专利名称：具有级联降压级的电源传输系统的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及集成电路，并且更具体地涉及一种供微处理器和其它专用集成电路(ASIC)使用的具有级联降压(buck)级的电源传输(power delivery)系统。
图1示出一种供现代微处理器使用的典型的单级降压电源传输系统10。该单级降压电源传输系统10包括电压调节器模块(VRM)12，其被设置得靠近于微处理器14，以便传输高度精确的电源电压。VRM12包括单级降压，该单级降压包括并联布置的一个或多个交替(interleaved)同步的降压通道(channel)16。输入电压Vin通常是12V+/-15％的预调总线电压或6-24V的电池电压，以及输出电压Vo是0.x-1.x V的处理器电压。现在的VRM大多运行在从200KHz到300KHz的切换频率的范围。
如图1所示，每个降压通道16包括一对开关SW1、SW2，它们通常通过使用场效应晶体管或其它合适的开关器件来实施。开关SW1、SW2的打开和闭合由占空比控制器18来控制，该占空比控制器根据输出电压Vo以已知的方式来调整开关SW1、SW2的占空比。每个降压通道16还包括电感器L和电容器C。这类单级降压的运行是众所周知的，并且不将进行更详细的描述。
典型地，VRM 12运行在很小的占空比，这是因为使用了高输入电压Vin和低输出电压Vo(占空比D＝Vo/Vin)。由于在短时间导通的开关SW1的显著的开关损耗和在很长时间导通的SW2的大的传导损耗，所以这导致了相当大的功率损耗。
微处理器正在被不断地设计成运行在较低电压、较高电流和较高的电流转换速度。为了满足更严格的瞬态需求而不过度地增加输出电容，需要将电压调节器模块(VRM)的切换频率增加到MHz的范围，以降低输出电感和增加控制回路的带宽，从而实现更快的瞬态响应。然而，由于开关损耗正比于切换频率，所以增加切换频率的负面影响是降低了VRM效率(即较高的功率损耗)。因此，在增加的切换频率上降低VRM的功率损耗已经变成一个重要的挑战。
本发明提供一种采用级联降压级的两级电源传输系统。对于高输入输出电压比，每个级联的降压级具有一个更合适的(即较大的)占空比，其比单级降压导致低得多的总功率损耗。对于需要较低的输入输出电压比的应用，例如电池供电的膝上型电脑，可以以准单级模式运行本发明的级联降压装置，其中第一降压级作为输入滤波器运行。
在第一方面，本发明提供一种电源传输系统，包括多个串联连接的级联降压级，其中在多个级联降压级中的最后一个降压级提供输出电压Vo以响应于施加到多个级联级的第一降压级的输入电压Vin；以及占空比控制器，用于控制每个降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么占空比控制器将多个级联降压级的第一降压级的占空比设定为1。
在第二方面，本发明提供一种用于电源传输的方法，包括串联连接多个级联降压级，其中在多个级联降压级中的最后一个降压级提供输出电压Vo以响应于施加到多个级联级的第一降压级的输入电压Vin；以及控制每个降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么将多个级联降压级的第一降压级的占空比设定为1。
在第三方面，本发明提供一种准单级电源传输系统，包括串联连接的第一和第二级联降压级，其中第二降压级提供输出电压Vo以响应于施加到第一降压级的输入电压Vin；以及占空比控制器，用于控制第一和第二降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么将第一降压级的占空比设定为1，以及其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)大于阈值输入输出电压比RT，那么将第一降压级的占空比设定为小于1的值。
根据下面结合附图的本发明的多个方面的详细描述，本方明的这些和其它特征将更容易被理解，其中图1说明包括一个或多个交替同步的降压通道的已知单级降压电源传输系统。
图2说明根据本发明的两级级联降压电源传输系统。
图3说明根据本发明的示例的两级级联降压电源传输系统。
图4说明图1的单级降压电源传输系统和图2的两级级联降压电源传输系统的功率损耗的比较。
图5说明以准单级模式运行的图2的电源传输系统。
图6说明图1、2和5的单级、两级和准单级电源传输系统的功率损耗的比较。
应当注意，附图只是示意性的表示，并不打算描述本发明的特定参数。附图只打算描述本发明的典型的方面，因此不应当被认为限制本发明的范围。
图2说明根据本发明的两级级联降压电源传输系统100。尽管下面描述的包括两个级联降压级，但是应当注意，在不背离所要求保护的本发明的范围的情况下可以一起级联两个以上的降压级。两级级联降压电源传输系统100包括电压调节器模块(VRM)102，其包括串联连接的第一降压级104和第二降压级106的级联装置。两级级联降压电源传输系统100运行以响应于施加到第一降压级104的输入端的输入电压Vin而在第二降压级106的输出端提供输出电压Vo。第一降压级104和第二降压级106都包括并联布置的一个或多个交替同步的降压通道108。输入电压Vin通常是12V+/-15％的预调总线电压或6-24V的电池电压，以及输出电压Vo是0.x-1.x V的处理器电压。
如图2所示，在第一和第二降压级104、106中的每个降压通道108包括一对开关SW1、SW2，它们通常通过使用场效应晶体管或者其它合适的开关器件来实施。在第一和第二降压级104、106中的每个降压通道108还包括电感器L和电容器C。第一降压级104以已知的方式运行，以响应于施加到它的输入端的输入电压Vin而在它的输出端提供中间电压Vint，其中Vin＞Vint。第二降压级106也以已知的方式运行，以响应于由第一降压级104输出的中间电压Vint而在它的输出端提供输出电压Vo，其中Vin＞Vint＞Vo。
通过占空比控制器110来控制在第一和第二降压级104、106中的开关SW1、SW2的打开和闭合。特别是，占空比控制器110通过第一占空比信号D1控制在第一降压级104中的开关SW1、SW2，以及通过第二占空比信号D2控制在第二降压级106中的开关SW1、SW2。
如图2以及图3所说明的本发明的示例性实施例所示，第一和第二降压级104、106分别以占空比D1和D2运行。在图3中，第一降压级104被示出为包括单个降压通道108，同时第二降压级106被示出为包括一对并联布置的交替同步的降压通道108。尽管未在图3(或图5)中示出，但是通过如图2所示的占空比控制器110来提供占空比D1和D2。通常，占空比D1由Vint/Vin给出，以及占空比D2由Vo/Vint给出。因此，D1和D2都大于图1的单级降压电源传输系统10的占空比D。因为较大的占空比，所以第一和第二降压级104、106中的各个开关SW1、SW2可以具有较低的电流应力(stress)和/或较低的电压应力(与图1的单级降压相比)，这导致降低的开关功率损耗。
实际上，D1和D2都可以改变以维持输出电压调节。可选择地，在一些设计中，D1或D2可以保持在一个固定值，而另一个占空比D2或D1进行改变以维持输出电压调节。另外，在其它的设计中，可以从单个源产生D1和D2，使得D1等于D2。在这种情况下，D1＝D2＝(Vo/Vin)1/2。与利用相同输入和输出电压的单级降压的占空比D(即D＝Vo/Vin)相比，在两级级联降压中的开关占空比将总是更大的，从而导致更低的开关功率损耗。
在图4中说明图1的单级降压电源传输系统10和图2的两级级联降压电源传输系统100的各自的功率损耗的比较。特别是，图4提供对于现有技术的单级降压和本发明的两级级联降压而言总的器件功率损耗与输入电压的曲线图，假定Vo＝1V，Io(输出电流)＝100A，以及Fs(切换频率)＝1MHz。如所示，对于高输入输出电压比(例如大于约9V的阈值电压VT的输入电压)，本发明的两级级联降压的总的器件功率损耗低于现有技术的单级降压的总的器件功率损耗。应当注意，如在此所述的阈值电压VT对应于图4中的交叉点。
在较低的输入输出电压比(例如小于约9V的阈值电压VT的输入电压)，在图4中可以看到，使用本发明的两级级联降压导致比单级降压更大的总的器件功率损耗。因此，为了降低在较低输入输出比时的功率损耗，可以以如图5所示的准单级结构100’来运行本发明的两级级联降压。这可以通过使用占空比控制器110(图2)设定第一降压级104的占空比D1为1来实现。结果，第一降压级104的开关SW1总是导通的，而对应的开关SW2总是断开的。如图5所示，开关SW1(总是导通的)等效于它的导通电阻R。结果，第一级降压104作为在准单级结构下的输入滤波器运行，并且可以减少用于电源传输系统的输入滤波器。应当注意，第二降压级106仍运行在图5中所说明的准单级结构中的占空比D2。
在低的输入输出电压比时通过将第一降压级104的占空比D1设定为1，消除了由于在第一降压级104中开关SW1、SW2的运行而导致的开关损耗。结果，在低的输入输出电压比时，本发明的准单级结构具有降低的功率损耗。
在图6中说明图1的单级电源传输系统10、图2的两级级联降压电源传输系统100和图5的准单级电源传输系统100′的各自的功率损耗的比较。如上所详述，对于高输入输出电压比(例如大于约9V的阈值电压VT的输入电压)，本发明的两级级联降压的总的器件功率损耗可以小于现有技术的单级降压的总的器件功率损耗。然而，在较低的输入输出电压比(例如低于约9V的阈值电压VT的输入电压)，级联降压的功率损耗大于现有技术的单级降压的功率损耗。对于较低的输入输出电压比，通过将两级级联降压的占空比D1调节为1，功率损耗基本上被降低到稍微大于现有技术的单级降压的功率损耗。
如图2所示，可以配置占空比控制器110来接收输入电压Vin和输出电压Vo，并根据所得的输入输出电压比来调节占空比D1和D2。例如，对于给定的输出电压Vo，占空比控制器110可以根据输入电压Vin的值来调节占空比D1。具体地，对于小于阈值电压VT的输入电压，可以将占空比D1设定为1，而对于大于阈值电压VT的输入电压，可以将占空比D1设定为等于D2或另一合适的值。因此，可以利用宽范围的输入输出电压比来使用本发明的两级级联降压电源传输系统。更一般而言，对于小于预定阈值输入输出电压比RT的输入输出电压比，通过占空比控制器110可以将占空比D1设定为1，而对于大于RT的输入输出电压比，可以将占空比D1设定为等于D2或者另一合适的值。
为了说明和描述的目的已经给出了本发明的多个方面的上述描述。该描述不打算是详尽的，或者将本发明限制为所公开的精确的形式，并且显然，许多修改和变化是可能的。例如，在多级级联降压结构(即具有多于两级)中，可以以占空比D＝1来运行第一级，以降低在较低的输入输出电压比时的功率损耗。对于本领域技术人员来说显而易见的修改和变化打算被包括在如由所附权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种电源传输系统(100)，包括多个串联连接的级联降压级(104，106)，其中在多个级联降压级中的最后一个降压级(106)提供输出电压Vo以响应于施加到多个级联级的第一降压级(104)的输入电压Vin；以及占空比控制器(110)，用于控制每个降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么该占空比控制器将多个级联降压级的第一降压级(104)的占空比设定为1。
2.权利要求1所述的电源传输系统，其中多个级联降压级(104，106)的每个包括并联布置的一个或多个交替同步的降压通道(108)。
3.权利要求2所述的电源传输系统，其中每个降压通道(108)包括第一和第二开关SW1、SW2，以及其中当通过占空比控制器(110)将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)的第一开关SW1总是导通的，而第二开关SW2总是断开的。
4.权利要求1所述的电源传输系统，其中当通过占空比控制器(110)将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)作为输入滤波器运行。
5.权利要求1所述的电源传输系统，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)大于阈值输入输出电压比RT，那么占空比控制器(110)将第一降压级(104)的占空比设定为小于1的值。
6.权利要求1所述的电源传输系统，其中两个级联降压级(104，106)串联连接。
7.权利要求1所述的电源传输系统，其中输入电压Vin包括约12V的总线电压或6-24V的电池电压，以及输出电压Vo是0.x-1.x V的电压。
8.权利要求1所述的电源传输系统，其中该系统运行在至少1MHz的切换频率上。
9.一种用于电源传输的方法，包括串联连接多个级联降压级(104，106)，其中在多个级联降压级中的最后一个降压级(106)提供输出电压Vo以响应于施加到多个级联级的第一降压级(104)的输入电压Vin；以及控制(110)每个降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么将多个级联降压级的第一降压级(104)的占空比设定为1。
10.权利要求9所述的电源传输方法，其中多个级联降压级(104，106)的每个包括并联布置的一个或多个交替同步的降压通道(108)。
11.权利要求10所述的电源传输方法，其中每个降压通道(108)包括第一和第二开关SW1、SW2，以及其中当将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)的第一开关SW1总是导通的，而第二开关SW2总是断开的。
12.权利要求9所述的电源传输方法，其中当将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)作为输入滤波器运行。
13.权利要求9所述的电源传输方法，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)大于阈值输入输出电压比RT，那么将第一降压级(104)的占空比设定为小于1的值。
14.权利要求9所述的电源传输方法，其中两个级联降压级(104，106)串联连接。
15.权利要求9所述的电源传输方法，其中输入电压Vin包括约12V的总线电压或6-24V的电池电压，以及输出电压Vo是0.x-1.x V的电压。
16.权利要求9所述的电源传输方法，还包括以至少1MHz的切换频率来运行该系统。
17.一种准单级电源传输系统(100)，包括串联连接的第一和第二级联降压级(104，106)，其中第二降压级(106)提供输出电压Vo以响应于施加到第一降压级(104)的输入电压Vin；以及占空比控制器(110)，用于控制第一和第二降压级的占空比以维持输出电压Vo，其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)小于阈值输入输出电压比RT，那么将第一降压级(104)的占空比设定为1，以及其中如果输入输出电压比(Vin/Vo)大于阈值输入输出电压比RT，那么将第一降压级(104)的占空比设定为小于1的值。
18.权利要求17所述的准单级电源传输系统，其中第一和第二降压级(104，106)的每个包括并联布置的一个或多个交替同步的降压通道(108)。
19.权利要求18所述的准单级电源传输系统，其中每个降压通道(108)包括第一和第二开关SW1、SW2，以及其中当通过占空比控制器(110)将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)的第一开关SW1总是导通的，而第一降压级(104)的第二开关SW2总是断开的。
20.权利要求17所述的准单级电源传输系统，其中当通过占空比控制器(110)将第一降压级的占空比设定为1时，第一降压级(104)作为输入滤波器运行。
全文摘要
一种用于微处理器或其它ASIC的电源传输系统。该电源传输系统包括多个串联连接的级联降压级，其中在多个级联降压级中的最后一个降压级提供输出电压V
文档编号H02M3/158GK1842958SQ200480024560
公开日2006年10月4日 申请日期2004年8月23日 优先权日2003年8月29日
发明者P·徐 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司