專利名稱：具有提高的輕負載效率的開關(guān)調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種開關(guān)調(diào)節(jié)器，尤其是在輕負載狀態(tài)下高效的開關(guān)調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
諸如CPU (中央處理單元)、DSP (數(shù)字信號處理器)、和微處理器 之類的處理器，以及其它電子設(shè)備需要準確的電壓供給，其在受到快速瞬變時能夠供應(yīng)大量電流，并且能夠保持嚴格的電壓調(diào)節(jié)。多相、高頻降壓轉(zhuǎn)換器能夠為這樣的電子設(shè)備供應(yīng)高電流、高準確度的功率。功率供應(yīng)效率，即輸送到負載的輸出功率與由輸入電壓所供應(yīng)的輸入功率的比值，對于電源組件的能量效率和溫度管理這二者而言都是關(guān)鍵的性能參數(shù)。通常，系統(tǒng)既關(guān)注最大負載處的效率，也關(guān)注通常發(fā)生在最大負載的約20-50%處的最大效率。在輕負載狀態(tài)下，負載進入低活動狀態(tài)，并且電流降低到小于最大負載時的約5%。這種輕負載下的效率顯著低于最大效率，并且隨著負載電流的進一步減小而繼續(xù)降低。輕負載狀態(tài)下的效率逐漸成為更大的關(guān)注點，因為傳統(tǒng)系統(tǒng)不是針對輕負載狀態(tài)進行優(yōu)化的，并且使用模型表明大量計算資源大多數(shù)時間是閑置的。這對于服務(wù)器(其中數(shù)據(jù)中心的熱管理在操作成本中是關(guān)鍵考慮因素)以及臺式和筆記本計算機及便攜式電子設(shè)備(其中電池壽命和安靜操作受到高度重視)這二者而言都是有問題的。用于功率轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)控制器使用這樣的控制方案，其允許開關(guān)調(diào)節(jié)器從CCM(連續(xù)電流模式)無縫切換到DCM/PFM(非連續(xù)電流模式/脈沖頻率調(diào)制)操作。然而，由于支持高電流多相操作所需的大功率組件(如，驅(qū)動器和功率晶體管)和低值電感，開關(guān)調(diào)節(jié)器的輕負載效率受到限制。例如，多相高頻降壓轉(zhuǎn)換器適用于在最大負載狀態(tài)下給諸如處理器之類的電子設(shè)備供應(yīng)功率，但是如果保持多相CCM操作，則輕負載時的效率很差。如果使用減相來禁用(deactivate)除轉(zhuǎn)換器的單個相外的所有相，多相轉(zhuǎn)換器在輕負載狀態(tài)下能夠以提高的效率操作，并且該相在PFM(脈沖頻率調(diào)制)控制下以DCM操作。然而，即使使用單個相，在非常低的負載電流下的PFM的效率也變壞，這是因為功率級組件(如，驅(qū)動器和晶體管)通常很大，具有高寄生電容，并且電感太低，不足以支持電子設(shè)備的高電流和瞬變需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)此處描述的實施例，提供了輔助低功率相。該輔助相是針對輕負載操作而優(yōu)化，并被設(shè)計成使得開關(guān)調(diào)節(jié)器能夠從多相操作無縫切換到輕負載狀態(tài)下的輔助相活動的操作。在最大或瞬變負載狀態(tài)下，輔助相可以保持活動，或者可以被禁用。根據(jù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的一個實施例，調(diào)節(jié)器包括多相降壓轉(zhuǎn)換器，其具有多個主相，它們被配置為將電源電壓轉(zhuǎn)換成較低電壓以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備。該開關(guān)調(diào)節(jié)器還包括輔助相，其被配置成在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率。
根據(jù)電源電路的一個實施例，該電源電路包括多相轉(zhuǎn)換器、輔助相和控制器。該多相轉(zhuǎn)換器具有多個主相，它們耦合到第一電源電壓，并被配置為將第一電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓以施加于不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備。輔助相耦合到比第一電源電壓低的第二電源電壓，并被配置為在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率?？刂破骺刹僮饕钥刂贫嘞噢D(zhuǎn)換器和輔助相的操作，控制器和輔助相被集成在相同管芯(die)上，并被耦合到相同的電源電壓。根據(jù)操作開關(guān)調(diào)節(jié)器的方法的一個實施例，該方法包括控制多相轉(zhuǎn)換器的多個主相，以使得施加到多個主相的電源電壓被轉(zhuǎn)換成較低電壓，以施加到不同負載狀態(tài)下的 電子設(shè)備；以及，在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作輔助相，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率。在閱讀下面的詳細說明的基礎(chǔ)上，以及在參見附圖的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到其它的特征和優(yōu)勢。


附圖的元件不一定互相成比例繪制。相似的參考標(biāo)記指示相應(yīng)的類似部件。各種說明的實施例的特征可被結(jié)合，除非它們互相排斥。實施例被描述在附圖中并且被詳細描述在隨后的說明書中。圖I圖示了包括多相降壓轉(zhuǎn)換器和用于輕負載操作的輔助相的開關(guān)調(diào)節(jié)器的框圖；圖2圖示了與圖I的輔助相的操作相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)圖；圖3圖示了與圖I的輔助相的操作相關(guān)聯(lián)的輸出波形圖；圖4圖示了圖I的輔助相的框圖；圖5圖示了與圖I的開關(guān)調(diào)節(jié)器的操作相關(guān)聯(lián)的波形圖。
具體實施例方式圖I圖示了開關(guān)調(diào)節(jié)器100的實施例。開關(guān)調(diào)節(jié)器100包括控制器110，多相降壓轉(zhuǎn)換器120，和輔助低功率相130?？刂破?10控制多相轉(zhuǎn)換器120和輔助相130的操作。多相降壓轉(zhuǎn)換器120包括多個主相122、124、126，它們被配置為將輸入電壓Vdd2轉(zhuǎn)換成較低電壓，以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備。電子設(shè)備在圖I中示意地圖示為容性負載。為了易于說明，多相降壓轉(zhuǎn)換器120被示出為具有三個主相122，124，126，但是可以包括任何數(shù)量的主相。輔助相130以脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式進行操作，以將小量輸出電流輸送到輕負載狀態(tài)下的電子設(shè)備(例如輸出電流通常低于1A)，這樣做時增加開關(guān)調(diào)節(jié)器100在輕負載狀態(tài)下的輕負載效率。這樣，在輕負載狀態(tài)下，至少通過輔助相130向電子設(shè)備供應(yīng)功率。輔助低功率相130在任何調(diào)節(jié)模式，如PWM (脈沖寬度調(diào)制)，PFM，可變頻率，滯后，電壓模式，電流模式等與多相轉(zhuǎn)換器120的操作兼容。例如，輔助相130可與多相降壓轉(zhuǎn)換器120的一個或多個主相122，124，126的PWM(CCM)或PFM(DCM)操作并聯(lián)(獨立)操作。由于其PFM操作模式，輔助相130電流受限。由于高輸出電感LAP，高輸出電容和低輸出電流，輔助相130具有小紋波。由于輔助相130，開關(guān)調(diào)節(jié)器100在輕負載狀態(tài)下高效運行。開關(guān)調(diào)節(jié)器100具有兩個不同類型的功率級。第一類型的功率級包括與多相降壓轉(zhuǎn)換器120的相應(yīng)主相122，124，126相關(guān)聯(lián)的功率級123，125，127，其在相對高的電壓Vdd2，如9至21V下操作。每個降壓轉(zhuǎn)換器功率級123/125/127由在控制器100控制下的相應(yīng)驅(qū)動器級123/125/127驅(qū)動。因而通過將各柵極輸入信號GHn/GLn驅(qū)動到相應(yīng)的功率級，降壓轉(zhuǎn)換器功率級123，125，127能夠以任何CCM或DCM模式操作。第二類型的功率級包括與輔助低功率相130相關(guān)聯(lián)的功率級132。輔助相功率級132具有比主功率級123，125，127低的輸入電壓Vddl，如3. 3V至5V。輔助相功率級132使輕負載狀態(tài)下的功率損耗最小。在一個實施例中，輔助相功率級132包括耦合到較低電源電壓Vddl的高邊FET (場效應(yīng)晶體管)HSap,和耦合到地或其它低電位的低邊FET LSAP。包括在輔助相功率級132中的FET是較低電壓的FET，其比包括在與多相降壓轉(zhuǎn)換器120的主相122，124，126相關(guān)聯(lián)的功率級123，125，127中的較高電壓FET HSn/LSn占·用更小的物理區(qū)域。輔助相FET HSAP/LSAP&具有更高的品質(zhì)因數(shù)，具有低RDSon (漏源接通阻抗)，低Qg(柵電容)，以及低Qd(漏電容)，導(dǎo)致低導(dǎo)電性和開關(guān)損耗，以及更高的效率。此外，耦合到輔助相130的輸出的電感器Lap占用比耦合到主降壓轉(zhuǎn)換器相122，124，126的輸出的電感器Lsffn更少的物理區(qū)域，因為Lap具有顯著更小的飽和電流值，如，在IOX小的數(shù)量級。同樣，輔助相電感器Lap比主降壓轉(zhuǎn)換器相122，124，126的電感器LMPn具有更高的電感。例如，主相電感器LMPn可能在pH范圍中，而輔助相電感器Lap可能在nH范圍中。在一個實施例中，控制器110和輔助相功率級132被集成在相同管芯上，并被耦合到相同的電源電壓(如，Vddl)。根據(jù)這個實施例，控制器電源被用來產(chǎn)生更低的dl/dt，并允許在輔助相130的輸出處使用與主降壓轉(zhuǎn)換器相122，124，126的電感器Lsffn相比物理體積更小、更低值的電感器!^。在操作過程中，多相降壓轉(zhuǎn)換器120能夠以各種模式操作。在最大或瞬變負載狀態(tài)期間，多相轉(zhuǎn)換器120的所有主相122，124，126能夠以CCM模式操作，從而能夠通過控制相應(yīng)的柵極輸入GHn/GLn高效地輸送滿功率到電子設(shè)備。隨著負載功率的降低，主相能夠被相繼地禁用，或者與其他并行地被禁用，直到多相降壓轉(zhuǎn)換器120的僅單個主相是活動的，并以CCM模式操作，例如，圖I中所示的第三主相126。負載狀態(tài)的進一步降低能夠?qū)е驴刂破?10將單個活動主相126從CCM轉(zhuǎn)變到PFM模式(DCM)。在輕負載狀態(tài)期間，輔助相130也是活動的，并在PFM模式下輸送有限量的電流到負載。如果輔助相130能夠供應(yīng)總的輸出電流給負載，則多相降壓轉(zhuǎn)換器120的所有主相122，124，126能夠被禁用，以進一步提高開關(guān)調(diào)節(jié)器100的效率。用來激活/禁用多相降壓轉(zhuǎn)換器120的不同相和輔助相130的閾值可基于感測的負載電壓或電流。在每種情況下，輔助相130以PFM模式操作。圖2圖示了表示輔助低功率相130在PFM模式的不同操作狀態(tài)的狀態(tài)圖。PFM是一種用于通過調(diào)制開關(guān)脈沖輸出頻率同時保持脈沖寬度相對恒定來穩(wěn)定輸出電壓的控制方法，如圖3中所示。當(dāng)施加到負載的輸出電壓(或電流)降到低于預(yù)定義閾值電壓(或電流)時，為輔助相130發(fā)起新的PFM脈沖。在第一狀態(tài)200，對于每個新產(chǎn)生的PFM脈沖，輔助相130的高邊開關(guān)HSap首先被接通，并且低邊開關(guān)LSap在一時間段t (HS)內(nèi)仍然關(guān)斷。在第二狀態(tài)210，高邊開關(guān)HSap,被關(guān)斷，并且低邊開關(guān)LSap在第二時間段t (LS)內(nèi)被接通。在第三狀態(tài)220，開關(guān)HSap和LSap都被關(guān)斷，以使得輔助相130在第三時間段t (HiZ)內(nèi)進Λ HiZ阻抗輸出狀態(tài)。這種PFM控制導(dǎo)致輔助相電感器Lap中的電流從零斜線上升(ramp)到最大值(iMX)，然后回到零，并保持在零直到新的PFM脈沖產(chǎn)生。用于輔助相130的大輸出電容和低電感器電流(ILap)限制如圖3中所不的輸出電壓紋波。當(dāng)開關(guān)調(diào)節(jié)器100沒有將負載耦合到電源電壓(B卩，當(dāng)HS開關(guān)被關(guān)斷，且LS開關(guān)被接通)時，出現(xiàn)所謂的“死區(qū)”。當(dāng)PFM脈沖在輸出電壓(Vout)中導(dǎo)致高于用于產(chǎn)生新PFM脈沖的預(yù)定義閾值的紋波時，這樣的死區(qū)出現(xiàn)。隨后該紋波衰減到該閾值，然后其觸發(fā)新的PFM脈沖發(fā)生，即所謂的“谷控制”。輔助相130可被設(shè)計用于PFM模式中的最大峰值電流(iMX)和最大效率，以便限制輸出電壓紋波。在一個實施例中，在PFM脈沖之后，高邊開關(guān)HSap接通(且低邊開關(guān)LSap關(guān)斷)的時間量t (HS)由公式⑴給定
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)調(diào)節(jié)器，包括 多相降壓轉(zhuǎn)換器，其具有多個主相，被配置為將電源電壓轉(zhuǎn)換成較低電壓以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備；以及 輔助相，其被配置成在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相和多相降壓轉(zhuǎn)換器的多個主相包括場效應(yīng)晶體管，每個具有柵極驅(qū)動電壓和柵極電容，并且其中輔助相比多相降壓轉(zhuǎn)換器的多個主相具有更低的柵極驅(qū)動電壓和更低的柵極電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相和多相降壓轉(zhuǎn)換器的多個主相中的每個具有耦合到電感器的輸出，并且其中耦合到輔助相的輸出的電感器比耦合到主相的輸出的電感器具有更大的電感和更低的飽和電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，進一步包括控制器，其可操作以控制多相降壓轉(zhuǎn)換器和輔助相，其中控制器耦合到電源電壓，該電源電壓低于耦合到多相降壓轉(zhuǎn)換器的多個主相的電源電壓，并且輔助相與控制器耦合到相同的電源電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中控制器和輔助相集成在相同管芯上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中在輕負載狀態(tài)期間，多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相在連續(xù)電流模式或非連續(xù)電流模式下被激活，并且其他主相被禁用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相被配置為響應(yīng)于負載狀態(tài)的降低而從連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)變到非連續(xù)電流模式，并且輔助相保持以脈沖頻率調(diào)制模式操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相被配置為響應(yīng)于來自電子設(shè)備的指示輔助相將被禁用的命令而被禁用。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相被配置為響應(yīng)于負載狀態(tài)的增大而被禁用。
10.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相被配置為保持以脈沖頻率調(diào)制模式操作，而不管多相降壓轉(zhuǎn)換器有多少個主相被激活。
11.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中響應(yīng)于負載電流或負載電壓降到低于閾值，脈沖頻率調(diào)制脈沖被施加到輔助相。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中脈沖頻率調(diào)制脈沖在第一時間段內(nèi)接通，且在第二時間段內(nèi)關(guān)斷，以使得耦合到輔助相的輸出的電感器中的電流在第二時間段結(jié)束時達到零。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中響應(yīng)于負載電流或負載電壓降到低于閾值，脈沖頻率調(diào)制脈沖僅被施加到多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相，并且其中，脈沖頻率調(diào)制脈沖被施加到輔助相的閾值高于脈沖頻率調(diào)制脈沖被施加到多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相的閾值。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中輔助相包括高邊開關(guān)和低邊開關(guān)，并且其中兩個開關(guān)都被配置為在負載電流或負載電壓降到低于相應(yīng)的閾值后保持在高阻抗關(guān)斷狀態(tài)，直到在高邊開關(guān)被接通之前耦合到輔助相的輸出的電感器中的至少電流達到零。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中閾值是電壓閾值。
16.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)調(diào)節(jié)器，進一步包括監(jiān)視器，其可操作以確定處于脈沖頻率調(diào)制模式的輔助相的輸出在預(yù)定義間隔是否違反負載標(biāo)準，如果這樣，則產(chǎn)生信號以指示多相降壓轉(zhuǎn)換器的主相中的一個或多個之前被禁用的主相將被激活。
17.—種電源電路,包括 多相轉(zhuǎn)換器，其包括稱合到第一電源電壓的多個主相，并被配置為將第一電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備； 輔助相，其耦合到比第一電源電壓低的第二電源電壓，并被配置為在輕負載狀態(tài)期間操作，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率；以及 控制器，其可操作以控制多相轉(zhuǎn)換器和輔助相的操作，所述控制器和輔助相被集成在相同管芯上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電源電路，其中輔助相被配置為在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的電源電路，其中輔助相和控制器被耦合到相同的電源電壓。
20.一種操作開關(guān)調(diào)節(jié)器的方法，包括 控制多相轉(zhuǎn)換器的多個主相，以使得施加到多個主相的電源電壓被轉(zhuǎn)換成較低電壓以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備；以及 在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作輔助相，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，包括在輕負載狀態(tài)期間，以連續(xù)電流模式或非連續(xù)電流模式使能多相轉(zhuǎn)換器的單個主相，并且禁能其他主相。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括響應(yīng)于負載狀態(tài)的降低，將多相轉(zhuǎn)換器的單個主相從連續(xù)電流模式切換到非連續(xù)電流模式，同時將輔助相保持在脈沖頻率調(diào)制模式。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，包括響應(yīng)于來自電子設(shè)備的指示輔助相將被禁用的命令而禁能該輔助相。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，包括響應(yīng)于負載狀態(tài)的增大而禁能輔助相。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，包括將輔助相保持在脈沖頻率調(diào)制模式，而不管多相轉(zhuǎn)換器有多少個主相被激活。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的方法,包括響應(yīng)于負載電流或負載電壓降到低于閾值,而將脈沖頻率調(diào)制脈沖施加到輔助相。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,包括響應(yīng)于負載電流或負載電壓降到低于閾值,而將脈沖頻率調(diào)制脈沖僅施加到多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相，并且其中，脈沖頻率調(diào)制脈沖被施加到輔助相的閾值高于脈沖頻率調(diào)制脈沖被施加到多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個主相的閾值。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，包括在負載電流或負載電壓降到低于閾值后將輔助相的高邊開關(guān)和低邊開關(guān)保持在高阻抗關(guān)斷狀態(tài)，直到在高邊開關(guān)被接通之前耦合到輔助相的輸出的電感器中的至少電流達到零。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，進一步包括，確定處于脈沖頻率調(diào)制模式的輔助相的輸出在預(yù)定義的間隔是否違反負載標(biāo)準，如果這樣，則使能多相轉(zhuǎn)換器的主相中的一個或多個之前被禁用的主相。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有提高的輕負載效率的開關(guān)調(diào)節(jié)器。一種開關(guān)調(diào)節(jié)器，包括多相轉(zhuǎn)換器，其具有多個主相，它們被配置為將電源電壓轉(zhuǎn)換成較低電壓，以施加到不同負載狀態(tài)下的電子設(shè)備。該開關(guān)調(diào)節(jié)器還包括輔助相，其被配置成在輕負載狀態(tài)期間以脈沖頻率調(diào)制模式操作，以使得在輕負載狀態(tài)期間，至少通過該輔助相為電子設(shè)備供應(yīng)功率。
文檔編號H02M1/088GK102904424SQ20121033230
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者A·巴巴扎德, G·貝爾納基亞, K·A·奧斯特倫, B·唐 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司