用于开关电压调节器的控制器优化的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请设及开关电压调节器，具体设及通过优化电压环路和电流环路响应W使开 关电压调节器的输出阻抗响应平坦化来改进暂态响应。
【背景技术】
[0002] 诸如DC-DC调节器的开关电压调节器，由于其高效率和运种转换器占用小的面积 /体积，被广泛用于各种应用的现代电子系统，例如用于电信的计算（服务器和移动电话） 和POL(负载点系统）。被广泛接受的开关电压调节器的拓扑结构包括降压、升压、降压-升 压、正向、反激、半桥、全桥和SEPIC拓扑结构。多相降压转换器特别适合用于在低电压下提 供高性能集成电路，诸如微处理器、图形处理器和网络处理器所需的高电流。降压转换器 使用有源组件实现，诸如脉冲宽度调制（PWM)控制器IC(集成电路）、驱动器电路，包括功 率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管）的一个或多个相位，W及无源组件，诸如电感 器、变压器或禪合电感器、电容器和电阻器。多个相（功率级）可W通过各自的电感器被并 联连接到负载，W满足高输出电流要求。
[0003] 一些开关电压调节器实现AVP(自适应电压位置，也被称为跌落补偿和负载线）。 在一个基于AVP的电压调节系统中，电压调节器设计的关键标准是为了满足随频率的输出 阻抗要求，W实现良好的瞬态响应。调节器控制器可包括被设计为使输出阻抗响应平坦化 W便获得恒定的电阻输出阻抗的补偿器。只要输出阻抗在控制带宽内是恒定的并且超出带 宽的阻抗更小，AVP仍然可W实现。在运些条件下，相位裕度通常大于60度。否则，在输出 阻抗曲线内出现峰值或突起。常规AVP设计方法设定控制带宽W匹配ESR(等效串联电阻） 零点，并确保超出ESR零点的阻抗小于下垂电阻。然而，至少60度的相位裕度不是总能被 获得，例如当调节器控制器实施非常低的开关频率W实现更高的效率时。在运些使用常规 的AVP设计方法的条件下，显著的峰值或突起出现在调节器的输出阻抗响应中。输出阻抗 是用于评估开关电压调节器负载瞬态响应的一种有效措施。相对平坦的输出阻抗曲线产生 更为理想的调节器响应。因此，在闭环阻抗曲线内的峰值或突起是不希望的，并可能导致更 不理想的调节器响应。
【发明内容】
[0004] 根据用于数字电压调节器控制器的确定控制环路系数的方法的一个实施例，该方 法包括：确定满足数字电压调节器控制器的增益和相位裕度目标的PID(比例-积分-微 分）系数，作为数字电压调节器控制器的多个系统参数的函数；并重新确定一个或多个PID 系数，W在低于数字电压调节器控制器的带宽的频率下平坦化数字电压调节器控制器的输 出阻抗响应。 阳0化]根据可操作地存储计算机程序W确定用于数字电压调节器控制器的控制环路系 数的非临时性计算机可读介质的一个实施例，该计算机程序包括：用W确定满足数字电压 调节器控制器的增益和相位裕度目标的PID(比例-积分-微分）系数作为数字电压调节 器控制器的多个系统参数的函数的程序指令。该计算机程序还包括程序指令，W重新确定PID系数中的一个或多个，W在低于数字电压调节器控制器的带宽的频率下平坦化数字电 压调节器控制器的输出阻抗响应。
[0006] 通过阅读W下的详细描述W及查看附图，本领域技术人员将认识到附加特征和优 点。
【附图说明】
[0007] 附图的元件相对于彼此不一定按比例。相同的标记表示相应的类似部件。各个图 示的实施例的特征可W被结合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中被描绘并W下的说明 书中详述。
[0008] 图1示出了多相开关电压调节器的一个实施例的框图，其具有控制环路补偿器， W及用于确定控制环路补偿器的控制环路系数的编程系统。
[0009] 图2示出了确定数字电压调节器控制器的控制环路系数的方法的一个实施例的 流程图。
[0010] 图3示出了用于开关电压调节器的控制环路补偿器的一个实施例的框图。 W11] 图4示出了用于基于PID的控制环路补偿器的增益曲线。
[0012] 图5至8,其包括图5、图6、图7A、7B、8A和8B，示出了在参数优化过程的不同阶段 期间，用于图1所示的调节器参数编程系统的屏幕捕获。
[001引图9示出了一个示例性绘制图，其示出了基于初始控制环路系数的示例性设置产 生的开环和PID输出阻抗曲线。
[0014] 图10示出了用于开关电压调节器的控制环路补偿器的另一实施例的框图。
[0015] 图11绘制了图10的控制环路补偿器的不同增益响应。
【具体实施方式】
[0016] 运里描述的实施例优化数字电压调节器控制器的控制环路系数，W在宽范围的操 作条件下满足电压调节器系统的要求，同时也平坦化输出阻抗响应。控制环路系数可W通 过确定满足电压调节器控制器的增益和相位裕度目标的系数的初始设定进行优化，作为用 于电压调节器控制器的多个系统参数的函数。在输出阻抗响应中的峰值（突起）在感兴趣 的频率范围内被识别，并且控制环路系数中的一个或多个被重新确定，使得在输出阻抗响 应中的峰值被降低。本文所描述的实施例提供了一种用于积极控制环路实现的迭代法，其 中相位裕度影响峰值，并且控制环路系数经受最小峰值条件被优化。为此目的，提供数字 控制器配置方法，其使用系统模型（包括板和组件寄生现象、驱动器延迟等），环路和输出 阻抗分析，W及用于多种操作模式的可配置增益/带宽参数。本文描述的方法可W适用于 PID(比例-积分-微分），AVP(自适应电压位置）和电流平衡控制的优化。该优化过程可 被应用于所有的控制环路系数，或用于一些系数并且其余的可手动调节。
[0017] 图1示出了诸如DC-DC调节器的开关电压调节器100,和编程系统200,诸如计算 机、服务器或用于编程开关电压调节器100的控制环路系数的其他电子装置的一个实施 例。开关电压调节器100包括多个功率级102和用于控制功率级102的操作的数字控制器 104,例如微控制器、微处理器、ASIC(专用集成电路）等。出于示例性的目的，=功率级（相 位）102示于图1，然而，电压调节器100可包括任何数量的功率级102,包括单一的功率级 102 (即单相调节器）或多于一个的功率级102 (即多相调节器）。
[001引功率级102为负载106提供已调节的电压。各个功率级102是可操作的，W通过 一个或多个电感器（L)为负载106提供相电流，负载106经由电感器和与调节器输出并联 的一个或多个输出电容器（Cout)连接到电压调节器100。负载106可W是高性能集成电 路，例如微处理器、图形处理器、网络处理器等，或需要电压调节的其他类型的电子电路。每 个功率级102在第一开关状态将负载106连接到电压调节器100的输入电压，并在第二开 关状态将其接地。
[0019] 数字控制器104管理各功率级102的开关状态，W通过调节输送到负载106的相 电流来调节输送到负载106的电压（Vout)。在功率级102基于PWM(脉冲宽度调制）开关的 情况下，控制器104包括PWM单元108,其生成用于开关功率级102的PWM控制信号（pwm)。 如果负载电流低（例如，低于相电流的一半），同步转换器允许负电流（反向电流）流过一 个或多个功率级102的低侧开关，其在运里被耗散。然而，如果低侧开关关断，相应的体二 极管不能传导反向电流，并且它停留在被称为DCM(非连续导通模式）的化Z(高阻抗）或 零电流内。电压调节器100也可W工作在具有电流吸收能力的连续传导模式（CCM)下。在 一般情况下，单独的功率级102的开关状态和占空比至少部分地基于提供给负载106的输 出电压（Vout)确定，使得电压调节器100可从陕速且可靠地作出反应，W能够改变负载条 件。
[0020] 数字控制器104可W管理从一个基准电压到另一个的变化。控制器104也可确定 输出电压（Vout)与基准电压之间的误差，并将误差电压转换成提供给PWM单元108的数字 表示，用于例如通过调整PWM控制信