專利名稱：在低功率狀態(tài)期間多相開關(guān)電源的改善效率的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，尤其涉及多相開關(guān)電源(switching powersupply)。
一種該類型的特定電源電路為開關(guān)穩(wěn)定器(switching regulator)。開關(guān)穩(wěn)定器一般提供具有比未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入為低的電壓輸出，而同時提供具有比未經(jīng)調(diào)節(jié)的電源所輸入的電流為高的電流輸出。這可通過無源晶體管不斷地在飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)之間切換而完成。因為無源晶體管在飽和或非導(dǎo)電情況，均有非常低的功率耗散。因此開關(guān)穩(wěn)定器能夠高效地大幅調(diào)節(jié)電流。
使用開關(guān)穩(wěn)定器的一個公知缺點為“紋波效應(yīng)(ripple effct)”。紋波效應(yīng)指輸出電壓中周期性變化的紋波，該輸出電壓必須經(jīng)濾波以便產(chǎn)生真正的直流(DC)電流?？赏ㄟ^并聯(lián)連接多個開關(guān)穩(wěn)定器且操作使其彼此處于不同相位，從而減少或消除紋波效應(yīng)。這種配置稱之為多相開關(guān)穩(wěn)定器。多相開關(guān)穩(wěn)定器一般以高效率產(chǎn)生高電流輸出，而同時減少紋波。因此在需要有高水平的電流和效率時，普遍選擇將多相開關(guān)穩(wěn)定器用于電源電路。
許多微處理器配置為選擇性地運行于低功率操作狀態(tài)。在低功率狀態(tài)期間，微處理器可配置為降低某些功能塊(例如那些不活動的功能塊)的功率和/或降低其內(nèi)部時鐘頻率。降低微處理器某些部分的功率供應(yīng)和/或降低時鐘頻率會有利于減少功率消耗。當(dāng)微處理器回到正常運行狀態(tài)時，該微處理器即使用相對高的電流。
然而遺憾的是，當(dāng)微處理器運行于低功率狀態(tài)時，對應(yīng)所產(chǎn)生的總電流百分比，多相開關(guān)穩(wěn)定器就變得效率較低。這是因為開關(guān)穩(wěn)定器的晶體管繼續(xù)以等同于正常狀態(tài)運行期間的頻率切換。因為晶體管在相同頻率下切換，在低功率期間相關(guān)于切換的電容性損耗即與在正常運行狀態(tài)的電容性損耗相同。然而，因為在低功率狀態(tài)運行期間使用較少電流，對應(yīng)所產(chǎn)生的總電流百分比，切換就變得效率較低。因此，需要有一種改良的多相電源(multiphase poer supply)電路，其在低功率運行狀態(tài)期間可降低與切換相關(guān)的功率損耗。
多相電源的各個不同實施例有利于允許在正常狀態(tài)運行期間，有相對高的載流能力，而在低功率運行狀態(tài)期間，有最小損耗。通過在低功率運行狀態(tài)期間中止開關(guān)穩(wěn)定器某一子集的操作，可消除與所中止的開關(guān)穩(wěn)定器的晶體管相關(guān)的電容性切換損耗。因此，可改善電源的整體效率。
圖4為時序圖，顯示

圖1中選擇晶體管在低功率運行狀態(tài)期間的工作周期；以及圖5顯示多相電源的另一實施例。
附圖中以示例方式顯示了特定實施例，并在以下對其進行了詳細說明——盡管易于對本發(fā)明作各種形式的修改和替代。應(yīng)理解到，此處附圖和詳細說明并非意在將本發(fā)明限制為所述特定形式，而是相反，本發(fā)明將涵蓋所有落于所附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改、等效和替換。發(fā)明實施方案圖1顯示多相電源100的特定實施例。多相電源100包括多個同步開關(guān)穩(wěn)定器，其標(biāo)為110A、110B、110C和110D。同步開關(guān)穩(wěn)定器110A～D可分別地個別或整體地稱之為開關(guān)穩(wěn)定器110。耦合開關(guān)穩(wěn)定器110以向位于節(jié)點170的微處理器160提供電源。多相電源100更進一步包括相位控制電路150，該相位控制電路耦合到各開關(guān)穩(wěn)定器110。重要的是應(yīng)注意到，不同的實施例可包括多于或少于4個開關(guān)穩(wěn)定器。
在所述實施例中，各開關(guān)穩(wěn)定器110包括一對耦合于電源端子Vcc和接地之間的晶體管(例如，晶體管101和102，晶體管111和112等)。各開關(guān)穩(wěn)定器110更進一步包括二極管(例如二極管103、113等)、電感器(例如電感器104、114等)和電容器(例如電容器105、115等)。應(yīng)注意，也可使用其它的特定電路配置以實現(xiàn)各開關(guān)穩(wěn)定器110。
配置相位控制電路150以使其產(chǎn)生多個控制信號，用以控制開關(guān)穩(wěn)定器110中的晶體管狀態(tài)，從而使開關(guān)穩(wěn)定器110彼此運行于不同相位。在特定實施例中，相位控制電路150可包括Semtech SC1144集成電路。下文中將更進一步詳細說明，相位控制電路150還包括其它電路，以便在低功率運行狀態(tài)期間選擇性地中止開關(guān)穩(wěn)定器110的一個子集的操作，從而使效率得以改善。
圖2～4顯示多相電源100的各種運行情況。圖2和圖3為時序圖，顯示在正常狀態(tài)運行期間與晶體管101、111、121和131工作周期相關(guān)的示例。圖4為時序圖，顯示在低功率運行狀態(tài)期間與晶體管101、111、121和131工作周期相關(guān)的示例。
同時參照圖1和圖2，相位控制電路150在不同相位運行期間分別觸發(fā)(即導(dǎo)通)晶體管101、111、121和131。在第一相位運行(“相位1”)期間，晶體管101導(dǎo)通而晶體管111、121和131截止。因為各開關(guān)穩(wěn)定器110實施為同步調(diào)節(jié)器，當(dāng)晶體管101導(dǎo)通時，晶體管102截止(響應(yīng)于來自相位控制電路150的對應(yīng)控制信號)。因此，在相位1期間，電流從Vcc流經(jīng)晶體管101和電感器104而使電容器105充電。同樣在相位1期間，晶體管111、121和131截止，而晶體管112、122、132導(dǎo)通。
在下一個相位運行期間(“相位2”)，相位控制電路150使晶體管101截止并使晶體管102導(dǎo)通。當(dāng)晶體管102導(dǎo)通和晶體管101截止時，因為流經(jīng)電感器104的電流不能突變，電流可繼續(xù)瞬時地流過電感器104，從而使電容器105充電。晶體管102提供該電流的回流路徑。
同樣在相位2期間，開關(guān)穩(wěn)定器110B的晶體管111導(dǎo)通而晶體管112截止。結(jié)果與前面所討論的相似，電流從Vcc流經(jīng)晶體管111而使電容器115充電。在相位3和4期間，開關(guān)穩(wěn)定器510C和510D的后續(xù)操作相似。
可進一步配置相位控制電路150，以便經(jīng)由反饋控制信號來監(jiān)視在節(jié)點170的輸出電壓Vout，并相應(yīng)調(diào)整晶體管101、111、121和131的工作周期，從而保持恒定的電壓電平。圖3顯示一種示例性情況，其中圖1所示晶體管101、111、121和131的工作周期，例如因微處理器160所獲取的電流減少，而隨之減少。若在節(jié)點170有減少的輸出電壓，即微處理器160所獲取的電流增加，則晶體管101、111、121和131的工作周期將相對于圖2的示例而隨之增加。
如上所述，微處理器160配置運行于低功率運行狀態(tài)。在此運行狀態(tài)期間，微處理器160需要較少電流。低功率運行狀態(tài)例如可以由功率管理單元(圖中未示)來控制，其在需要時檢測特定系統(tǒng)的不活動性。相位控制電路150配置成基于確認低功率狀態(tài)控制信號而選擇性地中止開關(guān)穩(wěn)定器110(例如開關(guān)穩(wěn)定器110B、110C、和110D)的一個子集的運行，該低功率狀態(tài)控制信號表示微處理器160目前運行于低功率狀態(tài)?？捎晒β使芾韱卧邮盏凸β薁顟B(tài)控制信號。如圖4所示，在此實施例中，相位控制電路150在低功率狀態(tài)期間通過取消(或相反，驅(qū)動或截止)提供給相關(guān)的切換晶體管111、112、121、122、131、和132的控制信號，從而中止開關(guān)穩(wěn)定器電路110B、110C、和110D的運行，從而使晶體管保持在截止?fàn)顟B(tài)。而在這一狀態(tài)時，開關(guān)穩(wěn)定器110A如前所述，以正常方式工作。
圖5顯示多相電源500的另一實施例。圖5中多相電源500與圖1中多相電源100的不同之處在于省略了晶體管102、112、122和132。因此，圖5中的開關(guān)穩(wěn)定器，例如510A、510B、510C、和510D，不是同步調(diào)節(jié)器。各開關(guān)穩(wěn)定器510的對應(yīng)二極管，即二極管503、513、523或533，提供了返回路徑，以便當(dāng)相關(guān)晶體管截止時讓電流流過，該相關(guān)晶體管即晶體管501、511、521或531。
多相電源的各不同實施例有利于使得在正常狀態(tài)運行期間有相對高的載流能力，而在低功率運行狀態(tài)期間有最小損耗。通過在低功率運行狀態(tài)期間中止開關(guān)穩(wěn)定器子集的操作，可消除與中止相關(guān)的開關(guān)穩(wěn)定器的晶體管電容性切換損耗。因此，可改善電源的整體效率。
值得注意的是，雖然在上述實施例中為每一電源中描繪出總共4個開關(guān)穩(wěn)定器，但在其它實施例中可設(shè)置其它數(shù)目的開關(guān)穩(wěn)定器。同樣，雖然在上述實施例中，當(dāng)?shù)凸β蔬\行狀態(tài)時除了其中一個開關(guān)穩(wěn)定器以外，所有其它的開關(guān)穩(wěn)定器均中止運行，但在其它實施例中，可使任何數(shù)目的開關(guān)穩(wěn)定器中止。
本領(lǐng)域技術(shù)人員一旦充分理解上述說明，即會認識到可對本發(fā)明作許多變動和修改。所附權(quán)利要求書范圍應(yīng)解釋為包含所有這類變動和修改。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可應(yīng)用于電源方面。
權(quán)利要求
1.一種電源，包括第一開關(guān)穩(wěn)定器電路(110A)；第二開關(guān)穩(wěn)定器電路(110B)；相位控制電路(150)，耦合連接于所述第一開關(guān)穩(wěn)定器電路和所述第二開關(guān)穩(wěn)定器電路，其中所述相位控制電路配置為產(chǎn)生多個切換控制信號，用以控制所述第一和第二開關(guān)穩(wěn)定器電路的切換；其特征在于所述相位控制電路配置為對于接收到低功率運行狀態(tài)的信號指示加以響應(yīng)，選擇性地中止所述第一和第二開關(guān)穩(wěn)定器電路的運行。
2.一種電源，包括第一開關(guān)穩(wěn)定器電路(110A)；第二開關(guān)穩(wěn)定器電路(110B)；第三開關(guān)穩(wěn)定器電路(110C)；第四開關(guān)穩(wěn)定器電路(110D)；相位控制電路(150)，耦合連接于所述第一開關(guān)穩(wěn)定器電路、所述第二開關(guān)穩(wěn)定器電路、所述第三開關(guān)穩(wěn)定器電路、和所述第四開關(guān)穩(wěn)定器電路，其中所述相位控制電路配置為產(chǎn)生多個切換控制信號，用以控制所述第一、第二、第三和第四開關(guān)穩(wěn)定器電路的切換；其特征在于所述相位控制電路配置成對于接收到低功率運行狀態(tài)的信號指示加以響應(yīng)，選擇性地中止所述第二、第三、和第四開關(guān)穩(wěn)定器電路的操作，以及其中各第一、第二、第三和第四開關(guān)穩(wěn)定器電路包括耦合連接于第一晶體管(101、111、121、131)和第二晶體管(102、112、122、132)的電感器(104、114、124、134)，其中所述第一晶體管耦接于導(dǎo)通時傳送由電源送來的電流至所述電感器，而其中所述第二晶體管耦接于導(dǎo)通時傳送由接地節(jié)點來的電流至所述電感器，以及其中所述相位控制電路配置成導(dǎo)通所述第一和第二晶體管而彼此有不同的相位。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電源，其中在所述低功率運行狀態(tài)期間，所述相位控制電路(150)通過取消對于所述第二開關(guān)穩(wěn)定器電路的多個信號中的至少一個信號，而選擇性地中止所述第二開關(guān)穩(wěn)定器電路(110B)的運行。
4.如以上權(quán)利要求中任一項所述的電源，其中每一所述第一和第二開關(guān)穩(wěn)定器電路包括第一晶體管(101、111)和第二晶體管(102、112)，其中所述相位控制電路通過所述控制信號而選擇性地觸發(fā)和截止所述第一和第二晶體管。
5.如以上權(quán)利要求中任一項所述的電源，其中所述相位控制電路(150)選擇性地啟動和中止所述第一和第二開關(guān)穩(wěn)定器電路，從而使所述第一和第二開關(guān)穩(wěn)定器電路彼此有不同的相位。
全文摘要
一種在低功率狀態(tài)期間使損耗減至最小的多相電源。在一個特定實施例中，多相電源可包括多個彼此并聯(lián)連接的開關(guān)穩(wěn)定器。該多相電源更進一步包括耦合連接于各開關(guān)穩(wěn)定器的相位控制電路。配置相位控制電路以產(chǎn)生多個控制信號，用以控制開關(guān)穩(wěn)定器的切換，從而使其彼此有不同的相位。在微處理器的低功率運行狀態(tài)期間，相位控制電路配置為通過取消或截止送開關(guān)穩(wěn)定器的一個子集的多個控制信號的至少其中之一，而選擇性地中止開關(guān)穩(wěn)定器的一個子集的運行。
文檔編號H02M3/155GK1451201SQ00819311
公開日2003年10月22日 申請日期2000年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月14日
發(fā)明者C·特雷斯勒, C·埃爾南德斯, M·陳 申請人:先進微裝置公司