧‧數位匯流排
510-514‧‧‧POL調節器
602‧‧‧POL調節器
610‧‧‧串列數位匯流排
622-624‧‧‧表示第一POL裝置各自的閘極信號的方波
626-628‧‧‧表示第二POL裝置各自的閘極信號的方波
630‧‧‧第一POL裝置的輸出電流
632‧‧‧第二POL裝置的輸出電流
634‧‧‧負載電流
654‧‧‧複用器
658‧‧‧第一增益因數K1
664‧‧‧積分器
666‧‧‧第二增益
668‧‧‧複用器
670‧‧‧比較器
672‧‧‧複用器
698‧‧‧遞減電路
800‧‧‧主控制IC(MCIC)
802‧‧‧DPWM
806‧‧‧分數N
808‧‧‧縮放計數器
810‧‧‧IIR濾波器
814‧‧‧及閘
816‧‧‧比較器
1102‧‧‧閘極低脈衝
1104‧‧‧閘極高脈衝
1106‧‧‧相位計數器信號
1300‧‧‧通信
1302‧‧‧指令
1304‧‧‧ID
1306‧‧‧裝置位置/狀態
2402-2412‧‧‧顯示用於POL裝置在電流分享群組內配置自己的方法的一個實施例之流程圖的每個步驟
2502-2518‧‧‧顯示用於POL裝置在電流分享群組內配置自己的方法的一個實施例之流程圖的每個步驟
2800‧‧‧相對於時間標繪的輸出電壓的圖
2802‧‧‧相對於輸出電流和總負載電流標繪的輸出電壓的圖
2900‧‧‧相對於時間標繪的輸出電壓的圖
2902‧‧‧相對於輸出電流和總負載電流標繪的輸出電壓的圖
D‧‧‧工作週期
GH,GH1-GH4‧‧‧閘極高信號
GL,GL1-GL4‧‧‧閘極低信號
IL ‧‧‧由調節器提供的負載電流
IL1 ‧‧‧第一POL裝置的輸出電流
IL2 ‧‧‧第二POL裝置的輸出電流
IM,IM1 ,IM2 ‧‧‧主電流
IMaster ‧‧‧由主裝置提供的電流
IO ‧‧‧總電流
IP,IP1 ,IP2 ‧‧‧平均成員負載電流
IS,IS1 ,IS2 ‧‧‧從電流
ISlave ‧‧‧由從裝置提供的電流
KD & KD’ ‧‧‧縮放因數
Kgain ‧‧‧增益縮放因數控制信號
R‧‧‧單一調節器的下降電阻
RM‧‧‧主調節器的下降電阻
RS,RS1 ,RS2 ‧‧‧從調節器的下降電阻
SW‧‧‧共用節點
V1-V4,Vx‧‧‧直流電壓
Vdd‧‧‧電源電壓
VIN ‧‧‧輸入電壓
VM‧‧‧主電壓
VOUT ,Vout1 -Vout“M” ‧‧‧輸出電壓
VoutTrim ‧‧‧輸出電壓
VO1 ,VO2 ‧‧‧在由主/從調節器提供的特定負載電流處之電流分享配置提供的總輸出電壓
VS,VS1 ,VS2 ‧‧‧從電壓
Vref‧‧‧誤差放大器的參考電壓
在結合附圖閱讀時通過參考上面的詳細描述可以更加充分地理解本發明的上述以及其他目的、特徵和優點，附圖中：圖1顯示分散式電源架構(DPA)系統的一個實施例；圖2顯示其中微控制器通過一I2 C匯流排與POL轉換器裝置進行通信的系統的一個實施例；圖3顯示其中DC-DC電壓轉換器以點對點配置互聯，並由中央供電控制器控制以執行特定功能的系統的一個實施例；圖4顯示複雜的DC電源系統中需要的通用功能被組合到單一控制器中的系統的一個實施例；圖5顯示POL調節器系統的一個實施例，POL調節器被配置為通過通信匯流排彼此通信；圖6顯示通常被稱作“降壓調節器”的電源調節器的一個實施例；圖7顯示根據圖5的DPA系統的一個實施例的電流分享配置的一個實施例；圖8顯示圖解其中兩個POL裝置各自的負載線具有相同斜率的理想情況的電壓-電流顯示圖；圖9顯示圖解其中從裝置的下降(droop)電阻高於主裝置的下降電阻的情況的電壓-電流顯示圖； 圖10顯示圖解其中從裝置的下降電阻低於主裝置的下降電阻的情況的電壓-電流顯示圖；圖11顯示圖解用於二階電流分享的負載線的電壓-電流顯示圖；圖12顯示圖解負載變化的情況下用於二階電流分享的負載線的電壓-電流顯示圖；圖13顯示控制圖表，該圖表包括根據一個實施例的用於電流平衡從裝置的一階控制反饋路徑；圖14顯示信號圖表，該圖表示了電流分享配置中的兩個調節器在正常調節期間的閘極信號和輸出電流；圖15顯示信號圖表，該圖表示了電流分享配置中的兩個調節器的閘極信號和輸出電流，其中第二調節器在所編程數目的開關周期內緩慢減小其GL脈衝(GL2)的寬度直到其被消除，且該調節器非同步地切換；圖16顯示信號圖表，該圖表示了圖15中的閘極信號和輸出電流，其中第二調節器通過在所編程數目的開關周期內衰減GH脈衝的寬度來削減其GH信號(GH2)直到其被消除；圖17顯示用於減小或釋放同步FET閘極脈衝的寬度的調變電路的一個實施例的控制圖表；圖18顯示信號圖表，該圖表示了單一調節器的閘極信號和輸出電流以說明調變電路可如何操作以衰減閘極低脈衝，其中最小脈衝寬度編程為零或非零；圖19顯示用於執行閘極驅動信號路徑間的分享控制的 電路的一個實施例；圖20顯示信號圖表，該圖表示了在可編程數目的開關周期上將同步閘極驅動調變成零寬度工作週期的過程中，電流分享配置中的兩個調節器的閘極信號和輸出電流；圖21顯示信號圖表，該圖表示了在可編程數目的開關周期上將同步閘極驅動調變成全(D)寬度工作週期的過程中，電流分享配置中的兩個調節器的閘極信號和輸出電流；圖22顯示表格，該表格強調了一種可被定義用於電流分享編程的一種可能樣本資料結構；圖23顯示在通信匯流排上的調節器之間的通信的例子，在通信匯流排上的指令可定義事件動作；圖24顯示流程圖，該流程圖顯示了當增加相位時，用於POL裝置在電流分享群組中配置自身的方法的一個實施例；圖25顯示流程圖，該流程圖顯示了當移除相位時，用於POL裝置在電流分享群組中配置自身的方法的一個實施例；圖26顯示用於電流分享群組中四個POL裝置的閘極信號，其中每一相位與一組閘極信號相關聯，第三和第四相位被移除，並且第二相位將其自身重新分配至與第一POL裝置不同的偏移量；圖27顯示用於電流分享群組中的四個POL裝置的閘極信號，其中每一相位與一組閘極信號相關聯，增加了第二和第三相位，並且第四相位將其自身重新分配至與第一POL 裝置不同的偏移量；圖28顯示主裝置的輸出電壓斜坡和成員/從裝置的輸出電壓斜坡，其中成員裝置的斜坡明顯比主裝置的斜坡更早開始；圖29是圖28中的主裝置的負載線與從裝置的負載線之間的更加理想的負載線關係，其中電流比圖28所顯示的實施例更加平衡；圖30顯示信號圖表，該圖表示了用於主裝置和從裝置的閘極信號，其中硬體觸發機制使得這些裝置開始使輸出電壓傾斜；圖31顯示信號圖表，該圖表示了用於主裝置和從裝置的閘極信號，其中GH工作週期延遲，並且延遲的GH信號在輸出級中被複製為GL信號；以及圖32顯示信號圖表，該圖表示了用於電流分享配置中的兩個調節器的閘極信號和輸出電流，其中從裝置釋放GL工作週期以獲得為GH信號，該GH信號是逆的GL信號；雖然本發明可以有各種改變和替代形式，但其特定實施例在附圖中借助於例子顯示出，並將在本文中進行詳細描述。然而，應當理解的是，附圖以及對其進行的詳細描述並非意圖於將本發明限定於所揭露的特定形式，相反本發明將覆蓋落入申請專利範圍限定的本發明的精神和範圍內的所有改變、等效方案和替代方式。要注意的是，標題僅僅是為了便於撰寫說明書結構的目的，而並非意味著用於限制或解讀說明書或申請專利範圍。此外，還要注意到 本申請全文中使用的字眼“可以”表示的是許可的意思(亦即具有可能，能夠)，而非強制的意涵(亦即必須)。
102‧‧‧POL轉換器
103‧‧‧電感器
104‧‧‧POL轉換器
105‧‧‧電感器
106‧‧‧POL轉換器
107‧‧‧電感器
110‧‧‧電容器
112‧‧‧電阻器
120‧‧‧數位通信匯流排
Vdd‧‧‧電源電壓
Vout ‧‧‧輸出電壓

Claims (2)

  1. 一種用於透過主動下降電流分享來提供電流到共用負載之系統，該系統包括：通信匯流排；以及耦合到該通信匯流排的多個POL(負載點)調節器，該多個POL調節器中的每個POL調節器具有各自的輸出級，其被配置成提供經調節的輸出電壓到共用負載以提供各自的輸出電流到該共用負載，其中每個POL調節器還被配置成根據對應於該通信匯流排的匯流排通信協定，以通過該通信匯流排發送並接收封包；其中該多個POL調節器被配置成使該多個POL調節器中的一個POL調節器用作主POL調節器，而該多個POL調節器中的其餘POL調節器用作從POL調節器；其中該主POL調節器被配置成通過該通信匯流排，以在封包中發送該主POL調節器對應的輸出電流的當前值的數位表示方式；其中該等從POL調節器被配置成接收該主POL調節器對應的輸出電流的當前值的數位表示方式；以及其中該多個POL調節器被配置成對該多個POL調節器中的每個POL調節器的電流負載作平衡，其是透過該等從POL調節器中對應的每個從POL調節器基於在該主POL調節器對應的輸出電流的當前值的數位表示方式和各個從POL調節器各自的輸出電流的當前值的數位表示方式之間的差，來調節其對應的輸出級中的高側場效應電晶體(FET) 各自的控制信號的工作週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中每個POL調節器包括控制回路，以用來控制其經調節的輸出電壓，其中每個POL調節器被配置成使用該控制回路與該多個POL調節器中的其他POL調節器同時回應瞬變事件；其中該多個POL調節器的控制回路相對於彼此是相位交錯的。
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