TWI825515B - 數位低壓差穩壓器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種數位低壓差穩壓器及其方法。該數位低壓差穩壓器可包含一電源開關電路、一誤差偵測器以及一控制電路，其中該控制電路耦接至該電源開關電路以及該誤差偵測器。該電源開關電路可用來接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制。該誤差偵測器可用來依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼。該控制電路可用來依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓。

Description

數位低壓差穩壓器及其控制方法
本發明是關於電壓控制，尤指一種數位低壓差穩壓器(digital low-dropout regulator,DLDO)及其控制方法。
當中央處理單元(central processing unit,CPU)運作在忙碌狀態時，會從電源供應器汲取較大量的電流；相對的，當中央處理單元運作在閒置狀態時，電源供應器提供的電流則會減少。為了讓整體系統能穩定的運作，中央處理單元內部典型地會設置一迴路系統以因應電流的供應量來動態地調整某些電路配置。在相關技術中，上述電路配置的調整量是基於一固定的補償增益來進行。然而，補償增益的設定需要在系統的穩定性與速度之間作取捨。例如，較大的補償增益較容易造成系統的震盪，而較小的補償增益則會使電路配置追蹤電流負載變化的速度較慢。
因此，需要一種新穎的架構以及相關控制方法，以在沒有副作用或較不會帶來副作用的情況下兼顧系統穩定性以及追蹤速度，並且提升整體效能。
本發明之一目的在於提供一種數位低壓差穩壓器(digital low-dropout regulator,DLDO)及其控制方法，以因應各種負載的運作狀況提供相對應的補償增益，藉此兼顧系統穩定性與追蹤速度。
本發明至少一實施例提供一種數位低壓差穩壓器。該數位低壓差穩 壓器可包含一電源開關電路、一誤差偵測器以及一控制電路，其中該控制電路耦接至該電源開關電路以及該誤差偵測器。該電源開關電路可用來接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制。該誤差偵測器可用來依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼。該控制電路可用來依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓。
本發明至少一實施例提供一種數位低壓差穩壓器的控制方法。該控制方法可包含：利用該數位低壓差穩壓器的一電源開關電路接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制；利用該數位低壓差穩壓器的一誤差偵測器依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼；以及利用該數位低壓差穩壓器的一控制電路依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓。
本發明的數位低壓差穩壓器及其控制方法能依據該開關控制碼以及該誤差碼決定該補償量。由於該開關控制碼可隨著供應電流的改變而改變，因此本發明的等效補償增益可因應不同的供應電流而變化，從而兼顧系統穩定性以及追蹤速度。此外，本發明的實施例不會大幅地增加額外成本。因此，本發明能在沒有副作用或較不會帶來副作用的情況下兼顧系統穩定性以及追蹤速度，從而提升整體效能。
10:數位低壓差穩壓器
110:電源開關電路
120:誤差偵測器
121:類比數位轉換器
122:誤差處理電路
130:PID控制器
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
DOUT:輸出電壓碼
DERR:誤差碼
DCODE:開關控制碼
ILOAD:負載電流
LLOAD:電感
CLOAD:電容
131:比例部分運算單元
132:積分部分運算單元
133:微分部分運算單元
134,135:加法器
136,137:正反器
200:補償估計電路
210:累加器
220:移位器
ILOAD,0:電流值
△I:電流變化
VOUT,0,VOUT,0’,VOUT,1:電壓位準
S510~S530:步驟
第1圖為依據本發明一實施例之一數位低壓差穩壓器的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例之一比例-積分-微分控制器的某些細節。
第3圖為依據本發明一實施例之負載電流改變時輸出電壓的變化。
第4圖為依據本發明一實施例之補償估計電路200的某些細節。
第5圖為依據本發明一實施例之一種數位低壓差穩壓器的控制方法的工作流程。
第1圖為依據本發明一實施例之一數位低壓差穩壓器(digital low-dropout regulator,DLDO)10的示意圖，其中數位低壓差穩壓器10可自外部接收一輸入電壓VIN並且據以提供一輸出電壓VOUT給一電子裝置(例如中央處理單元)內的一或多個子電路作為供應電壓使用。在本實施例中，數位低壓差穩壓器10可包含一電源開關電路110、一誤差偵測器120以及一控制電路諸如比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative，簡稱PID)控制器130，其中PID控制器130耦接至電源開關電路110以及誤差偵測器120。在本實施例中，數位低壓差穩壓器10的輸出負載的等效電路可包含電感LLOAD、電容CLOAD等元件，但本發明不限於此。電源開關電路110可用來接收輸入電壓VIN以產生輸出電壓VOUT，其中輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間的電壓差△V是由一開關控制碼DCODE(例如)來控制。尤其，電源開關電路110可包含並聯的多個電流供應路徑，以及開關控制碼DCODE是用來控制該多個電流供應路徑中被致能的(enabled)電流供應路徑的數量(例如藉由12位元的開關控制碼DCODE<11：0>來控制4096個電流供應路徑中被致能的電流供應路徑的數量)。為便於理解，假設開關控制碼DCODE的十進位數值即表示該多個電流供應路徑中被致能的(enabled)電流供應路徑的數量。另外，該多個電流供應路徑中的每一者可視為由一電阻(例如訊號路徑上固有的電阻)以及一開關構成。假設每一電阻的電阻值均為R且流經電源開關電路110的負載電流為ILOAD，則耦接於輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間的等效電阻值REFF以及輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間的電壓差△V可分別表示如下：
Figure 110144121-A0305-02-0006-1
；以及
Figure 110144121-A0305-02-0006-2
 但本發明不限於此。
誤差偵測器120可用來依據輸出電壓VOUT與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼DERR。在本實施例中，誤差偵測器120可包含一類比數位轉換器121以及一誤差處理電路122。類比數位轉換器121可用來將輸出電壓VOUT轉換為一輸出電壓碼DOUT(例如將類比的輸出電壓VOUT轉換為數位的輸出電壓碼DOUT)，而誤差處理電路122可用來計算輸出電壓碼DOUT與一目標電壓碼之間的差值以作為誤差碼DERR，其中該目標電壓碼對應於該目標電壓(例如該目標電壓可被轉換為該目標電壓之數位化的數值以作為該目標電壓碼)。在本實施例中，類比數位轉換器121可視為一快速速度感測(fast speed sensor，簡稱FSS)類比數位轉換器。例如，當類比數位轉換器121偵測到輸出電壓VOUT往下掉(其造成某些子電路操作速度變慢)，可得知此時該電子裝置(例如中央處理單元)是操作在忙碌狀態，因此會需要增加被致能的電流供應路徑以供應足夠的電流；相對的，當類比數位轉換器121偵測到輸出電壓VOUT往上升(其造成某些子電路操作速度變快)，可得知此時該電子裝置(例如中央處理單元)是操作在閒置狀態，因此可減少被致能的電流供應路徑。
PID控制器130可用來至少依據誤差碼DERR產生開關控制碼DCODE，尤其，依據開關控制碼DCODE以及誤差碼DERR決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使輸出電壓VOUT逼近該目標電壓。第2圖為依據本發明一實施例之PID控制器130的某些細節，其中PID控制器130可包含一比例部分運算單元131、一積分部分運算單元132、一微分部分運算單元133、加法器134和135、正反器136和137、以及補償估計電路200。在本實施例中，比例部分運算單元 131、積分部分運算單元132以及微分部分運算單元133可分別施加一比例增益Kp、一積分增益Ki以及一微分增益Kd至誤差碼DERR以供後續處理。詳細來說，積分部分運算單元132、加法器134以及正反器136可構成具有積分增益Ki的積分器以對誤差碼DERR進行積分運算。例如，加法器134可將誤差碼DERR乘上積分增益Ki所產生的相乘結果和正反器136的輸出(例如於一操作時脈的前一個週期所產生的先前累加結果)進行相加以產生一目前累加結果，並且正反器136於該操作時脈的下個週期輸出上述目前累加結果。另外，加法器135可將比例部分運算單元131的輸出、正反器136的輸出以及微分部分運算單元133的輸出進行相加以產生開關控制碼DCODE，並且透過正反器137將開關控制碼DCODE輸出至電源開關電路110。需注意的是，上述積分運算的功能在於消除穩態(steady state)誤差，其中積分增益Ki會是整體系統穩定與否的關鍵，而在積分增益Ki固定不變且補償估計電路200被除能(disabled)的情況下，積分增益Ki的設計會需要在系統的穩定度與針對目標電壓的追蹤速度之間取捨。為了兼顧系統穩定度與追蹤速度，本發明能藉助於補償估計電路200達到類似於隨著負載電流I LOAD 的大小變化而動態地調整積分增益Ki大小的效果。
為了便於理解，請參考第3圖。第3圖為依據本發明一實施例之負載電流ILOAD改變時輸出電壓VOUT的變化。假設在一開始負載電流ILOAD為ILOAD,0而輸出電壓VOUT的電壓位準為VOUT,0，此時DERR=0(表示輸出電壓VOUT與目標電壓之間的電壓差小於誤差偵測器120的解析度m)，且開關控制碼DCODE的數值為DCODE,0。當負載電流ILOAD突然增加了△I時(ILOAD=ILOAD,0+△I)，由於開關控制碼DCODE的數值尚未更新(維持在DCODE,0)，因此輸出電壓VOUT的電壓位準由VOUT,0改變為VOUT,0’如下：
Figure 110144121-A0305-02-0007-3
Figure 110144121-A0305-02-0008-4
 若將輸出電壓VOUT因為負載電流ILOAD改變所造成的壓降以E來表示，負載電流ILOAD的改變量△I與壓降E之間的關係可表示如下：
Figure 110144121-A0305-02-0008-5
 假設透過將開關控制碼DCODE的數值調整為DCODE,1可使得輸出電壓VOUT的電壓位準被補償至VOUT,1(使誤差碼DERR回到0)，輸出電壓VOUT的電壓位準VOUT,1在開關控制碼DCODE的數值為DCODE,1的情況下可表示如下：
Figure 110144121-A0305-02-0008-6
 假設輸入電壓VIN與該目標電壓之間的電壓差△V為VDIFF，則開關控制碼DCODE在補償前的數值DCODE,0與在補償後的數值DCODE,1之間的關係可表示如下：
Figure 110144121-A0305-02-0008-7
 由以上推導可知，本發明可透過針對積分運算進行補償來提升開關控制碼DCODE收斂至目標數值DCODE,1的速度，其中由於誤差偵測器120的解析度為m，因此壓降E=m×DERR，因此開關控制碼DCODE的補償量可表示如下：
Figure 110144121-A0305-02-0008-8
 由上可知，開關控制碼DCODE的補償量可依據開關控制碼DCODE補償前的數值DCODE,0、誤差碼DERR以及一預定係數K的乘積來計算得知。因此，如第2圖所示，PID控制器130可將加法器135的輸出(即開關控制碼DCODE)、誤差碼DERR以及預定係數K的乘積傳送至加法器134，以針對積分運算進行補償。
由於開關控制碼DCODE的補償量與開關控制碼DCODE當下的數值(例如DCODE,0)成正比，因此當該電子裝置運作在重載狀態時，DCODE,0較大，在此狀 況下若因為負載電流ILOAD出現變化造成輸出電壓VOUT的電壓位準偏離該目標電壓的電壓位準時，補償估計電路200可用較大的補償量來補償開關控制碼DCODE以加速補償開關控制碼DCODE收斂的速度。相對的，當該電子裝置運作在輕載狀態時，DCODE,0較小，在此狀況下若因為負載電流ILOAD出現變化造成輸出電壓VOUT的電壓位準偏離該目標電壓的電壓位準時，補償估計電路200可用較小的補償量來補償開關控制碼DCODE以避免收斂過程中發生振盪。因此，本發明的數位低壓差穩壓器10可兼顧系統穩定性與開關控制碼DCODE的追蹤速度，從而提升整體效能。
第4圖為依據本發明一實施例之補償估計電路200的某些細節。如第4圖所示，補償估計電路200可包含一累加器210，其中累加器210可依據誤差碼DERR來控制開關控制碼DCODE被累加的次數以得到DERR×DCODE。需注意的是，在實作上預定係數K並非必須完全等於m/VDIFF，尤其為了簡化用於計算K×DERR×DCODE的硬體，K可設為2N分之一，其中N為正整數。例如N可選用一合適的正整數使得2N分之一盡可能地接近m/VDIFF，其中K較佳為略小於m/VDIFF，並且開關控制碼DCODE可藉由多次的補償運作逐步逼近目標數值DCODE,1。舉例來說，假設m為20毫伏特(millivolt，簡稱mV)而VDIFF為100mV，則K可設為1/8(N=3)。由於預定係數K為2N分之一，因此在數位域中只要將一數值的各個位元向右平移N個位元(或者移除從最低有效位元開始的三個連續的位元)即可完成將該數值乘上2N分之一的運作。如第4圖所示，補償估計電路200可另包含一移位器220以用來將開關控制碼DCODE與誤差碼DERR的乘積(即累加器輸出的DERR×DCODE)平移N個位元以產生開關控制碼DCODE的補償量K×DERR×DCODE。在某些實施例中，移位器220可依據預定係數K將開關控制碼DCODE平移N個位元以產生開關控制碼DCODE與預定係數的乘積K×DCODE，接著累加器210可依據誤差碼DERR來控制K×DCODE被累加的次數以得到開關控制碼DCODE的補償量 K×DERR×DCODE。只要補償估計電路200能輸出開關控制碼DCODE的補償量K×DERR×DCODE，其內的累加器210以及移位器220的運作方式可予以變化。
第5圖為依據本發明一實施例之一種數位低壓差穩壓器(例如第1圖所示之數位低壓差穩壓器10)的控制方法的工作流程。需注意的是，第5圖所示之工作流程僅為了說明之目的，並非對本發明的限制。尤其，一或多個步驟可於第5圖所示之工作流程中被新增、刪除或修改。此外，只要不妨礙整體結果，這些步驟並非必須完全依照第5圖所示之順序執行。
在步驟S510中，該數位低壓差穩壓器可利用一電源開關電路接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制。
在步驟S520中，該數位低壓差穩壓器可利用一誤差偵測器依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼。
在步驟S530中，該數位低壓差穩壓器可利用一控制電路依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓。
總結來說，本發明的數位低壓差穩壓器及其控制方法能依據該開關控制碼以及該誤差碼決定該補償量。由於該開關控制碼可隨著供應電流的改變而改變，因此本發明的等效補償增益可因應不同的供應電流而變化，從而兼顧系統穩定性以及追蹤速度。此外，本發明的實施例不會大幅地增加額外成本。因此，本發明能在沒有副作用或較不會帶來副作用的情況下兼顧系統穩定性以及追蹤速度，從而提升整體效能。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:數位低壓差穩壓器
110:電源開關電路
120:誤差偵測器
121:類比數位轉換器
122:誤差處理電路
130:PID控制器
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
DOUT:輸出電壓碼
DERR:誤差碼
DCODE:開關控制碼
ILOAD:負載電流
LLOAD:電感
CLOAD:電容

Claims (8)

  1. 一種數位低壓差穩壓器(digital low-dropout regulator,DLDO)，包含：一電源開關電路，用來接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制；一誤差偵測器，用來依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼；以及一控制電路，耦接至該電源開關電路以及該誤差偵測器，用來依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓，其中該控制電路包含一補償估計電路，用來依據該開關控制碼、該誤差碼以及一預定係數的乘積計算該補償量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位低壓差穩壓器，其中該預定係數是2N分之一，以及N為正整數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之數位低壓差穩壓器，其中該補償估計電路包含一移位器，用來將該開關控制碼與該誤差碼的乘積平移N個位元以產生該補償量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之數位低壓差穩壓器，其中該電源開關電路包含並聯的多個電流供應路徑，以及該開關控制碼是用來控制該多個電流供應路徑中被致能的(enabled)電流供應路徑的數量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之數位低壓差穩壓器，其中該誤差偵測器包含：一類比數位轉換器，用來將該輸出電壓轉換為一輸出電壓碼；一誤差處理電路，用來計算該輸出電壓碼與一目標電壓碼之間的差值以作為該誤差碼，其中該目標電壓碼對應於該目標電壓。
  6. 一種數位低壓差穩壓器(digital low-dropout regulator,DLDO)的控制方法，包含：利用該數位低壓差穩壓器的一電源開關電路接收一輸入電壓以產生一輸出電壓，其中該輸入電壓與該輸出電壓之間的電壓差是由一開關控制碼來控制；利用該數位低壓差穩壓器的一誤差偵測器依據該輸出電壓與一目標電壓之間的誤差產生一誤差碼；以及利用該數位低壓差穩壓器的一控制電路依據該開關控制碼以及該誤差碼決定一補償量，並且依據該補償量更新該開關控制碼，以使該輸出電壓逼近該目標電壓；其中利用該數位低壓差穩壓器的該控制電路依據該開關控制碼以及該誤差碼決定該補償量包含：依據該開關控制碼、該誤差碼以及一預定係數的乘積計算該補償量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該預定係數是2N分之一，以及N為正整數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中依據該開關控制 碼、該誤差碼以及一預定係數的乘積計算該補償量包含：利用一移位器將該開關控制碼與該誤差碼的乘積平移N個位元以產生該補償量。
TW110144121A 2021-11-26 2021-11-26 數位低壓差穩壓器及其控制方法 TWI825515B (zh)

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