TWI802785B - 開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法 - Google Patents

開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI802785B
TWI802785B TW109106745A TW109106745A TWI802785B TW I802785 B TWI802785 B TW I802785B TW 109106745 A TW109106745 A TW 109106745A TW 109106745 A TW109106745 A TW 109106745A TW I802785 B TWI802785 B TW I802785B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
power
voltage
signal
phase
current
Prior art date
Application number
TW109106745A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202103424A (zh
Inventor
理查德 施密茨
Original Assignee
大陸商萬民半導體（澳門）有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大陸商萬民半導體（澳門）有限公司 filed Critical 大陸商萬民半導體（澳門）有限公司
Publication of TW202103424A publication Critical patent/TW202103424A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI802785B publication Critical patent/TWI802785B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/157—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

本發明涉及一種開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法。其中，用於多相位開關穩壓器的控制器，包括配置一個誤差放大器，產生表示反饋電壓和參考電壓之間差值的誤差信號；配置一個回路運算器，根據驅動功率級的誤差信號，產生控制信號；以及配置一個動態相位管理控制電路，根據輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓產生功率效率值。根據第一電流信號和功率效率值，動態相位管理控制電路產生相位選擇信號，表示要啟動的第一數量的功率級。相位選擇信號提供給回路運算器，以便啟動第一數量的功率級。

Description

開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法
本發明係有關一種開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法。
開關模式電壓源或開關穩壓器，也被稱為直流到直流的轉換器，用於將一個輸入電壓源轉換成所需的輸出電壓，達到電子系統中適合積體電路的電壓水平。例如，一個用於電子系統的12伏特電壓源，必須降至5伏特才能為I/O接口電路供電，如果是為核心數位邏輯電路供電，尤其是當核心數位邏輯電路是使用深亞微米積體電路配置起來的時候，就必須降至1伏特供電。開關穩壓器藉由電容器、電感器和變壓器等低損耗元件提供供電功能，電源開關接通和斷開，使得能量從離散數據包中的輸入端轉移到輸出端。反饋控制電路用於調節能量轉移，在電路所需的負載極限內保持穩定的輸出電壓。
傳統的開關穩壓器的運作已經廣為人知，簡要說明如下。一個開關穩壓器包括一對電源開關，接通和斷開電源開關，根據參考電壓調制輸出電壓。更確切地說，電源開關交替地接通和斷開，在開關輸出節點(也稱為開關節點)上產生開關輸出電壓。開關節點耦合到一個LC濾波電路上，LC濾波電路包括一個輸出電感器和一個輸出電容器，產生具有基本恆定幅值的輸出電壓。然後輸出電壓用於驅動負載。開關穩壓器包括一個控制電路，控制電路通常使用一 個誤差放大器，比較表示輸出電壓的反饋電壓和參考電壓，控制電路產生一個或多個控制信號，控制接通-斷開開關週期的開關頻率(脈衝頻率調制)或脈衝寬度(脈寬調制)。可以使用多種不同的控制體系，控制電源開關的工作週期(即接通時間)。
在本領域中，多相位開關穩壓器和多相位轉換器已眾所周知。多相位轉換器包括並聯的功率級，驅動公共負載。用於每個功率級的開關信號相互不在同一相位上。例如，一個功率級可以打開一個開關，同時另一個功率級可以關閉一個開關。每個功率級按相同的時脈頻率繼續運作。多相位控制器通常用於控制多相位運作中的多個功率級。多相位開關穩壓器實現了多種優勢，包括較高的效率、較快的瞬態響應以及較高的電流性能等。
第1圖表示一種傳統的多相位開關穩壓器的示意圖。參見第1圖，一種多相位開關穩壓器10包括一個多相位控制器12，驅動N個並聯的功率級22。每個功率級22都耦合到各自的輸出電感器L1到LN上。輸出電感器L1到LN的輸出節點耦合到輸出電容器Cout上，形成LC濾波電路，產生具有基本恆定幅值的調制輸出電壓Vout(節點24)。輸出電壓Vout可以用於驅動負載30，從而使多相位開關穩壓器10提供負載電流ILoad，將輸出電壓Vout維持在恆定水平。在一些示例中，功率級22配置成一對電源開關，串聯在輸入電壓Vin和地之間。功率開關可以是N-型MOSFET器件或P-型和N-型MOSFET器件。
多相位控制器12配置管理級22的反饋控制，以便調制到LC濾波電路的能量轉移，在電路所需的負載限制內維持穩定的輸出電壓。確切地說，多相位控制器12接收反饋節點26上的反饋電壓Vfb。反饋電壓Vfb可以是調制輸出電壓Vout或調制輸出電壓Vout的分割電壓。多相位控制器12產生控制信號，例 如脈衝寬度調制(PWM)控制信號PWM1至PWMN，使得每個功率級上的電源開關接通和斷開，根據參考電壓Vref，調制輸出電壓Vout。例如，多相位控制器12可以包括一個誤差放大器、一個比例-積分-微分(PID)運算器以及一個數位脈衝-寬度-調制(PWM)產生器，以便產生PWM控制信號(節點19)，用於驅動各自的功率級22。多相位控制器12包括一個記憶體20，儲存預置的配置參數，這些預置的配置參數用於控制多相位開關穩壓器的運作點，以及功率級22的反饋控制。
另外，運作多相位控制器12，以便選擇相位的數量，或者功率級的數量，根據負載電流要求，啟動它們。例如，多相位控制器12可以配置動態相位管理，從而根據負載的要求，利用預置的相位電流閾值，啟動所選擇的數量的相位或功率級。為此，控制器12接收表示供給負載30的負載電流ILoad的感應電流Isens(節點27)。用於反饋控制運作的預置的相位電流閾值和其他配置參數可以儲存在記憶體20中。在一些示例中，可以配置多相位控制器12，控制5、6或8個功率級。每個功率級都具有一個相關的最大電流極限(例如60A)，作為與功率級相關的輸出電感器可以承受的最大電流。控制器啟動一個指定數量的功率級，將負載電流要求分發到一個或多個功率級上，使得每個功率級都在其電流極限內運作。在傳統的動態相位管理體系中，多相位控制器12是帶有一組預置的相位電流閾值的，用於根據負載電流的要求選擇不同的相位組合。例如，對於低於第一相位電流閾值的負載電流值來說，控制器12啟動一個功率級；對於等於或大於第一相位電流閾值但是小於第二相位電流閾值的負載電流值來說，控制器12啟動兩個功率級，以此類推。
在一個示例中，假設多相位開關穩壓器10中的每個功率級22都有一個60A的最大的電流極限。控制器12要為一個功率級配置高達40A的預置相位 電流閾值，為兩個功率級配置高達80A的預置相位電流閾值，為三個功率級配置高達120A的預置相位電流閾值，以此類推。在運作過程中，當負載電流的要求小於40A時，只能啟動一個功率級。當負載電流要求增大到或超過40A時，達到第一相位電流閾值，啟動兩個功率級。當負載電流要求增大到或超過80A時，達到第二相位電流閾值，啟動三個功率級。在這種情況下，控制器12會根據不同的負載電流要求，接通不同數量的功率級。
本發明提供一種開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法，來解決現有技術存在的問題。
本發明的一個技術方案是提供一種用於多相位開關穩壓器的控制器，其特徵在於，多相位開關穩壓器包括多個並聯的功率級，接收輸入電壓並在輸出端產生調制輸出電壓用於驅動負載，該控制器包括：誤差放大器，用於接收一個表示調制輸出電壓的反饋電壓和一個參考電壓，並且產生一個表示反饋電壓和參考電壓之間差值的誤差信號；回路運算器，用於根據誤差信號產生多個控制信號，每個控制信號用於耦合驅動各自的功率級，功率級由控制信號驅動，產生調制輸出電壓，輸出電壓的電壓值與參考電壓有關；以及動態相位管理控制電路，接收表示流經負載的第一電流信號、表示輸出電壓的第一電壓信號、表示供給功率級電流的第二電流信號，以及表示輸入電壓的第二電壓信號，並且根據第一電流信號、第一電壓信號、第二電流信號和第二電壓信號產生功率效率值，該動態相位管理控制電路配置為根據第一電流信號和功率效率值，產生相位選擇信號，表示要啟動第一數量的功率級，相位選擇信號提供給回路運算器，以啟動第一數量的功率級。
較佳地，動態相位管理控制電路配置為產生功率效率值，作為輸出功率和輸入功率的比值，輸出功率與第一電壓信號和第一電流信號有關，輸入功率與第二電壓信號和第二電流信號有關。
較佳地，動態相位管理控制電路根據第一電流信號產生相位選擇信號，選擇初始數量的功率級去啟動，以及根據功率效率值產生相位選擇信號，選擇第一數量的功率級去啟動，功率級的第一數量大於或小於初始數量。
較佳地，對於第一電流信號的一個給定值，動態相位管理控制電路產生相位選擇信號以選擇第一數量的功率級，以使該第一電流信號的給定值在所選第一數量的功率級的最大的電流極限範圍內。
較佳地，動態相位管理控制電路包括微處理器用於評估功率效率值，進一步包括記憶體用於儲存查找表，查找表將相位電流閾值映射到要啟動的功率級數量，微處理器與記憶體交互，根據功率效率值，修正查找表中的相位電流閾值，以便對於第一電流信號的指定範圍，最佳化多相位開關穩壓器的功率效率。
較佳地，動態相位管理控制電路包括一個狀態機器用於評估功率效率值，進一步包括記憶體用於儲存查找表，查找表將相位電流閾值映射為要啟動的功率級數量，狀態機器與記憶體交互，根據功率效率值，修正查找表中的相位電流閾值，以便對於第一電流信號的指定範圍，最佳化多相位開關穩壓器的功率效率。
本發明的另一個技術方案是提供一種用於多相位開關穩壓控制器的方法，多相位開關穩壓器包括多個並聯的功率級，以便接收輸入電壓，在輸出端產生調制輸出電壓，用於驅動負載，該方法包括：接收一個表示調制輸出電壓的反饋電壓和一個參考電壓；產生一個誤差信號，表示反饋電壓和參考電壓之間的差值； 至少根據誤差信號，產生多個控制信號，耦合每個控制信號，驅動各自的功率級，功率級由控制信號驅動，產生具有與參考電壓有關的電壓值的調制輸出電壓；接收表示流經負載電流的第一電流信號、表示輸出電壓的第一電壓信號、表示供給功率級的電流的第二電流信號、表示輸入電壓的第二電壓信號；根據第一電流信號、第一電壓信號、第二電流信號和第二電壓信號，產生一個功率效率值；根據第一電流信號和功率效率值，產生表示要啟動的第一數量的功率級的相位選擇信號；根據相位選擇信號，啟動第一數量的功率級；並且利用啟動的功率級，根據反饋電壓和參考電壓，產生調制輸出電壓。
較佳地，產生相位選擇信號包括：根據第一電流信號，產生相位選擇信號，選擇初始數量的功率級去啟動；對於初始數量的啟動功率級來說，測量第一功率效率值；產生相位選擇信號，選擇一個額外的功率級去啟動；對於初始數量加上一個額外的啟動功率級來說，測量第二功率效率值；根據第二功率效率小於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量的功率級去啟動；並且根據第二功率效率大於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量加上一個額外的功率級去啟動。
較佳地，產生相位選擇信號包括：根據第一電流信號，產生相位選擇信號，選擇初始數量的功率級去啟動；對於初始數量的啟動功率級來說，測量第一功率效率值；產生相位選擇信號，選擇減少一個功率級去啟動； 對於初始數量減一的啟動功率級來說，測量第二功率效率值；根據第二功率效率小於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量的功率級去啟動；並且根據第二功率效率大於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量減一個的功率級去啟動。
較佳地，產生一個功率效率值包括：利用微處理器產生功率效率值。
較佳地，產生一個功率效率值包括：利用狀態機器，產生功率效率值。
較佳地，產生相位選擇信號包括：藉由記憶體儲存查找表，查找表將相位電流閾值映射到要啟動的功率級數量；根據功率效率值，修正查找表中的相位電流閾值，對於第一電流信號的指定範圍，最佳化多相位開關穩壓器的功率效率；以及利用第一電流信號，索引查找表，以獲得作為相位選擇信號要啟動的功率級的數量。
本發明所述用於多相位開關穩壓器的控制器及方法，藉由測量功率效率，設定相位電流閾值，實現了配置參數最佳化，以便選擇運作過程中要啟動的功率級的數量。相位電流閾值設定在功率級組合的最大電流極限內。與現有相比，不再利用預置的相位電流閾值，而是藉由測量運作過程中的輸入和輸出功率，用本發明提出的控制器及方法，為不同的功率級組合動態設定相位電流閾值。對於多相位開關穩壓器指定的運作點或多相位開關穩壓器的整體運 作，本發明所述的控制器藉由最大化功率效率，亦即輸出功率與輸入功率的比值，可以最佳化能量消耗。
10,50:多相位開關穩壓器
12,52:多相位控制器
19,24,26,27,53,55,57,58,59,61,65:節點
20:記憶體
22:功率級
26:反饋節點
30:負載
54:誤差放大器
56:回路運算器
60:交互界面
62:輸入功率邏輯電路
64:輸出功率邏輯電路
70:控制邏輯電路
80:記憶體
82:配置參數
84:查找表
100-1,100-2,100-3,110-1,110-2,110-3:曲線
200,202,204,206,208,210,212,214,250,252,254,256,258,260,262,264,266,268:方法步驟
Cout:輸出電容器
Data_in:輸入數據
DPM:動態相位管理
I1,I2:閾值
Ii:第二電流信號
Iin:輸入電流
ILoad:負載電流
Imax(1相位),Imax(2相位):最大的電流極限
Io:第一電流信號
Iout:輸出電流
Isens:感應電流
Iset1,Iset2:相位電流閾值
L1,L2,LN:輸出電感器
Pin:輸入功率信號
Pout:輸出功率信號
PWM1,PWM2,PWM-N:控制信號
Verr:誤差信號
Vfb:反饋電壓
Vi:第二電壓信號
Vin:輸入電壓
Vo:第一電壓信號
Vout:輸出電壓
Vref:參考電壓
以下的詳細說明及圖式提出了本發明的各個實施例。
第1圖表示一種傳統的多相位開關穩壓器的示意圖。
第2圖表示在本發明的實施例中，引入一種多相位控制器的多相位開關穩壓器的示意圖。
第3圖表示在一個多相位開關穩壓器示例中，傳統的動態相位管理操作。
第4圖表示依據本發明的實施例，多相位開關穩壓器中的動態相位管理操作。
第5圖表示在一些實施例中，在多相位開關穩壓器中配置動態相位管理的功率效率最佳化方法的流程圖。
第6圖表示在較佳實施例中，在多相位開關穩壓器中配置動態相位管理的功率效率最佳化方法的流程圖。
依據本發明的實施例，一種用於多相位開關穩壓器的控制器，藉由測量功率效率，設定相位電流閾值，實現了配置參數最佳化，以便選擇運作過程中要啟動的功率級的數量。相位電流閾值設定在功率級組合的最大電流極限內。更確切地說，不再利用預置的相位電流閾值，而是藉由測量運作過程中的輸入和輸出功率，用本發明提出的控制器為不同的功率級組合動態設定相位電流閾值。對於多相位開關穩壓器指定的運作點或多相位開關穩壓器的整體運作，本發明所述的控制器藉由最大化功率效率，亦即輸出功率與輸入功率的比值，可以最佳化能量消耗。
更確切地說，多相位開關穩壓器控制器實現了許多傳統解決方案所不具備的優勢。首先，控制器配置了一個自主的並且獨立於主機系統的控制體系，用於能量最佳化。利用控制器，為了選擇相位或功率級數量用於特定負載電流值的相位電流閾值設定在功率級的最大電流極限內，以便最佳化能量使用。不需要外部系統接口或用戶輸入。其次，運作控制器，在運作時更新相位電流閾值設定。因此，可以最佳化多相位開關穩壓器的運作，以便在運作時獲得最佳的能量使用。確切地說，控制器設定相位電流閾值，在運作時自主地獲得最大的能量效率，即，輸出功率和輸入功率的比值。
第2圖表示在本發明的實施例中，引入一個多相位控制器的多相位開關穩壓器的示意圖。參見第2圖，一個多相位開關穩壓器50包括一個多相位控制器(「控制器」)52，驅動N個並聯的功率級22。每個功率級22都接收輸入電壓Vin，並且耦合到各自的輸出電感器L1到LN上。輸出電感器L1到LN的輸出節點耦合到輸出電容器Cout上，形成LC濾波電路，以便產生具有基本恆定幅值的調制輸出電壓Vout(節點24)。然後，輸出電壓Vout可以用於驅動負載30，從而多相位開關穩壓器50提供負載電流ILoad，以便將輸出電壓Vout維持在恆定水平。在一些示例中，將功率級22配置成一對功率開關，串聯在輸入電壓Vin(節點58)和地之間。功率開關可以是N-型金氧半導體場效電晶體(MOSFET)器件或P-型和N-型MOSFET器件。
多相位控制器52配置功率級22的反饋控制，調制到LC濾波電路的能量轉移，以便將穩定的輸出電壓維持在電流所需的負載極限內。確切地說，多相位控制器52接收反饋節點26處的反饋電壓Vfb。反饋電壓Vfb可以是調制輸出電壓Vout或調制輸出電壓Vout的分割電壓。多相位控制器52產生控制信號，例如脈衝寬度調制(PWM)控制信號PWM1至PWMN，以便使每個功率級中的功率開關接通和斷開，根據參考電壓Vref調制輸出電壓Vout。
更確切地說，在控制器52處，反饋電壓Vfb(節點26)與參考電壓Vref(節點53)在誤差放大器54處作比較。誤差放大器54產生一個誤差信號，作為反饋電壓Vfb和參考電壓Vref之間的差值。在一些示例中，誤差信號可以數位化，例如藉由使用一個類比數位轉換器(ADC)。誤差信號Verr(節點55)或其數位化版本，被提供給回路運算器56，產生PWM控制信號PWM1至PWM-N(節點19)，用於驅動各自功率級22中的功率開關。例如，回路運算器56可以包括一個比例-積分-微分(PID)運算器以及一個數位脈衝寬度調制(PWM)產生器，以便產生PWM信號PWM1至PWM-N(節點19)用於驅動各自的功率級22。根據各自的PWM控制信號，每個功率級22中的功率開關接通和斷開，以便調制到各自電感器L1到LN以及電容器Cout上的能量轉移。因此，控制器52產生PWM控制信號，用於驅動功率開關，將調制輸出電壓Vout調節到參考電壓Vref設定的所需電壓值上。要注意的是，第2圖所示的多相位開關穩壓器的結構僅用於解釋說明，不用於局限。可以使用其他結構的多相位開關穩壓器。多相位開關穩壓器的結構或特定的反饋控制系統對於本發明的實施來說並不重要。
多相位控制器52包括一個記憶體80，儲存配置參數，用於控制多相位開關穩壓器的運作狀態和功率級22的反饋控制。回路運算器56與記憶體80交互，以便在運作時獲得相應的配置參數。例如，記憶體80可以儲存回路運算器56中PID運算器的配置參數82(例如PID係數Ki、Kp和Kd)。可以利用PID係數調節反饋控制回路的增益帶寬。記憶體80還可以儲存運作操作中的其他配置參數。在本實施例中，控制器52包括一個交互界面60，接收來自外部源的輸入數據Data_In(節點65)，例如系統處理器或用戶輸入。交互界面60與記憶體80交互。可以利用交互界面60，加載配置參數數據到記憶體80上。還可選擇，利用交互界面60，更新記憶體80中儲存的數據值。在一個實施例中，交互界面配置為功率管理總線(PMBus)。
另外，運作多相位控制器52，根據負載電流的要求，選擇要啟動的相位的數量、或功率級的數量。在本發明的實施例中，多相位控制器52配置動態相位管理(DPM)，從而根據負載電流的要求，啟動所需數量的相位或功率級。利用一組相位電流閾值，為指定範圍的負載電流值，確定要啟動的功率級的特定數量。在本實施例中，這組相位電流閾值就儲存在記憶體80中。在一些實施例中，這組相位電流閾值儲存在記憶體80的查找表84中。查找表84儲存這組相位電流閾值的地方，是每個與一定數量的相位或功率級相關的相位電流閾值被啟動的地方。查找表84被電流信號索引，電流信號表示供給負載30的負載電流。例如，回路運算器56接收感應電流Isens，感應電流Isens表示流入負載30的負載電流ILoad。回路運算器56使用感應電流Isens索引查找表84，確定對於特定的負載電流要求，應使用多少個相位或多少個功率級。根據感應電流值，查找表84提供一個相位選擇信號給回路運算器56，相位選擇信號表示要啟動的功率級數量。根據相位選擇信號，回路運算器56產生控制信號，啟動各自的功率級或使其失效。
在傳統的功率穩壓控制器中，查找表儲存預置的相位電流閾值。不能在多相位開關穩壓器運作的時候，改變預置相位電流。因此，無論任何特定的相位組合的功率效率高低，根據固定的相位電流閾值，都需要運作傳統的多相位開關穩壓器在不同的運作相位之間切換。在本發明的實施例中，查找表84儲存了相位電流閾值的一組初始值。在運作時，自動更新相位電流閾值，以便使功率效率最大化，這將在下文中詳細介紹。
在本發明的實施例中，為了實現最大化功率效率，控制器52含有邏輯電路，以便測量輸入和輸出功率，並據此設定相位電流閾值，達到最大功率效率。為此，控制器52包括一個輸入功率(Pin)邏輯電路62和一個輸出功率(Pout)邏輯電路64。輸出功率邏輯電路64接收一個第一電壓信號Vo(節點59)，表 示輸出電壓Vout，並且還接收一個第一電流信號Io(節點61)，表示多相位開關穩壓器50提供給負載30的輸出電流，這個輸出電流也是流經負載的負載電流ILoad。第一電壓信號Vo可以是輸出電壓Vout，或者是一個與輸出電壓Vout相關的電壓。利用不同的技術，可以感測第一電流信號Io。在一個示例中，第一電流信號可以測量為每個功率級提供的輸出電流的總和。第一電流信號Io還可以測量為供給負載的負載電流。第一電流信號Io可以是功率級的輸出電路的總和，或者流至負載的負載電流，或者是與其相關的電流值。在一些實施例中，第一電流信號Io可以是與感測電流信號Isens相同的電流信號。
輸入功率邏輯電路62接收了表示輸入電壓Vin的第二電壓信號Vi(節點57)，另外還接收了表示流入多相位開關穩壓器50的功率級22中輸入電流的第二電流信號Ii(節點58)。第二電壓信號Vi可以是輸入電壓Vin，或者是與輸入電壓Vin相關的電壓。利用不同的技術，可以感測第二電流信號Ii。在一個示例中，在輸入電壓節點58處感測輸入電流Iin。第二電流信號Ii可以測量為流入功率級22的輸入電流Iin，或者是表示流入功率級22的電流的電流值。
輸入功率邏輯電路62根據第二電壓信號Vi和第二電流信號Ii，測試一個輸入功率信號Pin。例如，輸入功率信號Pin是輸入電壓Vin(用第二電壓信號Vi表示)和輸入電流Iin(用第二電流信號Ii表示)的乘積。輸出功率邏輯電路64根據第一電壓信號Vo和第一電流信號Io，產生一個輸出功率信號Pout。例如，輸出功率信號Pout是輸出電壓Vout(用第一電壓信號Vo表示)和輸出電流Iout(用第一電流信號Io表示)的乘積。
多相位控制器52進一步包括一個控制邏輯電路70，接收輸入功率信號Pin和輸出功率信號Pout。控制邏輯電路70利用輸入功率信號Pin和輸出功率信號Pout，計算功率效率值。在一個示例中，功率效率值用輸出功率Pout與輸入功率Pin的比值表示。也就是說，Peff=Pout/Pin。功率效率值可以是一個從0到1 的值，或者是從0到100%。利用功率效率值，控制邏輯電路70可以評估使用功率級的不同組合時，相位電流的閾值。在本說明中，功率級的不同組合是指使用過程中要啟動的不同數量的功率級。換言之，控制邏輯電路70根據功率效率值，設定用於動態相位管理運作時的相位電流閾值。設定相位電流閾值，實現多相位開關穩壓器50的不同運作點時的功率效率達到最大。在實施例中，控制邏輯電路70可以與記憶體80交互，以便修正查找表84中相位電流閾值的值。
多相位開關穩壓器50配置動態相位管理，根據負載電流的要求，啟動不同數量的功率級或相位。在動態相位管理下，控制器52接收感測電流信號Isens，感測電流信號Isens表示供給負載30的負載電流ILoad。可以配置多相位控制器52，控制任意數量的功率級，從2個到N個功率級。每個功率級都有一個相關的最大電流極限(例如60A)，最大電流可以由與功率級有關的輸出感測器處理。控制器啟動一定數量的功率級，將負載電流的要求分佈在一個或多個功率級上，使得每個功率級都在其自身的電流極限內運作。在傳統的動態相位管理體系中，配置控制器帶有一組預置的或固定的電流閾值，以便根據負載電流的要求選擇不同的相位組合。例如，對於小於第一電流閾值的負載電流值來說，控制器啟動一個功率級；對於等於或大於第一電流閾值但小於第二電流閾值的負載電流值來說，控制器啟動兩個功率級，以此類推。
在本發明的實施例中，配置控制器52的初始值，用於動態相位管理運作時的相位電流閾值。也就是說，查找表84儲存相位電流閾值的初始值，找到要啟動的功率級的數量。然後，根據控制邏輯電路70進行的功率效率評估，修正或調節相位電流閾值。
在一個示例中，認為多相位開關穩壓器50中的每個功率級22都具有一個最大的電流極限60A。控制器52對於一個功率級的初始相位電流閾值達到40A，對於兩個功率級的初始相位電流閾值達到80A，對於三個功率級的初始相 位電流閾值達到120A，以此類推。在使用初始值的運作過程中，當負載電流要求小於40A時，僅啟動一個功率級。當負載電流要求增大到或超過40A時，達到第一電流閾值，並啟動兩個功率級。當負載電流要求增大到80A或以上時，達到第二電流閾值，並啟動三個功率級。另一方面，當負載電流要求減小到65A時，多相位開關穩壓器返回啟動兩個功率級。也就是說，之前啟動過的第三個功率級現在被停用(deactivated)了。在這種情況下，控制器52根據負載電流的要求，選擇接通不同數量的功率級，並使用查找表84中的相位電流閾值。
在本發明的實施例中，多相位開關穩壓器50在運作時，控制邏輯電路70接收來自輸入功率邏輯電路62和輸出功率邏輯電路64的輸入功率信號Pin和輸出功率信號Pout。控制邏輯電路70評估指定工作點的功率效率值，也就是說，輸入/輸出電壓/電流狀態，並且利用指定的工作點，確定要使用的功率級的最佳數量。
在另一個示例中，控制邏輯電路70對於本工作點確定第一功率效率值，也就是說，對於本輸入/輸出電壓/電流狀態的功率效率值，並且利用指定數量的啟動功率級，用查找表84表示。根據初始的相位電流閾值或之前修正的相位電流閾值，選擇要啟動的功率級的數量。控制邏輯電路70指引回路運算器56增加一個被啟動的功率級，或者如果可行的話，在功率級的最大電流極限內，減少一個要啟動的功率級的數量。利用修正數量的功率級(或者增加一個或者減少一個)，控制邏輯電路70確定了當前工作點的第二功率效率值，也就是說，對於當前輸入/輸出電壓/電流狀況下的功率效率值，並且利用修正數量的啟動功率級(增加一個或減少一個)。
當第一功率效率值大於第二功率效率值時，控制邏輯電路70不會修正查找表84，允許回路運算器返回最初的工作狀態(利用原始數量的被啟動功率級)。當第一功率效率值小於第二功率效率值時，控制邏輯電路修正查找表84， 使得回路運算器56對於指定的工作狀態，使用修正數量的被啟動功率級(增加一個或減少一個)。也就是說，對於指定的負載電流狀態，修正查找表84，使用多一個或少一個的功率級。還可選擇，修正相位電流閾值，使得對於指定的負載電流狀態，多啟動一個或少啟動一個功率級。
在一個示例中，假設控制器52為一個功率級配置的初始相位電流閾值最高為40A。當負載電流要求增大到45A時，根據初始相位電流閾值，控制器52將啟動兩個功率級，然而，控制邏輯電路70評估利用兩個功率級(初始設定)和利用少一個功率級(修正設定)也就是一個單獨的功率級用於45A負載電流情況時的功率效率值。當利用一個單獨的功率級的功率效率大於利用兩個功率級的功率效率時，控制邏輯電路70將修正查找表84，為一個功率級設定最大為45A的相位電流閾值(而不是最大為40A)。在這種情況下，控制邏輯電路70評估功率使用情況，並且確定可以利用最大為45A的負載電流的一個單獨的功率級使多相位開關穩壓器50以更大的能量效率運作。對於最大為45A的負載電流來說，不再需要利用初始的40A閾值啟動第二個功率級，可以不啟動額外的功率級。
在另一個示例中，假設控制器52為兩個功率級配置最大為80A的初始相位電流閾值。當前的負載電流要求為90A，並且已經啟動了三個功率級。當負載電流要求降低至75A時，控制器52將停用一個功率級，只啟動兩個功率級。然而，控制邏輯電路70評估利用兩個功率級(原始設定)和還利用一個額外的功率級(修正設定)也就是三個功率級用於75A的負載電流情況時的功率效率值。當使用三個功率級的效率大於使用兩個功率級的功率效率時，控制邏輯電路70將修正查找表84，以便為兩個功率級設定最大為74A的相位電流閾值。在這種情況下，對於75A的負載電流要求類似，將啟動第三個功率級。控制邏輯電路70評估功率使用狀態，確定可以用75A負載電流的三個功率級使多相位開關穩壓器 50運作在更大的能量效率，而不再使用兩個功率級，直到達到80A的初始相位電流閾值為止。
在這種情況下，運作控制邏輯電路70，配置動態相位管理，藉由評估對於指定負載要求的不同組合的功率級的功率效率水平，並且選擇相位的組合或功率級的數量，最大化功率效率。
要注意的是，對於不同組合的功率級來說，控制邏輯電路70修正了相位電流閾值，同時對於各自的組合，保持在最大的電流極限內。例如，當單獨的功率級具有最大電流極限60A時，控制邏輯電路70會為單獨的功率級修正相位電流閾值到最大60A，並且不超過60A。在一些情況下，可以使用一個保護帶區域。例如，當單獨的功率級具有最大電流極限60A以及5A的保護帶時，控制邏輯電路70會為一個單獨的功率級修正相位電流閾值為最大55A並且不超過55A。控制邏輯電路70修正相位電流閾值，使功率效率最佳化，但是仍然保持在功率級的最大電流極限內。
在一個示例中，將控制邏輯電路70配置成一個微處理器。微處理器可以是控制器52的一個共享元件。也就是說，控制器52包括一個微處理器，用於提供其他的控制和處理功能。控制邏輯電路70是利用相同的微處理器配置的。例如，控制邏輯電路70在多相位開關穩壓控制器現有的微處理器中，可以配置新功能。在一些實施例中，輸入功率邏輯電路62和輸出功率邏輯電路64也可以在相同的微處理器中配置新功能。在另一個實施例中，控制邏輯電路70可以配置成一個狀態機器(state machine)。當需要較快的響應時，就需要一個狀態機器。
第3圖表示在一個多相位開關穩壓器的一些示例中，傳統的動態相位管理操作。參見第3圖，在傳統的動態相位管理體系中，控制器帶有固定的預置相位電流閾值Iset1和Iset2，對於相關的相位組合來說，每個預置的相位電流 閾值都小於最大的電流極限。也就是說，對於使用一個單獨的功率級來說，最大的電流極限為Imax(1相位)，對於使用兩個功率級來說，最大的電流極限為Imax(2相位)。第一個相位電流閾值Iset1設定為小於Imax(1相位)，第二個相位電流閾值Iset2設定為小於Imax(2相位)。因此，對於負載電流要求小於閾值Iset1來說，僅啟動一個單獨的功率級(曲線100-1)。對於負載電流要求大於閾值Iset1但小於第二相位電流閾值Iset2來說，要啟動兩個功率級(曲線100-2)。對於負載電流要求大於閾值Iset2來說，要啟動三個功率級(曲線100-3)。在傳統的體系中，相位電流閾值Iset1和Iset2是固定的，不能改變。
第4圖表示依據本發明的實施例，在一個多相位開關穩壓器中的動態相位管理運作。參見第4圖，依據本發明的實施例，多相位控制器利用可調節的相位電流閾值，配置動態相位管理。因此，控制器帶有初始的相位電流閾值Iset1和Iset2。然而，可以根據功率效率評估，修正相位電流閾值。在本例中，第一個相位電流閾值從Iset1的初始值修正為閾值I1，第二個相位電流閾值從Iset2的初始值修正為閾值I2。修正後的相位電流閾值仍然在各自的最大電流極限Imax(1相位)或Imax(2相位)之內。因此，低於負載電流要求小於閾值I1時，僅啟動一個單獨的功率級(曲線110-1)。由於閾值I1大於閾值Iset1，對於較大範圍的負載電流要求來說，使用單獨的功率級。也就是說，對於負載電流大於初始閾值時，對於功率效率最佳化來說，可以使用單獨的功率級。
對於負載電流要求大於閾值I1但小於第二相位電流閾值I2來說，要啟動兩個功率級(曲線110-2)。與之類似，由於閾值I2大於閾值Iset2，對於較大範圍的負載電流要求和較高的負載電流值來說，要使用兩個功率級。也就是說，為了功率效率最佳化，對於負載電流大於初始閾值來說，要使用兩個功率級的組合。對於負載電流要求大於閾值I2來說，要啟動三個功率級(曲線110-3)。
在多相位開關穩壓器的整個運作時間內，本發明所述的控制器繼續評估工作點上多相位開關穩壓器的功率效率，可以持續更新相位電流閾值，以便最佳化能量的使用。
第5圖表示在一些實施例中，一種多相位開關穩壓器配置動態相位管理的功率效率最佳化方法的流程圖。參見第5圖，方法200從接收反饋電壓和參考電壓開始，產生一個差值信號，差值信號表示反饋電壓和參考電壓之間的差值(202)。然後，根據相位選擇信號，方法200啟動第一數量的功率級(204)。根據誤差信號，方法200產生控制信號，利用啟動的功率級產生調制輸出電壓(206)。方法200接收對應輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流(或負載電流)的信號(208)。方法200產生功率效率值，作為根據信號輸出功率與輸入功率的比值(210)。根據功率效率值，方法200確定第二數量的相位(212)。第二數量可以大於或小於第一數量。方法200產生相位選擇信號，根據功率效率值啟動第二數量的相位或功率級(214)。
在一些實施例中，根據功率效率值，方法200確定了要啟動的相位數量，將查找表儲存的相位電流閾值更新到要啟動的功率級數量。利用表示負載電流的感應電流信號，索引查找表，方法200產生相位選擇信號，以獲得要啟動的指定數量的功率級。
第6圖表示在可選實施例中，一種多相位開關穩壓器配置動態相位管理的功率效率最佳化方法的流程圖。參見第6圖，為了配置動態相位管理(252)，方法250從提供初始的相位電流閾值開始。然後，根據負載電流要求，方法250選擇要啟動的功率級數量(254)。利用所啟動的功率級的數量，方法250為工作點測量功率效率值(256)。功率效率值可以表示為輸出功率與輸入功率的比值。方法250啟動一個額外的功率級(258)。方法250利用啟動的功率級測量功率效率值(260)。也就是說，測量功率效率值對應於啟動的功率級，包括額外的功 率級。方法250確定多啟動了額外的功率級是否會提高功率效率(262)。如果功率效率沒有升高，方法250會不帶額外的功率級繼續運作(264)。方法250繼續確定由於負載電流要求的變化是否導致工作點發生改變(268)。如果工作點沒有發生改變，方法250在256處重複，使用啟動的功率級，測量該處的功率效率值。如果工作點發生了改變，方法250返回到254，根據負載電流的要求，選擇啟動的功率級的數量。
如果利用額外的功率級提高了功率效率(262)，那麼方法250會繼續使用額外的功率級運作(266)。方法250繼續確定由於負載電流要求的變化是否導致工作點發生改變(268)。如果工作點沒有發生變化，方法250在256處重複，利用啟動的功率級，測量該處的功率效率值。如果工作點發生了變化，方法250返回至254，根據負載電流要求，選擇一定數量的功率級。
在一些實施例中，根據功率效率值，方法250確定了要啟動的相位數量，將查找表儲存的相位電流閾值更新到要啟動的功率級數量。利用額外的功率級，方法250繼續運作，利用表示負載電流的感應電流信號，索引查找表，以獲得要啟動的功率級數量。
在第6圖所示的方法250中，啟動一個額外的功率級，以便評估功率效率值。在其他實施例中，可以減少一個被啟動的功率級數量，以便評估功率效率值。也就是說，停用一個功率級，以便評估功率效率值。
本發明可以有多種實施方式，包括一種進程；一種裝置；一種系統；一組器件；一個嵌入計算機可讀儲存介質的計算機程序產品；以及/或者一個處理器，例如一個硬碟處理器或一個處理器設備，用於執行儲存在由處理器上耦合的記憶體上的指令，以及/或者執行由處理器上耦合的記憶體提供的指令。在這種情況下，這些配置或本發明可以採用的任何其他形式，都可以稱為技術。一般來說，文中所述的程序中的步驟順序，可以在本發明的範圍內變化。 除非另有說明，為執行任務所配置的處理器或記憶體等元件，都可以作為一種通用元件配置，也就是在特定時間內，為了執行任務臨時配置，或者為了執行任務所製造的特定元件。文中所述的術語“處理器”是指一種或多種器件、電路和/或計算機程序指令等用於處理數據的處理核。
本文給出了本發明的一個或多個實施例及其附圖的詳細說明。雖然，本發明給出了這些實施例，但本發明的實施並不局限於任何實施例。本發明的範圍僅由申請專利範圍限定，本發明包括了多種較佳方案、修正案和等效方案。為了對本發明做全面理解，下文詳細說明了各種特定細節。這種細節僅用於解釋說明，本發明根據申請專利範圍就可以試試，無需這些特定細節中的部分細節或全部細節。為了簡便，技術領域中與本發明有關的已知技術材料不再贅述，以免本發明引起不必要的混淆。
上述詳細說明僅用於解釋說明本發明的典型實施例，不用於局限。本發明範圍內可能存在各種修正案和改動。本發明由所附的申請專利範圍限定。
19,24,53,55,57,58,59,65:節點
22:功率級
26:反饋節點
30:負載
50:開關穩壓器
52:多相位控制器
54:誤差放大器
56:回路運算器
60:交互界面
62:輸入功率邏輯電路
64:輸出功率邏輯電路
70:控制邏輯電路
80:記憶體
82:配置參數
84:查找表
Cout:輸出電容器
Data_in:輸入數據
DPM:動態相位管理
Ii:第二電流信號
Iin:輸入電流
ILoad:負載電流
Io:第一電流信號
Isens:感應電流
L1,L2,LN:輸出電感器
Pin:輸入功率信號
Pout:輸出功率信號
PWM1,PWM2,PWM-N:控制信號
Verr:誤差信號
Vfb:反饋電壓
Vi:第二電壓信號
Vin:輸入電壓
Vo:第一電壓信號
Vout:輸出電壓
Vref:參考電壓

Claims (10)

  1. 一種用於多相位開關穩壓器的控制器，該多相位開關穩壓器包括並聯的複數個功率級，接收一輸入電壓並在輸出端產生一調制輸出電壓用於驅動一負載，該控制器包括：一誤差放大器，用於接收一個表示該調制輸出電壓的一反饋電壓及一參考電壓，並且產生一個表示該反饋電壓和該參考電壓之間差值的一誤差信號；一回路運算器，用於根據該誤差信號產生複數個控制信號，每個該控制信號用於耦合驅動各自的該功率級，該功率級由該控制信號驅動，產生該調制輸出電壓，該調制輸出電壓的電壓值與該參考電壓有關；以及一動態相位管理控制電路，接收表示流經該負載的一第一電流信號、表示該調制輸出電壓的一第一電壓信號、表示供給該功率級電流的一第二電流信號，以及表示該輸入電壓的一第二電壓信號，並且根據該第一電流信號、該第一電壓信號、該第二電流信號和該第二電壓信號產生功率效率值，該動態相位管理控制電路配置為根據該第一電流信號和功率效率值，產生相位選擇信號，表示要啟動第一數量的該功率級，相位選擇信號提供給該回路運算器，以啟動第一數量的該功率級；其中該動態相位管理控制電路根據該第一電流信號產生相位選擇信號，選擇初始數量的該功率級去啟動，以及根據功率效率值產生相位選擇信號，選擇第一數量的功率級去啟動，該功率級的第一數量大於或小於初始數量。
  2. 如請求項1所述的控制器，其中該動態相位管理控制電路配 置為產生功率效率值，作為輸出功率和輸入功率的比值，輸出功率與該第一電壓信號和該第一電流信號有關，輸入功率與該第二電壓信號和該第二電流信號有關。
  3. 如請求項1所述的控制器，其中對於該第一電流信號的一個給定值，該動態相位管理控制電路產生相位選擇信號以選擇第一數量的該功率級，以使該第一電流信號的給定值在所選第一數量的該功率級的最大的電流極限範圍內。
  4. 如請求項1所述的控制器，其中該動態相位管理控制電路包括一微處理器用於評估功率效率值，進一步包括一記憶體用於儲存一查找表，該查找表將一相位電流閾值映射到要啟動的該功率級數量，該微處理器與該記憶體交互，根據功率效率值，修正該查找表中的一相位電流閾值，以便對於該第一電流信號的指定範圍，最佳化一多相位開關穩壓器的功率效率。
  5. 如請求項1所述的控制器，其中該動態相位管理控制電路包括一狀態機器用於評估功率效率值，進一步包括一記憶體用於儲存一查找表，該查找表將一相位電流閾值映射為要啟動的功率級數量，該狀態機器與該記憶體交互，根據功率效率值，修正查找表中的該相位電流閾值，以便對於該第一電流信號的指定範圍，最佳化該多相位開關穩壓器的功率效率。
  6. 一種用於多相位開關穩壓控制器的方法，其中一多相位開關穩壓器包括並聯的複數個功率級，以便接收一輸入電壓，在輸出端產生一調制輸出電壓，用於驅動一負載，該方法包括：接收一個表示該調制輸出電壓的一反饋電壓和一參考電壓； 產生一誤差信號，表示該反饋電壓和該參考電壓之間的差值；至少根據該誤差信號，產生複數個控制信號，耦合每個該控制信號，驅動各自的該功率級，該功率級由該控制信號驅動，產生具有與參考電壓有關的電壓值的調制輸出電壓；接收表示流經一負載電流的一第一電流信號、表示該調制輸出電壓的一第一電壓信號、表示供給該功率級的電流的一第二電流信號、表示輸入電壓的一第二電壓信號；根據該第一電流信號、該第一電壓信號、該第二電流信號和該第二電壓信號，產生一個功率效率值；根據該第一電流信號和功率效率值，產生表示要啟動的第一數量的該功率級的相位選擇信號；根據相位選擇信號，啟動第一數量的該功率級；利用啟動的該功率級，根據該反饋電壓和該參考電壓，產生該調制輸出電壓；根據該第一電流信號，產生相位選擇信號，選擇初始數量的該功率級去啟動；對於初始數量的啟動該功率級來說，測量第一功率效率值；產生相位選擇信號，選擇一個額外的該功率級去啟動；對於初始數量加上一個額外的啟動該功率級來說，測量第二功率效率值；根據第二功率效率小於第一功率效率，產生相位選擇信號， 選擇初始數量的該功率級去啟動；並且根據第二功率效率大於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量加上一個額外的該功率級去啟動。
  7. 一種用於多相位開關穩壓控制器的方法，其中一多相位開關穩壓器包括並聯的複數個功率級，以便接收一輸入電壓，在輸出端產生一調制輸出電壓，用於驅動一負載，該方法包括：接收一個表示該調制輸出電壓的一反饋電壓和一參考電壓；產生一誤差信號，表示該反饋電壓和該參考電壓之間的差值；至少根據該誤差信號，產生複數個控制信號，耦合每個該控制信號，驅動各自的該功率級，該功率級由該控制信號驅動，產生具有與參考電壓有關的電壓值的調制輸出電壓；接收表示流經一負載電流的一第一電流信號、表示該調制輸出電壓的一第一電壓信號、表示供給該功率級的電流的一第二電流信號、表示輸入電壓的一第二電壓信號；根據該第一電流信號、該第一電壓信號、該第二電流信號和該第二電壓信號，產生一個功率效率值；根據該第一電流信號和功率效率值，產生表示要啟動的第一數量的該功率級的相位選擇信號；根據相位選擇信號，啟動第一數量的該功率級；利用啟動的該功率級，根據該反饋電壓和該參考電壓，產生該調制輸出電壓； 根據該第一電流信號，產生相位選擇信號，選擇初始數量的該功率級去啟動；對於初始數量的啟動該功率級來說，測量第一功率效率值；產生相位選擇信號，選擇減少一個該功率級去啟動；對於初始數量減一的啟動該功率級來說，測量第二功率效率值；根據第二功率效率小於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量的該功率級去啟動；並且根據第二功率效率大於第一功率效率，產生相位選擇信號，選擇初始數量減一個的該功率級去啟動。
  8. 如請求項6或7所述的方法，其中產生一個功率效率值包括：利用微處理器產生功率效率值。
  9. 如請求項6或7所述的方法，其中產生一個功率效率值包括：利用狀態機器，產生功率效率值。
  10. 如請求項6或7所述的方法，其中產生相位選擇信號包括：藉由記憶體儲存一查找表，該查找表將一相位電流閾值映射到要啟動的該功率級數量；根據功率效率值，修正該查找表中的該相位電流閾值，對於該第一電流信號的指定範圍，最佳化該多相位開關穩壓器的功率效率；以及利用該第一電流信號，索引該查找表，以獲得作為相位選擇信 號要啟動的該功率級的數量。
TW109106745A 2019-03-13 2020-03-02 開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法 TWI802785B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/352,129 US10778101B1 (en) 2019-03-13 2019-03-13 Switching regulator controller configuration parameter optimization
US16/352,129 2019-03-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202103424A TW202103424A (zh) 2021-01-16
TWI802785B true TWI802785B (zh) 2023-05-21

Family

ID=72423049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109106745A TWI802785B (zh) 2019-03-13 2020-03-02 開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10778101B1 (zh)
CN (1) CN111694392B (zh)
TW (1) TWI802785B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102611984B1 (ko) * 2018-10-10 2023-12-08 삼성전자주식회사 인터리빙 회로를 포함하는 다상 스위칭 레귤레이터 및 이의 스위칭 레귤레이팅 방법
CN110224592B (zh) * 2019-06-13 2021-08-13 南京矽力微电子技术有限公司 多相临界导通功率变换器及其控制方法
US11086378B1 (en) * 2020-02-07 2021-08-10 Apple Inc. Reconfigurable multi-phase power converter
US11881774B2 (en) * 2021-03-12 2024-01-23 Texas Instruments Incorporated Switching converter control loop and dynamic reference voltage adjustment
US20230198376A1 (en) * 2021-12-20 2023-06-22 Psemi Corporation Power Converter with Adaptative Stages and Gate Driver

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101308390A (zh) * 2007-05-04 2008-11-19 英特赛尔美国股份有限公司 使相位中断平滑的脉冲增加系统
CN101753024A (zh) * 2008-08-05 2010-06-23 英特赛尔美国股份有限公司 用于改进调压器的瞬态响应的pwm时钟发生系统和方法
CN102214995A (zh) * 2010-04-01 2011-10-12 英特赛尔美国股份有限公司 用于多相调压器的间歇二极管制动的系统和方法
TWM419967U (en) * 2011-07-19 2012-01-01 Richtek Technology Corp Multi-phase switching regulator and droop circuit therefor
CN105723601A (zh) * 2013-10-15 2016-06-29 微电子中心德累斯顿有限公司 具有效率计算的功率变换器
US20180337599A1 (en) * 2017-05-16 2018-11-22 Semiconductor Components Industries, Llc Control for switching voltage regualtors and power converters

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6362608B1 (en) * 2001-02-01 2002-03-26 Maxim Integrated Products, Inc. Multi-phase switching converters and methods
TW200908526A (en) * 2007-08-09 2009-02-16 Ind Tech Res Inst DC-DC converter
US8330438B2 (en) * 2007-08-30 2012-12-11 International Rectifier Corporation Method and apparatus for equalizing phase currents in multiphase switching power converters
US7626372B2 (en) * 2007-10-04 2009-12-01 System General Corporation Control circuit for multi-phase, multi-channels PFC converter with variable switching frequency
TWI415374B (zh) * 2009-03-05 2013-11-11 Richtek Technology Corp 多相電源供應電路與其控制電路及方法
US20110241746A1 (en) * 2010-03-30 2011-10-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Low power small area static phase interpolator with good linearity
US20130151877A1 (en) * 2010-10-19 2013-06-13 Rachid M. Kadri Systems and methods for predictive control of power efficiency
US9401637B2 (en) * 2013-03-13 2016-07-26 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Switching regulator with adaptive PWM/PFM modulator
US9923467B2 (en) * 2013-04-02 2018-03-20 Green Solution Technology Co., Ltd. Multiphase converting controller
CN103296867B (zh) * 2013-06-28 2015-07-15 成都芯源系统有限公司 多相开关变换器及其控制器和控制方法
JP6357773B2 (ja) * 2013-12-27 2018-07-18 株式会社リコー Ｄｃ／ｄｃコンバータ、スイッチング電源装置及び電子機器
US10069421B2 (en) * 2015-02-05 2018-09-04 Infineon Technologies Austria Ag Multi-phase switching voltage regulator having asymmetric phase inductance
US10250122B2 (en) * 2017-01-05 2019-04-02 Semiconductor Components Industries, Llc Multi-phase control for pulse width modulation power converters
US10044257B1 (en) * 2017-02-03 2018-08-07 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus to provide adaptive electromagnetic interference control in a power converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101308390A (zh) * 2007-05-04 2008-11-19 英特赛尔美国股份有限公司 使相位中断平滑的脉冲增加系统
CN101753024A (zh) * 2008-08-05 2010-06-23 英特赛尔美国股份有限公司 用于改进调压器的瞬态响应的pwm时钟发生系统和方法
CN102214995A (zh) * 2010-04-01 2011-10-12 英特赛尔美国股份有限公司 用于多相调压器的间歇二极管制动的系统和方法
TWM419967U (en) * 2011-07-19 2012-01-01 Richtek Technology Corp Multi-phase switching regulator and droop circuit therefor
CN105723601A (zh) * 2013-10-15 2016-06-29 微电子中心德累斯顿有限公司 具有效率计算的功率变换器
US20180337599A1 (en) * 2017-05-16 2018-11-22 Semiconductor Components Industries, Llc Control for switching voltage regualtors and power converters

Also Published As

Publication number Publication date
TW202103424A (zh) 2021-01-16
CN111694392B (zh) 2022-08-16
US20200295658A1 (en) 2020-09-17
US10778101B1 (en) 2020-09-15
CN111694392A (zh) 2020-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI802785B (zh) 開關穩壓控制器及配置參數最佳化方法
CN105871208B (zh) 具有非对称相电感的多相开关电压调节器
US9537409B2 (en) Method of feedback commanding a monophase resonant converter, a related monophase resonant converter and a polyphase resonant converter
US8125805B1 (en) Switch-mode converter operating in a hybrid discontinuous conduction mode (DCM)/continuous conduction mode (CCM) that uses double or more pulses in a switching period
US7826237B2 (en) Method and system for efficient power control with multiple modes
US7482793B2 (en) Ripple generation in buck regulator using fixed on-time control to enable the use of output capacitor having any ESR
KR101176179B1 (ko) 전압 변환 모드 제어 장치 및 그 제어 방법
EP1213822B1 (en) Frequency limitation and overload detection in a voltage regulator
US9787091B2 (en) Systems and methods for controlling a power conversion system
US9490719B2 (en) System and method for a power converter
US9236804B2 (en) Regulated controller with self-adjusting output set-point control
US8193790B2 (en) Switching power converter and controller
US20070236192A1 (en) Adaptive DC to DC Converter System
CN104919689A (zh) 基于可调参考电压调节输出电压的控制电路和方法
US11038423B2 (en) Frequency control circuit, control method and switching converter
JP7425792B2 (ja) 出力電圧範囲が広い絶縁型コンバータのためのバイアス電力レギュレータ回路
TWI694666B (zh) 轉換器及其驅動及控制方法
TWI761777B (zh) 開關穩壓控制器動態輸出電壓調整裝置和方法
US8456147B2 (en) User-configurable, efficiency-optimizing, calibrated sensorless power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
EP3471256A1 (en) Dynamic switching frequency control in multiphase voltage regulators
US20130241660A1 (en) Buck Up Power Converter
WO2007120604A2 (en) Adaptive dc to dc converter system
WO2020146970A1 (en) Power converter with multi-mode timing control
US20190393771A1 (en) Voltage controlled current input and transimpedance regulator
US20070236195A1 (en) Adaptive DC to DC converter system