TWI796202B - 供電倍相系統 - Google Patents

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Abstract

本案揭示一種供電倍相系統，其包括脈寬調變控制器、第一倍相晶片以及第二倍相晶片。脈寬調變控制器經配置以輸出脈寬調變信號。第一倍相晶片操作在電源電壓下，且具有第一脈寬調變輸出腳位，經配置以根據脈寬調變信號產生第一控制信號以及第二控制信號，並根據第一控制信號產生第一輸出信號。第二倍相晶片操作在電源電壓下，且具有第二脈寬調變輸出腳位，經配置以根據第二控制信號產生第二輸出信號。第一倍相晶片以及第二倍相晶片分別根據第一脈寬調變輸出腳位的電壓準位以及第二脈寬調變輸出腳位的電壓準位於主模式與從模式中進行切換。

Description

供電倍相系統
本發明是有關於一種供電系統，且特別是有關於一種適用於主機板（Motherboard）上的元件的供電倍相系統。
隨著晶片製程的進步與功能增加，中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）等高耗電晶片的供電要求逐步增加，對於採取脈寬調變控制機制（PWM-based control mechanism）的直流-直流轉換器（DC-DC converter）的多相供電的架構也相應被提出。透過不同供電組（相位）於周期內輪流切換供電來降低輸出漣波（output ripple）、工作時間以及溫度。
針對供電相數超出脈寬調變控制器（PWM controller）晶片所支援的相數的情況，衍生出倍相供電以及並聯供電兩種增加相數的設計。然而，倍相供電的設計需要於脈寬調變控制器與驅動器之間加入一個倍相器（phase doubler）來使脈寬調變信號增為兩倍，但多加入的元件會增加所佔用的空間。並聯供電的設計則會使兩組供電相位動作完全一致而導致輸出漣波與輸入漣波電流（input ripple current）增大，溫度也會增加。
本案提供一種供電倍相系統，其包括脈寬調變控制器、第一倍相晶片以及第二倍相晶片。脈寬調變控制器經配置以輸出脈寬調變信號。第一倍相晶片耦接脈寬調變控制器。第一倍相晶片操作在電源電壓下，且具有第一脈寬調變輸出腳位，經配置以根據脈寬調變信號產生第一控制信號以及第二控制信號，並根據第一控制信號產生第一輸出信號。第二倍相晶片耦接第一倍相晶片。第二倍相晶片操作在電源電壓下，且具有第二脈寬調變輸出腳位，經配置以根據第二控制信號產生第二輸出信號。第一倍相晶片以及第二倍相晶片分別根據第一脈寬調變輸出腳位的電壓準位以及第二脈寬調變輸出腳位的電壓準位於主模式與從模式中進行切換。
基於上述，本案的供電倍相系統相較於傳統的倍相供電的設計，在驅動器的前端無需添加倍相器，可減少在主機板上所佔的空間。相較於傳統的並聯供電的設計，能隔開兩相導通的時間，使兩相並非同步開關，在相同元件數量下達成交錯的效果，藉此降低輸出端及輸入端的漣波量。
為讓本案的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，本實施例的供電倍相系統100例如是在主機板（Motherboard）上協助對各個元件進行供電。供電倍相系統100包括脈寬調變控制器110、第一倍相晶片120以及第二倍相晶片130。
脈寬調變控制器110經配置以輸出脈寬調變信號SPWM。舉例來說，在脈寬調變控制器110處於正常運作的情況下，所輸出的脈寬調變信號SPWM之責任週期（duty cycle）可以維持約在5%，且所輸出的脈寬調變信號SPWM之頻率（frequency）可以維持約在600KHz，但本發明並不以此為限。
第一倍相晶片120耦接脈寬調變控制器110。第一倍相晶片120操作在電源電壓VCC下，且具有第一脈寬調變輸入腳位PWM_IN1、第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1以及第一輸出腳位SW1。
第二倍相晶片130耦接第一倍相晶片120。第二倍相晶片130也操作在電源電壓VCC下，且具有第二脈寬調變輸入腳位PWM_IN2、第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2以及第二輸出腳位SW2。
第一倍相晶片120以及第二倍相晶片130分別可根據第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1的電壓準位以及第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2的電壓準位於主模式與從模式中進行切換。具體來說，當電源電壓VCC上升至預定的工作電壓（例如3伏特）後，在預定的時間間隔內（例如30微秒內），第一倍相晶片120會檢測第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1的電壓準位，第二倍相晶片130會檢測第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2的電壓準位。當電壓準位低於臨限值時，對應的倍相晶片設定為主模式。當電壓準位大於等於臨限值時，對應的倍相晶片設定為從模式。
在本實施中，如圖1所示，第一倍相晶片120的第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1耦接至第二倍相晶片130的第二脈寬調變輸入腳位PWM_IN2。此時第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1可能會處於浮置狀態或低電壓準位，因此其電壓準位低於臨限值，第一倍相晶片120設定為主模式。另一方面，第二倍相晶片130的第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2則接收設定電壓VDD（例如3.3伏特），因此第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2的電壓準位大於等於臨限值，第二倍相晶片130設定為從模式。
在本實施例中，第一倍相晶片120的第一脈寬調變輸入腳位PWM_IN1耦接至脈寬調變控制器110，且從脈寬調變控制器110接收脈寬調變信號SPWM。在主模式下的第一倍相晶片120經配置以根據脈寬調變信號SPWM產生第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2。第一倍相晶片120可根據第一控制信號SC1產生第一輸出信號SOUT1，並且由第一輸出腳位SW1輸出第一輸出信號SOUT1。與此同時，第一倍相晶片120可透過第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1將第二控制信號SC2傳送至第二倍相晶片130的第二脈寬調變輸入腳位PWM_IN2。
第二倍相晶片130的第二脈寬調變輸入腳位PWM_IN2耦接至第一倍相晶片120的第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1，且從第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1接收第二控制信號SC2。在從模式下的第二倍相晶片130經配置以根據第二控制信號SC2產生第二輸出信號SOUT2，並且由第二輸出腳位SW2輸出第二輸出信號SOUT2。
以下對第一倍相晶片120以及第二倍相晶片130的內部結構進行說明。請參照圖2，本實施例的第一倍相晶片120包括第一驅動器200以及第一電晶體電路210。第一驅動器200耦接第一脈寬調變輸入腳位PWM_IN1以及第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1。在主模式下的第一驅動器200可發揮分相器（phase divider）的功能，根據脈寬調變信號SPWM產生包含脈寬調變信號SPWM的第一部分（例如奇數脈衝的部分）的第一控制信號SC1以及包含脈寬調變信號SPWM的第二部分（例如偶數脈衝的部分）的第二控制信號SC2，並將第二控制信號SC2提供至第一脈寬調變輸出腳位PWM_OUT1。
舉例來說，圖3繪示了脈寬調變信號SPWM、第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2的信號時序圖。如圖3所示，第一控制信號SC1是由脈寬調變信號SPWM的第1、3、5、7個脈衝（奇數脈衝的部分）所形成。第二控制信號SC2是由脈寬調變信號SPWM的第2、4、6個脈衝（偶數脈衝的部分）所形成。第一控制信號SC1的週期P1等於第二控制信號SC2的週期P2，且是脈寬調變信號SPWM的週期P0的兩倍。換言之，脈寬調變信號SPWM的頻率是第一控制信號SC1與第二控制信號SC2的兩倍。
請回到圖2，第一電晶體電路210耦接第一驅動器200。第一電晶體電路210可根據第一控制信號SC1產生第一輸出信號SOUT1，並將第一輸出信號SOUT1傳送至第一輸出腳位SW1。
具體來說，第一電晶體電路210包括第一上橋電晶體212以及第一下橋電晶體214。第一上橋電晶體212以及第一下橋電晶體214共同耦接於第一輸出腳位SW1。第一上橋電晶體212的控制端以及第一下橋電晶體214的控制端接收第一控制信號SC1。當第一控制信號SC1為第一邏輯準位（例如高邏輯準位）時，第一上橋電晶體212導通且第一下橋電晶體214斷開。當第一控制信號SC1為第二邏輯準位（例如低邏輯準位）時，第一上橋電晶體212斷開且第一下橋電晶體214導通。如此一來，第一電晶體電路210可產生頻率與第一控制信號SC1相同的第一輸出信號SOUT1。
第二倍相晶片130包括第二驅動器300以及第二電晶體電路310。第二驅動器300耦接第二脈寬調變輸入腳位PWM_IN2以及第二脈寬調變輸出腳位PWM_OUT2。在從模式下的第二驅動器300不會將所接收到的第二控制信號SC2進行分相，而是直接輸出第二控制信號SC2至第二電晶體電路310。
第二電晶體電路310耦接第二驅動器300。第二電晶體電路310可根據第二控制信號SC2產生第二輸出信號SOUT2，並將第二輸出信號SOUT2傳送至第二輸出腳位SW2。
具體來說，第二電晶體電路310包括第二上橋電晶體312以及第二下橋電晶體314。第二上橋電晶體312以及第二下橋電晶體314共同耦接於第二輸出腳位SW2。第二上橋電晶體312的控制端以及第二下橋電晶體314的控制端接收第二控制信號SC2。當第二控制信號SC2為第一邏輯準位（例如高邏輯準位）時，第二上橋電晶體312導通且第二下橋電晶體314斷開。當第二控制信號SC2為第二邏輯準位（例如低邏輯準位）時，第二上橋電晶體312斷開且第二下橋電晶體314導通。如此一來，第二電晶體電路310可產生頻率與第二控制信號SC2相同的第二輸出信號SOUT2。
在一實施例中，為了達到省電的效果，脈寬調變控制器110可使脈寬調變信號SPWM包含具有中間準位ML的中間準位波形MW。當第一驅動器200接收到中間準位ML的中間準位波形MW時，第一驅動器200將第一控制信號SC1調整至中間準位ML以使第一上橋電晶體212以及第一下橋電晶體214同時斷開，並且將第二控制信號SC2調整至中間準位ML。此時，第一輸出信號SOUT1的電壓準位大致上會維持不變。
當第二控制信號SC2被調整至中間準位ML時，第二驅動器300將第二控制信號SC2提供至第二電晶體電路310以使第二上橋電晶體312以及第二下橋電晶體314同時斷開。此時，第二輸出信號SOUT2的電壓準位大致上會維持不變。
舉例來說，圖4繪示了脈寬調變信號SPWM、第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2的信號時序圖。如圖4所示，脈寬調變信號SPWM包含具有中間準位ML的中間準位波形MW。當脈寬調變信號SPWM被調整至中間準位ML時，第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2也被調整至中間準位ML。
如圖4所示，當在中間準位波形MW中上穿插有脈衝波形PW時，第一驅動器200會將脈衝波形PW反應於第一控制信號SC1上。也就是說，在第一控制信號SC1上也會包含對應的相同波形。同時，第一驅動器200將第二控制信號SC2持續維持在中間準位ML。如此一來，在脈寬調變信號SPWM為中間準位波形MW的期間，只有第一倍相晶片120會動作，第二倍相晶片130維持不動作，藉此降低工作相數。
綜上所述，本案的供電倍相系統相較於傳統的倍相供電的設計，在驅動器的前端無需添加倍相器，可減少在主機板上所佔的空間。相較於傳統的並聯供電的設計，能隔開兩相導通的時間，使兩相並非同步開關，藉此降低輸出端及輸入端的漣波量。此外，在特定的情況下本案的供電倍相系統還可以使從模式下的倍相晶片不動作，藉此降低工作相數，達到省電的效果。
100:供電倍相系統 110:脈寬調變控制器 120:第一倍相晶片 130:第二倍相晶片 200:第一驅動器 210:第一電晶體電路 212:第一上橋電晶體 214:第一下橋電晶體 300:第二驅動器 310:第二電晶體電路 312:第二上橋電晶體 314:第二下橋電晶體 ML:中間準位 MW:中間準位波形 P0、P1、P2:週期 PW:脈衝波形 PWM_IN1:第一脈寬調變輸入腳位 PWM_IN2:第二脈寬調變輸入腳位 PWM_OUT1:第一脈寬調變輸出腳位 PWM_OUT2:第二脈寬調變輸出腳位 SPWM:脈寬調變信號 SC1:第一控制信號 SC2:第二控制信號 SOUT1:第一輸出信號 SOUT2:第二輸出信號 SW1:第一輸出腳位 SW2:第二輸出腳位 VCC:電源電壓 VDD:設定電壓
圖1是依照本發明一實施例所繪示之供電倍相系統的方塊示意圖。 圖2是依照本發明一實施例所繪示之倍相晶片內部的方塊示意圖。 圖3是依照本發明一實施例所繪示之供電倍相系統的信號時序圖。 圖4是依照本發明一實施例所繪示之供電倍相系統的信號時序圖。
100:供電倍相系統
110:脈寬調變控制器
120:第一倍相晶片
130:第二倍相晶片
PWM_IN1:第一脈寬調變輸入腳位
PWM_IN2:第二脈寬調變輸入腳位
PWM_OUT1:第一脈寬調變輸出腳位
PWM_OUT2:第二脈寬調變輸出腳位
SPWM:脈寬調變信號
SC2:第二控制信號
SOUT1:第一輸出信號
SOUT2:第二輸出信號
SW1:第一輸出腳位
SW2:第二輸出腳位
VCC:電源電壓
VDD:設定電壓

Claims (11)

  1. 一種供電倍相系統，包括： 一脈寬調變控制器，經配置以輸出一脈寬調變信號； 一第一倍相晶片，耦接該脈寬調變控制器，該第一倍相晶片操作在一電源電壓下，且具有一第一脈寬調變輸出腳位，經配置以根據該脈寬調變信號產生一第一控制信號以及一第二控制信號，並根據該第一控制信號產生一第一輸出信號；以及 一第二倍相晶片，耦接該第一倍相晶片，該第二倍相晶片操作在該電源電壓下，且具有一第二脈寬調變輸出腳位，經配置以根據該第二控制信號產生一第二輸出信號， 該第一倍相晶片以及第二倍相晶片分別根據該第一脈寬調變輸出腳位的電壓準位以及該第二脈寬調變輸出腳位的電壓準位於一主模式與一從模式中進行切換。
  2. 如請求項1所述的供電倍相系統，其中當該電源電壓上升至一工作電壓後，在一時間間隔內該第一倍相晶片以及該第二倍相晶片分別檢測該第一脈寬調變輸出腳位的電壓準位以及該第二脈寬調變輸出腳位的電壓準位，當電壓準位低於一臨限值時，對應的倍相晶片設定為該主模式，當電壓準位大於等於該臨限值時，對應的倍相晶片設定為該從模式。
  3. 如請求項1所述的供電倍相系統，其中該第一倍相晶片更具有一第一脈寬調變輸入腳位以耦接至該脈寬調變控制器，且從該脈寬調變控制器接收該脈寬調變信號， 該第二倍相晶片更具有一第二脈寬調變輸入腳位以耦接至該第一倍相晶片的該第一脈寬調變輸出腳位，且從該第一脈寬調變輸出腳位接收該第二控制信號，該第二倍相晶片的該第二脈寬調變輸出腳位接收一設定電壓。
  4. 如請求項3所述的供電倍相系統，其中該第一倍相晶片更具有一第一輸出腳位以輸出該第一輸出信號， 該第二倍相晶片更具有一第二輸出腳位以輸出該第二輸出信號。
  5. 如請求項4所述的供電倍相系統，其中該第一倍相晶片設定為該主模式，該第一倍相晶片包括： 一第一驅動器，耦接該第一脈寬調變輸入腳位以及該第一脈寬調變輸出腳位，在該主模式下根據該脈寬調變信號產生包含該脈寬調變信號的第一部分的該第一控制信號以及包含該脈寬調變信號的第二部分的該第二控制信號，並將該第二控制信號提供至該第一脈寬調變輸出腳位；以及 一第一電晶體電路，耦接該第一驅動器，根據該第一控制信號產生該第一輸出信號，並將該第一輸出信號傳送至該第一輸出腳位。
  6. 如請求項5所述的供電倍相系統，其中該第一電晶體電路包括一第一上橋電晶體以及一第一下橋電晶體，該第一上橋電晶體以及該第一下橋電晶體共同耦接於該第一輸出腳位，該第一上橋電晶體的控制端以及該第一下橋電晶體的控制端接收該第一控制信號，當該第一控制信號為一第一邏輯準位時，該第一上橋電晶體導通且該第一下橋電晶體斷開，當該第一控制信號為一第二邏輯準位時，該第一上橋電晶體斷開且該第一下橋電晶體導通。
  7. 如請求項6所述的供電倍相系統，其中該第一驅動器所接收的該脈寬調變信號包含具有中間準位的一中間準位波形，當該第一驅動器接收到中間準位的該中間準位波形時，該第一驅動器將該第一控制信號調整至中間準位以使該第一上橋電晶體以及該第一下橋電晶體同時斷開，並且將該第二控制信號調整至中間準位。
  8. 如請求項7所述的供電倍相系統，其中當在該中間準位波形中上穿插有一脈衝波形時，該第一驅動器將該脈衝波形反應於該第一控制信號上，並且將該第二控制信號持續維持在中間準位。
  9. 如請求項4所述的供電倍相系統，其中該第二倍相晶片設定為該從模式，該第二倍相晶片包括： 一第二驅動器，耦接該第二脈寬調變輸入腳位以及該第二脈寬調變輸出腳位，在該從模式下輸出所接收到的該第二控制信號；以及 一第二電晶體電路，耦接該第二驅動器，根據該第二控制信號產生該第二輸出信號，並將該第二輸出信號傳送至該第二輸出腳位。
  10. 如請求項9所述的供電倍相系統，其中該第二電晶體電路包括一第二上橋電晶體以及一第二下橋電晶體，該第二上橋電晶體以及該第二下橋電晶體共同耦接於該第二輸出腳位，該第二上橋電晶體的控制端以及該第二下橋電晶體的控制端接收該第二控制信號，當該第二控制信號為一第一邏輯準位時，該第二上橋電晶體導通且該第二下橋電晶體斷開，當該第二控制信號為一第二邏輯準位時，該第二上橋電晶體斷開且該第二下橋電晶體導通。
  11. 如請求項10所述的供電倍相系統，其中當該第二控制信號被調整至中間準位時，該第二驅動器將該第二控制信號提供至該第二電晶體電路以使該第二上橋電晶體以及該第二下橋電晶體同時斷開。
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