开关模式功率变换器中的动态电压转换控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及开关模式功率变换器，具体地涉及开关模式功率变换器中的动态电压转换的控制。
【背景技术】
[0002]开关电压调节器由于其高效率和由这样的变换器消耗的少量的面积/体积而广泛地用在用于各种应用的现代电子系统中，诸如计算(服务器和手机)和P0L(载荷点系统)。被广泛接受的开关电压调节器拓扑包括降压、升压、降压-升压、前向、后向、半桥、全桥和SEPIC拓扑。多相降压变换器特别适合用于在低电压情况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)所需要的高电流。降压变换器使用有源部件(诸如脉冲宽度调制(PWM)控制器1C(集成电路)、驱动器电路、包括功率M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)的一个或多个相位)以及无源部件(诸如电感器、变压器或耦合的电感器、电容器、和电阻器)来实现。多个相位(功率级)可以通过相应的电感器并联到负载以满足高输出电流要求。
[0003]很多电子系统(诸如微处理器)需要电源以更高效地操作以便避免高负载时的热过载以及增加特别是便携式系统中的电池寿命。高级的实时嵌入式系统(包括电池操作的便携式系统(诸如膝上电脑、手机等)和非便携式系统(诸如服务器、台式电脑等))通常包括一个或多个微处理器，其中在系统水平，其可以通过改变微处理器的频率和电压水平(即所谓的动态电压缩放)来降低能耗。动态电压缩放通过在运行时取决于在微处理器上运行的应用的需求改变处理器速度和电压来降低能耗。已经示出，处理器功耗以凸形方式随着频率而增加，因此动态电压缩放帮助显著降低处理器的动态能耗。这一技术通常还被称为动态电压转换。由于开关模式功率变换器中的动态电压转换的重要性，不断需要新的控制技术，其改变电压转换响应，电压转换响应的变化进而导致开关模式功率变换器的更多功率节省和总体效效率。
【发明内容】
[0004]根据电压调节器控制器的一种实施例，电压调节器控制器包括:主补偿器和电压斜坡电路。主补偿器可操作以控制电压调节器使得由电压调节器输出的电压对应于针对电压调节器控制器的目标电压。电压斜坡电路包括:可操作以输出在第一电压处开始并且在第二电压处结束的电压斜坡的电压斜坡生成器；以及响应于电压斜坡生成器并且可操作以基于一个或多个补偿参数来修改电压调节器的输出电压响应的动态电压转换补偿电路。
[0005]根据开关模式功率变换器的一个实施例，开关模式功率变换器包括:可操作以向负载输出电压的功率级；可操作以控制所述功率级的切换使得由所述功率级输出的电压对应于针对所述开关模式功率变换器的目标电压的主补偿器；以及包括电压斜坡生成器和动态电压转换补偿电路的电压斜坡电路。电压斜坡生成器可操作以生成在对应于目标电压的第一电压处开始并且在对应于新的目标电压的第二电压处结束的电压斜坡。动态电压转换补偿电路响应于电压斜坡生成器并且可操作以基于一个或多个补偿参数来修改开关模式功率变换器的输出电压响应。
[0006]根据开关模式功率变换器的另一实施例，开关模式功率变换器包括:可操作以向负载输出电压的功率级；可操作以控制功率级的切换使得由功率级输出的电压对应于针对开关模式功率变换器的目标电压的主补偿器；以及可操作以控制从目标电压到新的目标电压的动态电压转换的转换速率的斜坡生成器。开关模式功率变换器还包括可操作以改写主补偿器并且改变主补偿器的动态电压转换响应的辅补偿器。
[0007]本领域技术人员在阅读以下详细描述和在查看附图时将认识到另外的特征和优点。
【附图说明】
[0008]附图的元素并非必须相对于彼此按比例。相似的附图标记表示对应的相似的部分。可以组合各种图示实施例的特征，除非它们彼此排除。实施例在附图中描绘并且在下面的描述中详述。
[0009]图1图示从第一电压(VI)到第二电压(V2)的动态电压转换波形的曲线图。
[0010]图2图不包括动态电压转换补偿电路的开关模式功率变换器的一个实施例的框图。
[0011]图3图示包括动态电压转换补偿电路的开关模式功率变换器的另一实施例的框图。
[0012]图4图不包括动态电压转换补偿电路的开关模式功率变换器的又一实施例的框图。
[0013]图5图不包括动态电压转换补偿电路的开关模式功率变换器的再一实施例的框图。
[0014]图6图不包括动态电压转换补偿电路的开关模式功率变换器的一个实施例的框图。
[0015]图7图示动态电压转换补偿电路的一个实施例的框图。
[0016]图8图示由动态电压转换补偿电路做出的转换速率修改的实施例。
[0017]图9包括图9A和9B，图示斜坡类型动态电压转换所需要的理想电感器和电容器电流(图9A)以及用于完成任何类型的动态电压转换的净电荷(图9B)。
[0018]图10图示说明电感器电流极限的开关模式功率变换器的输出电压的动态电压转换的曲线图。
【具体实施方式】
[0019]图1图示由开关模式功率变换器实现的从第一电压(VI)到第二电压(V2)的示例性动态电压转换。动态电压转换通常涉及响应于负载需求的变化而在运行时调节负载电压。很多电子系统(诸如微处理器)要求在所指定的窗口( ‘DVT响应窗口’)内完成动态电压转换(DVT)。DVT窗口的大小由DVT参数(诸如电压过冲(Vos)、允差带(Τ0Β)、转换时间(Tf+Tr)和稳定时间(Ts))来定义。在许多应用中，期望减小DVT窗口的大小。本文中所描述的实施例优化由开关模式功率变换器实现的动态电压转换(即尽可能使其最佳、有效或起作用)以提供高性能的响应。例如，可以通过减小斜坡迟滞和延迟来使到达新的目标电压V2的时间最小化，并且通过使到达新的目标的响应最优化，可以在到达先前的目标之前使多个抢先的转换响应到新的目标电压被给定的位置。还可以提供过冲和/或下冲控制。例如，允许过冲，但其需要一些电压和时间约束。可以不允许下冲，但是建立拖尾可能是可接受的。可以将波形响应的振荡最小化。还可以通过例如提供过电压和/或欠电压保护、遵循正的和负的电流极限、减小来自输入和输出的系统噪声dV/dt和dl/dt等来维持电压和电流约束。
[0020]图2图示用于调节负载102的开关模式功率变换器100的一种实施例。负载102在图2中示意性地图示，并且可以是高性能集成电路(诸如微处理器、图形处理器、网络处理器等)或者需要电压调节的其他类型的集成电路(诸如P0L(载荷点))。开关模式功率变换器100包括用于向负载102输出电压的功率级104、用于控制功率级104的开关使得由功率级104输出的电压对应于针对开关模式功率变换器100的目标电压(VID)的主补偿器106、以及用于修改或重载主补偿器106的动态电压转换行为的电压斜坡电路108。电压斜坡电路108包括电压斜坡生成器110和动态电压转换补偿电路112。
[0021]电压斜坡生成器110可操作以生成在对应于目标电压的第一电压(例如图1中的VI)处开始并且在对应于新的目标电压的第二电压(例如图1中的V2)处结束的电压斜坡。电压斜坡生成器110在微处理器的情况下从例如负载102接收电压标识信息(VID)，其指示开关模式功率变换器应当向其调节的目标电压。目标电压可以基于例如负载情况来不时地变化。由电压斜坡生成器110生成的电压斜坡在从一个目标电压向不同的目标电压变化期间具有动态电压转换。
[0022]动态电压转换补偿电路112响应于电压斜坡生成器110并且基于一个或多个补偿参数来修改电压斜坡。补偿参数可以是与开关模式功率变换器100的操作相关联并且影响由电压斜坡生成器110生成的电压斜坡的任何系统参数。例如，诸如最大电感器电流(IUMax)、感测电流(Isen)、输出电容(C)、功率级相位的数目等的补偿参数可以影响电压斜坡。动态电压转换补偿电路112可以基于这样的补偿参数来修改开关模式功率变