TWI715861B - 用於在dc至dc轉換器中產生回授電流之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

敘述用於藉由檢查整個時脈週期的回授資訊來產生用於一或多個組件的穩定輸出電壓的系統、設備、及方法。在各種實施例中，功率轉換器產生用於一或多個組件的輸出電壓。當一或多個組件所汲取的負載電流發生變化時，由電流感測放大器所監測之低通濾波器的電感器電流也發生變化。時脈週期分為高相位及低相位，該等相位中之一者係相對短的相位。在相對短之相位期間，電流感測放大器沒有足夠的時間來測量回授信息。不選擇電流感測放大器的電壓輸出，反而控制邏輯選擇電壓產生器的電壓輸出，該電壓產生器模擬電壓斜波，該電壓斜波在相對短之相位期間具有電感器電流的斜率。

Description

用於在DC至DC轉換器中產生回授電流之系統及方法
本文所述的實施例係關於積體電路的領域，更具體而言，關於藉由監測時脈週期的回授資訊來產生用於一或多個組件的穩定輸出電壓。
計算系統一般而言包括多個組件，其中許多組件能夠處理資料。這些多個組件包括介面及功能塊或單元。在各種實施例中，這些多個組件是單晶片系統(SOC)、多晶片模組(MCM)、或印刷電路板中之一者上的個別晶粒。此類組件的實例係中央處理單元(CPU)中具有一或多個核心的一般用途處理器、圖形處理單元(GPUs)及數位信號處理器(DSPs)中具有一或多個核心的高度平行資料架構處理器、顯示控制器、音訊處理組件、網路連接組件、週邊介面控制器、及記憶體控制器等。
計算系統內的控制邏輯諸如電源管理單元判定用於不同組件的一或多個操作狀態。操作狀態包括電源供應電壓及操作時脈頻率。時脈產生電路系統產生一或多個特定之不同頻率的不同時脈信號，而電源分配網絡提供一或多個特定之不同電源供應電壓。此晶片上網絡使用電源供應器及調節電路來產生特定之不同電源供應電壓以供功能單元內之裝置使用。另外，網絡可依 賴一對晶片上平面(例如金屬層)，其中一平面(「電源平面」)專用於電源供應電壓，並且另一平面(「接地平面」)專用於接地值。
當組件中的裝置從電源平面及接地平面汲取電流時，電流需求的變化產生電流電阻(IR)降及暫態電壓降兩者。另外，對於諸如行動裝置的電池供電裝置而言，電池提供的電壓值隨著所儲存的能量消耗而降低。雖然電壓變化的持續時間可為暫時的，但電壓變化可導致系統中裝置的不可靠行為。 一般而言，功率轉換器用於監測回授資訊並提供穩定的輸出電壓。然而，在許多情況下，用於提供回授資訊的電路系統沒有足夠的時間來正確地提供回授資訊。
鑑於上述，需要藉由檢查整個時脈週期的回授資訊來產生用於一或多個組件的穩定輸出電壓的方法及機制。
已揭示用於藉由檢查整個時脈週期的回授資訊來產生用於一或多個組件的穩定輸出電壓的系統及方法。在各種實施例中，功率轉換器接收輸入電壓並且在低通濾波器的電容器上產生輸出電壓。輸出電壓被發送至一或多個組件，諸如中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、及諸如此類。功率轉換器包括二個功率電晶體，該二個功率電晶體與連接至低通濾波器的輸出串聯連接。功率轉換器內的驅動器至少基於電感器電流的變化而導通及切斷二個功率電晶體。電感器電流的平均值係所供應的負載電流的值。當一或多個組件所汲取的負載電流發生變化而輸出電壓應保持在相對相同的值時，電感器電流也發生變化，該變化由電流回授電路監測。
電流回授電路包括電流感測放大器，該電流感測放大器接收電感器電流，並且產生感測電流作為將被發送至一或多個比較器的電感器電流的縮小比例版本。給定電流的縮小比例版本係相較於給定電流具有降低的安培數的電流。例如，在一實施例中，給定電流的縮小比例版本是等於給定電流除以因子K的電流。例如，當K是1,000並且電感器電流是3安培(A)時，感測電流是3毫安培(mA)。時脈週期分為高相位及低相位，該等相位中之一者係相對短的相位。當負載電流發生變化時，電感器電流也發生變化，因為其與負載電流成比例。當電感器電流信號超過給定臨限時，比較器中之一者將控制信號調整至二個功率電晶體，當該二個功率電晶體的高側電晶體開啟時，這也調整了時脈週期的短相位的時間量。調整導通的高側電晶體之時間量也調整了輸出電壓。
在相對短之相位期間，一或多個組件(諸如電流感測放大器)沒有足夠的時間來開始及測量回授資訊。因此，當電流回授電路中的控制邏輯判定功率轉換器處於時脈週期的長相位時，控制邏輯選擇來自電流感測放大器的第一電壓以發送至控制器中的脈衝寬度調變器(PWM)比較器。然而，當控制邏輯判定功率轉換器處於時脈週期的相對短之相位時，控制邏輯從電壓產生器選擇第二電壓以發送至控制器中的PWM比較器。因此，在相對較短之相位期間不依賴電流感測放大器。反而，在相對較短之相位期間，仿真電壓斜波(emulated voltage ramp)模擬電感器電流的斜率。
在各種實施例中，電壓產生器是與電容器串聯連接的電流源。電流源對電容器充電以產生第二電壓。電流源產生與輸入電壓與功率轉換器的輸出電壓之間的差值成比例的電流。由電流源提供的第二電壓是電容器上 的電壓斜波，這是電感器電流在時脈週期的相對短之相位期間的影像。因此，基於感測電流的峰值的預設恆定電壓值未被發送至一或多個比較器以用於判定在相對短之相位期間是否已達到一或多個臨限。相反，基於電感器電流的影像的第二電壓用於與一或多個臨限進行比較。在一些實施例中，藉由控制邏輯在第一電壓與第二電壓之間之選擇係以開關執行。在其他實施例中，多工器電路用於選擇。
參照以下說明及圖式，將進一步理解這些及其他實施例。
100:功率轉換器
102:誤差放大器/參考電壓
108:節點
110:控制器
120:脈衝寬度調變器比較器/PWM比較器
122:脈衝寬度調變信號/信號/信號PWM
130:輸入電壓/電源供應VIN
132:高側電晶體/電晶體
134:低側電晶體/電晶體
136:輸出節點/節點
150:電感器
152:電感器電流IL
160:電容器
162:輸出電壓/信號/輸出VOUT
164:回授電壓
170:電流回授塊
200:信號波形
202:感測電流ICS
210:時脈信號
212:時脈週期
214:短相位/相位
216:長相位
220:感測電壓
300:功率轉換器
310:電流感測放大器
312:電阻器R1
320:開關S1
330:電流源I1
340:開關S2
342:電容器C1
350:感測電壓
370:電流回授塊
400:方法
402:方塊
404:方塊
406:方塊
408:方塊
410:方塊
412:方塊
414:方塊
416:方塊
418:方塊
420:方塊
422:方塊
500:電流源
510:電晶體
512:電晶體
520:電阻器R1
530:電晶體
540:放大器
550:電晶體
552:電晶體
600:電流源
610:電晶體/pfet
612:電晶體/pfet
620:電阻器R1
630:pfet
640:放大器
650:nfet/pfet
652:nfet
t1:時間
t2:時間
t3:時間
t4:時間
t5:時間
t6:時間
t7:時間
藉由參考以下說明連同所附圖式可更佳理解該等方法及機制的上述及其他優點，其中：〔圖1〕係一功率轉換器之一個實施例的方塊圖。
〔圖2〕係一功率轉換器操作期間之信號波形之一個實施例的方塊圖。
〔圖3〕係一功率轉換器之另一實施例的方塊圖。
〔圖4〕係用於藉由檢查整個時脈週期的回授資訊來用於有效產生一或多個組件的穩定輸出電壓的方法的一實施例的流程圖。
〔圖5〕係一電流源之一個實施例的方塊圖。
〔圖6〕係一電流源之另一實施例的方塊圖。
雖然本揭露內容中所述實施例可受到各種修改及具有替代形式，其特定實施例係以圖式中實例之方式提出，且將在本文中詳細說明。然而，應理解，圖式及其詳細說明並非意欲將實施例侷限於所揭示之具體形式，而是意欲涵括所有落於所附申請專利範圍的精神與範圍內的修改、均等例及替 代例。如本申請案中各處所用，用語「可(may)」係以許可的意涵(即，意指具有可能性)使用，而非以強制意涵(即，意指必須)使用。同樣地，用語「包括(include,including,includes)」意指包括但不限於。
可敘述各種單元、電路、或其他組件為「經組態以(configured to)」執行一任務或多個任務。在這種情況下，「經組態以」是廣泛的結構敘述，通常意味著「具有電路系統」在操作期間執行該任務或多個任務。因而，即使當單元/電路/組件當前並不接通，該單元/電路/組件仍可經組態以執行任務。一般而言，形成對應於「經組態」之結構的電路系統可包括硬體電路。類似地，為了方便敘述，可以將各種單元/電路/組件敘述為執行一任務或多個任務。此種描述應被解讀成包括用語「經組態以」。描述一單元/電路/組件經組態以執行一或多個任務，係明確地意欲不援引35 U.S.C.§ 112(f)對該單元/電路/組件進行解讀。
在下列說明中，闡述了許多具體細節，以提供對本揭露所述實施例的透徹理解。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應當認識到，可以在沒有這些具體細節的情況下實施所述實施例。在一些情況下，熟知的電路、結構、及技術未詳細圖示以便於繪示並避免模糊實施例的說明。
現參照圖1，所顯示的係功率轉換器100之一個實施例的通用方塊圖。在所繪示之實施例中，功率轉換器100包括控制器110、高側電晶體132、低側電晶體134、電流回授塊170、及具有電感器150及電容器160的低通濾波器。控制器110包括至少一個誤差放大器102及脈衝寬度調變器(PWM)比較 器120。用於將電流轉換成電壓的被動元件諸如電阻器及電容器並未圖示以便於繪示。在各種實施例中，功率轉換器100將相對高的輸入電壓(VIN)130轉換為低通濾波器之電容器160上的相對較小且經調節的輸出電壓(VOUT)162。輸出電壓VOUT 162被發送至一或多個組件，諸如中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、單晶片系統(SOC)上一者的其他獨立晶粒、及諸如此類。
在一些實施例中，功率轉換器100被用於行動裝置中，以嘗試最大化電池壽命，同時供應經調節的VOUT 162。在一實施例中，功率轉換器100提供谷值(valley)控制的降壓(buck)切換特性，即電流模式降壓轉換器。在一實施例中，控制器110是用於直流(DC)至DC轉換器應用的固定頻率脈衝寬度調變(PWM)控制器。由於控制器110以特定的已知頻率操作，因此用於抑制電磁干擾(EMI)之其他電路的設計變得相對較簡單。
在一些實施例中，高側電晶體132及低側電晶體134之各者係電源場效電晶體(FET)。例如，高側電晶體132係電源p型FET(pfet)，並且低側電晶體134係電源n型FET(nfet)。當電晶體132導通並且電晶體134切斷時，電流從輸入電壓(VIN)130流經電感器150並且對電容器160充電。電流以正斜率流動。在替代情況下，當電晶體132切斷並且電晶體134導通時，電容器160放電。在替代情況下，大部分的電感器電流從接地參考流向電容器160，並且電流的相對較小部分從電流回授塊170流向電容器160。
在一些實施例中，經過電感器150的峰值電流係用於判定電感器150的尺寸，因為兩者均與電感器150的飽和電流額定(saturation-current rating)相關。電容器160最小化VOUT 162上的電壓超越(overshoot)及電壓漣波(ripple)。電容器160的定大小取決於避免輸出電容不足，輸出電容不足會在 VOUT 162上導致電壓超越及電壓漣波兩者。電壓漣波亦取決於電容器160中相對高的等效串聯電阻(ESR)。因此，任何串聯ESR經設計為相對低。
在各種實施例中，控制器110內的驅動器至少基於電感器電流IL 152中的變化來接通及切斷二個功率電晶體132及134。電感器電流IL 152的平均值係供應給一或多個組件的負載電流的值。當一或多個組件所汲取的負載電流發生變化而輸出電壓VOUT 162保持在相對相同的值時，電感器電流IL 152也發生變化，該變化由電流回授塊170監測。
如在本文中所使用，當值達到用於實現評估的狀態時，該值經判定為生效(asserted)。在一實例中，具有邏輯低值的脈衝寬度調變(PWM)信號122使高側電晶體132能夠傳導電流並在其汲極端子上對輸出節點136充電，這增加了節點136上的電壓。在這種情況下，信號122經判定為生效。邏輯低值在此情況下被用作使信號122有資格生效的狀態。相比之下，具有邏輯高值的信號122使高側電晶體132無法傳導電流。在這種情況下，信號122經判定為失效(negated)。
在一些實施例中，當控制器110產生用於輸出信號PWM 122的邏輯高值時，控制器110藉由使高側電晶體132上的閘極電壓生效來導通高側電晶體132並同時藉由使低側電晶體134上的閘極電壓失效來切斷低側電晶體134。相反，當控制器110產生用於輸出信號PWM 122的邏輯低值時，控制器110藉由使高側電晶體132上的閘極電壓失效來切斷高側電晶體132並同時藉由使低側電晶體134上的閘極電壓生效來導通低側電晶體134。
由於控制器110的切換控制，在一些實施例中，節點136上的信號係具有VIN 130之峰值及接地參考之低值的方形波形。信號VOUT 162是節 點136上的信號的濾波版本，並且還取決於節點136上的信號的工作週期(duty cycle)。例如，如果電源供應VIN 130具有5伏特(V)的值，並且控制器110產生具有20%工作週期的方形波形給節點136上的信號，則輸出信號VOUT 162具有1.0V的恆定值。在另一實例中，如果控制器110產生具有10%工作週期的方形波形給節點136上的信號，則輸出信號VOUT 162具有0.5V的恆定值。電感器150及電容器160用作低通濾波器，其提供節點136上的平均電壓值作為輸出VOUT 162。在一實施例中，控制器110從電流回授塊170接收回授資訊及從外部電源管理單元接收除了控制信號(未圖示)之外之輸出電壓VOUT 162。控制器110使用所接收的資訊來判定工作週期及VOUT 162的結果值。
除了被發送至一或多個組件之外，輸出電壓VOUT 162被發送至控制器110內的誤差放大器102作為回授電壓164。在一些實施例中，回授電壓164等於輸出電壓VOUT 162。在其他實施例中，使用分壓器從輸出電壓VOUT 162產生回授電壓164。接收參考電壓102並且與回授電壓164進行比較。 在一實施例中，誤差放大器102是基於差分輸入電壓產生輸出電流的運算跨導放大器(OTA)。
在一些實施例中，所產生的輸出電流被發送至PWM比較器120。在其他實施例中，使用一或多個被動元件將所產生的輸出電流轉換成PWM比較器120接收的電壓值。在一實施例中，使用所產生之輸出電流及來自誤差放大器102之經轉換之電壓中之一者來設定PWM比較器120的臨限，以判定導通二個功率電晶體132及134中之何者。此決定判定節點136的工作週期及輸出電壓VOUT 162。當PWM比較器120的其他輸入超過臨限時，PWM比較器產生邏輯低值給PWM信號122，其導通高側功率電晶體132。在一實施例中，控制 器110在PWM比較器120與PWM信號122之間使用設定重設定(SR)鎖存器以及一或多個緩衝器。
電流回授塊170包括電流感測放大器(未圖示)，該電流感測放大器接收電感器電流IL 152，並且產生感測電流作為將被發送至一或多個比較器的電感器電流IL 152的縮小比例版本。在一些實施例中，感測電流等於電感器電流除以因子K。在一實例中，當K是1,000並且電感器電流是3安培(A)時，感測電流是3毫安培(mA)。一或多個比較器的輸出被發送至控制器110。在一實施例中，所產生的感測電流在節點108上被發送至PWM比較器120。在另一實施例中，一或多個被動元件用於將所產生的感測電流轉換成電壓，並且將所轉換的電壓在節點108上發送至PWM比較器120。在其他實施例中，電流至電壓轉換在控制器110內執行。
如前所述，電感器電流IL 152的平均值係供應給一或多個組件的負載電流的值。當一或多個組件所汲取的負載電流發生變化而輸出電壓VOUT 162應保持在相對相同的值時，電感器電流IL 152也發生變化，該變化由電流回授塊170監測。時脈週期分為高相位及低相位，該等相位中之一者係相對短的相位。在相對短之相位期間，一或多個組件(諸如電流回授塊170內的電流感測放大器)沒有足夠的時間開始、從電感器電流IL 152產生感測電流、執行任何電流至電壓轉換、及在有限時間內將資訊發送至控制器110。因此，電流回授塊170及控制器110其中一者中的控制邏輯在二個來源之間選擇用於提供輸入至PWM比較器120。
在一實施例中，用於在二個來源之間選擇的上述控制邏輯位於電流回授塊170中。控制邏輯選擇從電流感測放大器之輸出產生的第一電 壓，以在控制邏輯判定功率轉換器100處於時脈週期的長相位時發送到PWM比較器120。然而，當控制邏輯判定功率轉換器100處於時脈週期的相對短之相位時，控制邏輯從電壓產生器選擇第二電壓以發送至控制器110中的PWM比較器120。因此，在相對短之相位期間不依賴電流感測放大器。反而，在相對短之相位期間，仿真電壓斜波模擬在相對短之相位期間的電感器電流IL 152的斜率。在各種實施例中，電壓產生器是與電容器串聯連接的電流源。電流源對電容器充電以產生第二電壓。電流源產生與輸入電壓VIN 130與輸出電壓VOUT 162之間的差值成比例的電流。
現參照圖2，所顯示的係功率轉換器操作期間的信號波形200的一實施例的通用方塊圖。在所繪示的實施例中，先前敘述的信號波形以相同號碼編號。在各種實施例中，時脈信號210具有固定頻率。因此，時脈信號210具有固定時脈週期212。時脈週期212適配在時間t1與時間t4之間。時脈週期212被分成相對短之相位214及長相位216。短相位214介於時間t1與時間t2之間。長相位216介於時間t2與t4之間。在所繪示的實施例中，長相位216係時脈週期212的大約四分之三，並且短相位214係時脈週期212的大約四分之一，儘管其他比率係可能且預期的。如圖所示，信號PWM 122及節點136之各者是在電源供應VIN 130與接地參考之間交替的方形波。
當到達時脈信號210的上升邊緣時，PWM信號122從邏輯高值轉變至邏輯低值。結果，低側功率電晶體134切斷並且高側功率電晶體132導通。因此，節點136上的信號從邏輯低值轉變至邏輯高值並且在時間t1與時間t2之間保持在邏輯高值。節點136上的信號的工作週期顯示為小於一半。由於節點136上的信號在短相位214期間處於邏輯高值，因此工作週期大約為25%。例 如，節點136上的信號在時間t1與時間t2之間以及時間t4與時間t5之間處於邏輯高值。
如前所述，功率轉換器100的輸出，即信號VOUT 162(此處未圖示)，是由於一對電感器150及電容器160所產生的低通濾波器在節點136上的電壓信號的平均值。因此，輸出信號VOUT 162是節點136上信號之峰值電壓及節點136上信號之工作週期的乘性乘積(multiplicative product)。為了產生非零之正負載電流，功率轉換器100產生電感器電流IL 152。如前所述，電感器電流IL 152的平均值係所供應的負載電流的值。因此，電感器電流IL 152的三角形波形的平均值係所供應的負載電流的值。因此，電感器電流IL 152的峰值超過所供應的負載電流的值，且電感器電流IL 152的谷值(最低值)低於所供應的負載電流的值。
如圖所示，在時間t1與t2之間，即短相位214期間，當高側電晶體132導通並且低側電晶體134切斷時，電感器電流IL 152斜線上升。在時間t2與t4之間，即長相位216期間，當高側電晶體132切斷並且低側電晶體134導通時，電感器電流IL 152斜線下降。電感器電流IL 152重複交替斜線上升及斜線下降。例如，在時間t4與t5之間，電感器電流IL 152再次斜線上升。
如先前所述，在相對短之相位214期間，電流回授塊170內的電流感測放大器沒有足夠的時間開始、從電感器電流IL 152產生感測電流、執行任何電流至電壓轉換、及在有限時間內將資訊發送至控制器110。所產生的感測電流顯示為ICS 202。在時間t1與t2之間以及時間t4與t5之間的短相位214期間，感測電流ICS 202被重設定為直流(DC)非零正值。如圖2中可見，感測電流ICS 202在時間t1與t2之間以及時間t4與t5之間係恆定的水平電壓值。因此，在短 相位214期間由ICS 202產生的電壓值也具有恆定值。相比之下，在時間t2與t4之間以及加上時間t5與t7之間的長相位期間，感測電流ICS 202追蹤電感器電流IL 152。
控制邏輯選擇第二電壓值，而非在短相位214期間將預設非零電壓值用於PWM比較器的輸入。第二電壓值來自電壓產生器。在各種實施例中，電壓產生器是與電容器串聯連接的電流源。電流源對電容器充電以產生第二電壓。電流源產生與輸入電壓VIN 130與輸出電壓VOUT 162之間的差值成比例的電流。因此，在相對短之相位214期間不依賴電流感測放大器。反而，仿真電壓斜波在相對短之相位214期間模擬電感器電流IL 152的斜率。
在時間t1與t2之間短相位214期間，仿真電壓斜波被顯示為感測電壓220。感測電壓220的斜率與電感器電流IL 152的斜率相對相同。在時間t2與t4之間長相位216期間，選擇電流感測放大器的輸出且電流感測放大器的輸出提供感測電壓220。同樣，感測電壓220的斜率與電感器電流IL 152的斜率相對相同。在長相位216期間，感測電壓220由感測電流ICS 202產生，該感測電流係電感器電流IL 152的縮小比例版本。在一些實施例中，在長相位期間(諸如在時間t2與t4之間)，感測電流ICS 202等於電感器電流IL 152除因子K。在一實例中，當K是1,000並且電感器電流IL 152是3安培(A)時，感測電流ICS 202是3毫安培(mA)。在短相位214期間(諸如在時間t1與t2之間)，感測電壓220由電壓產生器模擬電感器電流IL 152產生。
參照圖3，所顯示的係功率轉換器300之另一實施例的通用方塊圖。先前所述的控制邏輯及電路以相同號碼編號。如圖所示，電流回授塊370包括電流感測放大器310、電阻器R1 312、開關S1 320及S2 340、電流源I1 330、及電容器C1 342。電感器電流IL 152由電流感測放大器310轉化成斜波電壓信號。斜波電壓代表電感器電流IL 152。在一些實施例中，斜波電壓也代表與電感器電流IL 152結合的補償斜波信號。感測電壓350由電流感測放大器310或電壓產生器產生，該電壓產生器包括電流源I1 330及電容器C1 342。感測電壓350被發送至控制器110中的PWM比較器，從而形成內部電流控制迴路。
如圖所示，當開關S1 320閉合並且開關S2 340斷開時，感測電壓350從電流感測放大器310接收輸出。當控制邏輯判定功率轉換器300處於時脈週期的長相位時，控制信號可被設定為以這種方式斷開及閉合開關。相比之下，當開關S1 320斷開並且開關S2 340閉合時，感測電壓350接收由電流源I1 330充電的電容器C1 342上的輸出。當控制邏輯判定功率轉換器300處於時脈週期的短相位時，控制信號可被設定為以這種方式斷開及閉合開關。
現參照圖4，所顯示的用於藉由檢查整個時脈週期的回授資訊來有效產生用於一或多個組件的穩定輸出電壓的方法400的一實施例的通用流程圖。出於討論的目的，此實施例中的步驟依順序次序顯示。然而，在其他實施例中，一些步驟可依與所示不同的順序發生，一些步驟可同時執行，一些步驟可與其他步驟結合，並且一些步驟可不存在。
功率轉換器接收時脈信號(方塊402)。功率轉換器額外接收輸入電壓並且在低通濾波器的電容器上產生輸出電壓。為此，功率轉換器每次交替導通二個功率電晶體中之一者(方塊404)，其產生電感器電流及用於一或多個組件的負載電流(方塊406)。如果控制邏輯判定操作發生於時脈週期的短相位(條件方塊408的「是」分支)，則基於輸入電壓與功率轉換器的輸出電壓之間的差值來產生電流(方塊410)。產生基於所產生之電流的電壓 (方塊412)。在一些實施例中，電流源產生用於充電電容器的電流，該電容器產生電壓。所產生的電壓被輸送至控制器中的PWM比較器作為第一電壓(方塊418)。
如果控制邏輯判定操作發生於時脈週期的長相位(條件方塊408的「否」分支)，則產生感測電流作為電感器電流的縮小比例版本(方塊414)。電感器電流的縮小比例版本是等於電感器電流除以因子K的電流。在一實例中，當K是1,000並且電感器電流是3安培(A)時，感測電流是3毫安培(mA)。基於感測電流產生電壓(方塊416)。在一些實施例中，使用一或多個被動元件將感測電流轉換成電壓值。所產生的電壓被輸送至控制器中的PWM比較器作為第一電壓(方塊418)。因此，發送至PWM比較器的第一電壓的值係基於操作是否發生於時脈週期的短相位或長相位。
基於功率轉換器的輸出電壓與參考電壓之間的差值來產生第二電壓(方塊420)。在一些實施例中，使用運算跨導放大器(OTA)來基於差分輸入電壓產生輸出電流，並且使用一或多個被動元件將輸出電流轉換成第二電壓。將第一電壓與第二電壓比較(方塊422)。在各種實施例中，PWM比較器比較第一電壓與第二電壓。比較的結果判定二個功率電晶體中何者導通。方法400的控制流程返回方塊404，在該方塊處，功率轉換器每次交替導通二個功率電晶體中之一者。
現參照圖5，所顯示的係電流源500之一個實施例的通用方塊圖。先前所述的電路及訊號以相同號碼編號。如圖所示，電流源500產生電流以流經開關S2 340以將電容器C1 342充電至感測電壓350。電流的量係基於輸入電壓VIN 130與輸出電壓VOUT 162之間的差值。在各種實施例中，當電流感測 放大器測量通過低側功率電晶體134電流時，選擇電流源500。因此，時脈週期的長相位也是低相位。值得注意的是，電流源500(以及電流源600)是產生與輸入電壓VIN 130與輸出電壓VOUT 162之間的差值成比例的電流的一實施例。 用於產生電流的電流源的其他實施例係可能且預期的，該電流與輸入電壓VIN 130與輸出電壓VOUT 162之間的差值成正比。
在一些實施例中，放大器540是基於其差分輸入電壓產生輸出電壓的放大器。在其他實施例中，放大器540是基於其差分輸入電壓產生輸出電流的OTA，並且使用一或多個被動元件將輸出電流轉換成電壓值。放大器540接收輸出電壓VOUT 162作為一輸入。另外，放大器540接收等於輸入電壓VIN 130與跨電阻器R1 520的電壓降之間的差值的值作為第二輸入。所產生的輸出電壓在電晶體530的閘極端子上被接收，該電晶體顯示為nfet。
電晶體530的汲極端子連接至電阻器R1 520。源極端子連接至連接二極體之電晶體550的汲極端子。電晶體550及552形成電流鏡。電晶體550及552之各者係nfet。電晶體552係電流鏡的電流汲取(sink)電晶體。當電流鏡的連接二極體之電晶體550及電流鏡的電流汲取電晶體552的裝置寬度匹配時，流經電晶體552的感測電流等於流經連接二極體之電晶體550的參考電流。在裝置寬度之間具有非單一比率時，感測電流係基於非單一比率的參考電流的比例版本。
電晶體552的汲極端子連接至連接二極體之電晶體510(其為pfet)的汲極端子。電晶體510及512形成第二電流鏡。電晶體510及512之各者係pfet。電晶體512係電流鏡的電流汲取電晶體。電晶體512的汲極端子連接至開關S2 340。類似於第一電流鏡，當電流鏡的連接二極體之電晶體510及電流鏡 的電流汲取電晶體512的裝置寬度匹配時，流經電晶體512的感測電流等於流經連接二極體之電晶體510的參考電流。在裝置寬度之間具有非單一比率時，感測電流係基於非單一比率的參考電流的比例版本。
參照圖6，所顯示的係電流源600之一個實施例的通用方塊圖。先前所述的電路及訊號以相同號碼編號。如圖所示，電流源600產生電流以從電容器C1 342流經開關S2 340。在各種實施例中，當電流感測放大器測量通過高側功率電晶體132電流時，選擇電流源600。因此，時脈週期的長相位也是高相位。
與電流源500類似，電流源600包括放大器640，該放大器基於其差分輸入電壓在pfet 630的閘極端子上產生輸出電壓。放大器640接收輸出電壓VOUT 162作為一輸入。另外，放大器640接收等於跨電阻器R1 620的電壓降的值作為第二輸入。pfet 630的源極端子連接至連接二極體之pfet電晶體610的汲極端子。
pfet 612是其與連接二極體之pfet電晶體610形成的電流鏡的電流汲取電晶體。電晶體610與612之間的裝置寬度的比率判定流經pfet 612的輸出電流相較於流經pfet 610的參考電流的比率。nfet 650的汲極端子連接至pfet 612的汲極端子。電流鏡的輸出電流導通pfet 650，這也導通nfet 652。當開關S2 340閉合時，電容器C1 342通過nfet 652放電至接地參考。
在各種實施例中，軟體應用的程式指令可用於實現先前所述的方法及/或機制。程式指令可用高階程式語言(諸如C)描述硬體的行為。替代地，可使用硬體設計語言(HDL)，諸如Verilog。程式指令可儲存在非暫時性電腦可讀取儲存媒體上。多種類型的儲存媒體可供使用。在使用期間，可由電 腦存取儲存媒體，以將程式指令及伴隨的資料提供至電腦以執行程式。在一些實施例中，合成工具讀取程式指令以產生包含來自合成庫的閘極列表的接線對照表。
應當強調的是，上述實施例僅是實施方案的非限制性實例。 對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，一旦已完全瞭解上述揭示內容，則眾多變化及修改將變得顯而易見。意欲將以下申請專利範圍解釋為涵蓋所有此等變化及修改。
110:控制器
122:脈衝寬度調變信號/信號/信號PWM
130:輸入電壓/電源供應VIN
132:高側電晶體/電晶體
134:低側電晶體/電晶體
136:輸出節點/節點
150:電感器
152:電感器電流IL
160:電容器
162:輸出電壓/信號/輸出VOUT
164:回授電壓
300:功率轉換器
310:電流感測放大器
312:電阻器R1
320:開關S1
330:電流源I1
340:開關S2
342:電容器C1
350:感測電壓
370:電流回授塊

Claims (20)

  1. 一種電流回授電路，其包含：一電流感測放大器，其經組態以基於一功率轉換器的一電感器電流產生一第一電壓；一第一開關，其耦合成用以接收該電流感測放大器的一輸出；一電阻器，其具有一第一端子及一第二端子，該第一端子耦合在該電流感測放大器的該輸出與該第一開關之間，該第二端子耦合至一接地節點；一電壓產生器，其經組態以產生一第二電壓；及控制邏輯，其經組態以：回應於判定該功率轉換器處於一工作週期的一長相位，而將該第一電壓輸送至外部之一脈衝寬度調變器(pulse width modulator)比較器；及回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的一短相位，而將該第二電壓輸送至外部之該脈衝寬度調變器比較器。
  2. 如請求項1之電流回授電路，其中該電壓產生器包含一電流源，該電流源與一電容器串聯連接，其中對該電容器充電之該電流源產生該第二電壓。
  3. 如請求項2之電流回授電路，其中該電流源經組態以產生與一輸入電壓與該功率轉換器的一輸出電壓之間的差值成比例的一電流。
  4. 如請求項1之電流回授電路，其中電流感測放大器經組態以：接收該功率轉換器的一電感器電流；產生一感測電流作為該電感器電流的一縮小比例版本；及基於該感測電流產生該第一電壓。
  5. 如請求項1之電流回授電路，其進一步包含在該電流感測放大器的一輸出與該PWM比較器的一輸入之間的一第一開關，其中該控制邏輯經進一步組態以回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該長相位而閉合該第一開關。
  6. 如請求項5之電流回授電路，其進一步包含在該電流源的一輸出與該電容器的一輸入之間的一第二開關，其中該控制邏輯經進一步組態以回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該短相位而閉合該第二開關。
  7. 一種用於在DC至DC轉換器中產生回授電流之方法，其包含：基於一功率轉換器的一電感器電流由一電流感測放大器產生一第一電壓；由一第一開關接收該電流感測放大器的一輸出；由一電阻器的一第一端子接收該電流感測放大器的該輸出；其中該電阻器的該第一端子耦合在該電流感測放大器的該輸出與該第一開關之間，該電阻器的該第二端子耦合至一接地節點；以一電壓產生器產生一第二電壓；回應於判定該功率轉換器處於一工作週期的一長相位，而將該第一電壓輸送至外部之一脈衝寬度調變器比較器；及回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的一短相位，而將該第二電壓輸送至外部之該脈衝寬度調變器比較器。
  8. 如請求項7之方法，其中該電壓產生器包含一電流源，該電流源與一電容器串聯連接，其中對該電容器充電之該電流源產生該第二電壓。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包含以該電流源產生與一輸入電壓與該功率轉換器的一輸出電壓之間的差值成比例的一電流。
  10. 如請求項7之方法，其進一步包含：以一電流感測放大器接收該功率轉換器的一電感器電流；產生一感測電流作為該電感器電流的一縮小比例版本；及基於該感測電流產生該第一電壓。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包含回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該長相位，而關閉一第一開關，其中該第一開關介於該電流感測放大器的一輸出與該PWM比較器的一輸入之間。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該短相位，而關閉一第二開關，其中該第二開關介於該電流源的一輸出與該電容器的一輸入之間。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包含：回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該短相位，而斷開該第一開關；及回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該長相位，而斷開該第二開關。
  14. 一種功率轉換器，其包含：二個功率電晶體，其等與連接至一切換節點的一輸出串聯連接；一控制器，其經組態以導通及切斷該二個功率電晶體以改變一低通濾波器的一切換節點輸入的一電壓；一電流回授電路，其經組態以將至少基於在該低通濾波器中流動的一電感器電流的一電壓輸送至該控制器中的一脈衝寬度調變器比較器，其中該電流回授電路包含：一電流感測放大器，其經組態以基於一功率轉換器的一電感器電流產生一第一電壓； 一第一開關，其耦合成用以接收該電流感測放大器的一輸出；一電阻器，其具有一第一端子及一第二端子，該第一端子耦合在該電流感測放大器的該輸出與該第一開關之間，該第二端子耦合至一接地節點；一電壓產生器，其經組態以產生一第二電壓；及控制邏輯，其經組態以：回應於判定該功率轉換器處於一工作週期的一長相位，而將該第一電壓輸送至外部之一脈衝寬度調變器比較器；及回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的一短相位，而將該第二電壓輸送至外部之該脈衝寬度調變器比較器。
  15. 如請求項14之功率轉換器，其中該電壓產生器包含一電流源，該電流源與一電容器串聯連接，其中對該電容器充電之該電流源產生該第二電壓。
  16. 如請求項15之功率轉換器，其中該電流源經組態以產生與一輸入電壓與該功率轉換器的一輸出電壓之間的差值成比例的一電流。
  17. 如請求項14之功率轉換器，其中電流感測放大器經組態以：接收該功率轉換器的一電感器電流；產生一感測電流作為該電感器電流的一縮小比例版本；及基於該感測電流產生該第一電壓。
  18. 如請求項14之功率轉換器，其中該電流回授電路進一步包含在該電流感測放大器的一輸出與該PWM比較器的一輸入之間的一第一開關，其中該控制邏輯經進一步組態以回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該長相 位而閉合該第一開關。
  19. 如請求項18之功率轉換器，其中該電流回授電路進一步包含在該電流源的一輸出與該電容器的一輸入之間的一第二開關，其中該控制邏輯經進一步組態以回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該短相位而閉合該第二開關。
  20. 如請求項19之功率轉換器，其中該控制邏輯經進一步組態以：回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該短相位，而斷開該第一開關；及回應於判定該功率轉換器處於該工作週期的該長相位，而斷開該第二開關。
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