具有非对称相电感的多相开关电压调节器的制造方法

具有非对称相电感的多相开关电压调节器的制造方法
【专利摘要】一种具有非对称相电感的多相开关电压调节器，包括控制器和均被配置成通过电感器将输出电流传递至负载的多个功率级。电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电感。控制器被配置成控制功率级的开关以便调节多相开关电压调节器的输出电压，包括：在负载处的满功率事件期间，允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且在负载处的低功率事件期间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级以外的所有功率级向负载提供电流。
【专利说明】
具有非对称相电感的多相开关电压调节器
技术领域
[0001] 本申请设及多相开关电压调节器，特别是具有非对称相电感的多相开关电压调节 器。
【背景技术】
[0002] 开关电压调节器因为其高的效率和由运样的转换器所消耗的小量的面积/体积而 被广泛地使用在用于诸如计算(服务器和移动)等的多种应用的现代电子系统和用于电信 的POL(负载点系统）中。被广泛接受的开关电压调节器拓扑包括降压、升压、升降压、正激、 反激、半桥、全桥和SEPIC拓扑。多相降压转换器特别适合于W诸如微处理器、图形处理器和 网络处理器等的高性能集成电路所需要低电压提供高电流。降压转换器利用诸如脉冲宽度 调制(PWM)控制器IC(集成电路）、驱动器电路、包括功率M0SFET (金属氧化物半导体场效应 晶体管）的一个或多个相等的有源部件和诸如电感器、变压器或禪合的电感器、电容器和电 阻器等的无源部件来实施。多个相(功率级)可W通过相应的电感器并联地连接至负载W满 足高输出电流的要求。
[0003] 用于CPU内核电压(V枕S)应用的典型的多相降压转换器设计利用了从两个至六个 或更多的相，其中νμ骇是被供给至CPU(中央处理单元）、GPU(图形处理单元)或含有处理内核 的其它装置的电源电压。设计用于νμ娘应用的常规的多相降压转换器使用了针对各相的相 同的电感值。用于V枕S应用的调节器必须支持当处理器操作活动水平及其电流消耗高时的 高负载操作和当处理器操作活动水平及其电流消耗低时的轻负载操作两者。另外，调节器 往往具有当在轻负载与高负载操作之间切换时迅速地适应而同时维持良好调节的硬性瞬 态规范，并且因此要求诸如每相150ηΗ的相对低的电感值。对于终端用户而言，期望的是设 计通过运样严格的瞬态规范，同时还W良好的轻和峰值负载效率操作。为了提高轻负载效 率，相应该具有较高的电感值，因为运降低了电感器中的纹波电流。然而，电感值被限制W 支持高的相电流。一般情况下，对于相同的物理尺寸而言，针对电感器的饱和电流随着电感 增加而减小，所W较低电感可W支持较高的输出电流。另外，具有较高电感值的相远不可能 通过V枕《陕速瞬态负载响应规范，所W存在着在选择用于运些设计的最佳电感上所需的权 衡。除νμ猴应用之外，多相电压调节器可W被用在其中非对称相电感手段可W用类似的积极 结果来实施的存储器应用中。

【发明内容】

[0004] 根据一种多相开关电压调节器的实施例，多相开关电压调节器包括控制器和均被 配置成通过电感器将输出电流传递至负载的多个功率级。电感器中的至少一个具有比其它 电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其它功率级相比不同的输出电 感。控制器被配置成控制功率级的开关W便调节多相开关电压调节器的输出电压，包括:在 负载处的满功率事件期间，允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且 在负载处的低功率事件期间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级W外的所有 功率级向负载提供电流。
[0005] 根据一种用于多相开关电压调节器的数字控制器的实施例，多相开关电压调节器 具有多个功率级，多个功率级中的每一个被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，电 感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级中的至少一个具有与其 它功率级相比不同的输出电感，数字控制器包括控制电路，控制电路被配置成控制功率级 的开关，W便调节多相开关电压调节器的输出电压。运包括:在负载处的满功率事件期间， 允许所有功率级都通过相应的电感器将电流提供至负载，并且在负载处的低功率事件期 间，防止除了具有更高的开路电感的至少一个功率级W外的所有功率级向负载提供电流。
[0006] 根据一种多相开关电压调节器的另一实施例，多相开关电压调节器包括控制器和 均被配置成将电流传递至负载的多个功率级。功率级中的每一个包括在共用节点处通过电 感器被禪合至负载的高侧晶体管和低侧晶体管。功率级电感器中的至少一个具有比其它功 率级电感器更高的开路电感，使得至少一个功率级具有与其它功率级相比不同的输出电 感。控制器被配置成控制功率级的开关W调节多相开关电压调节器的输出电压。
[0007] 本领域技术人员将在阅读下面的详细描述时和在查看附图时认识到附加的特征 和优点。
【附图说明】
[0008] 图中的元件不一定相对于彼此成比例。同样的附图标记指定了对应的类似部分。 各种图示出的实施例中的特征可W组合，除非它们彼此排斥。实施例被描绘在图中并且被 详述在如下的描述中。
[0009] 图1图示出具有非对称相电感的多相开关电压调节器的实施例的框图。
[0010] 图2图示出具有非对称相电感的多相开关电压调节器的另一实施例的框图。
[0011] 图3图示出用于具有非对称相电感的多相开关电压调节器的数字控制器的实施例 的框图。
[0012] 图4图示出被布置在板上的多相开关电压调节器的非对称相电感器的实施例的平 面图。
【具体实施方式】
[0013] 本文中所描述的多相开关电压调节器的实施例提供了具有与其它相不同的电感 值的至少一个相(功率级）。术语"相"和"功率级"在本文中可互换地用来描述多相开关电压 调节器的输出部件(例如，驱动器电路、高侧和低侧晶体管、电感器等），其中的每一个贡献 了在调节下被传递至负载的总电流的一部分。在一些情况中，一个相具有与其它相不同的 电感值。在其它情况中，两个或多个相具有与其它相不同的电感值。在又一些其它情况中， 所有相具有不同的电感值。在各情况中，较高的电感值、例如多达用于其它相的标称电感的 2倍或更高的电感值可W被应用于在功率节省模式(多个）中总是作为单个相操作或与另一 相组合地操作的相。通过对于在功率节省模式(多个)中操作的至少一个相使用较高的电感 值(多个），提供了在轻负载效率上的提升(提高）。输出纹波、高负载效率和电流感测误差通 过为多相开关电压调节器的至少一个相提供与其它相不同的电感值而降低。
[0014] 图1图示出多相开关电压调节器的实施例，包括多个功率级(相）100和用于控制各 个功率级100的操作的诸如微控制器、微处理器、ASIC(专用集成电路)等的数字控制器102。 功率级100中的每一个表示开关电压调节器的一个相并且被配置成通过单独的电感器化N) 将相电流(iLn)传递至负载104。负载104经由电感器和输出电容器(Co)被连接至多相开关电 压调节器。负载104可W是诸如微处理器、图形处理器、网络处理器等的高性能集成电路或 者是诸如POL(负载点)等的要求电压调节的其它类型的集成电路。
[0015] 各功率级100包括:高侧晶体管(Q1)和低侧晶体管(Q2)，用于通过对应的电感器禪 合至负载104;和驱动器电路110,用于从控制器102接收P歷信号并生成栅极驱动信号GH和 GLW驱动Q1和Q2接通和断开。各功率级100的高侧晶体管可开关地将负载104连接至多相开 关电压调节器100的输入电压(Vin)，并且对应的低侧晶体管在不同时段可开关地将负载 104连接至接地。为了便于说明仅示出Ξ个功率级100。一般情况下，多相开关电压调节器 100具有至少两个功率级100、例如典型地多达六个功率级或甚至更多，其中的至少一个具 有与其它功率级100相比不同的开路电感Ln。如本文中所使用的，术语"开路电感"是指与标 称/平均值相对的真实/确切值。
[0016] 数字控制器102包括控制电路106,用于通过调整被传递至负载104的相电流（iLi、 Il2-'Iln)来调节由功率级100传递至负载104的电压(Vout)。控制电路106可W包括多相脉冲 宽度调制器(mPWM) 10 8，用于经由对应的P歷控制信号(PWM1、P WM 2…PWMn)来开关各功率级 100的高侧和低侧晶体管，使得各功率级100可W响应于施加至那个功率级100的PWM信号而 通过对应的电感器和高侧或低侧晶体管拉(source)电流或灌(sink)电流至负载104。当PWM 控制信号处于逻辑电平高时，对应的高侧晶体管被置于导通状态，电感器电流通过高侧晶 体管被拉出或灌入，并且通过电感器的电流在持续时间内增加。运一般被称作"接通时间" 并且那个功率级100被认为是"打开"。当PWM控制信号处于逻辑电平低时，对应的低侧晶体 管被置于导通状态，电流被从低侧晶体管拉出或灌入，并且通过电感器的电流在持续时间 内减小。运一般被称作"断开时间"并且那个功率级100被认为是"关闭"。当P丽控制信号处 于Ξ值或高阻抗逻辑电平(PWM控制信号既不是高也不是低）时，对应的高侧和低侧晶体管 两者都被置于非导通状态，电流通过或低侧或高侧晶体管体二极管被拉出或灌入，并且通 过电感器的电流的幅值朝向零减小。运一般被称作巧iZ时间"或"不活动时间"并且那个功 率级100被认为是"高Z"或不活动的。
[0017] 多相降压调节器一般在固定频率CCM(连续电流模式）中操作。在固定频率CCM中， 用于各相的PWM信号对于开关周期的一部分是高的，并且对于开关周期的一部分是低的，并 且开关周期从周期到周期相对恒定。对于时间上的固定时段而言，在针对各脉冲的相对恒 定的接通和断开时间的情况下预期固定数量的脉冲。调节器调整PWM周期W便在调整电感 器电流W匹配负载要求的同时维持输出电压恒定。电感器电流在各周期上升和下降，所W 不是恒定的，但是在具有对应于各周期的纹波电流的稳态操作期间产生了恒定的平均电 流，其中纹波电流取决于开关频率、电感、PWM控制信号的占空比和输入及输出电压(Vin、 Vout)。通过W相同频率但是W等间隔的相偏移操作相中的每一个，并调节各相W使得各相 中的平均电流相对匹配，运允许了各相中的纹波电流被消除并且由所有相供给至负载的总 电流将具有较低的总纹波。多相降压调节器因为将负载电流要求在很多相之间均等地划分 运个能力而理想地适合于将高电流传递至负载，同时通过利用在负载处通过固定频率多相 操作而被消除的高纹波电流支持低电感值而允许了物理上小的实施方式。然而，该手段也 不适合于轻负载操作，因为纹波电流相对于负载电流较高，并且对于各相的开关损耗也高。 轻负载操作一般要求多相降压调节器修改其操作模式使得:一些相是不活动的，其中PWM控 制信号处于高Z并且高侧和低侧晶体管都不接通，并且活动的相或多个相W最大可能的效 率操作，诸如在DCM(不连续导通模式）中操作。
[0018] 在诸如PFM(脉冲频率调制）等的DCM开关模式中，在DCM中活动的各功率级100的低 侧晶体管一旦其电感器电流达到零就不允许是导通的。周期于是由接通时间跟着是断开时 间跟着是化別寸间构成。电容器电流在接通时间期间上升并且在断开时间期间下降。在化Z 时间期间，电感器电流接近零并且一旦它是零就在周期的持续时间内不改变。如果当电感 器电流接近零时发生从断开时间到化別寸间的过渡，贝化CM中的功率损失被最小化。作为结 果，在DCM中电感器电流会在开关周期的一部分期间达到零。多相开关电压调节器典型地在 轻负载操作期间被配置处于DCM中。在CCM中，如果负载电流超过作为纹波电流的函数的值， 则电感器电流在整个周期内是正的。如果负载电流低于该值，那么电感器电流将在开关周 期的一部分内是负的。也就是在DCM中，电感器电流总是正的或零，并且在CCM中电感器电流 可W是正的或负的但是不会停留在零。电感器电流可W跨越零并且成为负的、例如在无负 载时，并且多相开关电压调节器可W在其中Ξ角形电感器电流（triangular inductor current) W零为中屯、的CCM中操作。多相开关电压调节器典型地在负载104处满功率条件期 间被配置处于CCM中。
[0019] 在或者CCM或者DCM中，各功率级100的驱动器电路100响应于由数字控制器102提 供的PWM控制信号而将栅极驱动信号(G化/GLn)提供至对应的功率级100的相应的高侧和低 侧晶体管的栅极。功率级100的活动状态和高侧和低侧晶体管的占空比至少部分基于施加 至负载104的输出电压(VduO来确定，使得多相开关电压调节器可W尽可能迅速且可靠地对 改变负载状态做出反应。
[0020] 在轻负载调节下，负载拉取较少电流。多相开关电压调节器的轻负载效率可W通 过使用具有最高电感值(多个）的功率级（多个)来提高。为此目的，多相开关电压调节器的 电感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得功率级100中的至少一个具 有与其它功率级相比不同的输出电感。例如在图1中，第一功率级具有较高输出电感化1)并 且其它功率级100具有较低输出电感化2、L3)。在其它情况中，功率级100中的两个或多个具 有比其它功率级更高的输出电感。在又一些其它情况中，所有功率级100具有不同的电感 值。
[0021] 在各情况中，具有较高值输出电感(多个）的功率级（多个）100具有与具有较低值 输出电感(多个）的功率级100相比较小的电流处理能力。因此，数字控制器10 2在轻负载条 件期间使用运些功率级（多个)100、例如通过在DCM中操作运些功率级100。具有较低值输出 电感的其余功率级100在负载104处的较高功率条件期间是活动的。运样，多相开关电压调 节器在DCM中W高的轻负载效率操作而在CCM中提供充分高的电流处理能力。
[0022] 数字控制器102可能知道或可能不知道功率级输出电感的非对称性质。在任一个 情况中，控制器102被配置成控制功率级100的开关W便:通过在负载104处的满功率事件期 间允许所有功率级100将电流通过相应的电感器提供至负载104,并且在负载处的低功率事 件期间（例如当多相开关电压调节器被配置处于诸如PFM等的DCM中时）防止除了具有更高 的开路电感的至少一个功率级100W外的所有功率级100将电流提供至负载104,在负载104 处的轻负载和满功率条件两者的情况下调节多相开关电压调节器的输出电压(Vout)。
[0023] 如果数字控制器102不知道功率级输出电感的非对称性质，则功率级100的输出电 感可W被选择成使得电感非对称性对调节器性能具有很小的或者没有不利影响。也就是， 最大和最小功率级输出电感之间的差异可W被选择在不要求控制器102考虑差异的范围 内。例如，功率级100中的一个或多个可W具有22化Η和/或180nH的输出电感并且其余功率 级100可W具有15化Η的输出电感。具有220nH和/或180nH输出电感的功率级100在轻负载条 件期间是活动的，并且包括了具有15化Η输出电感的功率级100的所有功率级100在负载104 处的满功率条件期间是活动的。在该情况中，控制器102被提供了作为在确定功率级100的 各个开关控制时由数字控制器102所利用的调节器配置参数112的一部分的单个输出电感 值(图1中的Lx)。
[0024] 再次考虑上面给出的示例性150nH至220nH输出电感范围，被提供至数字控制器 102的单个输出电感值Lx可W设定为最高输出电感器与最低输出电感值之间的一些值，例 如14化Η或者是15化Η与22化Η之间的一些其它值。控制器102执行作为单个输出电感的函数 f化X)的诸如电流平衡、相停止(phase化ορρing)、电流感测、相电流保护、动态响应等的各 种(标准）多相调节器功能。尽管如果控制器102不能考虑功率级输出电感之间的差异则诸 如电流估计、峰值电流、输入电流估计、电流传感器增益(APC或Apms/代码)等的由控制器 102执行的计算受到影响并有些欠佳，但是非对称功率级电感的使用提高了轻负载效率，同 时仍然提供了在不同负载阶跃瞬态条件的情况下的在多相应用设计中的可接受的瞬态响 应。控制器102还包括相停止逻辑114,用于管理在不同负载条件下哪个功率级是活动的并 且哪几个是不活动的（即，停止的）。控制器102进一步包括DCM/CCM控制逻辑116，用于控制 在DCM和CCM开关模式中的调节器操作。控制器102还包括电压和相电流感测电路118，用于 分别感测、现慢或估计输出电压(Vout)和各个相电流…Iln)。
[0025] 图2图示出其中数字控制器102在控制功率级100的开关时考虑功率级100的不同 (非对称)开路电感的多相开关电压调节器的另一实施例。根据该实施例，不同的开路电感 值或等效参数（图2中的L1、L2、L3)和与不同的开路电感中的每一个相关联的功率级100的 指示一起被存储在存储器中。功率级100中的一个或多个利用与其余功率级100相比更高的 (非对称)相电感操作，并且控制器102被配置成支持作为功率级输出电感中的非对称的函 数（图2中的f (L1，L2，L3))的非对称的电流平衡、相停止、电流感测、相电流保护、动态响应 等，同时还支持W当利用所缺的相或者在处于操作的较低功率模式的PFM中操作操作时的 通过优化的效率进行多相操作。
[0026] 不管控制器102是否考虑功率级100的不同（非对称)开路电感，控制器102都可W W相同频率但是不W均匀间隔对功率级100进行开关。备选地，控制器102可不同频率 对功率级100进行开关。在又另一实施例中，控制器102可不均匀的排序对功率级100进 行开关。因此控制器102不限于固定频率、均匀间隔的多相操作，并且还可W在当所有相都 活动且传递最大负载电流时而且在当负载电流低且各相于是可W被优化用于使整个系统 的效率、瞬变或纹波性能最大化时考虑各相的不同电感和电流处理能力W使操作优化。
[0027] 图3图示出数字控制器102和可W在控制功率级100的开关时利用(非对称)功率级 输出电感的知识的控制器逻辑单元的更详细的视图。为了便于说明，功率级100和负载104 在图3中被图示为单个方块。
[00%]数字控制器102包括电压感测单元200,用于将模拟电压反馈信号(vsen)转换成输 出电压Vout的数字控制器表示。电流感测单元202将模拟相电流反馈信号（isenx)转换成相 电流Ili、Il2· · · Iln的数字控制器表示，包括所有相电流的总估计（itot)。控制器202还包括电 流平衡单元204,用于生成针对相占空比（duty)的补偿差异（ibal)W维持相电流之间的目 标平衡。正电流极限(PCL)/负电流极限(NCU单元206限制相占空比（duty似防止超过各相 的正和负电流极限。AVP(自适应电压定位)单元208基于目标负载线下垂(化OOP)和输出电 流计算调节器设定点中的改变(dvavp)。动态电压过渡(DVID)斜坡单元210生成从W前的 VID(电压ID)至目标VID(vtarg)的斜坡率控制的过渡(vicLramp)。
[0029] 数字控制器102进一步包括DVID滤波器212,用于生成控制器目标电压(vtarg)并 且通过使DVID和AVP计算的输出电压形成波形形状而响应于VID中的改变来提供期望的输 出电压。PID(比例-积分-微分)控制回路补偿滤波器214使用对应的比例、积分和微分增益 项由控制器102实施。前馈(FF)控制回路216基于目标输出电压vtarg和输入电压(Vin)计算 开环占空比（讯。控制器102的活动瞬态响应(ATR)单元218提供了异步非线性控制回路，其 提高了系统对大的瞬变的瞬态响应。控制器102的相位频率调制(PFM)单元220控制在轻负 载条件下的功率级开关W使功率效率优化。控制器102的频率活动瞬态响应(FATR)单元222 是自适应控制回路优化器，用于使输出阻抗的峰值和在动态负载重复频率内的电压偏移最 小化。控制器102的mPmi单元224基于PID、电流平衡、PFM、ATR和FATR控制来生成各个相响应 (pwmx)。控制器102的相停止(PD)单元224被配置成控制操作中的功率级(相）的数量W使负 载电流的范围内的效率最大化。PD单元224在轻负载条件期间使具有较低输出电感的功率 级100中的一个或多个停止(排除），使得具有较高输出电感的功率级(多个)1〇〇是在运些条 件下将电流提供至负载104的功率级（多个)100。当负载电流需求增加时，抑单元224添加具 有较低输出电感的W前停止的功率级100中的一个或多个，用于将电流供给至负载104。
[0030] 在图3中，vsen是表示输出电压的模拟反馈信号，isenx是表示通过电感器中的每 一个的各个相电流的模拟反馈信号，itot是相电流的总和（或者总输出电流）的控制器表 示，iph是通过电感器中的每一个的各个相电流的控制器表示，vid_ramp是具有从W前的 VID到目标VID的斜坡率控制的过渡的输出设定点电压ID(VID)的控制器表示，dvavp是作为 输出电流的函数的AVP输出电压下垂的控制器表示，vavp是作为设定点电压ID(vid)和输出 电流下垂的函数的AVP输出电压的控制器表示，vta巧是考虑了来自DVID滤波器的形成波形 形状W响应于VID上的改变提供期望的输出电压的目标电压的控制器表示，verr是误差电 压的控制器表示，pid是基于可配置的PID补偿器的控制回路响应的控制器表示，ff是占空 比的前馈计算的控制器表示，duty是待基于pid和ff分量的总和而生成的占空比的控制器 表示，pwmx是表示W由控制回路设置的占空比生成的期望的功率级状态(高侧接通、低侧接 通、高阻抗）的控制器数字输出，并且L1、L2、L3是表示每功率级100的输出电感或者各个相 电感的控制器参数。
[0031] 接下来更详细地描述可W利用非对称功率级输出电感的知识W更好地优化功率 级100的开关控制的控制器单元的操作。例如，电流感测单元202可W被进一步优化成考虑 不同的相电感和它们对相纹波电流的影响，提高了电流感测精度。电流平衡单元204可W被 进一步优化成考虑不同的相电流处理能力，并且归因于所使用的不同相电感而对占空比中 的改变做出反应。PCL/NCL单元206可W被进一步优化成归因于所使用的不同相电感考虑在 各功率级100中的不同占空比限制。ro单元214可W被进一步优化成基于所使用的不同相电 感考虑针对动态相排除的不同最佳电流加载。AVP单元208可W被进一步优化成基于所使用 的不同相电感考虑不同最佳带宽。PID补偿器214可W被进一步优化成基于所使用的不同相 电感考虑不同最佳增益和带宽。FF单元216可W被进一步优化成基于所使用的不同相电感 考虑不同最佳开环占空比。PFM单元220可W被进一步优化成基于所使用的不同相电感考虑 不同最佳脉冲宽度。数字控制器102可W实施运些基于非对称电感的控制功能中的零个、单 个或者各个，其中的一些接下来甚至更详细地描述。
[0032] PFM是DCM的一个版本，其中降压转换器利用"接通时间"（或只Ton)、"断开时间" (或只Toff)和巧iZ时间"（或只化Z)操作，使得在Ton期间电感器中的电流从0沿斜坡增至最 大电流Imax，在Tof f期间电感器中的电流从Imar沿斜坡降至0，并且在化Z期间电感器电流 保持为OdPFM可W被实施在如下数字控制器中：其中Ton和Toff被作为Vin、Vout和L的函数 计算，并且比较器被用来确定保持在化Z中多久，使得输出电压被调节。Ton和Toff计算可W W使PFM模式中的调节器的最大电流(Imax)处理能力优化或者W使输出纹波电压最小化的 方式来完成。针对在PFM中操作的具有非对称相电感的调节器的控制器102可W通过支持多 个相中的PFM操作并通过选择最适当的电感W提供取决于预期负载电流的最小纹波来利用 电感非对称性。在一个实施例中，控制器102的PFM单元220如W下公式所给出地计算Imax、 Ton和Toff:
[0036] 其中L地表示在操作的PFM开关模式中所使用的所有功率级100的总(有效)开路电 感，并因此考虑在功率级输出电感中的非对称性。返回至图1和图2中的3相示例，其中如果 第一功率级100是操作的PFM开关模式中使用的唯一的级，则第一功率级100具有最高输出 电感L1，L地= L1。如果超过一个功率级100具有比其余功率级100更高的输出电感并且被用 在操作的PFM开关模式中，那么L地变成运些输出电感器的总(有效)并联电感，目化曲= Lphl I L地2 I I…II L地η，其中Τ'表示开路电感并且"地η"对应于针对PFM期间在使用中的η个功 率级100的相索引。
[0037] 根据该实施例，控制器102的PFM单元220作为如等式（1)中的Lph所表示的功率级 100的不同的开路电感的函数计算接通(Ton)和断开(Toff )PFM时间。PFM单元220可W选择 具有最适合于使在PFM开关模式中操作时提供至负载104的电流中的纹波最小化的开路电 感的（多个)功率级100。
[003引数字控制器102的PCL/NCL单元206可W在当限制相占空比时考虑功率级输出电感 中的非对称性，W防止超过各功率级100的正和负电流极限。例如，PWM控制的降压转换器中 的操作的CCM开关模式中的电流极限可W通过限制接通时间（Ton)或占空比(D)W便限制峰 值电流（Ipeak)来获得。标称占空比通过Vin/Vout给出，其中Vin是降压输入电压并且Vout 是降压输出电压。纹波电流通过（（乂111-￥0111:)*￥0111:)/(>;[]1礼冲3*)给出，其中1^是降压电感 并且Fsw是针对其中Ton+Toff = 1/Fsw的CCM中的固定频率操作的开关频率。给定平均或周 期中间电流(Ιο)，针对下一周期的峰值电流是针对下一周期的Ton或占空比D = Ton/Toff的 函数。基于1〇、'^(化1:、￥;[]1少3￥和1^来限制占空比或1'〇]1因此是限制峰值电流的有效方法。
[0039] 根据一个实施例，数字控制器102的P化/N化单元206通过监测各相中的1〇(1〇_ 地η)并且如W下公式所给出地通过基于各功率级100的开路电感化地η)独立地计算针对各 相的占空比极限(D1 im i t_phn)和/或时间极限(Τ1 im i t_phn):
[0043] 再次返回至图1和图2中的3相示例，其中第一功率级100具有比其它功率级100的 (多个)输出电感L2、L3更高的输出电感L1，在公式(2)中Lphl = Ll、L地2 = L2且Lph3 = L3。一 般情况下，Lphn对应于将第η功率级100禪合至负载104的电感器的特定开路电感。
[0044] 数字控制器102的电流感测单元202可W在当获得作为横跨诸如串联电阻、电流镜 或并联传感器等的对应感测元件的电压的各个电感器电流…Iln)的表示时考虑功 率级输出电感上的非对称性。例如，DCR电流感测是通过时间常数匹配的RC网络滤波的使用 了横跨电感器及其寄生DC电阻(r)的电压的并联方案，使得横跨电容器的电压与流过电感 器的电流成正比。在具有非对称相电感的系统中，电感化地η)和电阻(rjhn)两者对于功率 级100中的至少一些而变化，导致对于各相电流测量（Isen_phn)的在比例缩放和时间常数 上的差异。时间常数失配可W通过如W下公式给出地考虑不同的功率级输出电感Lphn而由 控制器102中的数字滤波器补偿：
[0047] 运样，数字控制器102的电流感测单元202可W基于各功率级100的开路电感 化地η)独立地将针对功率级100中的每一个的电流估计缩放并且调整用来计算电流估计的 时间常数^!?^纖。另外，估计方法可W用来提高电流感测单元202的精度，例如使用给 3女义巧於 定对应的Ρ丽控制信号和相电感化地η)的状态的预期的dl/dt的知识。数字控制器102可W 通过提供独立的缩放和时间常数补偿W及独立的电流估计W使电流感测精度最大化来支 持利用非对称相电感的提高的电流感测。
[0048] 数字控制器102的电流平衡单元204可W作为由电流平衡单元204实施的相电流平 衡功能的一部分考虑在功率级输出电感上的非对称性。例如在多相降压转换器中，各个相 电流被测量并且各相中的电流可W被W使得在各功率级100上的总电流的分布被平衡的方 式调整（即，相电流被调整成在所有相上基本相同）。相电流的平衡可W通过在施加至各功 率级100的PWM宽度(duty)中实施增量差异来获得。略宽的PWM宽度导致增加的相电流并且 略窄的PWM宽度导致减小的相电流。电流平衡单元204检测各个相电流与目标电流(例如，相 电流的平均)之间的差异，并且将对应的改变施加至与该差异成正比的脉冲宽度(duty)。在 相电流上的相应改变于是与相位宽度调整成正比并且与对应的相电感成反比。
[0049] 在一个实施例中，电流平衡单元204施加与差异的积分成正比的在脉冲宽度上的 改变，或者比例(P)和积分(I)项的总和也可W被使用，并且一般被限定为电流平衡（IBAL) 滤波器。由于电流平衡单元204的各IBAL滤波器在不同相电流上操作，所W -般存在有被提 供W支持多相操作的多个滤波器。电流平衡单元204可W通过如下方式来支持针对具有非 对称相电感的系统的提高的电流平衡功能:测量各个相电流(I sen_phn)(例如如公式(3)给 出）、基于相电流的期望的分布计算针对各功率级100的目标相电流、为各相提供独立的滤 波器并且根据各个相电感化地η)调整增益和滤波器设定。一般情况下，数字控制器102可W 计算针对功率级100中的每一个的目标电流并且根据针对各功率级100的目标电流来控制 该功率级100的开关。电流平衡单元204可W基于各功率级100的开路电感（Iphn)独立地调 整目标电流。
[0050] 图4图示出被附接至诸如PCB(印刷电路板)等的板300且具有非对称输出电感的多 相开关电压调节器的功率级电感器化η)的实施例。图4中示出六个功率级电感器。一般情况 下，提供具有不同的开路电感的至少两个电感器。电感器中的至少一个具有比其它电感器 更高的开路电感。在一个实施例中，电感器中的至少一个具有18化Η或更大的开路电感并且 其它电感器具有150ηΗ或更小的开路电感。在另一实施例中，电感器中的至少一个具有 22化Η或更大的开路电感并且其它电感器具有15化Η或更小的开路电感。
[0051] 取决于控制器102的特定应用和复杂程度，可W实现功率级输出电感的不同组合。 一般情况下，在轻负载条件期间使用较高输出电感并且在满功率条件期间使用所有电感 器。在一个情况中，电感器中的一个具有比其它电感器更高的开路电感并且其它电感器具 有相同的开路电感。在图4中示出的示例中，两个最外侧电感器具有最高的开路电感化0)并 且在轻负载条件下被用在操作的DCM开关模式中。接下来的两个内侧电感器具有较低开路 电感化1)，并且两个最内侧电感器具有最低开路电感化2)。例如，L0 = 220nH，Ll = 18化Η并 且 L2 = 150nH。
[0052] -般情况下，功率级输出电感器中的至少一个具有与其它功率级电感器相比不同 的开路电感。还有，各输出电感器Lx具有特定长度化)和宽度(W)。在一个实施例中，所有电 感器都具有相同的长度化)和跨度(W)而不管相电感非对称性。例如，不同电感器可W根据 相电感非对称性具有不同的长度化)和/或宽度(W)。在另一配置中，禪合的电感器可W被用 于相电感器中的一些或所有。禪合的电感器包括绕在相同忍上的两个或多个单独的电感 器。禪合的电感器的绕组可W被串联、并联或者作为变压器连接。
[0053] 禪合电阻器在高电流多相降压转换器中提供的益处在于，相移允许了来自多个禪 合相的磁场被消除，运使纹波电流最小化。在纹波上的该降低允许了较低电感被使用，使得 提高了瞬态性能并且可W增加最大相电流或者可W降低电感器的物理尺寸。然而，禪合的 电感器不是非常适合于轻负载操作，因为电感低并且没有磁场消除，所W如果不是所有相 都活动的话纹波电流会高。因此，使非对称相具有标准(单个）电感器和高电感允许了具有 禪合的电感器的多相降压转换器通过使禪合的电感器相不活动并且只操作具有标准（单 个）电感器的相而具有高的轻负载效率。例如在图4中，电感器部件Lx中的一个可W是具有 较高电感的标准(单个)电感器并且其余相可w被实施为禪合的电感器、例如被布置为成对 的禪合的电感器，虽然也有可能使超过两个的相禪合。
[0054] 不同的相电感器类型(标准和禪合)可W根据相电感非对称性具有不同的程度化） 和/或宽度(W)。在任何情况中，电感器可W被并联地布置在板300上并且在板300上占据同 样的覆盖区，其中术语"覆盖区"是指为了安装电感器中的一个而在板300上的针对各电感 器所需的物理布局。
[0055] 诸如"第一"、"第二"之类的术语被用来描述各种元件、区域、部分等并且也不意在 限制性的。同样的术语贯穿描述是指同样的元件。
[0056] 如在本文中使用的，术语"具有"、"含有"、"包括"、"包括"之类是指示出所陈述的 元件或特征的存在的开放式术语，并不排除附加的元件或特征。冠词"一"、"一个"和"该"意 在包括复数W及单数，除非上下文另外清楚指示。
[0057] 需要理解的是，在本文中所描述的各种实施例的特征可W彼此组合，除非另有具 体指出。
[0058] 虽然在本文中图示出并描述了具体实施例，但本领域普通技术人员应该领会的 是，各种各样的可替代的和/或等效的实施可W取代所示出和描述的具体实施例而不脱离 本发明的范围。该申请意在涵盖本文中所讨论的具体实施例的任何修改和变化。因此，意在 该发明仅由权利要求及其等效替换限制。
【主权项】
1. 一种多相开关电压调节器，包括： 多个功率级，均被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，所述电感器中的至少一 个具有比其它电感器更高的开路电感，使得所述功率级中的至少一个具有与其它功率级相 比不同的输出电感；以及 控制器，被配置成控制所述功率级的开关以便调节所述多相开关电压调节器的输出电 压，包括:在所述负载处的满功率事件期间，允许所有所述功率级都通过相应的电感器将电 流提供至所述负载，并且在所述负载处的低功率事件期间，防止除了具有所述更高的开路 电感的所述至少一个功率级以外的所有所述功率级向所述负载提供电流。2. 根据权利要求1所述的多相开关电压调节器，进一步包括存储器，被配置成存储不同 的开路电感值以及与所述不同的开路电感中的每一个相关联的所述功率级的指示。3. 根据权利要求1所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成在控制所述 功率级的开关时考虑所述功率级的所述不同的开路电感。4. 根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成根据所述功 率级的所述不同的开路电感计算针对所述多相开关电压调节器的不连续导通开关模式的 接通和断开时间。5. 根据权利要求4所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成当在所述不 连续导通开关模式中操作时选择具有最适合于使提供至所述负载的电流中的纹波最小化 的所述开路电感的所述功率级。6. 根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成在所述多相 开关电压调节器的连续导通开关模式中基于各功率级的所述开路电感独立地确定所述电 感器中的每一个的峰值电流极限。7. 根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成基于各功率 级的所述开路电感独立地估计所述电感器中的每一个中的电流。8. 根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成计算针对所 述功率级中的每一个的电流估计，并且其中所述控制器被配置成基于各功率级的所述开路 电感独立地使所述电流估计缩放以及调节用来计算所述电流估计的时间常数。9. 根据权利要求3所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成计算针对所 述功率级中的每一个的目标电流、根据针对各功率级的所述目标电流控制该功率级的开关 并且基于各功率级的所述开路电感独立地调节所述目标电流。10. -种用于多相开关电压调节器的数字控制器，所述多相开关电压调节器具有多个 功率级，所述多个功率级中的每一个被配置成通过电感器将输出电流传递至负载，所述电 感器中的至少一个具有比其它电感器更高的开路电感，使得所述功率级中的至少一个具有 与其它功率级相比不同的输出电感，所述数字控制器包括控制电路，所述控制电路被配置 成控制所述功率级的开关以便调节所述多相开关电压调节器的输出电压，包括:在所述负 载处的满功率事件期间，允许所有所述功率级都通过相应的电感器将电流提供至所述负 载，并且在所述负载处的低功率事件期间，防止除了具有所述更高的开路电感的所述至少 一个功率级以外的所有所述功率级向所述负载提供电流。11. 根据权利要求10所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成在控制所述功率 级的开关时考虑所述功率级的所述不同的开路电感。12. 根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成根据所述功率级 的所述不同的开路电感计算针对所述多相开关电压调节器的不连续导通开关模式的接通 和断开时间。13. 根据权利要求12所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成当在所述不连续 导通开关模式中操作时选择具有最适合于使提供至所述负载的电流中的纹波最小化的所 述开路电感的所述功率级。14. 根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成在所述多相开关 电压调节器的连续导通开关模式中基于各功率级的所述开路电感独立地确定所述电感器 中的每一个的峰值电流极限。15. 根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成基于各功率级的 所述开路电感独立地估计所述电感器中的每一个中的电流。16. 根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成计算针对所述功 率级中的每一个的电流估计，并且其中所述控制电路被配置成基于各功率级的所述开路电 感独立地使所述电流估计缩放以及调节用来计算所述电流估计的时间常数。17. 根据权利要求11所述的数字控制器，其中所述控制电路被配置成计算针对所述功 率级中的每一个的目标电流、根据针对各功率级的所述目标电流控制该功率级的开关并且 基于各功率级的所述开路电感独立地调节所述目标电流。18. -种多相开关电压调节器，包括： 多个功率级，均被配置成将电流传递至负载，所述功率级中的每一个包括在共用节点 处通过电感器被耦合至所述负载的高侧晶体管和低侧晶体管，所述功率级电感器中的至少 一个具有比其它功率级电感器更高的开路电感，使得至少一个功率级具有与其它功率级相 比不同的输出电感；以及 控制器，被配置成控制所述功率级的开关以调节所述多相开关电压调节器的输出电 压。19. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的一个具 有比其它功率级电感器更高的开路电感并且所述其它功率级电感器具有相同的开路电感。20. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所有所述功率级电感器具有相 同的长度和宽度。21. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的至少一 个具有180nH或更大的开路电感并且所述其它功率级电感器具有150nH或更小的开路电感。22. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的至少一 个具有220nH或更大的开路电感并且所述其它功率级电感器具有150nH或更小的开路电感。23. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器被并联地布 置在印刷电路板上并且在所述印刷电路板上占据同样的覆盖区。24. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以相同的 频率但是不以均匀的间隔开关所述功率级。25. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以不同的 频率开关所述功率级。26. 根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述控制器被配置成以不均匀 的排序开关所述功率级。27.根据权利要求18所述的多相开关电压调节器，其中所述功率级电感器中的两个或 更多个被实施为耦合的电感器。
【文档编号】H02M1/00GK105871208SQ201610077420
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】E·托德罗夫, B·唐
【申请人】英飞凌科技奥地利有限公司