開關模式功率變換器中的動態電壓轉換控制的制作方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及開關模式功率變換器，具體地涉及開關模式功率變換器中的動態電壓轉換的控制。
【背景技術】
[0002]開關電壓調節器由于其高效率和由這樣的變換器消耗的少量的面積/體積而廣泛地用在用于各種應用的現代電子系統中，諸如計算(服務器和手機)和P0L(載荷點系統)。被廣泛接受的開關電壓調節器拓撲包括降壓、升壓、降壓-升壓、前向、后向、半橋、全橋和SEPIC拓撲。多相降壓變換器特別適合用于在低電壓情況下提供高性能集成電路(諸如微處理器、圖形處理器和網絡處理器)所需要的高電流。降壓變換器使用有源部件(諸如脈沖寬度調制(PWM)控制器1C(集成電路)、驅動器電路、包括功率M0SFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)的一個或多個相位)以及無源部件(諸如電感器、變壓器或耦合的電感器、電容器、和電阻器)來實現。多個相位(功率級)可以通過相應的電感器并聯到負載以滿足高輸出電流要求。
[0003]很多電子系統(諸如微處理器)需要電源以更高效地操作以便避免高負載時的熱過載以及增加特別是便攜式系統中的電池壽命。高級的實時嵌入式系統(包括電池操作的便攜式系統(諸如膝上電腦、手機等)和非便攜式系統(諸如服務器、臺式電腦等))通常包括一個或多個微處理器，其中在系統水平，其可以通過改變微處理器的頻率和電壓水平(即所謂的動態電壓縮放)來降低能耗。動態電壓縮放通過在運行時取決于在微處理器上運行的應用的需求改變處理器速度和電壓來降低能耗。已經示出，處理器功耗以凸形方式隨著頻率而增加，因此動態電壓縮放幫助顯著降低處理器的動態能耗。這一技術通常還被稱為動態電壓轉換。由于開關模式功率變換器中的動態電壓轉換的重要性，不斷需要新的控制技術，其改變電壓轉換響應，電壓轉換響應的變化進而導致開關模式功率變換器的更多功率節省和總體效效率。

【發明內容】

[0004]根據電壓調節器控制器的一種實施例，電壓調節器控制器包括:主補償器和電壓斜坡電路。主補償器可操作以控制電壓調節器使得由電壓調節器輸出的電壓對應于針對電壓調節器控制器的目標電壓。電壓斜坡電路包括:可操作以輸出在第一電壓處開始并且在第二電壓處結束的電壓斜坡的電壓斜坡生成器；以及響應于電壓斜坡生成器并且可操作以基于一個或多個補償參數來修改電壓調節器的輸出電壓響應的動態電壓轉換補償電路。
[0005]根據開關模式功率變換器的一個實施例，開關模式功率變換器包括:可操作以向負載輸出電壓的功率級；可操作以控制所述功率級的切換使得由所述功率級輸出的電壓對應于針對所述開關模式功率變換器的目標電壓的主補償器；以及包括電壓斜坡生成器和動態電壓轉換補償電路的電壓斜坡電路。電壓斜坡生成器可操作以生成在對應于目標電壓的第一電壓處開始并且在對應于新的目標電壓的第二電壓處結束的電壓斜坡。動態電壓轉換補償電路響應于電壓斜坡生成器并且可操作以基于一個或多個補償參數來修改開關模式功率變換器的輸出電壓響應。
[0006]根據開關模式功率變換器的另一實施例，開關模式功率變換器包括:可操作以向負載輸出電壓的功率級；可操作以控制功率級的切換使得由功率級輸出的電壓對應于針對開關模式功率變換器的目標電壓的主補償器；以及可操作以控制從目標電壓到新的目標電壓的動態電壓轉換的轉換速率的斜坡生成器。開關模式功率變換器還包括可操作以改寫主補償器并且改變主補償器的動態電壓轉換響應的輔補償器。
[0007]本領域技術人員在閱讀以下詳細描述和在查看附圖時將認識到另外的特征和優點。
【附圖說明】
[0008]附圖的元素并非必須相對于彼此按比例。相似的附圖標記表示對應的相似的部分。可以組合各種圖示實施例的特征，除非它們彼此排除。實施例在附圖中描繪并且在下面的描述中詳述。
[0009]圖1圖示從第一電壓(VI)到第二電壓(V2)的動態電壓轉換波形的曲線圖。
[0010]圖2圖不包括動態電壓轉換補償電路的開關模式功率變換器的一個實施例的框圖。
[0011]圖3圖示包括動態電壓轉換補償電路的開關模式功率變換器的另一實施例的框圖。
[0012]圖4圖不包括動態電壓轉換補償電路的開關模式功率變換器的又一實施例的框圖。
[0013]圖5圖不包括動態電壓轉換補償電路的開關模式功率變換器的再一實施例的框圖。
[0014]圖6圖不包括動態電壓轉換補償電路的開關模式功率變換器的一個實施例的框圖。
[0015]圖7圖示動態電壓轉換補償電路的一個實施例的框圖。
[0016]圖8圖示由動態電壓轉換補償電路做出的轉換速率修改的實施例。
[0017]圖9包括圖9A和9B，圖示斜坡類型動態電壓轉換所需要的理想電感器和電容器電流(圖9A)以及用于完成任何類型的動態電壓轉換的凈電荷(圖9B)。
[0018]圖10圖示說明電感器電流極限的開關模式功率變換器的輸出電壓的動態電壓轉換的曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1圖示由開關模式功率變換器實現的從第一電壓(VI)到第二電壓(V2)的示例性動態電壓轉換。動態電壓轉換通常涉及響應于負載需求的變化而在運行時調節負載電壓。很多電子系統(諸如微處理器)要求在所指定的窗口( ‘DVT響應窗口’)內完成動態電壓轉換(DVT)。DVT窗口的大小由DVT參數(諸如電壓過沖(Vos)、允差帶(Τ0Β)、轉換時間(Tf+Tr)和穩定時間(Ts))來定義。在許多應用中，期望減小DVT窗口的大小。本文中所描述的實施例優化由開關模式功率變換器實現的動態電壓轉換(即盡可能使其最佳、有效或起作用)以提供高性能的響應。例如，可以通過減小斜坡遲滯和延遲來使到達新的目標電壓V2的時間最小化，并且通過使到達新的目標的響應最優化，可以在到達先前的目標之前使多個搶先的轉換響應到新的目標電壓被給定的位置。還可以提供過沖和/或下沖控制。例如，允許過沖，但其需要一些電壓和時間約束。可以不允許下沖，但是建立拖尾可能是可接受的。可以將波形響應的振蕩最小化。還可以通過例如提供過電壓和/或欠電壓保護、遵循正的和負的電流極限、減小來自輸入和輸出的系統噪聲dV/dt和dl/dt等來維持電壓和電流約束。
[0020]圖2圖示用于調節負載102的開關模式功率變換器100的一種實施例。負載102在圖2中示意性地圖示，并且可以是高性能集成電路(諸如微處理器、圖形處理器、網絡處理器等)或者需要電壓調節的其他類型的集成電路(諸如P0L(載荷點))。開關模式功率變換器100包括用于向負載102輸出電壓的功率級104、用于控制功率級104的開關使得由功率級104輸出的電壓對應于針對開關模式功率變換器100的目標電壓(VID)的主補償器106、以及用于修改或重載主補償器106的動態電壓轉換行為的電壓斜坡電路108。電壓斜坡電路108包括電壓斜坡生成器110和動態電壓轉換補償電路112。
[0021]電壓斜坡生成器110可操作以生成在對應于目標電壓的第一電壓(例如圖1中的VI)處開始并且在對應于新的目標電壓的第二電壓(例如圖1中的V2)處結束的電壓斜坡。電壓斜坡生成器110在微處理器的情況下從例如負載102接收電壓標識信息(VID)，其指示開關模式功率變換器應當向其調節的目標電壓。目標電壓可以基于例如負載情況來不時地變化。由電壓斜坡生成器110生成的電壓斜坡在從一個目標電壓向不同的目標電壓變化期間具有動態電壓轉換。
[0022]動態電壓轉換補償電路112響應于電壓斜坡生成器110并且基于一個或多個補償參數來修改電壓斜坡。補償參數可以是與開關模式功率變換器100的操作相關聯并且影響由電壓斜坡生成器110生成的電壓斜坡的任何系統參數。例如，諸如最大電感器電流(IUMax)、感測電流(Isen)、輸出電容(C)、功率級相位的數目等的補償參數可以影響電壓斜坡。動態電壓轉換補償電路112可以基于這樣的補償參數來修改開關模式功率變