專利名稱：Pwm電壓調節器的控制電路及方法
技術領域：
本發明涉及一種脈寬調變(Pulse Width Modulation ；PWM)電壓調節器,特別是關于一種PWM電壓調節器的控制電路及方法。
背景技術：
近代中央處理器(CPU)的負載電流是高度動態且從輕載到最大負載的變化非常快速的。CPU的一次電流暫態變化可能在I微秒(ys)以內，此時間小于典型的脈寬調變電壓調節器的切換周期，不論其是電壓模式或電流模式控制。為解決 此問題，用來提供電壓給CPU的PWM電壓調節器大部分是藉設定其輸出的電壓變化門檻來觸發另一非閉回路調節機制，例如觸發另一 PWM工作時間(on-time)或立刻停止非工作時間(off-time),或增加PWM信號的工作周期比(duty)。然而這種設計有兩個主要的缺點第一，該電壓變化門檻是不連續的，因此只有在輸出的衰減電壓超過該電壓變化門檻時才能改善暫態響應；第二，該電壓變化門檻是固定的，因此不適用各種應用。此外，若使用外部元件來設定該電壓變化門檻，則需要額外的接腳，這將增加成本且降低電路板設計的彈性。目前，應用在CPU的電壓調節器大多使用適應性電壓位置(Native AdaptiveVoltage Position ;N_AVP)控制，例如美國專利號7，436，158。傳統的PWM架構通常使用鋸齒波信號作為參考值與輸出電壓信號或電感電流信號比較而產生PWM信號供控制電壓調節器的切換。在負載由輕載轉為重載的暫態期間，PWM電壓調節器的輸出電壓瞬間下降，可能因為降到太低而導致CPU停止操作。目前已有許多解決控制回路暫態問題的方案，例如美國專利申請案公開號2007/0013356利用電壓模式控制回路來解決快速暫態響應問題，但這種方法會因為同步時脈而遭遇時序問題，而且也無法在暫態發生時即時反應。美國專利申請案公開號2007/0109825提出一種感測負載電流以改變時序源的方法以克服前述的時脈時序問題，但此方法也無法在暫態發生時即時反應。美國專利號7，615，982在負載電流超過門檻時插入一非閉回路PWM脈沖以改善暫態響應，雖然可以在暫態發生時即時反應，但其是非線性控制，可能造成電壓調節器的控制回路不穩定。
發明內容
本發明的目的之一，在于提出一種改善PWM電壓調節器的暫態效能的控制電路及方法。本發明的目的之一，在于提出一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，在該PWM電壓調節器暫態期間根據其輸出的電壓變化動態地調整其PWM信號。本發明的目的之一，在于提出一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，根據該PWM電壓調節器的輸出電壓漣波頻率判斷是否發生暫態。根據本發明，一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，結合高頻反饋(feedback)技巧與固定工作時間或固定非工作時間架構，以改善該PWM電壓調節器的暫態效能。根據本發明，該PWM電壓調節器根據一電流產生固定工作時間或固定非工作時間以產生PWM信號，并在暫態期間根據其輸出的電壓變化動態地調整該電流。根據本發明，該PWM電壓調節器檢測其輸出電壓漣波頻率，使用高頻反饋回路調整該電流。根據本發明的控制電路及方法至少達成多項優點第一，不需要任何負載步階檢測的門檻，其觸發僅與暫態速度有關，且其響應正比于暫態速度及步階；第二，可以不需要額外的接腳就能改善暫態響應；第三，提供高度彈性予電路板設計以改變加速暫態響應的能力；第四，適用多種類型的應用。
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明的限定。在附圖中圖I為應用本發明的CCR COT PWM電壓調節器； 圖2為圖I中的電源管理IC及高頻反饋控制器的實施例；圖3為圖I中的高頻反饋控制器的另一實施例；圖4為圖I的PWM電壓調節器的波形圖；以及圖5為本發明的控制電路的另一實施例。附圖標號10控制電路12輸出級14 CPU142 CPU的電源輸入接腳16高頻反饋控制器18 電源管理IC182電源管理IC的固定時間設定接腳184電源管理IC的接腳20驅動器30固定時間產生器32 PWM 比較器34電流控制電流源36比較器38控制器40 PWM信號Sp碰的波形42輸出電壓Vout的波形44 PWM信號Sp碰的波形46輸出電壓Vout的波形48 PWM 信號 SpwTii 的波形50輸出電壓Vout的波形
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。在傳統的PWM電壓調節器中，習慣增加補償電路來濾除反饋信號的高頻成分，但本發明反其道而行，提出一種特別的高頻反饋回路來控制高頻反饋信號，其能有效的改善PWM電壓調節器的暫態響應。此高頻反饋回路為線性控制回路而且只針對控制回路的高頻部分。此高頻反饋回路可以用簡單的被動元件及結構實現。參照圖I的實施例,本發明應用在定電流鏈波(Constant Current Ripple ；CCR)固定工作時間(Constant On Time ;COT) PWM電壓調節器。該CCR COT PWM電壓調節器使用N-AVP控制且其PWM觸發機制類似谷值電流模式(valley current mode) COT控制回路。正如同已經廣為熟知的，該PWM電壓調節器包括控制電路10及輸出級12，且輸出級12根據控制電路10提供的PWM信號Spwm產生輸出電壓Vout供給CPU 14的電源輸入接腳142。輸 出級12包括驅動器20根據PWM信號Spwm切換開關SWl及SW2而控制電感電流IL對電容Co充電，以產生輸出電壓Vout，這些是現有技術。控制電路10包括電阻Rset、電源管理IC18及高頻反饋控制器16。電阻Rset連接在電壓輸入端Vin及電源管理IC 18的固定時間設定接腳182之間，供應電流Iset到固定時間設定接腳182，電源管理IC 18根據從固定時間設定接腳182接收到的電流Il產生固定時間Tcon，用來決定PWM信號Spwm的工作時間或非工作時間。在CCR COT PWM電壓調節器中，電流Il正比于電感電流IL以使輸出電壓Vout的漣波固定。高頻反饋控制器16連接在固定時間設定接腳182及電源輸入接腳142之間，用來建立高頻反饋回路。固定時間設定接腳182及電源輸入接腳142都是IC或芯片原本就有的接腳，因此在此實施例中不需要增加額外的接腳。參照圖1，在正常操作期間，輸出電壓Vout的漣波處于低頻，高頻反饋控制器16如同斷路，因此經固定時間設定接腳182流入電源管理IC 18的電流Il = Iset。在供給CPU14的輸出電壓Vout發生快速且大范圍下降時，輸出電壓Vout的漣波頻率超過高頻反饋控制器16的門檻，促使高頻反饋控制器16建立高頻反饋回路從固定時間設定接腳182抽取電流Iqr,因而調整電流Il = Iset-Iqr,進而調整固定時間Tcon。電流Iqr的大小取決于輸出電壓Vout的衰減電壓，因此高頻反饋控制器16會自行追蹤輸出電壓Vout的衰減電壓而調整電流Iqr，因而動態地調整固定時間Tcon。高頻反饋控制器16設置在電路板上而非電源管理IC 18中，因此電路板設計者只要改變高頻反饋控制器16的元件就可以改變高頻反饋控制器16的加速能力，以符合各種應用，故對電路板設計者而言，本發明提供更好的彈性。圖2為圖I中的電源管理IC 18及高頻反饋控制器16的實施例。電源管理IC 18包括固定時間產生器30根據電流Il產生固定時間Tcon，以及PWM比較器32在反饋電壓VFB低于參考電壓Vrefl時觸發信號St給固定時間產生器30以觸發PWM信號Spwm。如同大家已熟知的，反饋電壓VFB是PWM電壓調節器的輸出反饋信號，通常與輸出電壓Vout成正t匕。固定時間產生器30包括電流控制電流源(Current Control Current Source ；CCCS) 34根據電流Il產生電流12對電容Cl充電，開關SW3與電容Cl并聯，比較器36比較電容Cl的電壓Vcl及參考電壓Vref2以產生PWM信號Spwm。在一實施例中，當控制器38響應觸發信號St而產生短脈沖Ssp重設電容Cl至接地電壓時，PWM信號Spwm轉為高準位，在短脈沖Ssp結束使開關SW3變為開路(off)后，電容Cl的電壓Vcl上升，當電壓Vcl達到參考電壓Vref2時，PWM信號Spwm轉為低準位。電流12的大小決定電壓Vcl的上升速度，因而決定PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon的長度。參照圖2，高頻反饋控制器16包括由快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr組成的高通RC濾波器。快速響應電容Cqr與快速響應電阻Rqr串聯，快速響應電容Cqr連接電源輸入接腳142，快速響應電阻Rqr連接固定時間設定接腳182。在正常操作時，輸出電壓Vout的漣波處于低頻，因此快速響應電容Cqr如同斷路。當輸出電壓Vout發生暫態而瞬間下降時(為高頻的暫態)，反饋電壓VFB也瞬間下降而低于參考電壓Vrefl，因而立即觸發信號St以觸發PWM信號Spwm，進而達成即時響應，同時，因為輸出電壓Vout的漣波頻率上升至高頻范圍，快速響應電容Cqr如同短路，所以快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr形成分流路徑從固定時間設定接腳182抽取電流Iqr以降低電流II，因而降低電流12。隨著電流12下降，電壓Vcl的上升速度變慢，因此PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon變長，進而避免輸出電壓Vout過低而導致CPU 14停止操作。適當的選擇高頻反饋控制器16的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr的RC值，能有效改善電壓調節器的暫態響應。在其 他實施例中，高通濾波器中的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr可以用主動元件取代。除了高通濾波器之外，高頻反饋控制器16也可以用其他高頻信號過濾電路來實現。由于控制電路10并非根據輸出電壓Vout的變化量來判斷是否發生暫態，因此毋須設定電壓變化門檻，而且可以根據輸出電壓Vout的變化量線性地調整PWM信號Spwm的固定時間Tcon，因此具有較佳的控制回路穩定性。當輸入電壓Vin改變、負載改變或電壓識別(voltage identification)VID改變而導致輸出電壓Vout發生暫態時,控制電路10皆可提供較佳的暫態效能。在圖2的實施例中，快速響應電阻Rqr在暫態發生后可以使分流路徑持續一段時間，但是電流Iqr的大小受限于快速響應電阻Rqr,因而限制了 PWM信號Spwm的固定時間Tcon的長度，使得所能提升的效能也受到限制。圖3為高頻反饋控制器16的另一實施例，其除了圖2中的快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr所形成的第一分流路徑外，還包括旁通電容Cbp與快速響應電容Cqr及快速響應電阻Rqr并聯以形成第二分流路徑。由于在該第二分流路徑上沒有電阻，因此在暫態發生后，旁通電容Cbp立即分流較大的電流以產生較長的固定時間Tcon，但是也由于該第二分流路徑上沒有電阻，因此該第二分流路徑只能維持很短暫的時間，在該第二分流路徑變成斷路后，該第一分流路徑將再維持一段時間，因而可以大大地改善寬范圍負載暫態響應。圖4為圖I的PWM電壓調節器的波形圖，波形44及46分別為使用圖2的高頻反饋控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout，波形48及50分別為使用圖3的高頻反饋控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout，為了對照之用，波形40及42分別為不使用高頻反饋控制器16時的PWM信號Spwm及輸出電壓Vout。在發生暫態時，如時間tl所示，沒有使用高頻反饋控制器16的PWM信號Spwm的固定時間Tcon維持不變，如波形40所示，因此無法即時提供足夠的能量來穩定輸出電壓Vout，導致輸出電壓Vout低于CPU 14所需要的最低電壓Vsd，如波形42所示；使用圖2的高頻反饋控制器16的PWM電壓調節器在暫態發生時立即增加PWM信號Spwm的固定工作時間Tcon，因此不但可以避免輸出電壓Vout過低，也可以使輸出電壓Vout更快回復穩定,如波形44及46所示；使用圖3的高頻反饋控制器16的PWM電壓調節器在暫態發生時能更加長PWM控制信號Spwm的固定工作時間Tcon，因此具有更好的效能，如波形48及50所示。在圖I及圖2的實施例中，高頻反饋控制器16藉調整電流Il來改變固定時間Tcon，但在其他實施例中，高頻反饋控制器16也可以連接固定時間產生器30中的其他節點，例如在圖5的實施例中，高頻反饋控制器16經電源管理IC 18的接腳184連接電流控制電流源34的輸出端，在暫態發生時分流電流12以調整固定時間Tcon。接腳184可以是額外增加的接腳。前述實施例利用CCR COT PWM電壓調節器來解說，但其他類型的固定工作時間PWM電壓調節器或固定非工作時間PWM電壓調節器也可以使用高頻反饋控制器16來調節PWM信號Spwm的固定時間Tcon。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保 護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種PWM電壓調節器的控制電路，其特征在于，用來提供脈寬調變信號控制所述PWM電壓調節器將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述控制電路包括 固定時間產生器，產生固定時間以決定所述脈寬調變信號的固定工作時間或非固定工作時間；以及 高頻反饋控制器，連接所述固定時間產生器，在所述PWM電壓調節器發生暫態時建立高頻反饋回路，以即時調整所述固定時間。
2.如權利要求I所述的控制電路，其特征在于，所述固定時間產生器包括 電容； 電流控制電流源，連接所述電容，根據第一電流決定第二電流對所述電容充電； 開關，并聯所述電容，以重設所述電容；以及 比較器，連接所述電容，比較所述電容上的電壓與參考電壓以產生所述脈寬調變信號。
3.如權利要求2所述的控制電路，其特征在于，所述高頻反饋控制器調整所述第一電流以調整所述固定時間。
4.如權利要求2所述的控制電路，其特征在于，所述高頻反饋控制器調整所述第二電流以調整所述固定時間。
5.如權利要求1、2、3或4所述的控制電路，其特征在于，所述高頻反饋控制器包括高頻信號過濾電路。
6.如權利要求5所述的控制電路，其特征在于，所述高頻信號過濾電路包括高通濾波器。
7.如權利要求6所述的控制電路，其特征在于，所述高通濾波器包括 快速響應電容；以及 快速響應電阻，與所述第一快速響應電容串聯在所述固定時間產生器及所述PWM電壓調節器的輸出端之間。
8.如權利要求7所述的控制電路，其特征在于，所述高頻反饋控制器更包括旁通電容與所述串聯的快速響應電容及快速響應電阻并聯。
9.如權利要求6所述的控制電路，其特征在于，所述高通濾波器包括主動元件。
10.如權利要求2所述的控制電路，其特征在于，更包括電阻連接所述固定時間產生器，根據所述輸入電壓產生所述第一電流。
11.一種PWM電壓調節器的控制方法，其特征在于，用來提供脈寬調變信號控制所述PWM電壓調節器將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述控制方法包括下列步驟 (A)產生固定時間以決定所述脈寬調變信號的固定工作時間或非固定工作時間；以及 (B)在所述PWM電壓調節器發生暫態時即時調整所述固定時間以加快暫態響應。
12.如權利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步驟A包括 根據第一電流決定第二電流； 根據所述第二電流產生線性變動的電壓；以及 比較所述線性變動的電壓與參考電壓產生所述脈寬調變信號。
13.如權利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步驟B包括調整所述第一電流以調節所述固定時間。
14.如權利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步驟B包括調整所述第二電流以調節所述固定時間。
15.如權利要求11、12、13或14所述的控制方法，其特征在于，所述步驟B包括對所述輸入電壓進行高頻信號過濾。
全文摘要
本發明公開了一種PWM電壓調節器的控制電路及方法，結合高頻反饋技巧與固定工作時間或固定非工作時間架構，以改善該PWM電壓調節器的暫態效能。該PWM電壓調節器根據一電流產生固定工作時間或固定非工作時間以產生PWM信號，并在暫態期間根據其輸出的衰減電壓動態地調整該電流，因而加速其暫態響應，且毋需任何負載步階檢測的門檻。
文檔編號H02M3/156GK102810983SQ20111018348
公開日2012年12月5日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年6月2日
發明者萬宜澄, 黃建榮, 陳文瑋 申請人:立锜科技股份有限公司