TWI554013B - 用於操作電壓調整器之方法、設備及系統 - Google Patents

用於操作電壓調整器之方法、設備及系統 Download PDF

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Description

用於操作電壓調整器之方法、設備及系統 發明領域
本文中之數個實施例大體上係有關電壓調整器。尤其，本文中之數個實施例係有關負載適應性電壓調整器。
 發明背景
傳統的負載適應性電壓調整器(voltage regulator,VR)技術可係利用多相位拓樸來將電壓調整器組配成較低功率狀態，以減少其固定損失。特別是，當電壓調整器上的負載很輕的時候，控制電路可能會散放(shed)一或多個相位，這可在較輕負載時將電壓調整器組配成具有較佳效率。雖然此途徑在某些環境下可能是可適用的，但還是有改善的可考量空間。例如，對於複數個相位的佈署可能是無經濟影響的。此外，相位散放可能會具有受限的頻寬，這在負載電流有大幅改變的時候可能會導致效率垂降。
 發明概要
依據本發明之一實施例，係特地提出一種方法，其包含下列步驟：檢測一個單相位電壓調整器的一個輸出電壓；感測一個電感器電流，該電感器電流對應於該單相位電壓調整器的一個飽和輸出電感器；基於該電感器電流而產生一個切換頻率信號；以及基於該輸出電壓和該切換頻率信號而控制該電壓調整器，其中該切換頻率信號會在該電感器電流低於一個飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率並在該電感器電流高於該飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率，並且其中該第一切換頻率低於該第二切換頻率。
依據本發明之另一實施例，係特地提出一種設備，其包含：一個單相位電壓調整器，用以基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓；一個控制迴路，用以檢測該輸出電壓及基於該輸出電壓和一個切換頻率信號而控制該電壓調整器；以及一個頻率控制器，用以判定該電壓調整器的一個電感器電流及基於該電感器電流而產生該切換頻率信號。
依據本發明之又一實施例，係特地提出一種系統，其包含：一個處理器核心；耦接至該處理器核心的一個單相位電壓調整器，該電壓調整器係用於基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓及將該輸出電壓施加至該處理器核心；一個控制迴路，用以檢測該輸出電壓及基於該輸出電壓和一個切換頻率信號而控制該電壓調整器；以及一個頻率控制器，用以判定該電壓調整器的一個電感器電流，及基於該電感器電流而產生該切換頻率信號。
圖式簡單說明
藉由閱讀下文中之詳細說明及隨附申請專利範圍，及藉由參考下列圖式，熟於此技者會可明顯看出本發明之數個實施例的多種益處，於下列圖示中：第1圖是依據一個實施例的一個負載適應性電壓調整器架構之範例的示意圖；第2圖是依據一個實施例的一個切換頻率信號及對應輸出電流曲線之範例的作圖；第3圖是依據一個實施例的一個切換頻率和電感對輸出(磁化)電流曲線之範例的作圖；第4圖是依據一個實施例的一個系統之範例的方塊圖；並且第5圖是依據一個實施例的一種用於操作電壓調整器之方法之範例的流程圖。
 較佳實施例之詳細說明
本文中之實施例可提供一種設備，此設備包括一個單相位調整器，其基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓。此設備可亦包括一個控制迴路，用以檢測輸出電壓及基於輸出電壓和一個切換頻率信號而控制電壓調整器。此外，此設備可包括一個切換頻率控制器，用以判定電壓調整器的電感器電流，並基於電感器電流而設定切換電流。在一個範例中，電感器電流係對應於電壓調整器的一個飽和輸出電感器。
本文中之實施例可亦包括一種系統，其具有一個處理器核心，以及耦接至此處理器核心或雙行記憶體模組(dual in-line memory module,DIMM)的一個單相位電壓調整器，其中，電壓調整器基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓，並將此輸出電壓施加至處理器核心或記憶體模組。此系統可額外包括一個控制迴路，用以檢測輸出電壓及基於輸出電壓和一個切換頻率信號而控制電壓調整器。有一個頻率控制器可判定電壓調整器的電感器電流，並基於電感器電流而設定切換頻率。
本文中之其他實施例可涉及一種方法，其中，一個單相位電壓調整器的輸出電壓會被檢測。此方法可亦供用於感測對應於單相位電壓調整器之飽和輸出電感器的電感器電流、和基於電感器電流而產生一個切換頻率信號。可係基於輸出電壓和切換頻率信號來控制此電壓調整器。此切換頻率信號可在電感器電流低於飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率，並在電感器電流高於飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率。在一個範例中，第一切換頻率係低於第二切換頻率。
第1圖示出一種裝置，其具有一個單相位電壓調整器10，其基於一個輸入電壓(「Vin」)而產生一個輸出電壓(「Vout」)，並將輸出電壓施加至一個負載，於此係以電阻器12來展示此負載。所例示的電壓調整器10是一個步降DC至DC轉換器(例如，降壓轉換器(Buck converter))，其具有兩個開關(例如，金氧半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET))14和一個輸出濾波器，此輸出濾波器具有一個輸出電感器16和耦接至此輸出電感器的一個輸出電容器18。如將於下文中更詳細論述的，輸出電感器16可為一個飽和(例如，非線性)電感器，其在磁化力大到足以使輸出電感器16之核心飽和時會在電感中展現出明顯的(例如，數量級)垂降(即，其導磁率明顯減少)。
所例示之設備亦包括一個控制迴路，其一般性地檢測輸出電壓，並基於輸出電壓和切換頻率信號20而控制電壓調整器10。尤其是，此控制迴路可包括一個調變控制器22和一個驅動器26，調變控制器22基於輸出電壓和切換頻率信號20而產生一個脈波寬度經調變(pulse width modulated,PWM)信號24，且驅動器26基於PWM信號24而控制開關14。
此設備可亦包括一個頻率控制器28，其利用一個電流感測器30來判定流經輸出電感器16的電流(例如，IL，「電感器電流」)量，並基於電感器電流而產生切換頻率信號20。尤其是，所例示的電流感測器30係耦接至在這多個開關14和輸出電感器16之間的一個電流路徑，其中頻率控制器28能夠基於來自於電流感測器30的一或多個讀數而判定電感器電流。在Vin和Vout之間的電壓轉換率可係基於PWM信號24的責任週期而建立。
繼續參考第1和2圖，當中係示出PWM信號24的一個範例和對應的輸出電流作圖集合32。一般而言，來自於頻率控制器28的切換頻率信號20在電感器電流34反映出輕電流負載時設定一第一切換頻率(FSW1)，其中電感器電流34可係以輕微的延遲跟隨負載電流(「ILOAD」)42。在一個範例中，輕電流負載係對應於電感器電流34小於一個電流臨界值，像是，例如，輸出電感器16之飽和電流臨界值(「Isat」)，的情況。因此，所例示的切換頻率信號20指示調變控制器22在從t0到t1的時段36中以頻率FSW1震盪PWM信號24。由於在切換損失中之對應減少，相對較低的切換頻率FSW1在輕負載條件下可提供實質效率增進。
另一方面，若電感器電流34反映出中度電流負載(例如，電感器電流高於電流臨界值)，則切換頻率信號20會設定較快的第二切換頻率(FSW2)。因此，切換頻率信號20可指示調變控制器22在從t1到t2的時段38中以頻率FSW2震盪PWM信號24。同樣地，由於電感器電流34落到電流臨界值之下，故在t2之後的時段40中，切換頻率信號20可指示調變控制器22再次以較低頻率FSW1震盪PWM信號24。
現在請看向第3圖，已判定出當一個電感器的核心飽和時，此電感器的電感位準44可以一種數量級減少(例如，從L1到L2)。在檢測到這樣的一種情況時，所例示的頻率控制器28(第1圖)將切換頻率信號20從頻率FSW1變換至FSW2。增加切換頻率可使得電流突波能夠保持實質相同(例如，實質上等效/相等)。確實，若以相同或更大的因數來增加切換頻率(例如，FSW2比上FSW1之比率大於L1比上L2之比率)，則電流突波可能甚至會更減少。此外，如已經提過的，由於在切換損失中的對應減少(而在輸出電容器中的等效串聯電阻功率損失維持不便)，在輕負載期間以低切換頻率所做的操作和低電流突波量值可致能顯著的效率增進。
第4圖示出一個系統46，其可為一個運算平臺(像是，例如，一個桌上型個人電腦(personal computer,PC)、伺服器、測試系統、設計/除錯工具、膝上型電腦、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、行動網際網路裝置(mobile Internet device,MID)、無線智慧型電腦、輸入板、媒體播放器、成像裝置、或前述之任何組合)的一部分。所例示之系統46包括一或多個處理器48、一個圖形/記憶體/輸入/輸出(graphics/memory/input/output,GMIO)控制50、記憶體52、一個無線介面/無線電54、和數個使用者介面裝置56。所例示之處理器48係作用為一個主機處理器，其包括一個單相位電壓調整器58、一個控制迴路60、一個頻率控制器62、和一個處理器核心64。處理器核心64可亦具有多核心組態。在一個實施例中，處理器核心64為一個高效能處理器，其具有低應用使用率，並且能夠在許多低功率狀態中操作。因此，處理器核心64可能常常會遇到輕負載情況。DC輸入電壓信號/位準/電位Vin可係從一個電池(未示於圖中)或處理器核心64無法直接使用的其他軌條來源獲得。因此，調整器58可將輸入電壓信號轉換成處理器核心64可透過操作而使用的DC輸出電壓信號/位準/電位Vout，以進行各種運算工作。
控制迴路60可包括一個驅動器26(第1圖)和一個調變控制器22(第1圖)，用以基於輸出電壓和來自於頻率控制器62的一個切換頻率信號而產生一個PWM經調變信號，其中，如已經有所論述的，驅動器會控制在電壓調整器58中的多個開關14(第1圖)。因此，頻率控制器62可使得電壓調整器58能夠動態地適應會使電壓調節器之輸出電感器進出飽和狀態的負載電流波動，並進而提供更高的效率，而對成本不造成負面影響。
處理器48可透過GMIO控制50而耦接至記憶體52、無線 電54和使用者介面裝置56。GMIO控制50可包括一或多個區塊(例如，在一個積體電路裡的晶片或單元)，用以進行各種介面控制功能(例如，記憶體控制、圖形控制、I/O介面控制、和其他諸如此類者)。這些電路可係實施在一或多個不同晶片上，且/或可係部份或整個實施在處理器48內。
記憶體52可包括用來對處理器48提供額外的儲存空間的一或多個記憶體區塊，並且可係以任何合適的記憶體來實施，包括但不受限於動態RAM(dynamic RAM,DRAM)、靜態RAM(static RAM,SRAM)、快閃記憶體、或其他諸如此類者。無線電54可將處理器48無線地耦接至一個無線網路(未示於圖中)。使用者介面裝置56可包括一或多個裝置，例如顯示器、鍵盤、滑鼠等等，用以讓使用者能夠感知和與來自於系統46之資訊互動。GMIO控制50、記憶體52、無線電54和/或使用者介面裝置56可亦包括一或多個負載適應性電壓調整器58、記憶體52和控制迴路60，用以達成一個負載適應性電壓調整器架構，如先前已有所論述的。確實，當相位的數量為節省成本而受限時(例如，二到四個相位)，所例示的操作模式亦可與現有的相位散放技術組合，以作更進一步的輕負載效率增進。
如先前已經提過的，系統46可實施各式各樣的不同運算裝置或其他具有運算能力的設施。這樣的裝置包括但不受限於測試系統、設計/除錯工具、膝上型電腦、筆記型電腦、PDA、手機、行動網際網路裝置(MID)、輸入板、音訊和/或視訊媒體播放器、桌上型電腦、伺服器、及其他諸如此類者。系統46可組成一或多個完整的運算系統，或者是，其可組成可用於一個運算系統內的一或多個部件。
第5圖示出一種用於操作電壓調整器的方法66。方法66可係利用電路技術(像是，例如，特定應用積體電路(application specific integrated circuit,ASIC)、互補金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)、或電晶體電晶體邏輯(transistor-transistor logic,TTL)技術，或前述之組合或變化)而實施在固定功能硬體中。處理方塊68供用於檢測一個單相位電壓調整器的輸出電壓，且處理方塊70供用於感測對應於單相位電壓調整器之飽和輸出電感器的電感器電流。可於方塊72基於電感器電流而產生一個切換頻率信號。如先前已經提過的，切換頻率信號可在電感器電流低於飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率，並在電感器電流高於飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率。此外，第一切換頻率可係低於切換頻率，以增進在較輕負載時的效率。所例示的方塊74基於輸出電壓和切換頻率信號而控制電壓調整器。
上文中所述的使用飽和電感器和以PWM為基礎之切換頻率控制器的技術可因而在輕負載情況中致能切換損失減少的實質上減少，而無須作多相位安排。此等技術可亦使得能夠以較低的成本建構VR。
於本文中所說明的數個實施例係可應用於配合所有類型的半導體積體電路(integrated circuit,IC)晶片之使用。這些IC晶片的範例包括但不限於處理器、控制器、晶片組部件、可編程邏輯陣列(programmable logic array,PLA)、記憶體晶片、網路晶片及諸如此類者。此外，在一些圖式中，信號導體線路係以線條表示。有一些可能會不一樣，以指出較多成份信號路徑，並/或在一或更多端具有箭頭，以指出主要資訊流向。然而，這不應被解讀為一種限制行為。相反地，這樣的增入細節可配合一或多個示範實施例使用，以有助於更容易地瞭解一個電路。所表示出來的任何信號線路，無論是否具有額外資訊，皆可實際上包含可於多方向行進的一或多個信號，並可就任何合適的信號架構類型來實施，例如，以差動對實施的數位或類比線路、光纖線路及/或單端線路。
本文中可能已給出示範尺寸/模型/數值/範圍，雖然本發明之數個實施例並不受限於此等尺寸/模型/數值/範圍。由於製造技術(例如，光微影術)隨著時間愈趨成熟，可預期較小尺寸的裝置可被製造。此外，對IC晶片及其他部件的習知電源/接地連接係可以或可以不被示於圖式中，以利例示與論述簡明性，並以使本發明之數個實施例的某些面向不被混淆。更進一步地，可係以方塊圖的形式來示出數個配置，以避免混淆本發明之數個實施例，並且，如此係有鑑於這樣的事實，即，針對此等方塊圖配置之實作的細節係高度取決於要在當中實施此實施例的平台，亦即，此等細節應完全係落於熟於此技者的眼界內。當闡明特定細節(例如，電路)以說明本發明之數個示範實施例時，對於熟於此技者而言，應可明顯看出，本發明之數個實施例可係在無此等特定細節，或變更此等特定細節的情況下實踐。此說明因此應被看作是例示性的，而非限制性的。
「耦接」此詞於本文中可係用於指涉在所論部件之間的任何類型的關係，直接或間接，並可適用於電氣的、機械的、流體的、光學的、電磁的、電機的或其他連接。此外，除非已指出其他情況，否則「第一」、「第二」等詞語於本文中可僅係用來有助於論述，而不帶任何特定時間性或時間順序性意義。
從前文中之說明中，熟於此技者會可識出，本發明之數個實施例的廣義技術可係以多種形式來實施。因此，雖然已以相關於前文中之特定範例的方式來說明本發明之此等實施例，本發明之此等實施例的真實範圍亦不應被這樣限制，因為對於熟鍊的專業人員而言，經參讀圖式、說明書與後附申請專利範圍後，其他修改體會是很明顯可見的。
10‧‧‧電壓調整器
12‧‧‧電阻器
14‧‧‧開關
16‧‧‧輸出電感器
18‧‧‧輸出電容器
20‧‧‧切換頻率信號
22‧‧‧調變控制器
24‧‧‧脈波寬度經調變(PWM)信號
26‧‧‧驅動器
28‧‧‧頻率控制器
30‧‧‧電流感測器
32‧‧‧輸出電流作圖集合
34‧‧‧電感器電流
36~40‧‧‧時段
42‧‧‧負載電流
44‧‧‧電感位準
46‧‧‧系統
48‧‧‧處理器
50‧‧‧圖形/記憶體/輸入/輸出(GMIO)控制
52‧‧‧記憶體
54‧‧‧無線電
56‧‧‧使用者介面裝置
58‧‧‧調整器(VR)
60‧‧‧控制迴路
62‧‧‧頻率控制器
64‧‧‧處理器核心
66‧‧‧方法
68~74‧‧‧方塊
第1圖是依據一個實施例的一個負載適應性電壓調整器架構之範例的示意圖；第2圖是依據一個實施例的一個切換頻率信號及對應輸出電流曲線之範例的作圖；第3圖是依據一個實施例的一個切換頻率和電感對輸出(磁化)電流曲線之範例的作圖；第4圖是依據一個實施例的一個系統之範例的方塊圖；並且第5圖是依據一個實施例的一種用於操作電壓調整器 之方法之範例的流程圖。
66‧‧‧方法
68~74‧‧‧方塊

Claims (16)

  1. 一種用於操作電壓調整器之方法，其包含下列步驟：檢測一個單相位電壓調整器的一個輸出電壓；感測一個電感器電流，該電感器電流對應於該單相位電壓調整器的一個飽和輸出電感器；基於該電感器電流而產生一個切換頻率信號；以及基於該輸出電壓和該切換頻率信號而控制該電壓調整器，其中該切換頻率信號會在該電感器電流低於一個飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率並在該電感器電流高於該飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率，並且其中該第一切換頻率低於該第二切換頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一切換頻率對應於該飽和輸出電感器的一第一電感位準，並且該第二切換頻率對應於該飽和輸出電感器的一第二電感位準，並且其中該第二切換頻率比上該第一切換頻率之比率大於該第一電感位準比上該第二電感位準之比率。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該電壓調整器在該第一切換頻率所具有的電流突波實質上等於在該第二切換頻率所具有的電流突波。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括下列步驟：基於該輸出電壓和該切換頻率信號而產生一個脈波寬度經調變信號；以及基於該脈波寬度經調變信號而控制在該電壓調整器中的多個開關。
  5. 一種用於操作電壓調整器之設備，其包含：一個單相位電壓調整器，用以基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓；一個控制迴路，用以檢測該輸出電壓及基於該輸出電壓和一個切換頻率信號而控制該電壓調整器；以及一個頻率控制器，用以判定該電壓調整器的一個電感器電流及基於該電感器電流而產生該切換頻率信號，其中該切換頻率信號會在該電感器電流低於一個飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率並在該電感器電流高於該飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率，並且其中該第一切換頻率係要低於該第二切換頻率。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該第一切換頻率係要對應於該電壓調整器的一個輸出電感器的一第一電感位準，並且該第二切換頻率係要對應於該輸出電感器的一第二電感位準，並且其中該第二切換頻率比上該第一切換頻率之比率係要大於該第一電感位準比上該第二電感位準之比率。
  7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該電壓調整器在該第一切換頻率所具有的電流突波係要實質上等於在該第二切換頻率所具有的電流突波。
  8. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該電壓調整器包括：多個開關；耦接至該等多個開關的一個輸出濾波器；以及耦接至在該等多個開關與該電流感測器間之電流 路徑的一個電流感測器，其中該輸出濾波器包括一個輸出電感器和一個輸出電容器，並且其中該電感器電流係要對應於該輸出電感器。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該輸出電感器包括一個飽和輸出電感器。
  10. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該控制迴路包括：一個調變控制器，用以基於該輸出電壓和該切換頻率信號而產生一個脈波寬度經調變信號；以及一個驅動器，用以基於該脈波寬度經調變信號而控制在該電壓調整器中的多個開關。
  11. 一種用於操作電壓調整器之系統，其包含：一個處理器核心；耦接至該處理器核心的一個單相位電壓調整器，該電壓調整器係用於基於一個輸入電壓而產生一個輸出電壓，及將該輸出電壓施加至該處理器核心；一個控制迴路，用以檢測該輸出電壓及基於該輸出電壓和一個切換頻率信號而控制該電壓調整器；以及一個頻率控制器，用以判定該電壓調整器的一個電感器電流及基於該電感器電流而產生該切換頻率信號，其中該切換頻率信號係要在該電感器電流低於一個飽和電流臨界值時設定一第一切換頻率並在該電感器電流高於該飽和電流臨界值時設定一第二切換頻率，並且其中該第一切換頻率係要低於該第二切換頻率。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該第一切換頻率係 要對應於該電壓調整器的一個輸出電感器的一第一電感位準，並且該第二切換頻率係要對應於該輸出電感器的一第二電感位準，並且其中該第二切換頻率比上該第一切換頻率之比率係要大於該第一電感位準比上該第二電感位準之比率。
  13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該電壓調整器在該第一切換頻率所具有的電流突波係要實質上等於在該第二切換頻率所具有的電流突波。
  14. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該電壓調整器包括：多個開關；耦接至該等多個開關的一個輸出濾波器；以及耦接至在該等多個開關與該電流感測器間之電流路徑的一個電流感測器，其中該輸出濾波器包括一個輸出電感器和一個輸出電容器，並且其中該電感器電流係要對應於該輸出電感器。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該輸出電感器包括一個飽和輸出電感器。
  16. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該控制迴路包含：一個調變控制器，用以基於該輸出電壓和該切換頻率信號而產生一個脈波寬度經調變信號；以及一個驅動器，用以基於該脈波寬度經調變信號而控制在該電壓調整器中的多個開關。
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