开关稳压器输出电容器电流估计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及开关稳压器输出电容器电流估计。一种开关稳压器，包括控制器和用于通过电感器和电容器耦合到负载的功率级。所述控制器可操作成经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制功率级的操作，并且以比负载电压更低的速率来采样电感器电流。所述控制器进一步可操作成基于采样的负载电压来估计电容器电流，基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移，以及基于所述偏移来调整施加到所述功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的。
【专利说明】开关稳压器输出电容器电流估计
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关稳压器，特别是针对开关稳压器的输出电容器电流估计。
【背景技术】
[0002]电子设备，例如微处理器，图形处理器，网络处理器，数字信号处理器等等，必须经常对大型步进式负载瞬态非常快速地做出响应。开关功率转换器优选具有电压响应，其紧密跟随理想的目标电压，同时降低环回(ring back)。具有这样的瞬态响应的系统通常在负载变化的宽频率范围上表现良好。传统的开关稳压器通常提供自适应电压定位(AVP)，其中电压以高速率被采样，并且电感器电流以低得多的速率被采样。在负载变化时，由于低电感器电流采样率，AVP环路将高延迟引入到控制系统中，并且引起环回和不利的电压响应。AVP的益处之一是来自周期性重复的负载步进(load step)的电压偏移被最小化，降低了有效输出阻抗。其他的开关稳压器使用具有高采样率和低延迟的高性能电流ADC(模数转换器)来最小化电流环路中的延时，以及强制环路尽可能快地反应。这种解决方案是昂贵的，需要芯片上的大面积，也消耗更多的功率。
【发明内容】
[0003]根据操作开关稳压器的方法的一个实施例，所述开关稳压器具有通过电感器和电容器耦合到负载的功率级，所述方法包括:经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制该功率级的操作；以比负载电压更低的速率来采样电感器电流；基于采样的负载电压来估计电容器电流；基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；以及，基于该偏移来调整施加到该功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的，并且电容器可以是单个电容器或者是并联的电容器组。
[0004]根据开关稳压器的一个实施例，所述开关稳压器包括控制器和通过电感器和电容器耦合到负载的功率级。所述控制器可操作成经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的PWM信号来控制该功率级的操作，并且以比该负载电压更低的速率来采样电感器电流。该控制器可进一步操作成基于采样的负载电压来估计电容器电流，基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移，以及基于该偏移来调整施加到该功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的。
[0005]根据多相开关稳压器的一个实施例，所述多相开关稳压器包括控制器和包括多个相的功率级，其中每一相通过不同的电感器和输出电容器耦合到负载。该控制器可操作成以比负载电压更低的速率来采样用于所有相的总电感器电流，基于采样的负载电压来估计输出电容器电流，以及基于采样的总电感器电流和估计的输出电容器电流来调整施加到每一相的PWM信号。
[0006]本领域技术人员在阅读以下详细描述并且查看附图时将认识到附加的特征和优点。【专利附图】
【附图说明】
[0007]附图中元件并不一定是相对于彼此按比例的。相同的附图标记表示对应的类似部分。各种所图示的实施例的特征可以被组合，除非它们相互排斥。实施例在附图中被描绘，并且在下面的描述中被详细说明。
[0008]图1图示出了具有快速负载瞬态响应的开关稳压器的一个实施例的框图。
[0009]图2图示出了具有快速负载瞬态响应的开关稳压器的一个实施例的框图。
[0010]图3是图示出了在有和没有快速负载瞬态响应补偿的情况下，开关稳压器的输出电压和目标电压的曲线图。
[0011]图4图示出了具有快速负载瞬态响应和监控单元的开关稳压器的一个实施例的框图。
[0012]图5图示出了包括在图4的开关稳压器中的监控单元的一个实施例的框图。【具体实施方式】
[0013]此处描述的实施例通过使用快速负载电压采样代替快速电流ADC来为开关稳压器提供快速负载瞬态响应。这里描述的快速负载瞬态响应技术可以被应用到任意开关稳压器架构，包括:降压；升压；降压-升压；反激(flyback);推挽(push-pull);半桥；全桥；和SEPIC(单端初级电感器转换器)。降压转换器将DC电压降低到更低的DC电压。升压转换器提供比输入更高的输出电压。降压-升压转换器生成与输入在极性上相反的输出电压。反激转换器生成比输入更低或更高的输出电压，以及多个输出。推挽转换器是两晶体管转换器，其在低输入电压时尤其有效。半桥转换器是用于许多离线应用中的两晶体管转换器。全桥转换器是通常用于可以生成非常高的输出功率的离线设计中的四晶体管转换器。SEPIC是一种类型的DC-DC转换器，其允许在其输出处的电压高于、低于、或等于在其输入处的电压。
[0014]对于每种类型的开关稳压器架构，通过提供对进入AVP环路中的输出电容器电流的成比例估计来实现快速负载瞬态响应。基于采样的负载电压而非采样的相电感器电流来生成输出电容器电流估计，负载电压以比电感器电流更高的速率而被采样。
[0015]接下来描述的是快速负载瞬态响应技术的实施例，其在开关模式降压转换器的情境中被解释。本领域技术人员将意识到，此处描述的快速负载瞬态响应实施例可以在较小修改(如果有的话)的情况下被容易地应用到其他开关稳压器架构。这样的修改充分处于本领域普通技术人员的能力之内，而不需要过多的实验。
[0016]图1图示出了开关模式降压转换器的一个实施例的框图，该开关模式降压转换器包括功率级100，其被耦合到负载102，例如微处理器，图形处理器，网络处理器，数字信号处理器，等等。功率级100可以具有一个或多个相104，即开关模式降压转换器可以是负载电流由单个相104所供应的单相开关稳压器，或者是负载电流由多个相104所供应的多相开关稳压器。功率级100的每个相104包括由对应的驱动器101、103所驱动的高侧晶体管(HS)和低侧晶体管(LS)。每一相104通过不同的电感器(L)来提供电流(Iphm)到负载102。通过每一相104提供的电流的量取决于针对该相104的高侧和低侧晶体管的开关状态。如图1中所示，输出电容器(C)也在相电感器和负载102之间被耦合到负载102。不同的相(电感器)电流由组合器105组合成总(电感器)电流(Iph_total)。[0017]功率级100的操作通过由控制器106生成的脉宽调制(PWM)信号来被控制。为此，控制器106包括PWM控制单元108，其为功率级100的每个相104生成PWM信号。基于提供到开关模式降压转换器的参考电压(Vref)与负载电压(Vo)之间的差来生成一个或多个PWM信号。在一些实施例中，参考电压对应于与负载102相关联的电压标识(VID)。所述VID决定稳压器设定点，即当负载电流为零时稳压器的目标电压。
[0018]控制器106还包括第一ADC110，其用于采样负载电压(Vo)，以及第二ADC112，其针对采样功率级100的所有相104的总电感器电流(Iph_total)。以比负载电压采样率(Fs)更低的速率(Fs_iadc)来采样一个或多个电感器电流。控制器106进一步包括输出电流补偿单兀114,其用于基于米样的负载电压来估计输出电容器电流(ic )。AVPl 16生成对参考电压(Vref)的偏移(Vavp)，其偏移了与采样的总电感器电流(Isen)成比例的量。AVP116基于采样的总电感器电流和估计的电容器电流来生成偏移电压。将采样的总电感器电流通过输出电流补偿单元114作为电容器电流的成比例估计(Vcom)呈现给AVP116。
[0019]在一个实施例中，输出电流补偿单元114包括输出电容器电流估计器118，其以负载电压采样率(Fs)而不以较慢的电感器电流采样率(Fs_iadc)来估计输出电容器的电流。以较快的负载电压采样率估计输出电容器电流补偿了 AVP电流环路中所涉及的延迟，该AVP电流环路包括一个或多个较慢的电流ADC112，一个或多个AVP滤波器120，等等，并且能够使得开关稳压器的目标电压能够更快速地对负载变化做出反应，降低系统延迟。
[0020]在一个实施例中，输出电容器电流估计器118如由以下所给出的来估计输出电容器的电流
【权利要求】
1.一种操作开关稳压器的方法，所述开关稳压器具有通过电感器和电容器耦合到负载的功率级，所述电容器为单个电容器或并联的电容器组，所述方法包括: 经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制所述功率级的操作； 以比所述负载电压更低的速率来采样电感器电流； 基于采样的负载电压来估计电容器电流； 基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；以及 基于所述偏移来调整施加到所述功率级的PWM信号。
2.根据权利要求1的方法，其中基于所述偏移调整施加到所述功率级的PWM信号包括基于所述偏移调整所述PWM信号的占空比。
3.根据权利要求1的方法，其中基于采样的电感器电流和估计的电容器电流生成所述偏移包括: 从米样的电感器电流生成第一电压值； 将估计的电容器电流转换成第二电压值；以及 从所述第一电压值减去所述第二电 压值。
4.根据权利要求1的 方法，进一步包括当估计所述电容器电流时考虑所述电容器的等效串联电阻。
5.根据权利要求4的方法，其中使用数字滤波器来估计所述电容器电流，并且通过将所述数字滤波器的系数设置为表示所述等效串联电阻的预定值，来在估计所述电容器电流时考虑所述电容器的所述等效串联电阻。
6.根据权利要求3的方法，进一步包括对所述第二电压值进行滤波，使得所述第二电压值仅在瞬态负载条件期间为非零。
7.根据权利要求1的方法，其中将所述电容器电流估计为所述采样的负载电压、所述电容器的电容、所述负载电压的采样频率和所述电容器的等效串联电阻的函数。
8.根据权利要求1的方法，进一步包括提供采样的电感器电流、估计的电容器电流和所述负载电流的估计中的至少一个作为所述开关稳压器的外部输出。
9.根据权利要求1的方法，其中所述开关稳压器是多相开关稳压器，并且所述功率级包括多个相，每个相通过不同的电感器被耦合到所述负载，其中每个相的操作通过基于所述参考电压和所述负载电压之间的差所生成的不同的PWM信号而被控制，其中每个电感器电流以比所述负载电压更低的速率而被采样，其中基于所述电感器电流与估计的电容器电流之和为每个相生成对参考电压的偏移，并且其中基于所述偏移来调整施加到每个相的PWM信号。
10.一种开关稳压器，包括: 功率级，用于通过电感器和电容器耦合到负载；以及 控制器，其可操作成: 经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制所述功率级的操作； 以比所述负载电压更低的速率来采样电感器电流； 基于采样的负载电压来估计电容器电流；基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；以及 基于所述偏移来调整施加到所述功率级的PWM信号。
11.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成基于所述偏移来调整所述PWM信号的占空比。
12.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成从采样的电感器电流生成第一电压值，将估计的电容器电流转换成第二电压值，以及从所述第一电压值减去所述第二电压值以生成所述偏移。
13.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成当估计所述电容器电流时考虑所述电容器的等效串联电阻。
14.根据权利要求13的开关稳压器，其中所述控制器可操作成使用数字滤波器来估计所述电容器电流，并且通过将所述数字滤波器的系数设置为表示所述等效串联电阻的预定值，来在估计所述电容器电流时考虑所述电容器的所述等效串联电阻。
15.根据权利要求12的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成对所述第二电压值进行滤波，使得所述第二电压值仅在瞬态负载条件期间为非零。
16.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成将所述电容器电流估计为所述采样的负载电压、所述电容器的电容、所述负载电压的采样频率和所述电容器的等效串联电阻的函数。
17.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成提供采样的电感器电流、估计的电容器电流和负载电流的估计中的至少一个作为所述开关稳压器的外部输出。
18.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述开关稳压器是多相开关稳压器，并且所述功率级包括多个相，每个相通过不同的电感器和相同的电容器被耦合到所述负载，其中所述控制器可操作成通过基于所述参考电压和所述负载电压之间的差所生成的不同的PWM信号来控制每个相的操作，其中所述控制器可操作成比所述负载电压更低的速率来采样每个电感器电流，其中所述控制器可操作成基于所述电感器电流与估计的电容器电流之和来为每个相生成对所述参考电压的偏移，并且其中所述控制器可操作成基于所述偏移来调整施加到每个相的PWM信号。
19.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述电容器为单个电容器或并联的电容器组。
20.—种多相开关稳压器,包括: 功率级，其包括多个相，每个相通过不同的电感器和输出电容器耦合到负载；以及控制器，其可操作成比负载电压更低的速率来采样针对所有相的总电感器电流，基于米样的负载电压来估计输出电容器电流，以及基于米样的总电感器电流和估计的输出电容器电流来调整施加到每个相的脉宽调制(PWM)信号。
21.根据权利要求20的多相开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成提供采样的总电感器电流和估计的输出电容器电流作为多相开关稳压器的外部输出。
22.根据权利要求20的多相开关稳压器，其中所述输出电容器为单个电容器或并联的电容器组。
【文档编号】H02M3/06GK103532373SQ201310336413
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】A·巴巴扎德, K·奥斯特罗姆, 汤彻明 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司