TWI586086B - 具有動態電壓定標功率轉換器 - Google Patents

具有動態電壓定標功率轉換器 Download PDF

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Description

具有動態電壓定標功率轉換器
本發明與一種具有動態電壓定標(DVS)的功率轉換器有關。本發明具體地與一種具有動態電壓定標的標準直流對直流(DC對DC)功率轉換器有關。
切換的DC對DC功率轉換已廣泛用於供應功率負載點，例如裝置。一般而言，供電裝置(例如，微處理器、FPGA或其他數位電路)可於特定電壓範圍下運作。數位電路的供應電壓越高，元件的性能就越好。然而，若供電裝置是在比其性能所需更高電壓下運作，便浪費了能量。
此外，在許多應用中，供電裝置大部分時間都在所謂的輕度負載或中等負載條件下運作。在這些條件下，裝置不需要以最高可能供應電壓運作。然而，若供電裝置是在輕度或中等負載條件下以最高可能供應電壓下運作，供電裝置的能量消耗則高於所需。作為替代，可降低供應電壓，因此也可降低能量消耗。
因此，需要一種被配置以最佳化供電裝置的能量消耗達之功率轉換器。
本發明與根據供電裝置所需性能產生已調整供應電壓的功率轉換器有關。供電裝置傳遞其所需供應電壓(即參考供應電壓)至功率轉換器。利用傳遞至功率轉換器的所需供應電壓以及功率轉換器產生的已調整供應電壓可最佳化能量消耗。
11、61、71‧‧‧功率轉換器
12、62、72‧‧‧供電裝置
13、53、63、73、93‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)產生器
14、64、74‧‧‧低通濾波器
15、65、75‧‧‧可切換功率級
16、66、76‧‧‧驅動器
17、67、77‧‧‧控制器
18、68、78‧‧‧高側開關
19、69、79‧‧‧低側開關
51‧‧‧使用者應用裝置
52‧‧‧模組
53‧‧‧PWM產生器
61‧‧‧功率轉換器
62‧‧‧供電裝置
63‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)產生器
64‧‧‧低通濾波器
65‧‧‧可切換功率級
91‧‧‧使用者應用
92‧‧‧網表IP
93‧‧‧PWM產生器
110、610、710‧‧‧電感器
111、611、711‧‧‧電容器
112、612、712‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
將參考所附圖式，其中： 第1圖顯示功率轉換器與供電裝置的方塊圖，供電裝置使用低通濾波器傳遞其所需供應電壓至功率轉換器；第2圖顯示供電裝置的輸入輸出電壓(V_IO)、用以傳遞所需供應電壓的脈衝寬度調變(PWM)訊號的工作比、以及類比數位(ADC)轉換器輸入電壓Vin之間的關係；第3圖顯示PWM訊號的工作比與最大ADC輸入電壓之選擇程序；第4圖顯示ADC輸入電壓至參考供應電壓的映射；第5圖顯示用於編程PWM產生器之方塊圖；第6圖顯示功率轉換器與供電裝置的方塊圖，供電裝置利用電阻分壓器傳遞其所需供應電壓至功率轉換器；第7圖顯示功率轉換器與供電裝置的方塊圖，供電裝置利用組合的電阻分壓器與低通濾波器傳遞其所需供應電壓至功率轉換器；第8圖顯示ADC輸入電壓與參考供應電壓之間的關係；第9圖顯示用於編程PWM產生器的另一方塊圖；以及第10圖顯示流程圖，其顯示在供電裝置與功率轉換器中的任務流程。
第1圖顯示功率轉換器11以及傳遞所需供應電壓至功率轉換器11的供電裝置12。功率轉換器11包括可切換功率級15，用於產生輸出電壓以為供電裝置12的電源域供電，其中可切換功率級15是由驅動器16驅動，該驅動器16是由根據參考供應電壓產生可切換訊號以驅動可切換功率級15的控制器17控制。功率轉換器可以是如第1圖所示的降壓轉換器。因此，可切換功率轉換級15包括高側開關18、低側開關19、電感器110與電容器111。功率轉換器11的控制器17的類比數位轉換器(ADC)112被使用作為傳遞介面。假設供電裝置無法輸出類比電壓，脈衝寬度調變 (PWM)產生器13產生的PWM訊號可被用以利用低通濾波器14產生類比值。
此低通濾波訊號Vin接著由控制器17的ADC 112讀取並被映射至控制器17的參考供應電壓Vsup。
具體而言，ADC輸入電壓Vin可根據這個方程式被轉譯為該參考供應電壓Vsup：
其中Vmin為最小參考供應電壓，Vmax為最大供應電壓，且Vin,max為最大ADC輸入電壓。
此方程式於第4圖中說明。
Vmax、Vmin與Vin,max以及最小ADC輸入電壓Vin,min可被儲存於DC對DC控制器記憶體中。
可處理供電裝置的輸入輸出電壓V_IO以及最大ADC電壓VADCmax之間的可能誤匹配。
在供電裝置的IO電壓(V_IO)低於最大ADC電壓(VADCmax)的情況中，供電裝置將具有從0%到100%的PWM值，且Vinmax等於供電裝置的IO電壓。對於PWM為0%，ADC的輸入電壓為0，且對於PWM值為100%，Vin=V_IO=Vinmax。
在供電裝置的IO電壓高於VADCmax的情況中，PWM必須被限制為VADCmax/V_IO*100%，以避免超過ADC的電壓限制。
V_IO、PWM與Vinmax之間的關係於第2圖中顯示。這些是Vinmax與PWM之最大可能或允許的數值。可選取在第2圖的圖表左側直線下方以及在右側雙曲線下方的任何數值作為PWM與Vinmax的最大值。第3圖說明PWM與Vinmax之選擇程序。
根據使用者應用51的需求，PWM產生器53可容易被編程至任何數位裝置中，如第5圖所示。這可於軟體或硬體中完成。也可基於預先定義、然後於數位裝置中實體化為網表的模組52、或是基於像是Verilog或VHDL之類的HDL(硬體描述語言)的模組。這樣，PWM產生器53可 被整合於任何裝置中，例如可編程邏輯閘陣列晶片(FPGA)、專用積體電路(ASIC)、微控制器(uC)或微處理器(uP)。
HDL碼或網表52可獨立於供電裝置的應用而開發。只有與PWM產生器53的介面需要被指定。PWM產生器53之輸入為串列或並列介面，其定義了所需之PWM工作週期與時脈。PWM產生器的輸出是驅動PWM訊號的一個外部接腳。可利用HDL層級上的軟性IP來達到最高的彈性。此方式，可在使用者應用的設計週期中指定PWM工作週期的解析度所需之位元數。也可能使用基於製程特定佈局的硬性IP，在此情況中，將失去PWM工作週期解析度之彈性。並不強制使用以IP為主的方式。也可將PWM功能性編程於軟體(SW)中或狀態機器中、或與供電裝置合併的任何其他硬體(HW)一起編程。
在PWM解析度為1位元的情況下，可省略低通濾波器，因為PWM輸出將為邏輯低或邏輯高，亦即，其為DC值。對於V_IO>VADCmax，需要電阻分壓器來取代低通，以將ADC輸入電壓限制為VADCmax。對於V_IO<VADCmaz，Vinmax需要被設定為V_IO。在第6圖中，顯示了具有如第1圖所示類似參考符號的修飾方塊圖。低通濾波器已經被替換為電阻分壓器64。在此應用中，Vsup可僅具有兩個數值，這在某些應用中已足夠。
為了克服第1圖的系統中允許的最大PWM的限制，可設置如第6圖與第7圖中所示的另一電阻R2。第6圖與第7圖中的電阻分壓器R1/R2將ADC的輸入電壓限制為VADCmax。因此，必須確保對於為100%的PWM輸出，R2/(R1+R2)<=VADCmax/V_IO。為使用ADC的完整輸入範圍，R2/(R1+R2)必須為VADCmax/V_IO。
可使用顯示了具有第1圖所示類似參考符號之方塊圖的第7圖、第8圖與第9圖來說明DVS實施方式之彈性解決方法。濾波器74包括低通濾波器與電阻分壓器。
控制器77將於其記憶體(揮發性或非揮發性)中保留Vinmin、Vinmax、Vmin與Vmax之數值，並將根據第8圖中所示的方程式來調整Vsup：
Vmax-Vmin為參考供應電壓的動態範圍，而Vin,max-Vin,min為ADC輸入電壓的動態範圍。
因此，PWM訊號的工作比被限制，使得在最大值處，PWM訊號的100%工作比對應於ADC能讀取的最大ADC輸入電壓，且其中ADC輸入電壓映射至參考供應電壓，使得ADC輸入電壓之動態範圍對應於參考供應電壓之動態範圍。
PWM產生器73將產生介於PWMmin與PWMmax之間的PWM輸出，其具有n位元之線性解析度。此外，Vin的操作範圍可經由R1與R2而受影響，且低通濾波器以Clp與R1和R2一起形成，以從PWM訊號產生DC值。
第9圖說明用於編程PWM產生器93的另一方塊圖。PWM產生器為HDL模組，其具有時脈與PWMdig訊號作為輸入，且以PWMmax和PWMmin作為參數。此IP也可根據使用者應用91而設置為佈局或網表IP 92。在此例中，損失了可指定PWMdig寬度以及參數PWMmin和PWMmax的彈性。PWM產生器是供應裝置的一部分。
以下說明在系統內部之標準DC對DC控制器中的DVS實施方式之特徵概要。
第10圖說明了在供電裝置與在DC對DC控制器中的流程。
上述所有配置都是在開放迴路中運作。傳遞是指從供電裝置到DC對DC控制器的一種方式傳遞，這表示在系統設計期間必須計算出從送出DVS訊號(PWM變化)到輸出電壓達到其所需值的時間之最大時間，且必須實施等待時段以等待輸出電壓變化的完成。這對於從高性能模式(即高輸出電壓到低輸出電壓)進行的情況並不重要。但是當要從低功率模式進行到高功率模式時，這會是重要的，因為供電裝置需要等待計算出的最大時間以進行至高性能(亦即高功率)模式。
11‧‧‧功率轉換器
12‧‧‧供電裝置
13‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)產生器
14‧‧‧低通濾波器
15‧‧‧可切換功率級
16‧‧‧驅動器
17‧‧‧控制器
18‧‧‧高側開關
19‧‧‧低側開關
110‧‧‧電感器
111‧‧‧電容器
112‧‧‧類比數位轉換器(ADC)

Claims (7)

  1. 一種功率轉換器，包括：一可切換功率級，用於產生一輸出電壓以對一供電裝置的一電源域供電，其中該可切換功率級是由一控制器控制的一驅動器驅動，該控制器根據一參考供應電壓產生一切換訊號以驅動該可切換功率級，其中該參考供應電壓是由該供電裝置傳遞至該控制器，其中該供電裝置包括或連接至一脈衝寬度調變(PWM)產生器，其中該參考供應電壓是經由該PWM產生器產生的且與該參考供應電壓對應的一PWM訊號傳遞至該控制器，其中該供電裝置傳遞該PWM訊號傳送至該控制器，且其中該控制器將該PWM訊號映射至該參考供應電壓，其中該PWM訊號是由一濾波器濾波，以產生該控制器的一類比數位轉換器(ADC)讀取的一ADC輸入電壓，且其中該控制器將該ADC輸入電壓映射至該參考供應電壓，其特徵在於該PWM訊號的一工作比受限制，使得在最大值處的該PWM訊號的一100%工作比與該ADC能讀取的一最大ADC輸入電壓對應，且其中該ADC輸入電壓是被映射至該參考供應電壓，使得該ADC輸入電壓的一動態範圍與該參考供應電壓的一動態範圍對應。
  2. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中該濾波器包括一電阻分壓器，以濾波該PWM訊號，使得該ADC輸入電壓被限制為該ADC能讀取的一最大ADC輸入電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項的功率轉換器，其中該控制器被配置以將該ADC輸入電壓Vin映射至該參考供應電壓Vsup,ref，使得Vsup,ref=Vmin+(Vmax-Vmin)*(Vin-Vin,min)/(Vin,max-Vin,min)其中Vmin為一最小參考供應電壓，Vmax為一最大供應電壓，Vmax-Vmin為該參考供應電壓的該動態範圍，Vin,min為一最小ADC輸入電壓，Vin,max為一最大ADC輸入電壓，且Vin,max-Vin,min為該ADC輸入電壓的該動態範圍。
  4. 如申請專利範圍第3項的功率轉換器，其中該控制器包括一記憶體，該記憶體被配置以儲存Vin,min、Vin,max、Vmin與Vmax之數值。
  5. 如申請專利範圍第3項的功率轉換器，其中該電阻分壓器包括一第一電阻R1與一第二電阻R2，且其中R2/(R2-R1)被選擇為等於 (Vin,max-Vin,min)/(Vmax-Vmin)。
  6. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中該濾波器包括一低通濾波器。
  7. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中該供電裝置的該PWM產生器可針對一工作週期解析度的位元數、一最大工作比與一最小工作比來配置。
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