用于以pfm模式運行的開關電壓調節器的可控導通時間減少的制作方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及開關電壓調節器,具體地涉及用于開關電壓調節器的脈沖頻率運行模 式。
【背景技術】
[0002] 開關電壓調節器由于其高效和所消耗的面積/空間均小,其廣泛地在各種各樣應 用(比如,用于通訊的計算(服務器和手機)和P0L(負載點系統))的現代電子系統中被 使用。被廣為接受的開關電壓調節器拓撲包括降壓拓撲、升壓拓撲、降壓-升壓拓撲、正向 拓撲、反激式0拓撲、半橋拓撲、全橋拓撲和SEPIC拓撲。多相降壓轉換器特別適合于提供 高性能集成電路(比如,微處理器、圖形處理器和網絡處理器)所需的低電壓下的高電流。 降壓轉換器被以有源部件和無源部件來實現,有源部件比如是脈沖寬度調制(PWM)控制器 1C(集成電路)、驅動電路、包括功率M0SFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的一個或 多個相,無源部件比如是電感器、變壓器或耦合電感器、電容器和電阻器。多元相(功率級) 能夠通過相應的電感器被并聯的連接至負載,以滿足高的輸出電流需求。
[0003] 開關電壓調節器中的損耗可大致被分類為傳導損耗(conductionloss)和頻率 相關損耗(frequency-dependentloss)。在輕負載狀態下,頻率相關損耗占主要,并且在 標準的脈沖寬度調制(PWM)控制被用于輸出電壓調節時引起急劇的效率滾降(roll-off)。 為了在甚至是非常輕的負載時維持高效率,被稱為是脈沖頻率調制(pulsefrequency modulation,PFM)的控制技術通常被使用。PFM通常在調節器輸出電流降低超過臨界傳導 通流時進入,該臨界傳導通流是電感器紋波電流的一半。導通時間(on-time)通常在臨界 傳導點時基于電感值、輸入電壓和輸出電壓被設置。雖然這提供了在PWM控制期間的效率 提升,但相對較大的導通時間導致被增加的紋波電壓,并且不太理想的效率隨著輸出電流 而降低。對于在計算應用中被使用的開關電壓調節器,電壓紋波受行業標準規范的限制,以 限制中央處理單元(CPU)、現場可編程門陣列(FPGA)或其他數字設備中的功率損耗。為了 滿足額定電壓紋波,PFM進入電流通常被限制,這反過來為了紋波電壓性能犧牲了效率。亟 需高的輕負載效率,因為其為數據中心和家庭用戶節約資金,或增加手機應用中的電池壽 命。
[0004] PFM的使用是用于在輕負載狀態時實現高效率的標準技術。許多常規PFM方法使 用恒定的PFM導通時間。然而,恒定的PFM導通時間導致輸出電壓紋波隨著PFM運行而增 加。
【發明內容】
[0005] 根據一種控制開關電壓調節器的方法的實施例,該開關電壓調節器包括用于通過 電感器向負載傳送輸出電流的功率級,該方法包括:在輸出電流減少至第一閾值以下時,將 功率級設置處于PFM(脈沖頻率調制)開關模式,該PFM開關模式中的每個周期包括導通時 間、截止時間(off-time)和HiZ時間,在導通時間期間功率級的高側晶體管導通并且功率 級的低側晶體管截止,在截止時間期間低側晶體管導通并且高側晶體管截止,在HiZ時間 期間高側晶體管和低側晶體管均截止;以及響應于輸出電流上的變化,改變PFM開關模式 的導通時間。
[0006] 根據一種開關電壓調節器的實施例,該調節器包括功率級和控制器。該功率級被 配置為通過電感器向負載傳送輸出電流,并且包括高側晶體管和低側晶體管。該控制器可 操作為如果輸出電流減少至第一閾值以下,將功率級設置為PFM(脈沖頻率調制)開關模 式。該PFM開關模式中的每個周期包括導通時間、截止時間和HiZ時間,在導通時間期間 高側晶體管導通并且低側晶體管截止,在截止時間期間低側晶體管導通并且高側晶體管截 止,在HiZ時間期間高側晶體管和低側晶體管均截止。該控制器進一步可操作為響應于輸 出電流上的變化,改變PFM開關模式的導通時間。
[0007] 通過閱讀下面的【具體實施方式】以及參看附圖,本領域的技術人員將能識別其他的 特征和優點。
【附圖說明】
[0008] 附圖中的元件相對彼此不一定是按比例的。類似的附圖標記指示對應的類似部 分。各種所示實施例的特征能夠結合,除非其彼此排斥。實施例在附圖中被示出,并且在接 下來的【具體實施方式】中進行了詳細說明。
[0009] 圖1示出了一種多相開關電壓調節器的實施例的方框圖,該多相開關電壓調節器 在脈沖頻率調制模式中具有可變的導通時間;
[0010] 圖2是示出了與開關電壓調節器的脈沖頻率調制模式相關聯的各種波形的圖示;
[0011] 圖3是示出了對于在脈沖頻率調制模式中具有可變導通時間和不具有可變導通 時間的開關電壓調節器,隨著輸出電流變化的效率的圖示;
[0012] 圖4是示出了對于在脈沖頻率調制模式中具有可變導通時間和不具有可變導通 時間的開關電壓調節器,隨著輸出電流變化的效率的另一圖示;
[0013] 圖5是示出了對于具有可變導通時間和不具有可變導通時間的開關電壓調節器, 基于開關頻率被控制的脈沖頻率調制運行模式的圖示;
[0014] 圖6是示出了對于具有可變導通時間和不具有可變導通時間的開關電壓調節器, 在分立步驟中被實施的脈沖頻率調制運行模式的圖示;
[0015] 圖7是一種響應于PFM開關模式的HiZ時間、頻率或周期上的變化,改變PFM導通 時間的方法的實施例的流程圖;
[0016] 圖8是一種響應于調節器輸出電流的估計上的變化,改變PFM導通時間的方法的 實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 本文中所描述的實施例通過響應于負載上的變化改變開關電壓調節器的PFM(脈 沖頻率調制)導通時間,減少了開關電壓調節器的輸出電壓紋波,同時獲得了PFM運行模式 中的效率提升。通過允許用戶選擇導通時間是否在PFM運行中被改變以及導通時間何時被 改變,該實施例提供靈活性。這允許系統特有優化的實現。
[0018] 圖1示出了開關電壓調節器100的實施例,開關電壓調節器100包括多個功率 級102和用于控制功率級102運行的控制器104,控制器104比如是微控制器、微處理器、 ASIC(專用集成電路)。每個功率級102可操作為通過分開的電感器(Ln)向負載106傳送 相電流(ij,負載106通過該電感器和輸出電容器((:_)被連接至開關電壓調節器100。負 載106可以是高性能集成電路(比如微處理器、圖形處理器、網絡處理器等),或者需要電壓 調節的其他類型的集成電路(比如,P〇L(負載點))。
[0019] 每個功率級102具有通過相應的電感器耦接至負載106的高側晶體管(HSn)和低 側晶體管(LSn)。在不同時期中,每個功率級102的高側晶體管可切換地將負載106連接至 開關電壓調節器100的輸入電壓(Vin),并且相應的低側晶體管可切換地將負載106連接至 地。N個功率級102在圖1中被示出。開關電壓調節器100可包括任何數量的功率級102, 包括單個功率級(相位)或不止一個功率級(即,多相位,其中每個功率級是該多相調節器 中的一個相)。
[0020] 在所有情況下,控制器104通過調整被傳送至負載106的相電流,調節由功率級 102傳送給負載106的電壓(V。)。控制器104包括脈沖寬度調制(PulseWidthModulator, PWM)單元108,PWM單元108用于在CCM(連續導通模式)中通過相應的PWM控制信號(pwm) 開關每個功率級102,從而功率級102通過對應的電感器和高側晶體管或低側晶體管產生 或注入電流至負載106。當PWM控制信號處于邏輯電平高時,高側晶體管被置于導通狀態, 電感器電流通過高側晶體管被產生或注入,并且流經電感器的電流在該時期內增加。這通 常被稱為"導通時間(on-time)",并且功率級102被認為是"被導通(turnedon)"。當PWM 控制信號處于邏輯電平低時,低側晶體管被置于導通狀態,電流通過低側晶體管被獲得或 灌入,并且流經電感器的電流在該時長內減少。這通常被稱為"關斷時間(off-time)",并 且功率級102被認為是"被關閉(turnedoff)"。
[0021] 控制器104還包括脈沖頻率調制(PFM)單元110,PFM單元110用于在DCM(非連 續導通模式)中通過相應的PFM控制信號(pfm)開關功率級102中的一個。在DCM中,電感 器電流或電容器電壓中的開關紋波導致所施加的開關電流或開關電壓的極性反轉,并且在 電感器電流是0時,低側晶體管不被允許導通。在DCM開關周期開始時,相應的功率級102 的高側晶體管(HSn)被導通。在電感器電流(ij達到峰值Ipk時,高側晶體管通常被關斷, 并且低側晶體管(LSn)被導通。然后,在電感器電流下降至0時,低側晶體管被關斷。在開 關周期的其他時間中高側晶體管和低側晶體管均截止,在本文中該其他時間被稱為HiZ時 間。為了調節DC輸出電壓(Vo),控制器104改變功率級102的開關頻率fs=Ι/Ts。本文 中所模式的可變頻率控制方法通常被稱為脈沖頻率調制(PFM)。
[0022] 如上所述,每個PFM開關周期(switchingperiod或switchingcycle)包括導通 時間,接著是截止時間,再接著是HiZ時間。在HiZ時間期間,電感器電流是0,并且在周期 的該持續時間中并不改變。還是在HiZ時間期間,負載電流由輸出電容器((:_)提供,導致 輸出電壓隨著時間減少,斜率取決于輸出電流。標準的控制方法是使用比較器來檢測輸出 電壓在何時已減少至目標調節電壓以下。在控制器104退出HiZ并進入下一個的開關周期 的導通時間時,增加了電感器電流并保持輸出電壓不再進一步下降。因為此類型的PFM方 案通過根據輸