动态调整的多相调节器

餘领域

本发明过涉及一种电压调节器，且更M地，涉及一种开关型调节器，

其包括但不局限于多相开关型降压(buck)、升压(boost)、升降压(buck-boost) 调节器以及其同步X"。

背景絲

J赋技^^是供的电压调节器存在着不少缺点。 发明内容

本发明的一个方面提供了一种带有促进高效多相调节器的部件的集成 电路，包括：控制多个相脚以向负载提供负载电流的控制器，所述控制器具 有监测所述负载电流以基于所述监测负载电流而使能多个所ii^目脚的电路。

本发明的另一方面又提供了一种电压调节器，包括：可控制iW給到负 载以向其提供负载电流的多个相脚；以及控制器，所述控制器井給到所述多 个相脚，以监测所述负载电流，并基于所监测的负载电流而控制有多少个所 對目脚参与，以提供电^JJ斤述负载。

附图说明

本发明的实施例通过范例的方式而不是限制的方式在附图中的图形中

示出，在附图中相似附图标i汰示类似的部件。 图1是根#~~些实施例的电压调节器的框图。 图2是实谢艮据一些实施例的实现动态定相电压调节器的程序。 图3是根^"-些实施例的动态定相多相电压调节器的示图。 图4是根^""些实施例的适用于图3中的电压调节器的脉冲f^L调制器

的部分示图。图5是根据一些实施例的带有动态定相电压调节器的计算机系统的示图。

M实施方式

iUy/Hf的不同实施例描述了动态可调节的多相电压调节器（VR)，

其能够提供增强的效率响应棒性。

多相开关型调节器例如所谓的降压变换H(buck converter)通常用于将稳 定直流电压传输^fi且件，这些组件包括^^局限于孩狄理器、芯片组、记忆 卡以及图^if口速器。开关型调节器通常4狄至少一个或多个开关和/或整沪丄 件和电感器来实现"相脚"（phase-leg)，以通过调整电压节点(regulatedvoltage node)/A^口的电压源将开关控制的电流传输至负载。当负载需要更大的电流 时，该一个或多个开关被控制以在开关周期内以较长的持续时间,A^口的电 压为负载提供电流。相反的，当负载需要更小的电流时，在周期内以4鈔豆的 持续时间«口电流。

开关元件中的开关损Wl于在轻载时在整个功^H员耗中占支酉2iiM立，而

传导损耗则趋于在较大负载时在功率损耗中占支酉^M立。结果，功率4封妙文 率典型的斜目对中等的负载^^牛下ii^最高，并iL^常Mi^行下在轻载和较 大负载时都趋于减小。

至于多相调节器，若干相脚通常^^至调整电压节点以将它们的电流传 g此。每个相脚的导电时间在开关间隔内^^错的，典型的是均匀交错的， 以使输出电压/电流的玟波最小化，并且,氐需要滤去开关噪声的输出电容的 大小。这种技辆常被称作多相功率变换。为了,氐传导型功i^员耗，多相

变换器妇目对高负载电流^f牛下通常是优化的。但不幸的是，电子组件，例 如在计算平台上，在低电流"空闲"模式下耗费了大量时间，其导致4敝的调

节器运行以及不希望的功率损耗。例如在电^ki^行平台这样的损M^i文 大。因此，就需要#斤方法。

图UW标出了根^^些实施例的多相电压调节器（VR)。其包括VR 控制器102 (有时称作脉冲M调制器，PWM)、驱动恭滤波电路104、以;s^^馈电路106 ，这些^p如示出的井^^为负载i io提供调整电压供給Vr。该VR控制器包^iE辑和电路，以为驱动滤波电路104内的相脚提 供脉冲宽度调制驱动信号（&: PN)。反馈电路井給至VR节点，也J7入驱 动滤波电路104,用以为控制器102提供电压和电流反馈信号以调节输出电 压VR,以及动态控制不同相位的相脚，以维持期望的运行效率。电压反馈 相应于VR，而电流反馈（其可能实际上采用电压信号传送）表示相脚中提 供给负载110的电流。控制器控制相脚，从而负载电流大致均匀地分配在到所有激活的相脚 (或相(phase))上。取决于负载电流的需要，多个才財皮"f吏能，以使得^-" 相在给定的负载电流范围内都运行在合适的效率水平下处。在一些实施例 中，控制器监控^^平均负载电流并使能选定数目的相，以使4f^相的平均 电流维持在所期望的效率的合适窗口内。当*负载电流的需要增大时，相 可負gA5敫活，JbN反地的，当负载电流减小，它们可去斷dropout)。在一些 实施例中，^t负载变轻，相能够以一次一个的方式不M，在最轻的负载 运行时由单一相支持。图2示出了根据一些实施例的用于动态控制多相VR的程序。在202, 多个相躲—皮提供以用于为公共负载(common load)供应电力fu^i周整电压。在 204，选定数目的相躲—皮不同相位的驱动信号驱动。选定的数目是动态地基于负载需要的电流量的。图3示出了根据图1的变换器的一些实施例的带有动态定相控制的多相 开关DC-DC变换器（电压调节器）300。变换器300通常包括^0中t^调制 器（PWM)(或控制器）302、驱动器部分312、输出滤波部分322、电流 反馈部分332以及电压反馈部分342，所有这些如示出i融^^,以向负 载350提供调整电压（VR)。（电^^口电压反馈部分对应于图1中的反馈电 路106 )。在描述的实施例中，驱动器部分312包括N个驱动器（A);电流反馈 部分332包括N个电流传感器（I-Sensei)，且输出滤波部分322包括N个 电感（Li)以及一个电容C。驱动器（Di)通过电流传感器（I-Sensei)并給至电感（Li),形成N个相脚304i。如示出的，相脚304^給至公共输出电 压节点（Vr)来^^电^JiJ调节负栽350。如纽所^f躺的，术语"相脚"指的是一驱动器（也#谈， 一个或多个开 关和/或整流部件），该驱动凝馬合至一个或多个电感和/或电容，并津給至 调整电压节点，以通过该一个或多个电感和/或电容将施加电源(applied supply)的4^ (例如Vm)可控制iM給至调节负载。相脚可以实现多相变 换器中的一相用于^f可期望的变换器方案，这些方案包括^T、局限于降压、 同步降压、升压、升降压、或^J敫变换H(flybackconverter)。例如，在同步 降压型变换器中，相脚中的驱动器（Di)可以包括互补的PMOS和NMOS 晶体管，它们的漏4W目连并共同耦合至电感器，以可开关地将其井^^«口 的高侧电源，井給至低侧电源，或者使其三态。另一方面，相脚可配置以完 成标准降压型驱动H(buck type driver),例如，带有开关，例i^^至电感的 晶体管，该电感具有从参考低电源^^至开关电感节点的二報管，以在开关 打开时为电^4是供电流。并JL^本发明的范围内，不计M的其它驱动器和 电感/电容的实^M寻^fc^领域技^A员所意识到。沿着相同的思路，应当意识到，电感可以由任何形式的电感实现（或就 此而言的^S器技术），以提供期望的电感量，电感量i^夹于设计关注点以 及运行环境而变化。例如，它们可能被制it^具有磁芯或者被实施为具有所 谓的"气芯(air-core)"。它们可育W皮设置^目互石對禺合，或者可i^^^也，其 中一些或全部能处于破坏性的津給没置中。在一些情况下，取决于诸如开关 频率禾^i殳计所关心的因素，它们甚至有可育M皮实施为具有简单的執^(trace) 或舰物。(术语"PMOS晶体管"指的是P型金属氧化物半^M^^晶体管。同 样的，'mios晶体管"指的是N型金属氧化物半导体场^I晶体管。应当 意识到，只要^u吾"晶体管"，'mos晶体管"，'mios晶体管"，或"pmos晶体管1皮使用，除非另外明确指出或规定它们应用的性质，否则它们都是 以示范方式被应用。它们包括不同种类的MOS装置，包括具有不同VT和 氧化物厚度的装置，纽只提及了4分。另夕卜，除非指定为MOS或类似，术语晶体管包括其它合适的晶体管类型，比如，已知的或尚未开发的结型场 效应晶体管、双极结型晶体管、以及各种类型的三维晶体管）。在描述的实施例中，电流反馈部分332包括电流传感器334 (I-Sensei), 其串联^^斜目关联的驱动器（A)和电感（Li)之间，以提供指示相脚中 电流的信号（I)。它们可以由任何合适的装置或装置的组合来实现，以监 观'湘脚中的电流，但基本上不会阻止其电流。在描述的实施例中，每个阵感 器》tt在驱动器和电感之间，但这不是必需的。例如，它们可以插4相脚 中的4封可地方来指示其电流。实际上，单独的传感器元件甚至可以不插入在 相脚的电流逸洛中。例如，在一些实施例中，晶体管可能以电流^H竟结构 斷目脚驱动器中的晶体管而耦合（例如，寿給至外加源的P型晶体管），以 指示相脚中的电流。该形成^#镜的附加晶体管可以例如与电阻串對禺合以 提供指示相脚中电流的电压信号。在描述的实施例中，相脚电流信号u) 是指示它们的相应相脚中的电流的电压信号。电i^6Jt部分332还包括对功率脚电^(power leg currents)求和并为负载 340提供总平均负载电流信号（IAVG)的电路（未示出）。（例如，电容可 以4皮用来对来自使能的（激活的）相脚304i的感测电流信号进行积分 (integrate),)平均负载电流（IAVG)以及^Vh感测电流信号（Ii: In)都返回 至PWM302。描述的实施例中，电流反馈部分312还包括电路，该电路产生激活电压 位置信号（VAVP)以^是供给电压反^t部分342，用于调节输出（Vr)的偏置 调整，以计及负载线阻^(load-lineimpedance)。电压反馈部分342接^j^自调节输出（Vr)的感测电压（V,)以及 Vayp信号，以产生PWM302使用的比例-积分-微分（PID)信号斜目对于期 望的参考电压（未示出）追踪调节输出电压（Vr) 。 jM^卜，在一些实^/N中， 电压反馈部分342可提^^适的反馈^hf尝(例如，具有宽带反馈4卜偿器电路)， 以提供用于相增加和去除的稳定的系统响应。（以下详细讨论）PWM 302产生应用到相脚以可控制iiM夸它们,M目关联的編。电压（Vh) 專給或者去耦合的控制（例如驱动）信号（&到Pn) 。 PWM302还产生相使能（EN2到ENN)信号，以根据需要拉起多少负载电流（由Iavg表示）而 有选择地分别使能或禁用^^相脚3042到304N。^it:行中，PWM产生驱动信号（R到Pn)来可控制地将相关联电感耦 合到^if口电压（ViJ上。基于其翻口的驱动信号（Pi)，马区动器（Di)以与 其^口的驱动信号的占空比成比例的方^U空制通过其电感（Li)而提供给负 载的电流的平均量，这样就能够用于调节负载电压（VR)。驱动信号（PJ 因j^皮称为"^o中^^调制"以调节输出负载电压（VR)。驱动信号到PN)根据时间（相移位转换）而倾斜，从而来自每个 电感的开关噪声在时间上^^配。这降低了玟波，并且允许为负载提供比否 则仅由单一相脚提供的更大的总电流量。PWM 302监测平均负载电流(IAVG) 并将其与一个或多个阈值比较，以为了运行负载电流范围内的预期效率而使 得合适数目的相（相脚）被使能。随着负载电;^曾大至下一个更高的"窗口 户"，PWM使另外的相（相脚）M。相反的，如果负栽电流下降至下一个 更低的"窗口户"，它就会去除（停止）相。以这样的方式，拟艮大程;Ul, 它将平均每相电流维持在期望的效率范围内。当相^fc&口A^去除，PWM 302在开关周期上重新分配剩余的相。反馈 回路以及输出电容应当^i^择，从而斜目重对准时使调整电压中的噪声维持 拟急定的运^f艮度内。负载条件的快速改变可能会造成输出调整电压的尖峰(spike)或下降 (droop)。因此，可以引入^;則负载瞬变的电压感测部件（图中所示）来监测 这样的瞬变。PWM 302可以^g己置成使得，当^r测到这样的负载瞬变时，PWM 'l":fet响应来激活所有的相以允许响应于瞬态事件而对输出电容进行快速充电和;故电。为了稳定地处理负载瞬变以及相应的相调整爭f牛，可能期望 (如果不是必要的话）具有相对较低带宽的电流感测(current sensing),比如上面讨论的具有lAVG产生的平均方案。图4示出了根提用于3相多相变换器例子的一些实施例的PWM 302的 部分。它"^殳包括控制/DLL (延迟锁定环）电路402、求和电路404-408、 2: l开关410、比较器412-416以及滞后tt^支器418、 420,如图所示并給在i。控制/DLL电路402接收参考信号401并从其产生四个参考相信号:CP1 到CP4。 CP1具有0。的相位角；CP2具有120°的相位角；CP3具有240°的 相位角；CP4具有180。的相位角。在描述的实施例中，参考信号是时钟（例 如脉沖序列）信号，其被用作用于DLL电路的参考相以产生具有期望相位 角的时钟。不同定相的^0中时钟接着被转4线具有相应的相位角的三角形信 号，以4是供CPi信号。然而，也可以使用#他方法。例如，其它PWM方法 中，脉冲时钟可以用作CP信号，或者可选择的，如果需要的是三角形CP 信号，就可以用三角形参考波作为输入参考，且可以用合适的延迟电路^/人 其产生不同定相的三角形信号。在一些实施例中，可以采用频率超过lOMHz， 例如50Mhz的参考相和不同相位的信号。在描述的实施例中，DLL具有带至少四个抽头点(tap point)的延i1^ 提供四个具有其指示关系的控制相信号（CP1至CP4)。这些信号接着被转 换为三角形信号，其具有相应的相位角，且用于CPi信号。控制/DLL还可 以包^i周整各控制相信号中偏移的电路（例如，电平偏移电路），用来实现 用于调整电压（Vr)控制的^;中t^调制。求和电路404接收PE)信号和来自相1的传感电流感测电流信号I"并 且将它们相叠加来求和，该禾—皮并給到比较器412的负输入。另一个输入接 收CP1控制相信号。tk4交器输出产生相信号Pl ， Pl是占空比由PID +1！和 CP1的比较结果控制的脉冲序列。PID + ^的和实质上作为相对比于CP1三 角波的移动比较器阈值。当CP1+fPID + I1，那么P1IU:低了。相反的， 当CP1上升超过PID + Ii,那么P1变的高了。这样，PID和IH言号提供了负 反馈，因为当它们上升时，较少的CP1三角^1怜上升超过它们，导致具有较 小占空比的P1。另一方面，当它们减小时，每个CP1三角波的较大部分将 会大于它们，导致具有较大占空比的Pl。（应当意识到，有4艮多方式可以 iiJiJ期望的反馈，也#^_，关于PID和I!的负反馈。例如，在可选实施例中， DC直^#考在正负输7^:被«口，并且CP1信号被«口到求和电路404与 PID和]4相加。以这沖羊的方式，DC参考而不是三角波能够被调整，以控制输出电压值。可选择的，CP1和PE)可以^^，例:^f目加，并""^翻口到 负输出，并且DC参考可以与负片"的Ij相加，jHi4目加的禾—皮«口到正端。 在本发明范围内的其它不同的方式以Ai且合也可以被实施。）求和电路408以及比较器416功育^目似，除了它们作用于CP3、 PID、 以及13以产生相信号P3。求和电路406和比较器414的运行也A^目似的， 除了它们作用于CP2或者CP4 (取决于开关410的选择）、PID信号和12 来产生相信号P2。滞后比4交ll(hysteretic comparator)418和420用于决定^目（PI, P2和 P3)中有多少相应当参与。和i^描述的其它功能电路块一样，它们可以用 4封可合适的电路来实现，这些电路包括但不局限于模拟电路部件、数字逻辑 部件、机器码以及勒以物。这两个比较器在它们的正输^t接收平均负载电 流信号（IAVG)，但是比较器418在其负输A^接收固定参考信号（Vref3 )， 而比较器420在其负输A^:接收固定参考信号（Vref2) 。 （VreC的值大于 Vref2)。当IAVG高于VreB (因此也高于Vref2) ， EN3和EN2信号桐夺被 断言以使能4^M4目。另一方面，当lAVG高于Vref2但小于Vref3，那么EN3 将不被去断言(de-assertX旦EN2将^支断言以4吏得相3 ^皮去除而只有相1和2 ^fc敫活的。当lAVG小于Vref2(因此也小于Vref3)，那么EN3和EN2 老M夺被去断言以禁用相3禾—目2，从而只有相1保挣激活。因此，VreB应 当一致于当对于三个激活的相而言的平均每相电流变得无效率的低的点，而 VreG应当^fet择为一致于当对于两个激活的相而言的平均每相电流变得无 效率的低的点。图4的电路不仅动态J^空制基于负载电流而激活的开关功率脚的数目， 而且，它#当相被去除时重新分配（必要时）剩余的相。itW卜，它提供用 于激活的相的负载平衡。这能够最简单地由当相3被去除时其晃怎样工作的 说明来描述。当lAVG小于Vrefi， EN3寻皮去断言，itit^目3禁用。（注意，当被去 除时，相能够与负载隔离或者以任何合适的方式禁用一些通路。例如，由对 应使能信号控制的晶体管开关可以净M于从负载隔离相关的开关功率脚。）EN3的去断言iiii^开关410选择CP4代替CP2。这导致比较器414 处的参考三角现在位于相对相位角180。处而不是120°处。因此，两个激活 的相，相1糾目2在0°和180。J^目应地平均重新分配。jtW卜，注意每相的 感测电伊d皮以负反馈的方式（加到PE)信号）施加到相关的比较器。这导致 ^^急态和瞬态^H牛下的合理的负载平衡，因为如果^f可开关功率晰'升高"太 快，它将被其相关驱动信号（Pi)占空比的减小而抑制。应当意识到，这些 电3&支术可以扩大到更多数目的相。更多的开关被要求，但是由于参考相源 具有足够数目的抽头点，不同相的必要的相组合（如其它相被去除或加入） 可以合理^^皮实现用于足够平均的相分配。

参考附图5，计#^系统的例"^皮示出。描述的系统"^殳包4舌井給至多 相电压调节器504的处理器502、务賭器506、以^Jt线接口 508。其摔給至 电压调节器504以在运行时从^l妾收功率。无线接口 508津給至天线509, 以通itt线接口芯片508通信iUW給处理器至无线网络（未示出）。多相 电压调节器具有如本文公开的动态相调整（例如，相使微禁用）。

应当注意到，描述的系统可以以不同的形式实施。也，^l，它可以以单 一芯片模块、电路板或者具有多个电路板的底盘来实现。相似的，它可以组 成一个或多个完整的计算机，或可选择的，它可以组成计算系统内的有用的 部件。

本发明不局限于描述的实施例，而且能够在所附权利要求的精神和范围 内以改变和变更的形式被实施。例如，应当意识到，本发明可以应用于所有 形式的半导*成电路（"IC")芯片。这些IC芯片的例子包括^^局限于 处理器、控制器、芯片组部件、可编禾lil辑阵列（PLA)、，器芯片、网 络芯片以及类似物。

进一步的，应当意识到尽管示例的大小/模型/ii/范围已经给出，但本发 明并不局限于相同物。随着制造技术（例如，光蚀刻法）日益成熟，期待更 小尺寸的装置能够被制造出。otl^卜，为了说明^"i寸论的简便以及不混淆本发 明，并給至IC芯片或其它部件的已知的功率/接i^4接可以或可以不被附图 示出。进一步的，为了避免混淆本发明，以及还考虑到相应于这样的框图设置实现的细节高度取决于本发明实施的平台，也，^L说，这样的细节可以在 ^4页域技#员的范围内知晓，设置被以框图的形式示出来。为了描ii^发 明的实施例，其中M细节（例如，电路）被提出，对于本领域才支#员明 显的是本发明可以在不改动或改动这些M细节的情况下被实践。因》U笛述 应当4皮视为说明性的而不是限制性的。