f·馬默帝、j·t·多伊爾、c·張、z·傅

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年10月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/067,897的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其通過(guò)援引全部納入于此。

本申請(qǐng)涉及電壓轉(zhuǎn)換器，尤其涉及同步降壓轉(zhuǎn)換器的反饋控制。

背景技術(shù)：

一些常規(guī)電壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括并聯(lián)布置以向負(fù)載提供電流的多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。一般而言，隨著負(fù)載汲取較多的電流，電壓轉(zhuǎn)換器可激活較多的降壓轉(zhuǎn)換器，并且隨著負(fù)載汲取較少的電流，電壓轉(zhuǎn)換器可激活較少的電壓轉(zhuǎn)換器。在一些示例中，并聯(lián)的降壓轉(zhuǎn)換器電路可被稱為相(phase)，且電壓轉(zhuǎn)換器被稱為多相降壓轉(zhuǎn)換器。

此類(lèi)系統(tǒng)的能量效率可被定義為例如輸入電流除以輸出電流，其中值1將為100％效率。各種常規(guī)電壓轉(zhuǎn)換器在不同的負(fù)載電流下呈現(xiàn)不同的效率。此外，雖然一些常規(guī)系統(tǒng)可激活較多的降壓轉(zhuǎn)換器以處置較多的電流，但是對(duì)于給定量的功耗而言簡(jiǎn)單地激活較多的降壓轉(zhuǎn)換器可能不會(huì)提高效率，并且實(shí)際上在一些場(chǎng)景中可能降低效率。相應(yīng)地，存在在寬負(fù)載值范圍上提高多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率的需要。

附圖簡(jiǎn)述

圖1是解說(shuō)用于提供恒定的或幾乎恒定的輸出電壓的示例反饋環(huán)路的架構(gòu)圖。

圖2是實(shí)現(xiàn)圖1的實(shí)施例的反饋環(huán)路的另一種方式的示例解說(shuō)。

圖3是包括右側(cè)的圖例的圖表的示例解說(shuō)，該圖例解釋了示例實(shí)施例的五個(gè)不同的離散相/支路配置設(shè)置。

圖4是選擇和應(yīng)用相/支路配置設(shè)置的示例方法的流程圖的解說(shuō)。

詳細(xì)描述

本文中所公開(kāi)的是一種使用脈寬調(diào)制(pwm)來(lái)在寬負(fù)載范圍上提供高水平的效率的電路和方法的實(shí)施例。反饋環(huán)路包括具有多個(gè)相的同步降壓轉(zhuǎn)換器，并且每一相具有多個(gè)開(kāi)關(guān)支路。對(duì)于給定的負(fù)載值而言，支路和相的哪些組合提供較高水平的效率是預(yù)先已知的。當(dāng)反饋環(huán)路操作時(shí)且當(dāng)負(fù)載值改變時(shí)，電流傳感器將電流的值(負(fù)載的代理)反饋至控制器，該控制器選擇適于該特定負(fù)載值的開(kāi)關(guān)支路和相的數(shù)目。

圖1是解說(shuō)用于提供恒定的或幾乎恒定的v輸出的示例反饋環(huán)路的架構(gòu)圖。pwm控制器102接收參考電壓(vref)以及提供v輸出的值的反饋信號(hào)，并響應(yīng)于vref與v輸出之差而輸出pwm信號(hào)。pwm控制器102通過(guò)調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)制該pwm信號(hào)。通常，pwm信號(hào)的較大占空比增大同步降壓轉(zhuǎn)換器110的輸出處的電壓，并且pwm信號(hào)的較小占空比減小同步降壓轉(zhuǎn)換器110的輸出處的電壓。以此方式，pwm控制器102持續(xù)地調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比以保持v輸出幾乎恒定。

相位生成器104從pwm控制器102接收pwm信號(hào)并且通過(guò)調(diào)節(jié)其相位或產(chǎn)生具有不同相位的多個(gè)不同信號(hào)來(lái)處理pwm信號(hào)。例如，相位生成器104可為耦合的反相器產(chǎn)生不同的信號(hào)，或者可為多相降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的信號(hào)。如參照?qǐng)D2更詳細(xì)地討論的，電路102和104可以作為集中式控制器的一部分來(lái)提供，且電路106、108、和110解說(shuō)了多相降壓轉(zhuǎn)換器的單個(gè)相并且是與集中式控制器分開(kāi)的模塊的一部分。圖1僅解說(shuō)了單個(gè)相，但是應(yīng)理解，在一些實(shí)施例中，存在多個(gè)相以及多個(gè)模塊(每個(gè)模塊屬于特定的相)，且集中式控制器根據(jù)本文中進(jìn)一步描述的邏輯來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉這些模塊。進(jìn)一步，在一些實(shí)施例中，集中式控制器和眾多的模塊可以全部在相同的半導(dǎo)體管芯上。

失效時(shí)間生成器106接收pwm信號(hào)且輸出用于多相降壓轉(zhuǎn)換器的每個(gè)相的兩個(gè)控制信號(hào)。同步降壓轉(zhuǎn)換器110的每個(gè)相包括兩組開(kāi)關(guān)支路111，并且這兩組開(kāi)關(guān)支路中的每一組開(kāi)關(guān)支路對(duì)應(yīng)于由失效時(shí)間生成器106產(chǎn)生的相應(yīng)的控制信號(hào)。第一控制信號(hào)與第二控制信號(hào)之間的相位差影響開(kāi)關(guān)支路組111的操作定時(shí)，由此限定了同步降壓轉(zhuǎn)換器110中的失效時(shí)間以避免或減少擊穿和體二極管損耗。

這兩個(gè)控制信號(hào)是從失效時(shí)間生成器106輸出的并且由開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器108接收。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器108包括緩沖器驅(qū)動(dòng)器，這些緩沖器驅(qū)動(dòng)器增加每個(gè)控制信號(hào)的功率以便提供足以打開(kāi)或關(guān)閉降壓轉(zhuǎn)換器110內(nèi)的開(kāi)關(guān)111的功率。

降壓轉(zhuǎn)換器110接收v輸入，該v輸入在一些實(shí)施例中是來(lái)自半導(dǎo)體管芯上的電源軌的功率信號(hào)。在其他實(shí)施例中，v輸入可包括來(lái)自電池或其他電壓源的功率。開(kāi)關(guān)支路111根據(jù)來(lái)自開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器108的控制信號(hào)來(lái)斷開(kāi)和閉合。開(kāi)關(guān)支路111、電感器112、以及電容器113的操作在v輸出處提供穩(wěn)定的輸出電壓。同步降壓轉(zhuǎn)換器110可包括現(xiàn)在已知或以后開(kāi)發(fā)的任何同步降壓轉(zhuǎn)換器，并且在一些實(shí)施例中可以包括根據(jù)所接收到的控制信號(hào)的占空比來(lái)降低來(lái)自v輸入的電壓的常規(guī)同步降壓轉(zhuǎn)換器110。如果v輸出下降或升高，則由pwm控制器102看見(jiàn)電壓改變，該pwm控制器102調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比以將v輸出處的電壓返回至期望電平。類(lèi)似地，圖1的系統(tǒng)100內(nèi)的i²r功率損耗影響反饋環(huán)路的操作。具體而言，系統(tǒng)組件中的i²r損耗致使pwm控制器102將pwm信號(hào)的占空比增大到足以計(jì)及那些損耗。

圖2是解說(shuō)圖1的實(shí)施例的反饋環(huán)路的另一種方式。在圖2中，v輸入被示為vdd。在片上系統(tǒng)(soc)實(shí)施例中，負(fù)載(未示出)可包括例如處理核、調(diào)制解調(diào)器等等。然而，各實(shí)施例的范圍不限于soc。

圖2解說(shuō)了可個(gè)體地選擇的多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器相115a-n。為了便于解說(shuō)，以下討論專注于降壓轉(zhuǎn)換器相115a，但是應(yīng)理解，每個(gè)可個(gè)體地選擇的降壓轉(zhuǎn)換器相115在結(jié)構(gòu)上基本上類(lèi)似且具有基本上相同的被選擇或被取消選擇的能力。

降壓轉(zhuǎn)換器相115a包括兩組開(kāi)關(guān)支路111ax和111ay，其分別從圖1的失效時(shí)間生成器106接收第一和第二控制信號(hào)。每組開(kāi)關(guān)支路111被示出其中具有三個(gè)晶體管，但是應(yīng)理解，諸實(shí)施例的范圍包括具有任何恰適數(shù)目的晶體管的開(kāi)關(guān)支路組。開(kāi)關(guān)支路組111ax包括pmos晶體管，且開(kāi)關(guān)支路組111ay包括nmos晶體管。每個(gè)nmos晶體管對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的pmos晶體管，且對(duì)于可被選擇的每個(gè)支路，該支路包括對(duì)應(yīng)的nmos和pmos晶體管一起。由此，這些支路是各自并聯(lián)的且每個(gè)支路包括一個(gè)pmos和一個(gè)nmos晶體管。由于這些支路是并聯(lián)的，因而更多的支路允許更多的電流經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器。一般而言，隨著消耗更多的電流，更多支路可被打開(kāi)，且隨著消耗較少的電流，支路可被關(guān)閉。

降壓轉(zhuǎn)換器相115a還包括電流傳感器119a。電流傳感器119在它們相應(yīng)的相下測(cè)量電流并且向電流處理器116傳遞指示電流的信息。占空比測(cè)量118測(cè)量被饋送至支路中的晶體管的pwm信號(hào)的占空比，以及向電流處理器116傳遞回指示占空比的值的信息。

每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器相115是可個(gè)體地選擇的，并且每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器相115處置一定量的電流。一般而言，隨著負(fù)載汲取更多的電流，系統(tǒng)可添加更多的相，且隨著負(fù)載的電流消耗下降，系統(tǒng)可減少它使用的相的數(shù)目。在這一示例中，時(shí)鐘生成器104通過(guò)打開(kāi)至相應(yīng)相的時(shí)鐘來(lái)選擇該相。類(lèi)似地，時(shí)鐘生成器104通過(guò)關(guān)閉至相應(yīng)相的時(shí)鐘來(lái)取消選擇該相。時(shí)鐘生成器104在電流處理器116的控制下起作用以選擇或取消選擇各相。電流處理器116自己打開(kāi)和關(guān)閉個(gè)體相內(nèi)的開(kāi)關(guān)支路。由此，在這一示例中，降壓相115它們自己是可個(gè)體地選擇的，如同每個(gè)個(gè)體相115內(nèi)的開(kāi)關(guān)支路是可個(gè)體地選擇的。

圖1和2的系統(tǒng)是pwm系統(tǒng)，且pwm可跨一定范圍的負(fù)載值呈現(xiàn)變化的效率。圖3使用跨一定范圍的負(fù)載值的不同相/支路配置設(shè)置來(lái)解說(shuō)圖2的系統(tǒng)內(nèi)的效率。圖3解說(shuō)了尤其在低負(fù)載值的情況下，效率在不同的相/支路配置設(shè)置之中極大地變化。

圖3包括右側(cè)的圖例，該圖例解釋了五個(gè)不同的離散相/支路配置設(shè)置。例如，頂部上列出的設(shè)置指示了一個(gè)相的使用，以及還指示“w＝1000μm”。在這一示例中，每個(gè)開(kāi)關(guān)支路等于約500μm，所以在圖例頂部處列出的配置設(shè)置指示應(yīng)當(dāng)使用單個(gè)相和兩個(gè)開(kāi)關(guān)支路。向下移動(dòng)至第三個(gè)示例相/支路配置設(shè)置，其指示使用四個(gè)相并且還指示“w＝2000μm”。因此，該配置設(shè)置使用四個(gè)相，其中每個(gè)相具有四個(gè)開(kāi)關(guān)支路。

各種實(shí)施例包括限定相/支路配置設(shè)置的數(shù)目，其中圖3的示例實(shí)施例具有五個(gè)預(yù)定義的配置設(shè)置。每個(gè)配置設(shè)置具有與負(fù)載值相關(guān)聯(lián)的不同的性能參數(shù)。例如，圖例中的第一相在最小負(fù)載(0.1a的負(fù)載)的情況下具有85％的最佳效率，而圖例中的倒數(shù)第二個(gè)配置設(shè)置在最小負(fù)載的情況下提供最差效率55％。通過(guò)建模和/或測(cè)試，預(yù)先已知每個(gè)配置設(shè)置之中的操作效率的差異。例如，在特定系統(tǒng)被制造之前，圖3的圖表中的信息作為管芯或其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一部分是已知的。

關(guān)于在每個(gè)不同負(fù)載水平情況下的每個(gè)不同配置設(shè)置的信息可使用任何恰適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(諸如查找表等)來(lái)存儲(chǔ)至例如控制器116內(nèi)的存儲(chǔ)器在這一示例中，控制器116在制造期間被編程為包括關(guān)于每個(gè)不同負(fù)載水平情況下的每個(gè)不同配置設(shè)置的信息。另外，在這一示例中，控制器116被設(shè)計(jì)為狀態(tài)機(jī)，以使得當(dāng)它從電流傳感器119接收到關(guān)于負(fù)載值的信息時(shí)選擇并且應(yīng)用恰適的配置設(shè)置。

在一個(gè)操作示例中，電流傳感器119向處理器116發(fā)送回電流數(shù)據(jù)(其描述負(fù)載)，該處理器116聚集電流傳感器信息以生成由該負(fù)載汲取的電流的綜觀。在某些時(shí)間或周期性地，處理器116使用負(fù)載值來(lái)選擇恰適的配置設(shè)置，諸如在測(cè)量負(fù)載時(shí)已知的提供最高效率的配置設(shè)置。

例如，當(dāng)圖2的系統(tǒng)工作時(shí)，操作電路116確定負(fù)載正在汲取0.5a并且使用查找表的值來(lái)確定具有兩個(gè)活躍的相以及每個(gè)相具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)支路的配置設(shè)置對(duì)于該負(fù)載值而言是最高效的配置設(shè)置。在稍后的時(shí)間，操作電路116確定負(fù)載正在汲取2.1a，所以操作電路116使用查找表的值來(lái)確定圖3的倒數(shù)第二個(gè)圖例所列出的配置設(shè)置提供最高效率，所以電路116激活四個(gè)相以及每個(gè)相九個(gè)開(kāi)關(guān)支路。操作電路116周期性地或者在其他合意時(shí)間重復(fù)該過(guò)程以確保隨著負(fù)載的變化而進(jìn)行高效的操作。

在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率是250mhz，且電流傳感器119可以每4ns提供一電流測(cè)量。在大多數(shù)情況下，那將比負(fù)載改變的速率快得多。所以在每個(gè)時(shí)鐘循環(huán)期間測(cè)量電流以及選擇配置設(shè)置可能是浪費(fèi)的或低效的，因此一些實(shí)施例以較大的間隔來(lái)執(zhí)行測(cè)量和改變。當(dāng)然，本文中描述的原理可被應(yīng)用于任何恰適的時(shí)鐘頻率以及任何恰適的電流測(cè)量速率，因?yàn)樵诖擞懻撝刑峁┑哪切﹥H是示例。另外，與給定效率相關(guān)聯(lián)的相的數(shù)目和支路的數(shù)目是舉例而言的，且應(yīng)當(dāng)理解，其他系統(tǒng)可包括更多或更少的預(yù)定義的配置設(shè)置，這些配置設(shè)置與這里列出的那些配置設(shè)置不同且在不同的負(fù)載值下具有不同的效率。

一些實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是它們可以使用pwm來(lái)在寬負(fù)載值范圍上提供高效率。相應(yīng)地，一些系統(tǒng)可排他地使用pwm并且避免使用脈沖頻率調(diào)制(pfm)，該脈沖頻率調(diào)制可能由于不想要的諧波和可能難以設(shè)計(jì)的寬頻率范圍而在處理器系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)。。使用pwm而不是在pfm與pwm之間切換的一些實(shí)施例的益處是消除與在pwm與pfm之間來(lái)回切換相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜度以及轉(zhuǎn)換范圍中相關(guān)聯(lián)的效率下降。

在圖4中解說(shuō)了選擇和應(yīng)用相/支路配置設(shè)置的示例方法400的流程圖。在一個(gè)示例中，由邏輯電路(諸如圖2的控制器116)來(lái)執(zhí)行方法400以激活或停用同步降壓轉(zhuǎn)換器中的數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)支路和/或相。在包括反饋環(huán)路和保持在幾乎恒定電壓下的同步降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)(諸如圖1和2的系統(tǒng))中執(zhí)行方法400。降壓轉(zhuǎn)換器由pwm信號(hào)來(lái)控制，其中pwm信號(hào)的占空比的調(diào)節(jié)使降壓轉(zhuǎn)換器降低或提升輸出電壓。在這一示例中，邏輯電路包括連同關(guān)于一定范圍的負(fù)載值的效率信息一起存儲(chǔ)關(guān)于多個(gè)配置設(shè)置的信息的存儲(chǔ)器。

在動(dòng)作410處，邏輯電路測(cè)量降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載。例如，邏輯電路可以從與降壓轉(zhuǎn)換器的可個(gè)體地選擇的相相關(guān)聯(lián)的多個(gè)電流傳感器接收信息。在這一示例中，電流給出對(duì)負(fù)載的指示，因?yàn)殡妷罕槐３衷趲缀鹾愣ǖ碾娖较隆?/p>

在動(dòng)作420處，邏輯電路標(biāo)識(shí)與測(cè)得的負(fù)載值下的期望效率水平相關(guān)聯(lián)的配置設(shè)置。在一個(gè)示例中，邏輯電路標(biāo)識(shí)與測(cè)得的負(fù)載值下的最高效率水平相關(guān)聯(lián)的配置設(shè)置。在其中多于一個(gè)配置設(shè)置可能針對(duì)測(cè)得的負(fù)載值呈現(xiàn)最高效率水平的示例中，邏輯電路可使用任何恰適的算法來(lái)選擇這些配置設(shè)置之一。另外，諸實(shí)施例的范圍不限于選擇與最高效率水平相關(guān)聯(lián)的配置設(shè)置，因?yàn)樵谄渌麑?shí)施例中，其他因素可能在選擇中起作用。

在動(dòng)作430處，邏輯電路應(yīng)用所標(biāo)識(shí)的配置設(shè)置。在圖2的示例中，邏輯電路116指令時(shí)鐘生成器104根據(jù)所標(biāo)識(shí)的配置設(shè)置來(lái)向活躍的相提供時(shí)鐘以及不向不活躍的相提供時(shí)鐘。在圖2的示例中，邏輯電路116打開(kāi)每個(gè)相內(nèi)期望數(shù)目的開(kāi)關(guān)支路。

在動(dòng)作440處，邏輯電路周期性地或按需重復(fù)動(dòng)作410到430的過(guò)程。例如，負(fù)載的改變可影響給定配置設(shè)置的效率。相應(yīng)地，動(dòng)作440在降壓轉(zhuǎn)換器操作時(shí)在進(jìn)行中的基礎(chǔ)上提供標(biāo)識(shí)和應(yīng)用恰適的配置設(shè)置。

諸實(shí)施例的范圍不限于圖4中示出的特定方法。其他實(shí)施例可添加、省略、重新安排、或修改一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作。例如，方法400可以是將降壓轉(zhuǎn)換器保持在幾乎恒定值下的較大反饋操作的一部分(以上參照?qǐng)D1更詳細(xì)地描述了該較大反饋操作)。

另外，一些實(shí)施例可進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的頻率。例如，一些方法可包括調(diào)節(jié)諧波相關(guān)值中的時(shí)鐘。在一些實(shí)例中，降低奇次諧波下的開(kāi)關(guān)頻率可能不會(huì)改變頻譜，由此由系統(tǒng)100的操作生成的rf干擾可以保持大致相同。還可在一些實(shí)施例中使用偶次諧波，因?yàn)殡娏鞑ㄐ问侨切蔚?。?duì)于低負(fù)載而言，以具有相同時(shí)鐘參考的受控方式來(lái)降低pwm模式中的開(kāi)關(guān)頻率也可提供功率和效率益處。

以上提及，在圖1的反饋系統(tǒng)100中，藉由反饋環(huán)路將v輸出保持在幾乎恒定的電平下，通過(guò)pwm信號(hào)的占空比的增加來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)的功率損耗。由此，可歸因于對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器110的低效使用的功率損耗導(dǎo)致pwm信號(hào)的較大占空比。作為以上使用查找表和狀態(tài)機(jī)來(lái)描述的實(shí)施例的補(bǔ)充或替換，各種實(shí)施例通過(guò)針對(duì)給定負(fù)載標(biāo)識(shí)最小占空比來(lái)標(biāo)識(shí)期望的支路/相配置設(shè)置。由此，在另一示例中，圖2的系統(tǒng)針對(duì)給定負(fù)載周期性地嘗試多個(gè)設(shè)置且跟蹤每個(gè)設(shè)置如何影響pwm信號(hào)的占空比。系統(tǒng)使用測(cè)量電流118來(lái)測(cè)量占空比。針對(duì)給定負(fù)載的與最小占空比相關(guān)聯(lián)的配置設(shè)置一般被認(rèn)為是最高效的配置設(shè)置，且系統(tǒng)可選擇并應(yīng)用該配置設(shè)置。系統(tǒng)隨后周期性地或按需使用pwm占空比最小化來(lái)重新校準(zhǔn)。在圖2的系統(tǒng)中，占空比測(cè)量電流118可包括例如延遲鎖定環(huán)路(ddl)或準(zhǔn)確地測(cè)量脈沖寬度且能將該脈沖寬度報(bào)告給電流處理器116的其他恰適的設(shè)備。電流處理器116隨后使用脈沖寬度信息和配置設(shè)置信息來(lái)揀選使脈沖寬度最小化的配置設(shè)置。

如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員至此將領(lǐng)會(huì)的并取決于手頭的具體應(yīng)用，可以在本公開(kāi)的設(shè)備的材料、裝置、配置和使用方法上做出許多修改、替換和變化而不會(huì)脫離本公開(kāi)的精神和范圍。有鑒于此，本公開(kāi)的范圍不應(yīng)當(dāng)被限定于本文所解說(shuō)和描述的特定實(shí)施例(因?yàn)槠鋬H是作為本公開(kāi)的一些示例)，而應(yīng)當(dāng)與所附權(quán)利要求及其功能等同方案完全相當(dāng)。