开关调节器电路及方法

开关调节器电路及方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年7月25日提交的美国临时专利申请案61/858，503的优先权， 其内容在此以引用的方式全部并入本文。本申请要求于2013年11月21日提交的美国临时专 利申请案61/907,285的优先权，其内容在此以引用的方式全部并入本文。本申请要求于 2014年6月26日提交的美国专利申请案61/907，285的优先权，其内容在此以引用的方式全 部并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及开关调节器电路及方法。
【背景技术】
[0004] 调节器电路用于在各种应用场合中提供电压和电流。调节器电路的一种类型是开 关调节器。开关调节器通常包括选择性地耦合电压和电流至电感器的开关电路。能量被存 储在电感器中并根据系统需求转换为不同的电压和电流值。举例而言，一个示例性开关调 节器(例如，"Buck"调节器或者"降压式变换器"）可以从电源接收10V和1A的电流并产生IV 和大约为10A的电流。
[0005] 片上系统、处理器(例如，CPU和GPU)、存储器和其它复杂的数字信息处理系统有时 由若干个电压域(诸如V_Core(s)、V_DDR、V_Vserdes、V_Memor等)构成。由于这些系统的严 格要求，举例而言，诸如对电压变化和电流负载的限制以及负载步阶的要求，将电力提供至 这些不同的电压域是具有挑战性的。使用具有高转换能力特征的独立电压调节器启动这些 电压域呈现了若干个优点。首先，其允许在任何给定时间点根据特定电力域的电力需求最 优化每个电力域的电压。具有快速转换能力的电压调节器呈现了以下优点：实时或准实时 追踪每个电力域的工作负荷，借此将供电电压始终保持为接近最小值并显著减小电力损 耗。举例而言，其还允许电力域独立地完全关闭而不依靠 Soc、CPU或GPU中的低效集线器或 功率开关。
[0006] 在一些应用中，将一个或多个电压调节器集成在数字集成电路(1C)封装中以减小 板级的系统集成复杂性、减小输入和输出的（10)的数量和/或减小数字1C的输入电流也可 能是有利的。然而，由于封装内部的有限空间，电压调节器在封装内部的封装集成是具有挑 战性的。构建可以匹配封装内部并满足通常与复杂的数字1C有关的严格要求的高效且有效 的调节器仍然是一个挑战。业界需要可以集成在现代Soc、CPU、GPU和其它数字1C的封装中 的高速、高效且体积非常小的电压调节器。
[0007] 因此，克服现有的开关调节器技术的限制将是有利的。

【发明内容】

[0008] 本发明包括用于满足各种工业需求的开关调节器的电路及方法。本发明包括开关 调节器电路和方法。在一个实施例中，多个开关调节器级耦合到一个输出。第一开关调节器 以不同于第二开关调节器的频率工作。在另一个实施例中，一个开关调节器级以不同的占 空比工作。本发明的实施例可以包括消除输出端纹波的多个开关调节器级。
[0009] 以下具体描述和附图提供了对本发明的特性和优点更好的理解。
【附图说明】
[0010] 通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和 优点将更为清楚，在附图中：
[0011] 图1示出了根据一个实施例的开关调节器拓扑；
[0012]图2示出了根据一个实施例的开关调节器；
[0013] 图3示出了使用图2中所示的开关调节器拓扑的纹波消除；
[0014] 图4示出了用于使用图2中所示的开关调节器拓扑的一个示例性电压调节器的电 流步阶；
[0015] 图5示出了根据另一个实施例的开关调节器；
[0016] 图6示出了使用图5中所示的开关调节器拓扑的纹波消除；
[0017] 图7示出了用于使用图5中所示的开关调节器拓扑的一个示例性电压调节器的电 流步阶；
[0018] 图8示出了根据一个实施例的电压调节器的提高的效率；
[0019]图9示出了根据一个实施例将三角波相加以消除纹波；
[0020]图10示出了根据一个实施例从相加的三角波产生开关调节器输出电流；
[0021]图11不出了根据一个实施例用于产生相加的三角波的一个不例性电路；
[0022]图12示出了根据一个实施例用于产生调制三角波的一个示例性电路；
[0023]图13示出了根据一个实施例包括相加的三角波的电路；
[0024]图14示出了根据一个实施例的另一个示例性开关调节器架构；
[0025]图15不出了根据另一个实施例的一个不例性电路；
[0026] 图16示出了根据一个实施例的开关调节器电路的另一个示例。
【具体实施方式】
[0027] 本发明涉及开关调节器电路及方法。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了大量 示例和具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，如在权利 要求中所表达的本发明显然可以仅仅包括这些示例中的一些或者所有特征或者与下文所 描述的其它特征相组合，并且可以进一步包括本文所描述的特征和概念的修改和等效。
[0028] 图1示出了根据一个实施例的开关调节器拓扑。本发明的实施例包括含有以不同 频率工作的第一部分(级）102和第二部分(级）104的开关调节器电路及方法。开关调节器级 102可以接收输入电压VIN1以及开关调节器级104可以接收输入电压VIN2,并且两级共同工 作以在输出端110上产生经过调节的输出电压V0UT。举例而言，输出电容121，⑶UT，可以储 存V0UTJIN1和VIN2可以是相同的电压，诸如供电电压Vdd，但是在其它实施例中，VIN1和 VIN2可以耦合至不同的供电电压。举例而言，在一些实施例中，VIN1可以小于VIN2,其允许 在高频AC级中使用较低的击穿器件(例如，FET)以提高效率。开关调节器级102可以工作在 第一频率fl，以及开关调节器级104可以工作在第二频率f2。如通过下文的其它示例和实施 例所示出的，第一开关调节器级102可以包括多个开关和一个电感，以及第二开关调节器级 104可以包括另外的多个开关和另一个电感。输出端110耦合至开关调节器级102的输出和 开关调节器级104的输出。示例性实施例可以包括在级102中的开关(例如，晶体管），其具有 比级104中的开关更高的开关频率，举例而言，其中VIN1和地可以交替地耦合至级104中的 电感。当第一开关调节器级102以不同于第二开关调节器级104的频率工作时，可以获得多 种优点。如图1所示，在一些实施例中，开关调节器拓扑还可以包括开关调节器级102的输出 和开关调节器级104的输出之间的电容，使得两个开关调节器级的输出可以有利地以不同 的电压和占空比工作。
[0029]本发明的特征和优点包括具有还可以产生不同电流以及在一些实施例中产生不 同占空比的多个级的开关调节器架构。举例而言，电路的一个级可以额外地(至少部分地） 消除电路的第二级的纹波。在下文进一步描述的一些实施例中，在大电流负载期间，两个级 均导通以及在小电流负载期间，一个级关闭。在下文描述的一个示例性实施方案中，相加的 三角波用于在一个级中产生调制的三角波以消除在另一个级中的纹波。下文中的示例显示 了开关调节器的不同实施例如何在具有以及不具有电容120的情况下工作。
[0030]图2示出了根据一个实施例的开关调节器。图2显示了用于将以不同开关频率工作 的两个开关调节器级（相)耦合在一起以形成电压调节器的一个方法。在下文更详细描述的 一些实施例中，举例而言，开关调节器级可以被设计用于不同电感值和功率开关大小。举例 而言，一个级(或相)可以指代具有开关部分和输出电感器的调节器的一部分。在本文中，术 语开关调节器相和开关调节器级可以相互交换使用。
[0031] 在这个示例性实施例中，举例而言，第一开关调节器级224可以具有两个输出开关 (例如，晶体管，诸如M0SFET)208和212以选择性地耦合开关节点210至在端204接收的输入 电压VIN1或者地。举例而言，第二开关调节器级226同样可以具有两个输出开关(例如，晶体 管，诸如M0SFET)214和218以选择性地耦合开关节点216至在端206接收的输入电压VIN2或 者地。在一些实施例中，VIN1和VIN2可以是相同的电压。在其它实施例中，如上文所提及的， VIN1和VIN2可以是不同的电压。开关调节器级还可以包括驱动器电路(未显示）以产生信号 以开通（即，开关闭合)或关断（即，开关断开)开关。随着开关208和212开通和关断，在具有 耦合至开关节点210的端及耦合至开关调节器级224的输出的端的电感220(LAC)中建立电 流ILAC。类似地，随着开关214和218开通和关断，在具有耦合至开关节点216的端及耦合至 开关调节器级226的输出的端的电感222(LDC)中建立电流ILDC。
[0032] 在这个示例中，开关调节器级224的输出（称为AC级或AC相）以及开关调节器级226 的输出（称为DC级或DC相)耦合至输出节点234用于提供开关调节器输出电压V0UT。调节器 可以包括控制电路202,其感测V0UT作为反馈信号输入并产生用于在每个级中开通和关断 开关的信号以将V0UT维持在经调节的值。举例而言，控制电路202可以接收设置V0UT的参考 电压VREF。在一些示例性实施例中，V0UT可以等于VREF或者与VREF相关(例如，VREF的一部 分或者倍数）。输出电容230(C0UT)耦合在输出节点234和地之间。负载(未显示)可以耦合至 输出节点234,举例而言，其可以从调节器接收供电电压V0UT并汲取电流I0UT。
[0033] 当VIN1=VIN2,图2中的一个示例性调节器的占空比与输入电压VIN和输出电压 V0UT相关，如下：
[0034] DC = V0UT/VIN。
[0035] 因此，在这个示例中，AC级224和DC级226具有相同的占空比，因为它们具有相同的 VIN和V0UT。
[0036] 本发明的实施例包括具有以不同开关频率工作且具有减小的输出纹波的多个开 关级的开关调节器。图3示出了使用图2中所显示的开关调节器拓扑的纹波消除。在这个示 例中，图2的开关调节器级224可以以高于开关调节器226的工作频率的第一频率工作。图2 中的级224可以进一步具有小于级226中的电感器电流ILDC的电感器电流ILAC。
[0037]图3中的310显示了级226的电感器电流ILDC。在每个循环内，当开关214闭合且开 关218断开时，电流斜坡上升，以及当开关218闭合且开关214断开时，ILDC斜坡下降。通常， 电感器电流的斜坡上升及下降会引起输出节点V0UT上的纹波电流和纹波电压。如在310所 显示的，通过占空比DC设置在一个循环内开关214和218改变状态以及电流斜坡改变方向的 点。循环的持续时间（或周期T1)对应于频率。因此，级226具有长于级224的周期，其具有更 高的频率。
[0038] 在320显示了级224的电感器电流ILAC。如在320所示出的，本发明的特征和优点包 括可以被配置为消除