開關(guān)調(diào)節(jié)器電路及方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請案主張于2012年12月31日提出的發(fā)明名稱為「Switching Regulator Circuits and Methods」，申請?zhí)枮?1/747, 988的美國臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)，該美國臨 時專利申請案的公開內(nèi)容特此以全文引用方式并入本文中。本申請案主張于2013年3月 11日提出的發(fā)明名稱為「Switching Regulators」，申請?zhí)枮?3/794,231的美國專利申請 案的優(yōu)先權(quán)，該美國專利申請案的公開內(nèi)容特此以全文引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及開關(guān)調(diào)節(jié)器電路及方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 圖1示出了現(xiàn)有的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器。與使用慣用單相或多相調(diào)節(jié)器來獲得高 壓擺率相關(guān)的一個顯著問題是這種調(diào)節(jié)器展現(xiàn)了能夠影響系統(tǒng)性能的不對稱壓擺率。此 外，在高開關(guān)頻率下，這種電路可能需要不實際的小電感值或不實際的大量相數(shù)。
[0005] 圖2示出了在正擺期間的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。對于輸入電壓VIN和輸出 電壓VOUT，現(xiàn)有的N相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器將通過啟動開關(guān)以使開關(guān)節(jié)點(diǎn)SWl及SW2至SWN短 接至VIN來控制最大正向輸入電流的壓擺率。這使得電感電流的總和按以下速率擺動：
[0006] D (ISUM)/dt = N* (VIN-VREF)/L
[0007] 圖3示出了在負(fù)擺期間現(xiàn)有的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。為控制最大負(fù)向電流 的壓擺率，控制器302啟動開關(guān)以使開關(guān)節(jié)點(diǎn)SWl及SW2至SWN短接至地。這使得電感電 流的總和按以下速率擺動：
[0008] D (ISUM) /dt = N* (-VREF) /L
[0009] 因此，正向輸出電流的壓擺率高于負(fù)向輸出電流的壓擺率（VIN-VREF) AVREF) 倍。舉例而言，若VIN處于12V且VOUT處于IV(例如，低占空比情況下）而不管所使用的 相的數(shù)量如何，傳統(tǒng)降壓開關(guān)變換器特征在于其最大正向輸出電流的壓擺率（SRP)是最大 負(fù)向輸出電流的壓擺率（SRN)的11倍。
[0010] (SRP) / (SRN) = (N* (VIN-VREF) /L) / (N* (-VREF) /L) = (12-1) /1 = 11
[0011] 在某些應(yīng)用中，由于卸載事件（其中負(fù)載電流減少）所產(chǎn)生的正向電壓過沖應(yīng)等 于由于等效負(fù)載事件（其中負(fù)載電流增加）所產(chǎn)生的負(fù)向下沖，以便在負(fù)載電流往返步進(jìn) 時輸出電壓不漂移。因此，系統(tǒng)可能會受到由于電感器的慢負(fù)向電流壓擺率所產(chǎn)生的卸載 輸出電壓過沖的限制且不能利用電感器的快速正向電流壓擺率。圖4示出了用于經(jīng)歷裝載 及卸載事件的單相傳統(tǒng)降壓變換器的上述情形。在某些應(yīng)用中，可能需要減少系統(tǒng)增益，使 得Vout上的電壓下沖匹配該過沖。
[0012] 圖5顯示了對先負(fù)向然后正向的VREF電壓步階響應(yīng)的單相調(diào)節(jié)器的示例。由于 慢負(fù)向壓擺率，輸出電壓花費(fèi)了較長的時間來擺動下降。因此，電感電流的慢負(fù)向壓擺率再 次限制了輸出電壓可擺動的快速程度。如上所述，圖5示出了在某些應(yīng)用中不需要的不對 稱。
[0013] 快壓擺率開關(guān)調(diào)節(jié)器在各種應(yīng)用中是有利的。舉例而言，遵循摩爾定律的微處理 器的發(fā)展引起了芯片功率密度的增加，導(dǎo)致了熱管理的挑戰(zhàn)。CMOS程序具有至少兩個功率 耗散的分量：1)開關(guān)功率，其與供電電壓的平方及時鐘頻率成比例；及2)裝置泄漏功率，其 是供電電壓的函數(shù)。
[0014] 逐漸地，相對于其工作量曲線的微處理器供電電壓及時鐘頻率的微管理用于獲得 顯著的功率節(jié)省。假定主功率耗散機(jī)制是供電電壓的強(qiáng)函數(shù)，采用隨時間適度減小平均供 電電壓且通常適度減小或不減小電路性能，獲得顯著的功率耗散的減少。
[0015] 與微處理器的活動速率相比，現(xiàn)今以較低速率使用動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS)技 術(shù)。DVFS速率當(dāng)前受可用電壓調(diào)節(jié)器的電壓壓擺率的限制。電壓調(diào)節(jié)器實時追蹤微處理器 工作量越接近，時間平均供電電壓減少越多，可能引起顯著的功率節(jié)省。因此，現(xiàn)有的DVFS 技術(shù)的全部可能性已經(jīng)被電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)限制。
[0016] 舉例而言，某些系統(tǒng)以Unix Kernel層級調(diào)整供電電壓及時鐘頻率，其頻率約每 IOus調(diào)整一次。由于現(xiàn)有調(diào)節(jié)器的限制性，供電電壓以較低頻率調(diào)整。這意味著當(dāng)時鐘頻 率減少時，供電電壓不是必須保持在其峰值的。因此，所得平均供電電壓及相關(guān)平均功率耗 散高于工作量所需的理論平均值。
[0017] 因此，克服現(xiàn)有開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)的限制性將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明包含用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的電路及方法。在一項實施例中，第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級 接收第一輸入電壓且在第一節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生第一電壓。第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級接收該第一輸入電壓 且在第二節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生第二電壓。電容器包含耦合至該第一節(jié)點(diǎn)的第一端子及耦合至該第二 節(jié)點(diǎn)的第二端子，且該第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級及該第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級被配置為在該第一節(jié)點(diǎn)上 設(shè)置第一電壓且在該第二節(jié)點(diǎn)上設(shè)置第二電壓。
[0019] 以下詳細(xì)說明及附圖提供了對本發(fā)明的本質(zhì)及優(yōu)點(diǎn)的更好理解。
【附圖說明】
[0020] 圖1示出了現(xiàn)有的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器。
[0021] 圖2示出了在正向擺動期間現(xiàn)有的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。
[0022] 圖3示出了在負(fù)向擺動期間現(xiàn)有的多相降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。
[0023] 圖4示出了經(jīng)歷裝載及卸載事件的現(xiàn)有的單相傳統(tǒng)降壓變換器。
[0024] 圖5示出了響應(yīng)于先負(fù)向后正向的VREF電壓步階的現(xiàn)有的單相調(diào)節(jié)器。
[0025] 圖6A示出了根據(jù)一項實施例的示例性開關(guān)調(diào)節(jié)器。
[0026] 圖6B示出了根據(jù)另一實施例的示例性開關(guān)調(diào)節(jié)器。
[0027] 圖6C示出了根據(jù)另一實施例的示例性開關(guān)調(diào)節(jié)器。
[0028] 圖7示出了根據(jù)一項特定實施例的示例性應(yīng)用。
[0029] 圖8示出了根據(jù)另一實施例的示例。
[0030] 圖9示出了根據(jù)一項實施例的正向電流擺動。
[0031 ] 圖10示出了根據(jù)一項實施例的負(fù)向電流擺動。
[0032] 圖11顯示了根據(jù)一項示例性操作的電流及電壓波形。
[0033] 圖12示出了根據(jù)一項實施例的推拉操作。
[0034] 圖13示出了根據(jù)一項實施例的推拉操作。
[0035] 圖14示出了根據(jù)另一示例性實施例的再充電動作。
[0036] 圖15至16示出了對于一項示例性實施例的推拉、拉推及再充電波形。
[0037] 圖17示出了根據(jù)特定實施例的一項示例性實施方案。
[0038] 圖18示出了在情形A、B、C及D下標(biāo)記的推拉及拉推波形。
[0039] 圖19顯示了第一多相實施方案的示例，其中N個AC電感器連接至節(jié)點(diǎn)VAC且M 個DC電感器連接至VOUT輸出節(jié)點(diǎn)。
[0040] 圖20顯示了第二多相實施方案的示例，其中N個AC電感器連接至N個VAC節(jié)點(diǎn)， 且M個DC電感器連接至VOUT輸出節(jié)點(diǎn)。
[0041] 圖21顯示了具有K組N個AC電感器及M個DC電感器的第三多相實施方案示例。
[0042] 圖22示出了根據(jù)特定實施例的另一示例性實施方案。
[0043] 圖23顯示根據(jù)一項實施例的程序。
[0044] 圖24顯示根據(jù)一項實施例的程序。
[0045] 圖25顯不根據(jù)一項實施例的程序。
[0046] 圖26顯示根據(jù)一項實施例的程序。
【具體實施方式】
[0047] 本發(fā)明涉及開關(guān)調(diào)節(jié)器電路及方法。在下文描述中，出于解釋的目的，闡述了大量 示例及特定細(xì)節(jié)，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見 的，權(quán)利要求所表達(dá)的本發(fā)明包括僅僅是這些示例中的某些或所有特征或結(jié)合下文描述的 其它特征，且可進(jìn)一步包含本文中所闡述的特征及概念的修改及等效形式。
[0048] 本發(fā)明的實施例包含具有很高壓擺率的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)（或開關(guān)電壓變換器）。 在一項示例性結(jié)構(gòu)中，第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級可驅(qū)動輸出節(jié)點(diǎn)且第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級可通過電容 器驅(qū)動相同輸出節(jié)點(diǎn)。舉例而言，開關(guān)調(diào)節(jié)器級可具有多個控制回路以調(diào)節(jié)分離輸出的電 容器端子上的電壓。在一項示例性實施例中，開關(guān)調(diào)節(jié)器級是通過電容器AC耦合在一起 的，以提供以高靜態(tài)效率擺動的大電流，其在某些示例性實施方案中甚至可以是對稱的。在 一項示例性實施例中，揭示了對多個開關(guān)級的推拉控制。某些實施方案可包含耦合至電容 器的一個端子的多個開關(guān)級及耦合至該電容器的另一端子的多個開關(guān)級。在某些實施例 中，多個開關(guān)級可驅(qū)動多個電容器的端子。示例性實施例可用于以極高的壓擺率改變處理 器的電源電壓在不降低靜態(tài)效率。因此，可以修改電源電壓以追蹤工作量曲線。實施例也 可以有利地用于對當(dāng)前裝載及卸載事件快速作出響應(yīng)。
[0049] 圖6A示出了說明根據(jù)一項實施例的示例性開關(guān)調(diào)節(jié)器。在此示例中，一第一開關(guān) 調(diào)節(jié)器級602耦合至具有電壓VOUT的輸出節(jié)點(diǎn)610。第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604耦合至具有電 壓VAC的節(jié)點(diǎn)612。節(jié)點(diǎn)612通過電容器（Cl) 620耦合至節(jié)點(diǎn)610。本發(fā)明的實施例有利 地允許兩個開關(guān)調(diào)節(jié)器級（亦稱為「相」）在具有不同輸出電壓的不同條件下操作。
[0050] 開關(guān)調(diào)節(jié)器級602及604被配置為調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)610上的電壓VOUT及調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)612上 的電壓VAC。在一項實施例中，由開關(guān)調(diào)節(jié)器級602產(chǎn)生的調(diào)節(jié)電壓VOUT不同于由開關(guān)調(diào) 節(jié)器級604產(chǎn)生的調(diào)節(jié)電壓VAC，但開關(guān)調(diào)節(jié)器級604可驅(qū)動電流（例如，AC電流）穿過電 容器620至開關(guān)調(diào)節(jié)器級602的輸出以有利地提高對節(jié)點(diǎn)610處的電路的瞬時響應(yīng)。在本 發(fā)明中，術(shù)語開關(guān)調(diào)節(jié)器級（或僅「級」）及開關(guān)調(diào)節(jié)器相（或僅「相」）通常是指電感器、 用于選擇性傳輸儲存于電路節(jié)點(diǎn)之間的電感器中的輸入功率的至少一個開關(guān)（例如，晶體 管，諸如MOS晶體管），且可包含用于接通及關(guān)斷開關(guān)以調(diào)節(jié)輸出參數(shù)（例如，電壓或電流） 的控制電路（諸如驅(qū)動器）。舉例而言，通常，開關(guān)調(diào)節(jié)器級還耦合至輸出電容器以儲存輸 出電壓。在此說明性附圖中，舉例而言，第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級602可通過第一電感器（未顯 示）耦合至輸出節(jié)點(diǎn)610,且第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604可通過第二電感器（未顯示）耦合至輸 出節(jié)點(diǎn)612?？刂齐娐房砂謩e用于控制級602及604中的開關(guān)的電路606及608以調(diào) 節(jié) VAC 及 VOUT。
[0051] 第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604通過第二電感器（未顯示）及電容器Cl耦合至輸出節(jié)點(diǎn) 610。電容器620具有耦合至具有電壓VOUT的輸出節(jié)點(diǎn)610的第一端子。電容器620的 第二端子耦合至具有電壓VAC的第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604。因此，在此示例性結(jié)構(gòu)中，在節(jié)點(diǎn) 612處具有電壓VAC的第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604的輸出經(jīng)AC耦合至具有電壓VOUT的輸出節(jié) 點(diǎn) 610〇
[0052] 在此示例中，開關(guān)調(diào)節(jié)器級602及604兩者接收輸入電壓VIN及參考電壓VREF。 在其他實施例中，由電路的一部分內(nèi)部產(chǎn)生一個或多個參考電壓。第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級602 具有耦合至電容器620的第一端子的反饋輸入FBl，且第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604具有耦合至電 容器620的第二端子的第二反饋輸入FB2。反饋輸入FBl及FB2可用于控制輸出節(jié)點(diǎn)610 上的電壓VOUT及控制電容器的第二端子上的電壓VAC。
[0053] 第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級602可包含控制電路606以產(chǎn)生穿過第一電感器的第一電流以 維持VOUT處于特定電壓。該特定電壓可通過VREF(舉例而言）及第一控制回路設(shè)定。第二 開關(guān)調(diào)節(jié)器級604可包含控制電路608以產(chǎn)生穿過第二電感器的第二電流以維持電壓VAC 處于特定電壓。舉例而言，VAC可通過VREF及第二控制回路設(shè)定。在此示例中，由于第二 開關(guān)調(diào)節(jié)器級604經(jīng)AC耦合至輸出節(jié)點(diǎn)610,因此第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604可分別推動電流 至輸出節(jié)點(diǎn)610及自輸出節(jié)點(diǎn)610拉動電流以提高輸出節(jié)點(diǎn)610處的壓擺率能力。因此， 開關(guān)調(diào)節(jié)器級602及604兩者可推動電流至輸出節(jié)點(diǎn)610及自輸出節(jié)點(diǎn)610拉動電流。在 一項實施例中，流向節(jié)點(diǎn)610的DC負(fù)載電流是由第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級602 (例如，專門地）提 供的且AC電流是由第二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604響應(yīng)于節(jié)點(diǎn)610處的瞬變（例如，負(fù)向載電流的 一改變或所要輸出電壓的一改變）而穿過電容器620提供至節(jié)點(diǎn)610的。
[0054] 某些實施例的特征及優(yōu)點(diǎn)包含維持不同調(diào)節(jié)輸出電壓的AC耦合開關(guān)調(diào)節(jié)器級。 如上所述，開關(guān)調(diào)節(jié)器級602可調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)610上的電壓VOUT且開關(guān)調(diào)節(jié)器級604可調(diào)節(jié)節(jié) 點(diǎn)612上的不同電壓VAC。在一項實施例中，第一開關(guān)調(diào)節(jié)器級602以第一占空比操作且第 二開關(guān)調(diào)節(jié)器級604以第二占空比操作。一降壓（buck)開關(guān)調(diào)節(jié)器的占空比如下：
[0055] D = Vo/Vin,
[0056] 其中D是占空比，Vin是輸入電壓，且Vo是輸出電壓。因此，對于圖6中的電路， 其中VACOVOUT，不同占空比如下：
[0057] Dl = V0UT/VIN,
[0058] D2 = VAC/VIN，且
[0059] D10D2,
[0