TWI691824B - 用於評估電流的方法及電力轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於評估電流的系統及方法。一電流源設置成產生一電流以及已經產生的一脈衝感應啟用信號。產生該電流的評估，並且根據設置成將該電流源耦合至一電源供應器的一第一信號，以及設置成將該電流源耦合至一負載的一第二信號，更新該電流的該評估。一系統包含該電流源以及一電流預測單元。該電流源設置成產生一電流。該電流預測單元耦合至該電流源，並且設置成產生該電流的評估，並且根據該第一信號與該第二信號更新該電流的評估。

Description

用於評估電流的方法及電力轉換裝置
本發明係關於穩壓器電路，尤其係關於感應電流。
例如運用在高效能數位系統內的微處理器以及圖形處理器這類傳統裝置可隨著處理工作負載，而有不同的電流需求。例如：一邏輯區塊在停滯之後重新啟動時，或一新要求起始一大型計算，例如產生新影像時，電流需求會急遽增加。相反地，一邏輯區塊變成閒置時，電流需求會急遽下降。當電流需求提高並且無法獲得足夠電源時，則提供給該裝置的供應電壓會掉落低於一關鍵電壓位準，可能導致該裝置無法正常運作。當電流需求降低並且提供給該裝置的供應電壓高於一關鍵電壓位準，則該裝置內的電路無法正常運作並且甚至遭摧毀。
一傳統多相位切換式穩壓器為介於一電源供應與一裝置之間的電力轉換裝置，提供電流給該裝置並且回應電流需求變化，以維持供應電壓位準。不過，傳統多相位切換式穩壓器依賴大型電感器來轉換電壓，並且該大型電感器限制傳統多相位切換式穩壓器迅速回應電流需求劇烈變化(即是瞬態電流)之能力。傳統多相位切換式穩壓器的典型30A相位可使用0.5μH電感器進行電壓轉換。該電流回應受限於di/dt=V/L，這用於V=11V(將12V輸入降低至1V供應電壓位準)並且L=0.5μH給予22Aμs。將提供給一裝置的電流增加10A需要至少500ns。此外，脈衝寬度調變切換操作的同步會將該傳統多相位切換式穩壓器的電流反應時間增加幾微秒。該裝置的時脈週期小於該電流反應時間時，則該裝置無法正常運作。500MHz時脈的週期為2ns，如此在500ns電流反應時間期間，可發生數百個時脈週期。
因此，對於改善先前技術所伴隨電壓位準穩壓及/或其他議題有所需求。
本發明提供用於評估電流的系統及方法。一電流源設置成產生一電流以及已經產生的一脈衝感應啟用信號。產生該電流的評估，並且根據設置成將該電流源耦合至一電源供應器的一第一信號，以及設置成將該電流源耦合至一負載的一第二信號，更新該電流的該評估。一系統包含該電流源以及一電流預測單元。該電流源設置成產生一電流。該電流預測單元耦合至該電流源，並且設置成產生該電流的評估，並且根據該第一信號與該第二信號更新該電流的評估。
100:電力轉換系統
105:控制器
108:電源
110:負載
120:電力轉換裝置
150:多相位切換式穩壓器
155:控制器
160:電力轉換系統
165:控制器
170:負載
180:電力轉換裝置
200:流程圖
300:電力轉換系統
302:電流停駐切換式穩壓器
305:上游控制器
310:下游控制器
315:第一電流感應單元
318:比較器
320:電流感應控制器
322:電流感應控制器
325:第二電流感應單元
330:共用閘比較器
332:數位類比轉換器
334:平移閘鎖
400:波形
405:電流控制單元
415:設定重設觸發器
425:震盪器
430:流程圖
502:電流停駐切換式穩壓器
530:電流預測單元
532:更新控制器
533:多工器
534:加法器
535:暫存器
540:電流的評估
542:更新值
560:上參數單元
565:下參數單元
570:關參數單元
600:流程圖
650:系統
650:波形
660:系統
670:封裝
675:晶粒
680:電路
700:示範系統
701:中央處理器
702:通訊匯流排
704:主記憶體
706:圖形處理器
708:顯示器
710:次要儲存裝置
712:輸入裝置
第一A圖根據一個具體實施例，例示包含一電力轉換裝置實施當成具有單一電感器的一電流停駐切換式穩壓器之一電力轉換系統；第一B圖根據一個具體實施例，例示包含多個電力轉換裝置的多相位切換式穩壓器；第一C圖根據一個具體實施例，例示具有一分離式電感器的電流停駐切換式穩壓器；第二圖根據一個具體實施例，例示用於對提供給一負載的該電流進行脈衝取樣之方法流程圖；第三A圖根據一個具體實施例，例示一電流停駐切換式穩壓器；第三B圖根據一個具體實施例，例示控制提供給第三A圖內所示該電流停駐切換式穩壓器負載的電流之產生與取樣之波形；第三C圖根據一個具體實施例，例示控制調節第三A圖內所示該電流停駐切換式穩壓器負載上該電壓位準的電流與信號之產生與取樣之波形；第三D圖根據一個具體實施例，例示一電流感應單元；第三E圖根據一個具體實施例，例示另一個電流感應單元；第三F圖根據一個具體實施例，例示一共用閘比較器；第四A圖根據一個具體實施例，例示第三A圖內所示該電流停駐切換式穩壓器的一上游控制器； 第四B圖根據一個具體實施例，例示控制提供給第三A圖和第四A圖內所示該電流停駐切換式穩壓器負載的電流之產生與取樣之波形；第四C圖根據一個具體實施例，例示用於控制根據提供給該負載的該電流之脈衝感應所產生的該電流之方法流程圖；第四D圖根據一個具體實施例，例示包含一電流停駐切換式穩壓器使用一共用電流源以及電流感應單元驅動兩負載之系統；第五A圖根據一個具體實施例，例示評估一電流的方法流程圖；第五B圖根據一個具體實施例，例示一電流預測單元；第五C圖根據一個具體實施例，例示包含第五B圖內該電流預測單元的一電流停駐切換式穩壓器；第五D圖根據一個具體實施例，例示用於控制根據一評估電流所產生的該電流之方法流程圖；第六A圖根據一個具體實施例，例示用於調節提供給一負載的該電壓位準之方法流程圖；第六B圖根據一個具體實施例，例示由一電流停駐切換式穩壓器所產生的波形；第六C圖根據一個具體實施例，例示一系統內該電流停駐切換式穩壓器之圖式；以及第七圖說明其中可實施許多先前具體實施例的許多架構和/或功能性之示範系統。
一電力轉換裝置提供所要的輸出電壓位準至一負載，例如一裝置。該電力轉換裝置將接收自電源(例如電池或主電源供應器)的電力轉換成提供給該負載之一供應電壓位準。一電感器用來將額外電流傳遞給該負載，並且使用切換機構調變流過該電感器的平均電流，來調節該輸出電壓位準。一電容器耦合在該負載與接地之間，用來儲存任何過多的電流(提供通過該電感器的電流與傳遞給該負載的電流間之差異)。
第一A圖根據一個具體實施例，例示包含一電力轉換裝置120實施當成具有單一電感器L1的一電流停駐切換式穩壓器之一電力轉換系統100。電力轉換裝置120可為多相位切換式穩壓器的一個相位，如第一B圖內所示。電力轉換裝置120設置成利用轉換接收自電源110的電力，在負載108上提供一所要的輸出電壓位準(V L )。電力轉換裝置120包含一電流控制機構以及一電壓控制機構。該電流控制機構耦合至電源108和控制器105，並且可操作來控制流過電感器L1的電流I L1 之平均，並且確定提供最小電流通過一多相位切換式穩壓器的多個相位。例如所例示，該電流控制機構可包含一或多個第一切換機構M1以及一或多個第二切換機構M2。該等切換機構M1和M2每一都可包含例如N型功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)及/或其他切換機構。雖然為了容易了解而例示單一切換機構M1和M2，不過吾人將了解，複數個切換機構M1和M2可並聯來提高電流容量，降低導通損失等等。
控制器105設置成供應一或多個控制信號給該等切換機構M1和M2，例如：控制器105可設置成產生脈衝寬度調變(PWM，pulse width modulation)信號或脈衝頻率調變(PFM，pulse frequency modulation)信號、脈衝寬度調變與脈衝頻率調變的組合及/或不同控制信號，以根據一工作係數選擇性啟動該等切換機構M1和M2。不管該特定組態，控制器105設置成提供控制信號，如此不會同時啟用(即是開啟)該等切換機構M1和M2。換言之，一次只啟動一個切換機構M1和M2。同時啟動切換機構M1和M2會在電源108的供應與接地之間提供一直接路徑，如此可能損壞電力轉換裝置120及/或負載110，並且/或導致非所要的高用電量。
相較於傳統電力轉換裝置，電力轉換裝置120包含該電壓控制機構加上該電流控制機構。該電壓控制機構耦合在該電流控制機構(在電感器L1的下游端)與負載110之間，並且可操作來控制該V L 。該電流控制機構設置成產生電流I L1 ，其「停駐」在該電感器L1之內。該電壓控制機構可操作來控制傳遞給電容器C1的該電感器電流I L1 之量。如此，該電壓控制機構包含一或多個切換機構M3以及一或多個切換機構M4。該等切換機構M3和M4每一都可包含例如N型平面MOSFET(金屬氧化物半導體場 效電晶體)及/或其他切換機構。雖然為了容易了解而例示單一切換機構M3和M4，不過吾人將了解，複數個切換機構M3和M4可並聯來提高電流容量，降低導通損失等等。
一傳統電力轉換裝置並不包含該等切換機構M3和M4，如此電感器L1應直接耦合至電容器C1和負載110。流過電感器L1並且未由負載110消耗掉的任何過多電流都累積在電容器C1上，並且負載110所消耗超出電感器L1所提供電流的任何電流都源自於電容器C1。電感器L1抵抗電流變化，藉此避免負載110的電流需求增加時，電感器L1內儲存的能量一次全部釋放至負載110。電感器的這項特性，搭配電容器C1的儲存容量，可讓V L 在穩態操作期間足夠穩定(即是負載110的電流需求相對恆等時)。然而，除其他因素以外，根據電感器L1的大小、電容器C1的大小以及/或控制器105的切換頻率，在V L 內會有些「突波」。一般來說，隨著電感器L1的大小增加，穩態操作期間(即是負載110上的大約恆等電流需求)的輸出突波等比例減少。因此，電感器L1的大小可調整成足夠大，以便提供不會變動超出負載110所要供應電壓範圍之外的VL。不過，如先前所解釋，一傳統電力轉換裝置通常無法足夠迅速反應負載110對於電流需求的變化。降低V L 上突波所需較大的L1感應係數會增加反應時間，在負載110的電流需求改變時產生將大偏壓。包含在該電力轉換裝置120內的該電壓控制機構可有更快的反應時間，來改變負載110的電流需求，不用縮小電感器L1的大小，而可能導致V L 上該電壓突波增加。
相較於該等切換機構M1和M2，通過該等切換機構M3和M4的電壓大體上小於通過該電感器L1的壓降。例如：該電感器L1下游上供應的電壓大體上等於負載110上的輸出電壓。相較於該等切換機構M1和M2，因為該等切換機構M3和M4切換較低電壓，所以該等切換機構M3和M4可由較低電壓裝置建構，例如「平面」金屬氧化物半導體電晶體。相較於較高電壓裝置，例如功率金屬氧化物半導體場效電晶體，較低電壓裝置通常可用較高頻率切換。因此，相較於該等切換機構M1和M2，可降低該等切換機構M3和M4切換時的功率耗損。因此切換機構M3和M4可用大體上比切換機構M1和M2還要高的頻率切換。
切換機構M3和M4可併入積體電路內，相較於使用分散組件，藉此潛在減少佔用的空間及/或降低成本。例如：該等切換機構M3和M4可實現在與負載110相同的積體電路上、可與負載110一起整合在相同封裝的個別晶粒上或可整合在個別封裝上。該等切換機構M3和M4可在典型積體電路製程中實現為標準電壓「核心」電晶體，或者該等切換機構M3和M4可在典型積體電路製程中實現為較高電壓厚氧化物輸入輸出電晶體。在較佳具體實施例內，該切換機構M4為一P型平面金屬氧化物半導體電晶體，並且該切換機構M3為一N型平面金屬氧化物半導體電晶體。不過任一位精通技術人士將了解，在不背離本發明領域之下，兩種金屬氧化物半導體電晶體都可用於具備適當閘道驅動電路的兩種切換機構。
控制器105可另設置成供應一或多個控制信號給該電壓控制機構，例如：控制器105可設置成提供控制信號給該等切換機構M3和M4。隨著該等控制信號提供給該等切換機構M1和M2，提供給該等切換機構M3和M4的該等控制信號可運用脈衝寬度調變、脈衝頻率調變、Bang-Bang控制及/或任何其他合適的控制標準，以便選擇性啟動該切換機構M3或該切換機構M4。在某些具體實施例內，耦合至該等切換機構M3和M4的該等控制信號可至少部分與耦合至該等切換機構M1和M2的該等控制信號同步。在另一個具體實施例內，耦合至該等切換機構M3和M4的該等控制信號可與耦合至該等切換機構M1和M2的該等控制信號不同步。進一步，可用和耦合至該等切換機構M1和M2的該等控制信號不同之頻率，提供耦合至該等切換機構M3和M4的該等控制信號。
不管耦合至該等切換機構M3和M4的該等控制信號之特定組態，控制器105可設置成選擇性啟用該切換機構M3並且停用該切換機構M4，停止電流I L1 流向負載110。尤其是，利用啟用該切換機構M3並且停用該切換機構M4，流過電感器L1的瞬間感應電流I L1 透過該切換機構M3引導至接地，而非傳遞至電容器C1。相反地，利用啟用該切換機構M4並且停用該切換機構M3，大體上流過電感器L1的所有瞬間感應電流I L1 (較低的電晶體傳導損失、電感器繞組阻抗等等)都提供給電容器C1。
控制器105可使用脈衝寬度調變或脈衝頻率調變切換該電 壓控制機構，或可使用一Bang-Bang技術。在這兩種情況下，該工作係數(DF，duty factor)決定平均供應給該電容器C1的該部分感應電流I L1 。該工作係數的範圍從0-100%，其中0%對應至該切換機構M4已經停用(即是關閉)並且該切換機構M3已經啟用的狀態，而100%對應至該切換機構M4已經啟用並且該切換機構M3已經停用的狀態。改變該工作係數就會改變該電容器C1的充電/放電時機-較高工作係數增加流向該電容器C1和負載110的電流。
該電容器C1將透過該切換機構M4提供的該方波供應電流平順化，以產生提供給負載110的I Load 。該I Load 根據該工作係數以及該感應電流I L1 提供給負載110，如下所示：I Load =DF x I L1 。使用該等切換機構M1和M2時，提供控制信號給該等切換機構M3和M4，如此不會同時啟用該等切換機構M3和M4，以避免在負載110與接地之間提供直接路徑(即是短路通過該電容器C1)。
在穩態操作期間，該切換機構M3已經停用並且該切換機構M4已經啟用，如此大體上將所有感應電流I L1 都提供給負載110當成I Load 。該等切換機構M1和M2選擇性啟用(「已切換」)，以便控制感應電流I L1 ，藉此控制V L 。在此方式中，若提供給負載110(V L )的電壓恆等，則透過該切換機構M4提供的該電流大體上等於感應電流I L1 。
總結來說，該電流控制機構設置成產生電流I L1 ，其「停駐」在該電感器L1之內並且由該電壓控制機構計量輸出至負載110。因為供應至該等切換機構M3和M4的該電壓位準並不高(即是負載110的該供應電壓)，該等切換機構M3和M4可實施成為快速、低價的平面電晶體，並且可以非常高的頻率來操作(例如300MHz)，對於負載110上瞬間電流產生非常快速的反應。負載110上的電流需求改變時(即是非穩態操作)，該電壓控制機構的該等切換機構M3和M4可受控制，利用增加或減少計量輸出至負載110的電流I L1 量，快速回應電流需求的改變。一般而言，由於使用不同種類的切換機構，所以該電流控制機構的該切換頻率要比該電壓控制機構的該切換頻率慢。
電力轉換裝置120內一集總元件CP代表電感器L1下游側 上的寄生靜電容量。每次該等切換機構M3和M4切換後，該寄生靜電容量CP會充電至該負載電壓V L (切換機構M4已經啟用時)，然後放電至接地(該切換機構M3已經啟用時)。如此，該等切換機構M3和M4的每一切換循環時，
Figure 102144470-A0305-02-0010-42
的能量EP會因為該寄生靜電容量CP充電與放電而消耗殆盡。
在電力轉換裝置120的典型具體實施例中，電感器L1為一表面固定0.5uH 30A電感器、該等切換機構M3和M4位於該封裝上並且該電容器C1為晶片上與封裝上旁通靜電容量。電容器CP包含電感器L1與該等切換機構M3和M4之間的穿孔、機板線路以及封裝線路之靜電容量。在典型應用當中，該靜電容量CP總共最多500pF。若CP=500pF並且V L =1V，則EP為500pJ。在300MHz的切換頻率上，充電與放電CP會消耗150mW。電力轉換裝置120的該電流控制機構與該電壓控制機構依照穩壓器的複數個相位之一者設置時，EP針對累加寄生靜電容量所消耗的總能量，由相位數縮放。
此切換功率隨著該等切換機構M3和M4的該切換頻率(f s )提高而增加。吾人應該想要以高頻率切換該切換機構M3和M4，將以下所賦予的C1所需大小降至最低：
Figure 102144470-A0305-02-0010-41
其中DF為該切換機構M4的工作係數，並且V R 為V L 的突波電壓。
例如具有30A的相位電流、300MHz的頻率以及20mV的突波電壓時，則所需靜電容量C1為每相位5uF。C1通常分散通過該封裝上許多較小電容器，賦予低串聯電感並且提供一平阻抗作為該切換頻率的函數。提高該切換頻率會降低C1的所需大小，但是要付出提高切換功率EP的代價。
例如電力轉換裝置120這類電流停駐切換式穩壓器的一項優點為C1是所需的唯一濾波靜電容量。相較之下，不含該等切換機構M3和M4的傳統電力轉換裝置依賴大型(數百μF)濾波靜電容量，來濾除該低頻(通常為300kHz)突波。
第一A圖內所示電源108、控制器105、該等切換裝置M1和M2以及電感器L1的組態通常稱為「降壓」轉換器。雖然電力轉換裝置120描述於此降壓轉換器的上下文之間，不過精通技術人士將了解，所描述用來調節提供給一負載110的電壓之該技術可套用至其他「切換模式」電力轉換電路，包含但不受限於一轉送轉換器、半橋接轉換器、全橋接轉換器、回掃轉換器及/或這些的變體。
第一B圖根據一個具體實施例，例示包含電力轉換裝置120的多相位切換式穩壓器150。每一電力轉換裝置120都是一六相位切換式穩壓器的一個相位。每一電力轉換裝置120設置成利用轉換接收自電源108的電力，在負載110上提供一所要的輸出電壓位準(V L )給該等六相位當中一個相位。單一控制器可用來控制每一電力轉換裝置120，或每一電力轉換裝置120可包含一專屬控制器105(如第一B圖內所示)。不同電力轉換裝置120可共用單一濾波電容器C1，而不是在每一電力轉換裝置120內包含一濾波電容器C1。此外，一或多個電力轉換裝置120可用具有分離式電感器的一電流停駐切換式穩壓器或傳統電力轉換裝置取代。
第一C圖根據一個具體實施例，例示包含一電力轉換裝置180實施當成具有一分離式電感器的一電流停駐切換式穩壓器之一電力轉換系統160。相較於第一A圖內所示的電力轉換裝置120，電力轉換裝置180包含一第一電感器L11，其與一第二電感器L2串聯形成一分離式電感器。分離該電感器可降低第一電感器L11下游側上寄生靜電容量CPA造成的損失。
電力轉換裝置180可為多相位切換式穩壓器的一個相位。電力轉換裝置180設置成利用轉換接收自電源108的電力，在負載170上提供一所要的輸出電壓位準(V L )。電力轉換裝置180包含一電流控制機構以及一電壓控制機構。該電流控制機構耦合至電源108，並且控制器165可設置成用和控制器105相同的方式產生控制信號，並且可操作來控制流過電感器L11的電流I L11 以及流過電感器L2的電流I L2 之平均。例如例示，該等切換機構M11和M12經過設置，並且可分別用和前述切換機構M1和M2相同的方式來操作。類似地，該等切換機構M13和M14經過設置，並且可 分別用和前述切換機構M3和M4相同的方式來操作。該電容器C11執行與電容器C1大體上相同的功能。
使用兩種不同的電感器L11和L2形成一分離式電感器來降低切換能量，如此該寄生靜電容量的降壓落在該電感器L11與L2之間，顯示為第一寄生靜電容量CPA。在一個具體實施例內，L11為印刷電路板上一0.5μH 30A第一電感器(例如一分散式組件)，並且該第二電感器L2為包圍負載170的該封裝內之1nH電感器。該第一寄生靜電容量CPA包含該第一電感器L11與該第二電感器L2之間的穿孔、機板線路以及封裝線路之靜電容量。該第一寄生靜電容量CPA大約是490pF。該第二寄生靜電容量CPB主要由該等切換機構M13和M14的汲極靜電容量構成，並且大約是10pF。若CPB=10pF並且V L =1V，則EP為10pJ並且在500MHz的切換頻率上，充電與放電CPB會消耗5mW。
500MHz的切換頻率允許使用0.5μF電容器(在某些具體實施例內實施成較小電容器的分散式陣列)，用於該電容器C11。利用將鐵珠整合至攜帶電流I L2 的線路或焊墊四周，或利用在距離該接地迴路適當距離之處簡單佈置一線路(讓該第二電感器L2成為一平面空氣核心電感器)，如此就可形成第二電感器L2的1nH電感係數。由L2以及該第一寄生靜電容量CPA形成的諧振電路之共振頻率為fr=230MHz。如此，當該等切換機構M13和M14的切換頻率比fr還要高時，該第一寄生靜電容量CPA的靜電容量可與該切換節點V L 有效分隔。因為該第一寄生靜電容量CPA位於該第一電感器L11與該第二電感器L2之間，因此CPA受隔離並且無損失。任何過多電流都會儲存在該第一電感器L11與該第二電感器L2所形成的該分離式電感器內。
脈衝電流取樣
第一A圖內所示的控制器155可設置成根據產生的電流I L1 之數量，來調節該電流控制機構。因此，一電流感應單元可設置成對該電流I L1 取樣，並且提供一輸入至控制器105。該電流感應單元包含一電阻式感應機構，其耦合至該電感器L1的下游端以取樣V D 。V D 的位準對應至該電流I L1 。該電流感應單元可提供V D 的樣本給控制器105。類似地，第一C 圖內所示包含一電阻式感應機構耦合至該電感器L2下游端的一電流感應單元可提供V D 的樣本給控制器165。
第二圖根據一個具體實施例，例示用於對提供給負載110或170的該電流進行脈衝取樣之方法流程圖200。在步驟205上，一電流源設置成產生一電流I L1 或I L2 。在步驟210上，產生一脈衝感應啟用信號。在步驟215上，根據該脈衝感應啟用信號對通過一電阻式感應機構的一電壓取樣。該電壓對應至該電流I L1 或I L2 。
此時將公佈有關許多選擇架構和功能，如此可依照使用者意願實施或不實施前述結構之更多說明資訊。吾人應該特別注意，下列資訊僅供說明，不應解釋為以任何方式進行限制。下列任何功能都可在排除或不排除所說明其他功能之下選擇性併入。
傳統電流感應技術對於對應至該電流的一電壓連續取樣，而該連續取樣期間會耗電。電流通常利用測量通過一感應電阻器的電壓來測量，若一切換式穩壓器的相位可攜帶介於0與30A之間的電流i，並且使用5mOhm感應電阻器，則該感應電壓VR將介於0與150mV之間。在峰值電流上，該感應電阻器將消耗4.5W，導致效率顯著下降，並且大型組件可能需要逸散所產生的熱量。
藉由不連續感應該電流，可大幅減少該感應電阻器所消耗的功率。取而代之，只有需要時才感應代表該電流測量值的該感應電壓。在不感應該電壓的期間，可旁通繞過該感應電阻器。尤其是，並非連續取樣一感應電壓來測量該電流，可只有在一脈衝期間使用一脈衝感應啟用信號來取樣該感應電壓。
該等脈衝可確定已經啟動該切換機構M1時(即是已經產生電流I L1 時)，或已經啟用該切換機構M1並且已經停用該切換機構M4時(即是已經產生電流I L1 時並且該電流I L1 的一部分並未提供給負載110時)，取樣該感應電流(例如V D )。相較於連續取樣，脈衝取樣的取樣期間所消耗之功率降低。此外，相較於設置成執行連續取樣的電路，執行脈衝感應所需的該電阻式感應機構之尺寸可縮小。
第三A圖根據一個具體實施例，例示在電力轉換系統300 內的一電流停駐切換式穩壓器302。雖然第三A圖內顯示單一電感器L1，不過可如先前結合第一C圖所描述包含一第二電感器。上游控制器305設置成產生信號耦合至該等切換機構M1和M2的閘極，用於啟用與停用該切換機構M1和M2。該切換機構M1已經啟用時，該電流源(即是電感器L1)耦合至電源108，並且該切換機構M2已經停用時，則該電流源與該散電器解除耦合或隔離。該切換機構M2已經啟用時，該電流源耦合至散電器，並且該切換機構M1已經停用時，則該電流源與電源108解除耦合或隔離。上游控制器305啟用與停用該等切換機構M1和M2，來產生該電流I L1 。在一個具體實施例內，上游控制器305設置為一脈衝寬度調變控制器。
因為多個電壓控制機構設置成在不同相位上操作來調節V L 時，如結合第一B圖所描述，上游控制器305調節該等相位電流的總和而非下游電壓位準，所以上游控制器305可設置成執行電流模式控制。上游控制器305可設置成根據該電感器L1下游側上感應的該電流I L1 ，利用控制I L1 的產生，調節絕對電感器電流I L1 。
一第一電流感應單元315耦合至該電感器L1的下游側，並且接收來自上游控制器305以及下游控制器310的輸入信號。該等輸入信號指示何時已經啟用該切換機構M1，以及何時已經停用該切換機構M4。該等輸入信號也指示何時將啟用切換機構M3。第一電流感應單元315利用感應V D 上通過一電阻式機構的該電壓位準來感應該電流I L1 ，如結合第三D圖和第三E圖的詳細描述。該感應電壓的位準代表該電流的測量值，並且提供給上游控制器305。上游控制器305使用該感應的電壓位準來產生該等信號，該等信號啟用與停用該等切換機構M1和M2來產生該電流I L1 。
第三B圖根據一個具體實施例，例示控制該電流I L1 的產生與取樣之波形318。上游控制器305產生的一第一信號啟用/停用該切換機構M1(即是驅動一NMOS電晶體的閘極)。在第一電流感應單元315內產生的該感應啟用信號可在啟用該切換機構M1時脈衝來取樣頻率。該電流I L1 會在已經啟用該切換機構M1時上升，並且在已經停用該切換機構M1時下降。
上游控制器305可設置成為脈衝寬度調變控制器，可在一震 盪器產生一週期信號的上升邊緣時啟用該切換機構M1，並且在第一電流感應單元315感應的該電壓到達臨界時停用該切換機構M1。只有已經啟用該切換機構M1時(通常為3us脈衝寬度調變循環的250ns)，並且只有已經啟用該切換機構M1並接近時間結束時，才需要電流感應。因此在一個具體實施例內，除了3us脈衝寬度調變循環當中的100ns以外，全都旁通繞過第一電流感應單元315內的該電阻式感應機構，降低功率消耗達到係數30，相較於連續取樣從4.5W變成150mW。
感應頻寬遠高於所需，可進一步降低功率。例如以200MHz運作的數位控制器只有每5ns需要一個電流樣本。若可在500ps內獲得一樣本，利用即使在已經啟用該切換機構M1時還是讓具有10%工作係數的該感應啟用信號生效，則可操作第一電流感應單元315之內的該電阻式感應機構，進一步將感應功率降低至15mW。
該切換機構M1已經啟用時，除了脈衝該感應啟用信號以外，第一電流感應單元315也可設置成根據下游控制器310產生的該第一信號與該第二信號，脈衝該感應啟用信號。
請回頭參閱第三A圖，在一個具體實施例內，下游控制器310為一Bang-Bang控制電路，設置成將負載110上的電壓位準V L 維持在最低電壓位準(Vmin)與最高電壓位準(Vmax)之間一指定電壓範圍內。例如：V L 的標稱電壓位準指定為1伏特和20mV突波時，Vmin指定為0.99V並且Vmax指定為1.01V。
下游控制器310設置成產生信號耦合至該等切換機構M3和M4的閘極，用於啟用與停用該切換機構M3和M4。該切換機構M3已經啟用時，該電流源(即是電感器L1)耦合至該散電器(即是接地)，並且該切換機構M3已經停用時，則該電流源與該散電器解除耦合或隔離。該切換機構M4已經啟用時，該電流源耦合至負載110，並且該切換機構M4已經停用時，則該電流源與負載110解除耦合或隔離。
如第三A圖內所示，在一個具體實施例內，該切換機構M3為一N型平面金屬氧化物半導體電晶體，並且該切換機構M4為一P型平面金屬氧化物半導體電晶體。下游控制器310產生的該等信號設置成避免 該等切換機構M3和M4的汲極上有重疊電流以及過電壓。尤其是，一次只啟動該等切換機構M3和M4之一者。
該切換機構M3在該切換機構M4已經啟用之前已經停用，以確定兩切換機構M3和M4都已經停用時的一「死區時間」。該等切換機構M3和M4的汲極之寄生靜電容量會在該死區時間期間由該電流I L1 充電，並且在該電壓通過該寄生靜電容量達到V L 時該切換機構M4已經啟用，如此電流不會從負載110流到該電感器L1。該切換機構M3已經停用與該切換機構M4已經啟用時之間的該死區時間受控制，允許在該切換機構M4啟用之前，該電感器L1將該切換機構M4的汲極充電至V L 。該死區時間也確定該切換機構M4已經啟用時該切換機構M3已經停用，以避免來自負載110的擊穿電流通過該等切換機構M3和M4至接地。
類似地，該切換機構M4已經停用與該切換機構M3已經啟用時之間的該死區時間受控制，避免在該切換機構M3啟用之前，I L1 將該切換機構M4的汲極充電過高。該切換機構M4已經停用與該切換機構M3已經啟用時之間的該死區時間也確定，該切換機構M3已經啟用時該切換機構M4已經停用，以避免來自負載110的擊穿電流通過該等切換機構M4和M3至接地。
第三C圖根據一個具體實施例，例示控制調節第三A圖內所示該電流停駐切換式穩壓器的負載110上該電壓位準的該第一與該第二信號和電流I L1 之產生與取樣之波形320。該M1啟用信號由上游控制器305啟用/停用該切換機構M1所產生。該信號D由下游控制器310產生，來控制該電壓控制機構的操作，並且信號D的該工作係數為下游控制器310的該工作係數。尤其是，該信號D控制提供給負載110的電流部分，因此對應至負載110所消耗的少量電流I L1 。該信號D用來產生一第一信號與一第二信號。
由下游控制器310輸出的該第一信號控制(即是啟用與停用)該切換機構M4，並且該第二信號控制該切換機構M3。該切換機構M4為一P型金屬氧化物半導體電晶體時，則該第一信號的反轉版本耦合至該P型金屬氧化物半導體電晶體的該閘極。為了了解第三C圖內所示的波形， 顯示該反轉的第一信號。當該第一信號的反轉版本為高信號，則該切換機構M4已經啟用，並且當該第一信號的反轉版本為低信號，則該切換機構M4已經停用。類似地，當該第二信號為高信號，則該切換機構M3已經啟用，並且當該第二信號為低信號，則該切換機構M3已經停用。
個別延遲可用於一第一信號，其啟用該切換機構M3，以及一第二信號，其啟用該切換機構M4。更進一步，一差異延遲可用於該第一及/或該第二信號的一上升轉換，然後用於一下降轉換。該等延遲在兩切換機構M3和M4都已經停用(即是該反轉第一信號與該第二信號都為負)並且該電流源已經與該負載解除耦合並且與該散電器解除耦合時，控制該死區時間的週期。該切換機構M3已經停用與該切換機構M4已經啟用時之間一「啟用」死區時間的週期，會與該切換機構M4已經停用與該切換機構M3已經啟用時之間一「停用」死區時間的週期不同。
該「停用」死區時間發生在該第一信號停用該切換機構M4，並且該感應啟用信號已經生效及/或該第二信號啟用該切換機構M3之間。該「啟用」死區時間發生在該第二信號停用該切換機構M3，並且該第一信號啟用該切換機構M4時之間。在該停用與該啟用死區時間期間，該切換機構M3和M4已經停用(即是當該反轉第一信號與該第二信號都為負時)。因此，該電流源與該散電器和該負載解除耦合。該啟用死區時間會比該停用死區時間還要長，以便用電流I L1 對該電流源與該電壓控制機構之間該等切換機構M3和M4的該等汲極上之該寄生靜電容量充電。該切換機構M4為一N型金屬氧化物半導體電晶體時，則該第一信號的反轉版本耦合至該切換機構M4的該閘極。
第一電流感應單元315內產生的該感應啟用信號可在該切換機構M1已經啟用、該切換機構M4已經停用並且該切換機構M3啟用之前(即是該M1啟用並且該第一信號已經生效並且該第二信號尚未評估之時)，脈衝取樣一電壓。脈衝該感應啟用信號會終止該停用死區時間，因為第一電流感應單元315將該電流轉移通過該電阻式感應機構至該電流吸收器來取樣該電壓。在另一個具體實施例內，第一電流感應單元315內產生的該感應啟用信號可在該切換機構M1已經啟用、該切換機構M4已經停用 並且該切換機構M3已經啟用之後，脈衝取樣一電壓，如第三C圖內所示，利用該替代感應啟用與替代第二信號。在該切換機構M3已經啟用之後延遲該脈衝取樣該電壓，避免該切換機構M3已經先啟用時發生任何瞬間電流，如此在該替代感應啟用的脈衝期間取樣之該電壓能夠更精確反映該電流I L1 。在一個具體實施例內，如該替代第二信號所示，該切換機構M3在該脈衝期間已經停用，引導該電流通過該電阻式感應機構。該替代第二信號可產生當成該反向替代感應啟用信號與該第二信號的邏輯AND。
該感應啟用信號可在已經取樣該電壓之後保持有效，直到該第二信號失效。另外，該感應啟用信號可在已經取樣該電壓時有效，而在該第二信號有效時失效。在某些情況下，例如當負載110的電流需求量高時，下游控制器310不會經常停用該切換機構M4，如此該感應啟用信號可依照需求頻率脈衝，以產生樣本給上游控制器305。因此，下游控制器310可設置成定期停用該切換機構M4足夠久，讓該感應啟用信號脈衝並取樣該電壓。
第三D圖根據一個具體實施例，例示一第一電流感應單元315。第一電流感應單元315接收來自上游控制器305和下游控制器310的輸入(例如電流與電壓啟用信號)，電流感應控制器320使用這些輸入來產生該感應啟用信號。一電阻器R運作當成一電阻式感應機構，並且與一旁通機構M8並聯耦合。該電阻式感應機構與該旁通機構都與該切換機構M3串聯耦合。在一個具體實施例內，該旁通機構M8為具有阻抗低於該電阻式感應機構的一NMOS電晶體。當該感應啟用信號尚未脈衝(即是當該感應啟用信號失效)並且已經啟用該切換機構M3時，啟用該旁通機構。當該感應啟用信號已經脈衝時(並且該切換機構M3已經啟用)，則已經取樣該感應電壓V R 並且一比較器318將V R 與一參考電壓(Vref)比較，決定是否已經達到一相位的該最大電流。該比較結果代表該電流的測量值，並且提供給上游控制器305。
該電阻器R可用與該旁通機構M8並聯耦合的一或多個電晶體(總是已啟用)替代。第一電流感應單元315可搭配使用一感應啟用信號，如第三B圖內所示。一電流感應結構包含一電阻式感應機構以及一旁 通機構，如第一電流感應單元315內所示，可用來取樣一感應電壓，以提供電流的測量值。例如：該電流感應結構可插入該切換機構M4與負載110之間，來感應負載110所消耗的電流。當該感應啟用信號尚未脈衝來取樣該感應電壓(即是當該感應啟用信號失效)時，應啟用該旁通機構，並且在該切換機構M4已經啟用時應該取樣該感應電壓(V L )。雖然已經在電壓穩壓器的範疇內顯示該電流感應結構，不過該電流感應結構也可用來感應其他電路內的電流。根據該感應啟用信號，即是需要該電流的測量值時，利用取樣一感應電壓，其以不連續方式執行該感應。
第三E圖根據一個具體實施例，例示另一個第二電流感應單元325。第二電流感應單元325可用來取代第三A圖內所示電流停駐切換式穩壓器302內的第一電流感應單元315。第二電流感應單元325接收來自上游控制器305和下游控制器310的輸入(例如電流與電壓啟用信號)，電流感應控制器322使用這些輸入來產生該感應啟用信號。該感應啟用信號控制一切換機構M9，將電流指引通過一電阻式感應機構(即是電阻器R)。該切換機構M9與該電阻式感應機構都與該切換機構M3並聯耦合。在一個具體實施例內，該切換機構M9為該電阻式感應機構並且省略該電阻器R。仍舊在另一個具體實施例內，該切換機構M9與該電阻器串聯形成該電阻式感應機構。在後兩者具體實施例內，在該切換機構M9耦合至該切換機構M3的上端上感應V R 。該電阻式感應機構的阻抗高於該切換機構M3，並且通過該電阻式感應機構取樣V R 。
當該感應啟用信號已經脈衝時，則取樣該感應電壓V R 並且提供給上游控制器305。當已經啟用該切換機構M4並且該第二信號有效之後，可脈衝該感應啟用信號，如第三C圖內所示，當成該替代感應啟用信號，避免就在該切換機構M3已經啟用之後發生的瞬間電流期間測量該電流。該切換機構M9可使用第二信號啟用，並且該切換機構M3可由該反向替代感應啟用信號以及該第二信號(第三C圖內顯示為該替代第二信號)的一邏輯AND來啟用，如此在該脈衝期間指引所有該電流通過該電阻式感應機構。該切換機構M9可在該脈衝之後維持啟用，協助該切換機構M3在V R 已經取樣之後降低該電壓V D 。
在一個具體實施例內，當該切換機構M4已經停用並且該第二信號生效來啟用該切換機構M3之前，脈衝該感應啟用信號(如第三C圖內的該感應啟用信號與該第二信號所示)。該切換機構M9可由該感應啟用信號與該第二信號的邏輯OR所啟用，如此該切換機構M9協助該切換機構M3在V R 已經取樣之後降低該電壓V D 。在一個具體實施例內，在該感應啟用信號的一脈衝之後，該第二信號會生效500ps，以啟用該切換機構M3。
第三F圖根據一個具體實施例，例示一共用閘比較器330。共用閘比較器330可用來取代第三D圖和第三E圖內顯示的比較器318。上游控制器305接收來自第一電流感應單元315或第二電流感應單元325的V R 與Vref間之比較結果。在一個具體實施例內，V R 在0與150mV之間變動。共用閘比較器330包含一數位類比轉換器332，其設置成轉換類比信號來產生Vref，控制一平移電晶體的閘極。該平移電晶體接收V R ，並且傳輸V R 來產生一比較結果，指出當V R 大於Vref-Vthreshold時，I L1 大於一相位的最大電流，其中Vthreshold為該平移電晶體的臨界電壓。當該感應啟用信號脈衝產生提供給上游控制器305的結果時，一平移閘鎖334擷取該比較結果。
當需要實際電流測量，而不是一比較對一參考值時，該平移電晶體與該數位類比轉換器332可操作當成一連續近似類比數位轉換器。例如：利用在3ns內操作該平移電晶體以及數位類比轉換器332六次，可執行一6位元電流測量，以產生一電流測量的每一位元。
第四A圖根據一個具體實施例，例示第三A圖內所示電流停駐切換式穩壓器302的上游控制器305。上游控制器305可設置成提供電流I L1 的保留量，其大於負載110所消耗的電流。例如：利用將I L1 維持在10安培的目標電流上，假設負載110消耗的電流為8安培，則可提供20%的保留。該參考電壓Vref設定成對應至該目標電流之值。V R 隨I L1 增加而增加，並且V R 隨I L1 降低而降低。當V R 大於Vref時，上游控制器305降低I L1 。在一個具體實施例內，Vref根據與負載110相關聯的一處理工作負載而變。例如：就在初始重工作負載之前，增加該Vref以提高電流。
一震盪器425以該脈衝寬度調變頻率(通常為300kHz)設定 一設定重設觸發器415，並且由第一電流感應單元315或第二電流感應單元325所產生，指出該電流I L1 何時大於一相位的最大電流之該結果重設。觸發器415的Q輸出驅動一電流控制單元405，產生啟用信號給該電流控制機構的該等切換機構M1和M2。在一個具體實施例內，電流控制單元405為半橋驅動器。當該R輸入為低位準並且震盪器425的輸出為高位準時，該Q輸出為高位準。直到該R輸出為高位準之前，該Q輸出都將維持在高位準。只要該R輸出為高位準(I L1 小於一相位的該最大電流時)，則該Q輸出會變成低位準。當Q為高位準時，電流控制單元405啟用該切換機構M1並且停用該切換機構M2，以提高該電流I L1 。當Q為低位準時，電流控制單元405停用該切換機構M1並且啟用該切換機構M2，以降低該電流I L1 。電流控制單元405所產生的該等啟用信號應該沒有重疊，如此電源108的輸出不會與接地短路。已經提供給該切換機構M1的該啟用信號可設置成實施一Bootstrap電源供應器，以產生高於電源108上該電壓(例如12V)的閘極驅動。
第四B圖根據一個具體實施例，例示控制該電流I L1 的產生與取樣之波形400。上游控制器305產生的該M1啟用信號啟用/停用該切換機構M1(即是驅動一NMOS電晶體的閘極)。在第一電流感應單元315或第二電流感應單元325內產生的該感應啟用信號可在啟用該切換機構M1時多次脈衝來取樣V R 。該切換機構M1已經啟用時增加該電流I L1 ，並且上游控制器305可設置成V R 的樣本指出I L1 並未超出該最大電流時，產生該感應啟用信號的另一個脈衝。
在一個具體實施例內，上游控制器305可設置成根據V R 的至少一個樣本，預測該電流何時將到達峰值(例如該最大電流)。上游控制器305可線性內插頭兩個V R 樣本，以決定何時產生該感應啟用信號的脈衝來擷取V R 的另一個樣本。根據二或多個V R 的先前樣本，同時該切換機構M1已經啟用，該線性內插用來決定V R 何時將等於或超過Vref。
第四C圖根據一個具體實施例，例示用於控制根據提供給該電流的脈衝感應所產生的該電流I L1 之方法流程圖430。在步驟435上，一電流源設置成產生一電流I L1 。在步驟438上，設置該電壓控制機構以提 供一部分該產生的電流I L1 給負載110來調節V L 。在步驟440上，第一電流感應單元315或第二電流感應單元325產生一脈衝感應啟用信號。在步驟445上，根據該感應啟用信號對通過一電阻式感應機構的一感應電壓取樣。該感應電壓對應至該電流I L1 。在步驟450上，將該感應電壓V R (即是I L1 的測量值)提供給上游控制器305。在步驟455上，上游控制器305根據I L1 的測量值，調整I L1 。
第四D圖根據一個具體實施例，例示包含一電流停駐切換式穩壓器使用一共用電流源與第一電流感應單元315或第二電流感應單元325驅動兩負載，負載110-A和110-B，具有獨立控制器電壓V LA 和V LB 之系統470。如第四D圖內所示，該單一電感器L1提供該電流I L1 ，其中一部分提供給兩個負載110-A和110-B的每一者。在一個具體實施例內，該電流I L1 的該部分並未同時提供給兩個負載110-A和110-B。一濾波電容器C1A耦合至負載110-A，並且一濾波電容器C1B耦合至負載110-B。每一負載都關聯於分開的下游控制器310-A和310-B以及個別切換機構M4A和M4B，不過下游控制器310-A和310-B可共享該切換機構M3。
由下游控制器310-A和310-B產生的該等D輸出信號DA和DB已經結合，將操作優先順序賦予負載110-A。在一個具體實施例內，負載110-A為最關鍵或最高電流負載。當DA為高位準時，該切換機構M4A已經啟用、將該電流源耦合至負載110-A並且該切換機構M4B和M3都已經停用。該切換機構M4A已經啟用時，將該電流I L1 提供給電容器C1A，並且V LA 上升而V LB 下降。當DA為低位準時，DB可為高位準、啟用該切換機構M4B並且停用該等切換機構M4A和M3。該切換機構M4B已經啟用時，將該電流I L1 提供給電容器C1B，並且V LB 上升而V LA 下降。當DA和DB都為低位準時，該切換機構M3已經啟用並且兩切換機構M4A和M4B都已經停用，導致該電流I L1 「停駐」在該電感器L1內，同時兩V LA 和V LB 都下降。系統550的該有效工作係數為由DA和DB的邏輯「OR」所形成信號之該工作係數。
因為一次只啟用一個該等切換機構M4A和M4B，所以使用單一個第一電流感應單元315或第二電流感應單元325來測量該電流I L1 ， 並且提供V R 給上游控制器305。類似地，在第一B圖的多相位切換式穩壓器150內可使用單一第一電流感應單元315或第二電流感應單元325，如此所有相位之間都可共享該電阻式感應機構與比較器。另外，可提供一個別電流感應機構給每一相位，如此可單獨控制每一相位的電感器內之該電流。
預測電流感應
一切換模式電壓穩壓器的每一相位內之電感器電流非常容易預測，並且使用該電流(例如I L1 或I L2 )的數位評估，可執行該切換模式電壓穩壓器的控制。利用實施一數位模型來產生該電流的評估，並且在每一循環更新該評估，就可針對一個或多個相位預測該電流I L1 或I L2 。該電流I L1 或I L2 的實際測量值可採納，並且用於更新該模型的參數以及該電流的評估。在一個具體實施例內，該電流I L1 或I L2 的實際測量值可由第一電流感應單元315或第二電流感應單元325提供。
第五A圖根據一個具體實施例，例示用於評估提供給負載110或170的一電流之方法流程圖500。在步驟505上，一電流源設置成產生一電流I L1 或I L2 。在步驟510上，起始該電流I L1 或I L2 的評估。在一個具體實施例內，利用一電流預測單元產生該電流I L1 或I L2 的評估。在步驟515上，根據設置成將該電流源耦合至電源108的一第一啟用信號，以及設置成將該電流源耦合至負載110或170的一第二信號，更新該電流I L1 或I L2 的評估。然後將該電流I L1 或I L2 的評估提供給上游控制器305。在步驟520上，上游控制器305根據I L1 (或I L2 )的評估，調整I L1 (或I L2 )。
此時將公佈有關許多選擇架構和功能，如此可依照使用者意願實施或不實施前述結構之更多說明資訊。吾人應該特別注意，下列資訊僅供說明，不應解釋為以任何方式進行限制。下列任何功能都可在排除或不排除所說明其他功能之下選擇性併入。
第五B圖根據一個具體實施例，例示一電流預測單元530。電流預測單元530以數位特殊應用積體電路(ASIC，application specific integrated circuit)的頻率來操作，例如200MHz。暫存器535儲存要提供給上游控制器305的電流之評估540。每一循環都根據提供給該電流控制機構與該電壓控制機構的信號，即是電流與電壓啟用信號，遞增或遞減電流的 評估540。加法器534設置成利用將電流的評估540與多工器533提供的一更新值542相加，來更新電流540的評估。
更新控制器532設置多工器533於每一時脈循環當中，選擇三個不同參數單元之一者的輸出。在交替的時脈循環上(即是偶數或奇數)，分別根據該電流啟用信號與該電壓啟用信號更新電流的評估540。在偶數(或奇數)循環上，多工器533根據是否啟用該切換機構M1，選擇上參數單元560的輸出或歸零。該切換機構M1已經啟用時(即是該電流I L1 或I L2 正在增加)，則由上參數單元560的輸出增加電流的評估540。該切換機構M1已經停用時，電流的評估540不變(即是加上0)。
在奇數(或偶數)循環上，多工器533根據是否啟用該切換機構M4，選擇下參數單元565的輸出或關參數單元570的輸出。該切換機構M4已經啟用時(即是該電流I L1 或I L2 正在下降)，則電流的評估540減去下參數單元565的輸出(即是與下參數單元565的輸出相加)。該切換機構M4已經停用時，則電流的評估540減去關參數單元570的輸出(即是與關參數單元570的輸出相加)。
該等三個參數上、下和關，都關於組件與電壓值，如下所示：
Figure 102144470-A0305-02-0024-1
其中t為時間，L為電感器L1或L11的感應係數，並且I M 為已測量或已評估的電流I L1 或I L2 。該已測量的電流可由第一電流感應單元315或第二電流感應單元325提供給更新控制單元532。R P 為該等切換機構M2和M3都已經啟用時消耗能量的總寄生串聯阻抗。在一個具體實施例內，該等參數上、下和關都為大約是該感應電壓降的常數值，即使該感應電壓隨電流而變也一樣。在另一個具體實施例內，L的倒數(1/L)和R P 都為固定或可程式參數。可定期測量電源108(例如12伏特電源供應)所提供的該電壓(V 12 )以及負載110或170上的該電壓(V L )，以計算該等參數上、下和關。在一個具體實施例內，該等參數V L 、V 12 和I M 都未直接測量，而是利用比 較該評估電流與該測量電流I M ，直接評估該等參數上、下和關，並且據此調整該等三個參數。
暫存器535應該具有足夠的精準度，避免每5ns更新時發生量化錯誤。25位元暫存器能夠具有1uA精準度的0-30A範圍。上參數單元560、下參數單元565以及關參數單元570之內的參數暫存器可儲存精準度至1uA的參數值，但是可具有與暫存器535相比較小的範圍，因為該等參數暫存器只需要處理兩個循環(例如10ns)之上電流內的最大變化即可。例如：使用12V電源供應以及0.5uH電感器L時，該電流I M 以24A/us或每10ns 0.24A的速率爬升。
在一個具體實施例內，用算術單元取代多工器533，該單元受到更新控制器532的控制，每一循環都提供四個不同值之一者給加法器534，並且省略關參數單元570。該切換機構M1已經啟用並且該切換機構M4已經停用時，該算術單元提供由上參數單元560輸出的該參數上給加法器534。該切換機構M1已經停用並且該切換機構M4已經啟用時，該算術單元提供由下參數單元565輸出的該參數下給加法器534。該切換機構M1和該切換機構M4都已經啟用時，該算術單元提供該等參數上和下(即是上-下)之間的差異給加法器534。該切換機構M1和M4都已經停用時，該算術單元提供零給加法器534。
如先前所解釋，下游控制器310與上游控制器305在操作上並不同步。尤其是，當V L 到達Vmin或Vmax時，下游控制器310切換狀態。在一個具體實施例內，電流預測單元530內的更新控制器532對於每一上游循環上該切換機構M4的啟用信號進行取樣，以產生該選擇控制給多工器533。隨時間經過，該等樣本應該朝實際工作係數D收斂。不過，若下游控制器310的操作頻率接近電流預測單元530的時脈頻率之倍數，則在脈動頻率上會累積顯著錯誤。利用測量該下游控制器的工作係數，並且計算一下游更新值ds，可避免顯著錯誤的累積：
Figure 102144470-A0305-02-0026-3
ds=Ddown+off
ds的計算可在更新控制器532之內每一下游循環使用單一乘法與加法來實施。更新控制器532可設置成對使用該ds啟用與停用該切換機構M4的該信號取樣，而不是每一上游循環都對該信號取樣。以此方式，該電流搭配該切換機構M1已經停用期間該工作係數D之測量，用來更新該等上、下和關參數之值，這些都依序更新電流的評估540。
更新控制器532可設置成定期使用一電流測量值更新該等下與關參數，例如：每十個上游循環，更新控制器532可使用該電流測量值計算該等下與關參數。以此方式，根據第一電流感應單元315或第二電流感應單元325提供的該電流測量值，更新電流的評估540。在另一個具體實施例內，更新控制器532在該脈衝感應啟用信號內產生一脈衝，控制第一電流感應單元315或第二電流感應單元325就在啟用與停用該切換機構M1轉換(從高到低或從低到高)來測量最小與最大值附近電流的信號之前，對該電流進行取樣。該等脈衝可在每N個上游循環就產生一次，其中N為大於0的整數。
仍舊在另一個具體實施例內，更新控制器532在該脈衝感應啟用信號內產生一脈衝，控制第一電流感應單元315或第二電流感應單元325測量一預定值附近的該電流。例如：該預定值可為該電流I L1 上坡的四分之三點，而該切換機構M1已經啟用。不管何時更新控制器532獲得該電流的測量值時，電流的評估540可設定成等於該測量電流，並且可根據該測量電流更新該等上、下和關參數。另外，更新控制器532在該脈衝感應啟用信號內產生一脈衝，控制在電流的評估540超出一切換臨界值時，第一電流感應單元315或第二電流感應單元325測量該電流。然後電流的評估540可設定成等於該測量值。
第五C圖根據一個具體實施例，例示包含第五B圖內該電流預測單元530的一電流停駐切換式穩壓器502。上游控制器305可設置成提 供電流I L1 的保留量，其大於負載110所消耗的電流。該參考電流Iref設定成一值，其對應至可為一相位中最大電流的該目標電流。當電流的評估540大於Iref時，上游控制器305降低I L1 。在一個具體實施例內，Iref根據與負載110相關聯的一處理工作負載而變。例如：就在初始重工作負載之前，增加該Iref以提高電流。
一震盪器425以該脈衝寬度調變頻率(通常為300kHz)設定一設定重設觸發器415，並且由比較器542產生的結果重設，指出電流的評估540何時大於Iref。觸發器415的Q輸出驅動一電流控制單元405，產生啟用與停用該電流控制機構的該等切換機構M1和M2之信號。在一個具體實施例內，電流控制單元405為半橋驅動器。當該R輸入為低位準並且震盪器425的輸出為高位準時，該Q輸出為高位準。直到該R輸出為高位準之前，該Q輸出都將維持在高位準。只要該R輸出為高位準(電流的評估540小於Iref時)，則該Q輸出會變成低位準。當Q為高位準時，電流控制單元405啟用該切換機構M1並且停用該切換機構M2，以提高該電流I L1 。當Q為低位準時，電流控制單元405停用該切換機構M1並且啟用該切換機構M2，以降低該電流I L1 。電流控制單元405所產生的該等啟用信號在啟用該等切換機構方面應該沒有重疊，如此電源108的輸出不會與接地短路。已經提供給該切換機構M1的該啟用信號可設置成實施一Bootstrap電源供應器，以產生高於電源108上該電壓(例如12V)的閘極驅動。
第五D圖根據一個具體實施例，例示用於控制根據電流的評估540所產生的該電流I L1 之方法流程圖550。雖然以具有第三A圖內所示單一電感器L1的該電流停駐切換式穩壓器302之範疇來描述該方法，不過可如先前結合第一C圖所描述包含一第二電感器。
在步驟505上，一電流源設置成產生該電流I L1 或I L2 。在步驟507上，下游控制器310設置該電壓控制機構提供一部分電流給負載110，以調節負載110上的電壓位準V L 。在步驟510上，起始該電流的評估540。
在步驟515上，電流預測單元530根據設置成將該電流源(即是該電感器L1的該上游側)耦合(與解除耦合)至電源108的一第一信號，以 及設置成將該電流源(即是該電感器L1的該下游側)耦合(與解除耦合)至負載118的一第二信號，更新電流的評估540，並且將電流的評估540提供給上游控制器305。在步驟516上，電流預測單元530決定是否獲得該電流的測量值，若是，則方法前往步驟517。否則在步驟520上，上游控制器305根據電流的評估540，調整I L1 。
在步驟516上，可獲得該電流的測量值，以回應第一電流感應單元315或第二電流感應單元325接收該脈衝感應啟用信號內一脈衝。該脈衝可由電流預測單元530產生，例如：電流預測單元530可在電流的評估540到達一預定值或超出一切換臨界值時，產生一脈衝。另外，電流預測單元530可在預期該電流到達一最小及/或一最大電流值時，產生一脈衝。在步驟517上，電流預測單元530根據該電流測量值調整電流的評估540，例如：電流預測單元530可將該電流的評估設定成該電流測量值、該預定值、該切換臨界值、該最小電流值以及該最大電流值等等。當電流預測單元530並未獲得一電流測量值時，則根據以下一或多者來更新電流的評估540：啟用該等切換機構M1和M4的該等信號、該等參數上、下與關以及該下游工作係數D。在步驟520上，上游控制器305根據電流的評估540，調整I L1 。當獲得一電流測量值時，該測量值搭配先前測量值以及該等上游與下游控制信號的歷史，可用來更新該等參數上、下與關之值。
第六A圖根據一個具體實施例，例示用於使用下游控制器310(或包含一下游控制器的控制器105或165)，調節提供給負載110或170的該電壓位準之方法流程圖600。在步驟602上，該電壓控制機構內的該等切換機構已經初始化。尤其是，該切換機構M3已經停用並且該切換機構M4已經啟用。在另一個具體實施例內，該輔助供應電壓V ST 提供給該下游控制器，並且用在電源108提供一供應電壓給該電流源之前提供該輔助供電給該下游控制器之步驟，來取代步驟602。
在步驟605上，上游控制器305(或控制器105或165)設置該電流控制機構產生電流I L1 通過該電感器L1。該電流控制機構可設置成提供比負載110或170所需平均電流還要大的電流。在步驟610上，該下游控制器設置該電壓控制機構提供一部分電流給負載110或170，以調節負載 110上的電壓位準V L 。在步驟615上，該下游控制器決定V L 是否大於Vmax，並且若是，則在步驟625上，該電壓控制機構切換成解除該電流源與負載110或170之耦合，並且將該電流源(即是該電感器L1)耦合至一散電器(即是接地)，以將I L1 的較少部分提供給負載110或170來降低V L 。在步驟625之後，該下游控制器回到步驟615。
在步驟615上，若V L 並未大於Vmax，則在步驟630上，該下游控制器決定V L 是否小於Vmin。若V L 小於Vmin，則在步驟635上，該下游控制器設置該電壓控制機構將該電流源耦合至負載110或170，並且解除該電流源與該散電器的耦合，以提供較大部分的I L1 給負載110或170來提高V L 。在步驟635之後，該下游控制器回到步驟615。否則，當V L 並未大於Vmax並且不小於Vmin時(即是V L 在Vmin與Vmax界定的範圍之內)，則該下游控制器回到步驟615。
利用由下游控制器310產生的該信號D，決定提供給負載110或170的該電流部分。該信號D交替啟用該第一切換機構M4，允許該電流的一部分流至負載110或170，同時停用一第二切換機構M3，然後啟用該第二切換機構將該電感器L1(或L2用於電力轉換裝置180)拉至接地，同時停用該第二切換機構，將負載110或1170與該電感器隔離。在回應瞬間電流方面，下游控制器310迅速提高或降低提供給負載110或170的電流部分，並且將該電壓位準V L 維持在Vmin與Vmax界定的一預定範圍之內。尤其是，V L 大於Vmax時，D成為低位準，讓電流偏離負載170，並且V L 小於Vmin時，D成為高位準，讓電源流向負載170。
第六B圖根據一個具體實施例，例示由電流停駐切換式穩壓器302所產生的波形650。該上游控制器為一脈衝寬度調變控制器，其維持該電流I L1 低於一最大電流(如第四A圖內所示)。該下游控制器可為一Bang-Bang控制器，其設置成將V L 維持在由Vmin與Vmax界定的一範圍之內。
該頂端線跡為該信號D的該工作係數(DF，duty factor)，隨著該電流I L1 (第三線跡)降低而提高，以提供恆等電流給該負載。該第二線跡為上游控制器305，其耦合至該切換機構M1(M1啟用)，所產生的該控制 信號之第一信號。當M1啟用為高位準，則隨著該電感器L1的上游側連接至該(12V)電源108，該電流I L1 流過該電感器L1陡升。當M1啟用為低位準，則隨著該電感器L1的上游側透過該切換機構M2連接至接地，該電流I L1 緩降。
在模擬產生波型650時，在該負載電流I Load 內有於5μs內從20A至23A的瞬間電流，以及在該目標工作係數內有於12μs內從0.7至0.77的階段變化。該瞬間電流在該工作係數DF內導致一階段增加，以及下游控制器310(實施為一Bang-Bang控制器)的該操作頻率內一階段下降，但是該電壓V L 仍舊維持在Vmin與Vmax界定的該範圍內。
第六C圖根據一個具體實施例，例示包含一電流停駐切換式穩壓器的一系統660。系統660內的該電流停駐切換式穩壓器可分別為第一A圖和第一C圖內所示的電力轉換裝置120和180之一者，或第三A圖和第四A圖內所示該等電流停駐切換式穩壓器之一者。
電源108耦合至含該電感器L1的該電流停駐切換式穩壓器之該電流控制機構和該電壓控制機構。在一替代具體實施例內，電源108耦合至含該電感器L11和L2的該電流停駐切換式穩壓器之該電流控制機構和該電壓控制機構。上游控制器305設置成產生一電流通過該電感器L1。下游控制器310設置成調節該負載，即是電路680上的該電壓位準。在一個具體實施例內，下游控制器310設置成將電路680內的該電壓位準維持在由Vmin與Vmax界定的預定範圍之內。
該電感器L1定位在包覆電路680的封裝670之外。一第二電感器L2(未顯示)可定位在封裝670之內，相較於該第一寄生靜電容量CPA，如結合第一C圖所描述，降低該第二寄生靜電容量CPB。該第二電感器L2、該等切換機構M3和M4(或M13和M14)以及該電容器C1(或C11)都可製造成為包含電路680的晶粒675之一部分。在一個具體實施例內，該第二電感器L2為一平面空氣核心電感器，並且該等切換機構M3和M4(或M13和M14)為平面金屬氧化物半導體電晶體。
電流預測單元530耦合在下游控制器310與上游控制器305之間，提供一評估電流給上游控制單元305。在一個具體實施例內，第一電 流感應單元315或第二電流感應單元325耦合在下游控制器310與上游控制器305之間。雖然第六C圖內顯示含一分離式電感器的該電流停駐切換式穩壓器之一單一相位，不過含一分離式電感器的該電流停駐切換式穩壓器之多個相位或一或多個電流停駐切換式穩壓器之組合(含或不含一分離式電感器)，可搭配一或多個傳統電力轉換裝置來提供電源給電路680。
第七圖說明其中可實施許多先前具體實施例的許多架構和/或功能性之示範系統700。如所示，提供的系統700包含至少一個中央處理器701，其連接至通訊匯流排702。通訊匯流排702可使用任何合適的通訊協定來實施，例如PCI(週邊組件互連)、PCI-Express、AGP(加速圖形連接埠)、HyperTransport或任何其他匯流排或點對點通訊協定。系統700也包含主記憶體704。控制邏輯(軟體)以及資料都儲存在主記憶體704內，此記憶體可採用隨機存取記憶體(RAM)。
系統700也包含輸入裝置712、一圖形處理器706以及一顯示器708，即是一傳統CRT(陰極射線管)、LCD(液晶顯示器)、LED(發光二極體)、電漿顯示器等等。使用者輸入可從輸入裝置712接收，例如鍵盤、滑鼠、觸控板、麥克風等等。在一個具體實施例中，圖形處理器706可包含複數個著色(Shader)模組以及一個光柵化(Rasterization)模組等等。每一前述模組都適合在單一半導體平台上形成圖形處理單元(GPU，graphics processing unit)。
在本說明當中，單一半導體平台可稱為單體半導體式積體電路或晶片。吾人應該注意，單一半導體平台一詞也表示多晶片模組，其具備提高的連線性來模擬晶片上運算，並且運用傳統中央處理單元(CPU)和匯流排做大幅改善。當然，依照使用者的意願，許多模組也可分開或與半導體平台進行許多結合。第六A圖和第六B圖內顯示的一或多個系統650和600可併入系統700，以提供電力給一或多個晶片。
系統700也包含次要儲存裝置710。次要儲存裝置710包含例如：硬碟機以及/或可移除式儲存裝置，像是軟碟機、磁帶機、光碟機、數位多功能光碟(DVD)機、記錄裝置、萬用序列匯流排(USB)快閃記憶體。可移除式儲存裝置用已知的方式讀寫可移除式儲存單元。電腦程式(或電腦控 制邏輯)可儲存在主記憶體704以及/或次要儲存裝置710內，這種電腦程式在執行時可讓系統700執行許多功能。主記憶體704、儲存裝置710及/或任何其他儲存裝置都可為電腦可讀取媒體的範例。
在一個具體實施例內，許多附圖的架構以及/或功能性都可在由中央處理器701、圖形處理器706、積體電路(未顯示，可具有至少部分中央處理器701和圖形處理器706的能力)、晶片組(即是設計來執行相關功能的積體電路群組)以及/或其他任何積體電路所構成結構內實施。
仍舊是，許多附圖的架構以及/或功能性都可在一般電腦系統、電路板系統、娛樂專用遊戲控制台系統、應用專屬系統以及/或其他任何所要系統的範圍內實施。例如：系統700可為桌上型電腦、膝上型電腦、伺服器、工作站、遊戲主機、嵌入式系統及/或其他任何邏輯形式。仍舊是，系統700可為許多其他裝置的形式，包含但不受限於個人數位助理(PDA)裝置、行動電話裝置、電視等等。
進一步，雖然未顯示，系統700可連結至網路(例如通訊網路、區域網路(LAN)、無線網路、廣域網路(WAN)，像是網際網路、點對點網路、有線電視網路等等)用來通訊。
當上面已經說明許多具體實施例時，必須了解到它們係僅藉由範例來呈現，並非構成限制。因此，較佳具體實施例之廣度及範疇並不侷限於上述任何示範性具體實施例，而應僅根據以下的申請專利範圍及其等效內容來定義。

Claims (20)

  1. 一種用於評估電流的方法，包括：設置一電流源來產生一電流；起始該電流的一評估；當一第一信號將該電流源耦合至一電源供應器時，將該電流的該評估加上一上參數單元的輸出；當該第一信號將該電流源從該電源供應器解除耦合時，維持該電流的該評估；當一第二信號將該電流源耦合至一負載時，將該電流的該評估加上一下參數單元的輸出；及當該第二信號將該電流源從該負載解除耦合時，將該電流的該評估加上一關參數單元的輸出以更新該電流的該評估。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括根據一脈衝感應啟用信號對通過一電阻式感應機構的一感應電壓取樣，其中該感應電壓代表該電流的一測量值。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，另包括當該電流的該評估超出一切換臨界值時，產生該脈衝感應啟用信號的一脈衝。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括根據一參考電流與該電流的該評估之間的一比較，調整由該電流源產生的該電流量。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中根據一處理工作負載來設定該參考電流。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電流大於調節該負載上一輸出電壓位準所需的一平均電流。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電流源包含一電感器。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括根據該電流的測量值，定期更新該電流的該評估。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括根據該電流的一或多個測量值，計算用於設置成產生該電流的該評估之一數位模型的參數。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電流的產生包括根據一定期信 號，交替啟用一第一切換機構，將該電流源耦合至一電源，同時停用一第二切換機構，解除該電流源與一散電器的耦合，然後根據該電流的該評估，停用該第一切換機構，解除該電流源與該電源的耦合，同時啟用該第二切換機構，將該電流源耦合至該散電器。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電流的產生包括根據一定期信號，交替啟用一第一切換機構，將該電流源耦合至一電源，同時停用一第二切換機構，解除該電流源與一散電器的耦合，然後根據該電流的測量值，停用該第一切換機構，解除該電流源與該電源的耦合，同時啟用該第二切換機構，將該電流源耦合至該散電器。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中當該第一信號將該電流源耦合至該電源時，提高該電流的該評估。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中當該第二信號將該電流源耦合至該負載時，降低該電流的該評估。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括：測量與該第二信號相關聯的一工作係數；以及根據該工作係數更新該電流的該評估。
  15. 如申請專利範圍第1項之方法，另包括：定期測量一最低位準附近以及一最高位準附近的該電流；以及根據該最低位準與該最高位準上測量的該電流，更新該電流的該評估。
  16. 一種電力轉換裝置，包括：一電流源，其設置成產生一電流；以及一電流預測單元，其耦合至該電流源並且設置成：起始該電流的一評估；當一第一信號將該電流源耦合至一電源供應器時，將該電流的該評估加上一上參數單元的輸出；當該第一信號將該電流源從該電源供應器解除耦合時，維持該電流的該評估；當一第二信號將該電流源耦合至一負載時，將該電流的該評估加上 一下參數單元的輸出；及當該第二信號將該電流源從該負載解除耦合時，將該電流的該評估加上一關參數單元的輸出以更新該電流的該評估。
  17. 如申請專利範圍第16項之電力轉換裝置，其中該電流預測單元另設置成根據一脈衝感應啟用信號對通過一電阻式感應機構的一感應電壓取樣，其中該感應電壓代表該電流的一測量值。
  18. 如申請專利範圍第17項之電力轉換裝置，其中該電流預測單元另設置成當該電流的該評估超出一切換臨界值時，產生該脈衝感應啟用信號的該脈衝。
  19. 如申請專利範圍第18項之電力轉換裝置，另包括一上游控制器，其設置成：將該電流源耦合至一電源，以增加該電流；以及解除該電流源與該電源的耦合，以降低該電流。
  20. 如申請專利範圍第16項之電力轉換裝置，其中該電流預測單元另設置成根據一參考電流與該電流的該評估之間的一比較，調整由該電流源產生的該電流量。
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