用于快速瞬時響應的自適應pwm脈沖定位的制作方法

專利名稱：用于快速瞬時響應的自適應pwm脈沖定位的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求了2005年11月16日申請的美國臨時申請No.60/737,523的權益，也要求2006年2月17日申請的美國臨時申請No.60/774,459的權益，在此為了所有的意向和目的對兩者進行結合參考。
背景技術：
發明領域本發明涉及功率調節器，尤其涉及通過減少周期間的空白區域來實現快速瞬時響應的自適應PWM脈沖定位。
相關技術描述包括現代中央處理單元(CPU)的現代電路的負載電流是高度動態的，可以快速地從低變到高、從高變到低。例如，CPU電流瞬態可能在1微秒間出現，這低于傳統電壓調節器的典型切換時間。欲提供一種具有控制回路的DC-DC功率調節器，其具有足夠的響應時間以在任何出現的時候進行快速負載轉換。在許多傳統脈寬調制(PWM)方案中，誤差信號放大器的補償輸出通常通過PWM比較器與一固定斜坡信號相比較。PWM比較器產生用于控制DC-DC功率調節器切換的PWM信號。為了提供切換噪聲免疫，通常把復位-置位(R-S)雙穩態多諧振蕩器耦合到比較器的輸出端，以確保每個切換周期僅有一個脈沖。在前沿調制方案中，基于比較器輸出端初始化每個PWM脈沖，并和時鐘信號同步終止。前沿調制方案有利于負載增加瞬時事件，但并不總是對負載釋放轉換作出響應。在尾沿調制方案中，每個PWM脈沖和時鐘信號同步初始化，并基于比較器輸出端而終止。尾沿調制方案有利于負載釋放瞬時事件，但并不總是對負載增加瞬時事件作出響應。在傳統的雙沿調制方案中，斜坡是三角波，因此每個PWM脈沖基于三角波和補償信號的比較來開始和結束。然而，由于斜坡是固定的，并且PWM脈沖的前沿僅出現在第一半周期中，而尾沿僅出現在第二半周期中，因此傳統雙沿調制方案也表現出開啟或關閉延遲。因此，這些傳統方案中的每一個方案在特定負載變化環境下插入時鐘信號延遲。
發明概述根據本發明一種實施方式的用于提供輸出電壓的電壓轉換器的自適應脈沖定位系統包括脈寬調制(PWM)產生電路，傳感器和脈沖定位電路。PWM產生電路產生具有PWM脈沖的PWM信號，用于控制電壓控制器的輸出電壓。傳感器感應電壓轉換器的輸出負載條件并提供表示其的負載信號。脈沖定位電路基于負載信號自適應地定位PWM脈沖。在一種實施方式中，脈沖定位電路包括具有接收負載信號的第一輸入的延遲功能，接收第一時鐘信號的第二輸入，以及基于負載信號提供具有延遲的延遲時鐘信號的輸出。在這種情況下，PWM產生電路基于延遲時鐘信號控制PWM脈沖的時序。在更特定的實施方式中，PWM產生電路可以包括誤差信號放大器，信號發生器，比較器以及PWM邏輯。誤差信號放大器提供表示電壓控制器的輸出電壓的誤差的補償信號。信號發生器具有接收延遲時鐘信號的輸入和提供斜坡信號的輸出。比較器比較補償信號和斜坡信號，并產生表示其的PWM控制信號。PWM邏輯具有接收延遲時鐘信號的第一輸入，接收PWM控制信號的第二輸入和提供PWM信號的輸出。可以預期不同的調節器配置，包括尾沿調節器，雙沿調節器等。在另一個實施方案中，預期雙斜坡雙沿PWM調制電路。在這種情況下，PWM產生電路包括第一和第二斜坡產生器，誤差信號放大器，第一和第二比較器和脈沖控制邏輯。第一斜坡產生器提供和時鐘信號同步的前沿斜坡信號。誤差信號放大器提供表示電壓控制器的輸出電壓的誤差的補償信號。第一比較器比較前沿斜坡信號和補償信號，并斷定表示其的置位信號。第二斜坡產生器提供當斷定置位信號時開始爬坡的尾沿斜坡信號。第二比較器比較尾沿斜坡信號和補償信號，并斷定表示其的置位信號。當斷定置位信號時，脈沖控制邏輯斷定PWM信號，當斷定復位信號時，取消斷定PWM信號。對于雙斜坡雙沿實施方式來說，可以預期幾種用于脈沖定位電路的配置。在第一實施方式中，脈沖定位電路具有接收補償信號的第一輸入，接收負載信號的第二輸入以及提供第二補償信號的輸出。提供第二補償信號給第一比較器，而不是補償信號。在這種情況下，脈沖定位電路基于負載信號自適應地調整第二補償信號。在另一種實施方式中，脈沖定位電路僅有接收前沿斜坡信號的第一輸入，接收負載信號的第二輸入以及提供第二前沿斜坡信號的輸出。提供第二前沿斜坡信號給第一比較器，而不是第一前沿斜坡信號。在這種情況下，脈沖定位電路基于負載信號自適應地調整第二前沿斜坡信號。在另一個實施方式中，脈沖定位電路基于負載信號調整前沿斜坡信號的信號轉換速率。在更特定的信號轉換速率調整實施方式中，第一斜坡電路包括電容器，和時鐘信號同步將電容器充電到最大電壓級別的切換電路，以及將電容器以基于電流控制信號的信號轉換速率放電的受控電流吸收器。脈沖定位電路基于負載信號調整電流控制信號。一種用于控制根據本發明實施方式的電壓調節器的輸出電壓的自適應定位PWM脈沖的方法包括基于時鐘信號產生一系列PWM脈沖，感應輸出負載條件，以及基于輸出負載條件自適應地移位PWM脈沖的系列。該方法可以包括感應輸出負載電流。該方法可以包括延遲第一時鐘信號以提供延遲時鐘信號，基于延遲時鐘信號產生斜坡信號，基于電壓調節器的輸出電壓的誤差產生補償信號，比較斜坡信號和補償信號，以及提供表示其的控制信號，基于延遲時鐘信號和控制信號斷定每個PWM脈沖，以及自適應地調整第一時鐘信號和延遲時鐘信號之間的延遲的數量。該方法可以包括用延遲時鐘信號的每個脈沖初始化斜坡信號，用延遲時鐘信號的對應脈沖初始化每個PWM脈沖，以及基于控制信號終止每個PWM脈沖。該方法可以包括基于延遲時鐘信號產生三角波，當補償信號大于三角波時，斷定該控制信號到第一級別，當補償信號小于三角波時，斷定該控制信號到第二級別，以及基于控制信號轉換每個PWM脈沖。該方法可以包括提供與時鐘信號同步的前沿斜坡信號，基于電壓調節器的輸出電壓的誤差產生第一補償信號，比較前沿斜坡信號和第二補償信號并提供表示其的置位信號，當提供置位信號時初始化尾沿斜坡信號，比較尾沿斜坡信號和第一補償信號并提供表示其的復位信號，當提供置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供復位信號時終止每個PWM脈沖，基于輸出負載條件產生偏移，以及將偏移加到第一補償信號以提供第二補償信號。該方法可以包括提供與時鐘信號同步的第一前沿斜坡信號，基于電壓調節器的輸出電壓的誤差產生補償信號，比較第二前沿斜坡信號和補償信號并提供表示其的置位信號，當提供置位信號時初始化尾沿斜坡信號，比較尾沿斜坡信號和補償信號并提供表示其的復位信號，當提供置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供復位信號時終止每個PWM脈沖，基于輸出負載條件產生偏移，以及將偏移加到第一前沿斜坡信號以提供第二前沿斜坡信號。該方法可以包括提供與時鐘信號同步的前沿斜坡信號，基于電壓調節器的輸出電壓的誤差產生補償信號，比較前沿斜坡信號和補償信號并提供表示其的置位信號，當提供置位信號時初始化尾沿斜坡信號，比較尾沿斜坡信號和補償信號并提供表示其的復位信號，當提供置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供復位信號時終止每個PWM脈沖，以及基于輸出負載條件調整前沿斜坡信號的信號轉換速率。在該壓擺調整的情況下，該方法可以進一步包括和時鐘信號同步將電容器充電到一預定級別，并以基于輸出負載條件的速率放電該電容器。
附圖簡要描述參考下列描述以及附圖，將更好地理解本發明的益處、特征和優點

圖1是描述根據本發明一個實施方式的自適應PWM脈沖定位方案的操作模式的時序圖。圖2是根據本發明一個實施方式實現的尾沿調節器電路的簡化方塊圖。圖3是描述圖2中的尾沿調節器電路的操作的時序圖。圖4是根據本發明一個實施方式實現的雙沿調節器電路的簡化方塊圖。圖5是描述圖4中的雙沿調節器電路的操作的時序圖。圖6是根據在前申請的專利申請中描述的實施方式的雙斜坡雙沿PWM調制電路的示意圖。圖7是描述圖6中的雙斜坡雙沿PWM調制電路的操作的時序圖，描述了在用于4相系統的雙斜坡雙沿調制方案中的長空白周期問題。圖8是根據可應用于雙斜坡雙沿PWM調制電路的本發明一個實施方式的自適應PWM脈沖定位系統的方塊圖。圖9是實現圖8的自適應PWM脈沖定位系統的示例性實施方式的PWM脈沖定位系統的示意圖。圖10是描述用于4相系統的圖9的自適應PWM脈沖定位系統的操作的時序圖。圖11是根據可應用于雙斜坡雙沿PWM調制電路的本發明另一個實施方式的自適應PWM脈沖定位系統的方塊圖。圖12是根據可應用于雙斜坡雙沿PWM調制電路的本發明另一個實施方式的自適應PWM脈沖定位系統的方塊圖。圖13是實現圖12的自適應PWM脈沖定位系統的示例性實施方式的自適應PWM脈沖定位系統的示意圖。圖14是描述用于4相系統的圖13的自適應PWM脈沖定位系統的操作的時序圖。圖15是用于培育圖6的雙斜坡雙沿PWM調制電路的下斜坡信號的下斜坡發生器的方塊圖，從而描述根據本發明另一個實施方式的自適應PWM脈沖定位系統；以及圖16是描述采用圖15的下斜坡產生器的自適應PWM脈沖定位系統的操作的時序圖。
詳細描述下列描述的給出使本領域普通技術人員可以制造并使用在特定應用及其需求的環境下的本發明。然而，對于本領域技術人員來說，對優選實施方式的不同修改是顯而易見的，并且這里所定義的普遍原理可以應用到其它實施方式中。因此，本發明不限定于本文示出及描述的特定實施方式，但其最寬保護范圍和本文公開的原理和新穎性特征相一致。圖1是一幅描述根據本發明實施方式的自適應PWM脈沖定位方案操作模式的時序圖。在圖1中，參照時鐘信號和PWM信號，繪制了DC-DC功率調節器(未示出)的輸出負載電流ILOAD。在初始時間t0處，ILOAD信號處于正常水平INORM。時鐘信號根據預定時鐘頻率產生周期性時鐘脈沖。在如由ILOAD信號的INORM水平所指示的正常負載下的正常操作期間，每個PWM脈沖在每個時鐘周期中開始，并通過時鐘信號上的脈沖終止。在隨后的時間t1處，出現如由跳躍到新的表示為IHIGH的高電流水平的ILOAD信號所指示的輸出瞬時。響應該輸出負載瞬時，PWM信號的下一脈沖101相對于用虛線指出的其正常位置，朝如箭頭103所指出的電流時鐘周期起點進行重新定位。通過在應用重負載之后朝周期起點移動脈沖101，自然縮短了該瞬時事件后的空白周期，從而使在初始瞬時響應后沒有額外的電壓降落。在這種情況下，響應于輸出負載中的增加，脈沖101仍具有很長的持續時間。在增加的負載事件(當ILOAD處于IHIGH時)期間，PWM信號的隨后脈沖105、107和109朝各自時鐘周期的起點移位。在隨后的時間t2時，ILOAD信號返回到正常水平INORM。如箭頭113所指示的，PWM信號的下一脈沖111移回到時鐘周期結尾處的正常位置。在如圖1中指出的特定調制方案中，PWM脈沖通常出現在周期末尾。在瞬時事件下，響應輸出電壓降落，PWM脈沖提前。在瞬時事件后，PWM脈沖回到其正常位置(例如，周期結尾)。為了避免由于空白周期引起的額外電壓降落，PWM脈沖在重負載下朝周期起點處移動。因此PWM脈沖在輕負載下位于周期結尾處，PWM脈沖根據負載條件移動，例如在滿負載條件下朝周期起點移動。為了獲得更好的性能，PWM脈沖位置是靈活可變的。除了重新定位脈沖，可以允許同一周期中具有使輸出更快穩定下來的第二PWM脈沖。然而，如果以一高重復速率發生該瞬時事件，則同一周期中的第二脈沖會提高在功率級上的切換頻率和散熱。對于快速瞬時響應而言，期望該PWM脈沖在一個或多個周期中提前。最好在輕負載下把PWM脈沖保持在該周期的末尾更好，因此有足夠的空間響應負載瞬時事件把該脈沖提前。在重負載下可以把該PWM脈沖放置在切換周期內的任何位置。對于一負載釋放事件來說，該PWM在該瞬時之后不久結束，并需要一些空白時間來釋放電感應電流。因此希望PWM脈沖在重負載條件下出現在周期的開始。所以在輕負載條件下將PWM脈沖保持在周期的末尾，并在負載增加時移到周期的開始。圖2是根據本發明實施例實現的尾沿調節器電路200的簡化方塊圖。時序源201產生一提供給延遲功能203的輸入端的時鐘信號A。延遲功能203延遲該A信號并提供一延遲時鐘信號AD給斜坡發生器205的輸入端以及給脈沖時序電路211的時鐘(CK)輸入端。在一可替代的實施方式中，該脈沖時序電路由SR雙穩態多諧振蕩器代替。該斜坡發生器205產生一提供給PWM比較器207的一個輸入端(例如，倒相輸入端)的斜坡信號B。誤差信號放大器209提供補償信號C給該比較器207的另一個輸入端(例如，非倒相輸入端)。比較器207產生提供給該脈沖時序電路211的控制(CTL)輸入端的信號D。該脈沖時序電路211基于用來控制DC-DC功率調節器的輸出電壓的D信號產生PWM信號，并被配置成確保AD信號的每個周期中僅有一個脈沖。電流傳感塊213提供一調整信號ADJ給延遲功能203的另一輸入端。電流傳感塊213感測輸出電流，例如通過輸出負載(如圖所示)的負載電流ILOAD，并因此控制該ADJ信號。C信號和轉換器的輸出電壓VOUT也被示出提供給延遲功能203。信號A和AD之間的延遲的數量或TDELAY是ADJ、VOUT和C的函數，或者TDELAY＝TD1+f1*ADJ+f2*C+f3*VOUT，其中TD1是常量，函數f1、f2和f3是任意適宜的函數，分布在從相對簡單到所期望的復雜范圍內。在一種實施方式中，f1-f3是常量。在一種替代實施方式中，電流傳感塊213通過調節器的輸出電感來感測電流，或者感測一個或多個輸出相位電路中的每一個的相位電流。圖3是描述尾沿調節器電路200的操作的時序圖。信號ILOAD、A、AD、B、C、D和PWM按照時間進行繪制。B和C信號彼此疊加以更清楚地描述比較器207的功能。在該所描述的實施方式中，斜坡發生器205產生B信號作為帶上升斜坡的鋸齒波。因此，當AD信號脈沖高時，斜坡信號B以低斜坡水平RLO開始，當AD脈沖回落時斜坡信號B以恒定速率上升。在所描述的實施方式中，斜坡信號B被限定到一預定的高級別RHI上。補償信號C配置成分布在RLO和RHI之間。在操作中，B斜坡信號在AD時鐘信號的初始沿上重新復位為RLO，并且斜坡上行開始于AD時鐘信號的尾沿。當B低于C時，比較器207斷定D信號為高，否則斷定D信號為低。由于脈沖時序電路211通常斷定PWM信號與D信號是一致的，除了在每個周期中AD信號走低之后的開始之時，因此當AD走低時PWM走高，當D走低時PWM走低。以該方式重復該操作，每個PWM脈沖的持續時間部分取決于補償信號C的級別。在傳統尾沿調節器電路(未示出)中，由于沒有延遲功能203，因此時序是基于A時鐘信號而不是AD時鐘信號的。延遲功能203基于來自電流傳感塊213的ADJ信號調整AD時鐘信號的時序，電流傳感塊213基于ILOAD信號(或其它感測到的輸出電流)級別來修改ADJ信號。在時間t9時，ILOAD信號從INORM跳到IHIGH，如前所述。作為響應，電流傳感塊213修改ADJ信號以減少AD信號相對于時鐘信號A的延遲。如301所示，AD信號的下一脈沖移到或重新定位到周期中的更早位置。AD脈沖的早期初始沿使得斜坡信號B復位到比正常更早的RLO，如303所示。斜坡信號B的早期復位使得D信號平移位置到周期中的更早位置，如305所示。D信號的早期脈沖使得PWM信號被平移到在周期的較前位置處表明，如307所示。在負載瞬時移位事件之后，除了相對于通常條件來移位脈沖，脈沖的時序是完全相同的。PWM脈沖的相對寬度可以調整以處理額外的負載。以這種方式，響應于負載瞬時事件，重新定位PWM信號到周期中的較前位置。只要負載瞬時條件存在，PWM信號就一直保持移位，當移除較高的負載條件時，返回到正常水平。如圖所示在時間t10時，ILOAD信號返回到INORM，并且下一AD脈沖移位到周期中的較后位置，如309所示。這使得D和PWM脈沖移回到其正常位置。以這種方式，調整或改變PWM脈沖的位置以響應負載瞬時，從而提供更好的性能。延遲功能203不會提高時鐘信號的頻率，而僅是簡單地臨時調整PWM脈沖定位。注意，只要想要就可以在正常條件時進行延遲，例如A信號的一個周期。如果延遲大約等于時鐘周期，則PWM脈沖可以重新定位到一給定周期內的幾乎任意位置，以適當地響應一異步負載瞬時事件。圖4是根據本發明一實施方式實現的雙沿調節器電路400的簡化方塊圖。以和尾沿調節器電路200相似的方式，時序源401產生提供給延遲功能403的輸入端的時鐘信號A。延遲功能可以以和延遲功能205實質上相同的方式操作。延遲功能403延遲A信號并提供延遲時鐘信號AD給三角斜坡發生器405的輸入端，以及提供給脈沖時序電路411的時鐘(CK)輸入端。三角斜坡發生器405產生提供給比較器407的一個輸入端(例如，倒相輸入端)的三角斜坡信號T。誤差信號放大器409提供補償信號C給比較器407的另一個輸入端(例如，非倒相輸入端)和延遲功能403。比較器407產生提供給脈沖時序電路411的控制輸入端的信號D。脈沖時序電路411基于用于控制輸出電壓的D信號產生PWM信號，并被配置成確保每個時鐘周期僅有一個脈沖。電流傳感電路413接收ILOAD信號，并提供調整信號ADJ給延遲功能403的另一輸入端，延遲功能403也接收VOUT信號，如圖所示。電流傳感電路413感測輸出電流，例如通過輸出負載的負載電流或通過輸出電感的電流或一個或多個輸出相位電路中的每一個輸出相位電路的相位電流，并根據前面的描述控制ADJ信號。也示出提供給延遲功能403的VOUT信號。由延遲功能403提供的延遲的數量實質上類似于延遲功能203，或者TDELAY＝TD1+f1*ADJ+f2*C+f3*VOUT。圖5是描述尾沿調節器電路400的操作的時序圖。按照時間繪制信號ILOAD、A、AD、T、C、D和PWM。T和C信號彼此疊加以更清楚地描述比較器407的功能。在這種情況下，時鐘信號A和AD是50％占空比的信號。當AD信號是低時，三角斜坡信號T向上爬坡，而當AD信號是高時，三角斜坡信號T下坡。在操作中，當T信號少于C信號時，斷定D信號是高，否則斷定其為低。當D信號是高時，由脈沖時序電路411斷定PWM信號。以這種方式重復操作，每個PWM脈沖的持續時間部分取決于補償信號C的級別。在傳統雙沿調節器電路(未示出)中，沒有延遲功能403，因此時序是基于A時鐘信號而不是AD時鐘信號的。對于雙沿調節器電路400來說，延遲功能403基于來自電流傳感塊413的ADJ信號來調整AD時鐘信號的時序，電流傳感塊413基于ILOAD信號的級別修改ADJ信號。在時間t11，ILOAD信號從INORM跳到IHIGH，如前所述。作為響應，電流感應方塊413修改ADJ信號以降低AD信號相對于時鐘信號A的延遲。如501所示，由于所降低的延遲，AD信號移到周期中的較前位置。三角斜坡信號T提前下坡(和正常條件相比)以在時鐘周期中和C信號更早相交，如503所示。T和C信號之間的早期相交使得D信號被移位，從而在周期中更早被斷定，如505所示，因而這導致PWM信號重新定位到周期中的更早位置，如507所示。自適應定位使得PWM信號響應于負載瞬時事件重新定位到周期中的更早位置。只要負載瞬時條件存在，PWM脈沖就保持移位，而當移除負載條件時，返回到正常位置。如隨后時間t12所示，ILOAD信號返回到INORM，使得AD、D和PWM信號移回到其正常位置。以這種方式，調整或改變PWM脈沖的位置，從而易于獲得更好的性能。、2005年12月23日申請的美國專利申請No.11/318,081——“具有使用雙斜坡的雙沿調節的PWM控制器”公開了一種使用雙斜坡的雙沿調制方案，在此為所有的意圖和目的結合參考。雙斜坡、雙沿調制方案亦限定每個時鐘周期中只有一個PWM脈沖。由于每個周期一個脈沖的限制，因此在初始響應重負載瞬時事件之后，可能存在一個不存在任何PWM脈沖的周期。該空白周期可能導致在瞬時事件之后額外的電壓降落。在一種雙斜坡雙沿調制方案中，PWM脈沖總是發生在周期末尾。在瞬時事件下，響應于輸出電壓降落，可以提前PWM脈沖。在瞬時事件之后，PWM脈沖回到周期末尾。為了避免由于空白周期引起的額外電壓降落，PWM脈沖可以在重負載下移到周期的開始。因此，在輕負載下PWM脈沖在周期末尾，并且根據負載條件移動，而在全負載條件下PWM脈沖在周期的開始。為了更好的性能，PWM脈沖定位是靈活的。圖6是根據上述引用的專利申請中所描述的實施方式的雙斜坡雙沿PWM調制電路的示意圖。下斜坡比較器CMP1具有接收補償信號VCOMP(例如來自誤差信號放大器，即209、409)的非倒相輸入端，接收下斜坡信號VDOWN_RAMP的倒相輸入端，以及耦合到置位-復位(SR)雙穩態多諧振蕩器601的置位輸入端的輸出端。上斜坡比較器CMP2具有接收VCOMP信號的倒相輸入端，接收上斜坡信號VUP_RAMP的非倒相輸入端，以及耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的復位輸入端的輸出端。SR雙穩態多諧振蕩器601的Q輸出端確定提供PWM脈沖的PWM信號。時序源603產生提供給前沿斜坡發生器605的時鐘信號CK。在示出的實施方式中，前沿斜坡發生器605產生和CK信號同步的下斜坡鋸齒波，示為VDOWN_RAMP。當下斜坡信號落到VCOMP級別，比較器CMP1斷定其輸出為高并置位SR雙穩態多諧振蕩器601，其中SR雙穩態多諧振蕩器601斷定PWM信號為高以初始化每個PWM脈沖。尾沿斜坡發生器607為了終止每個PWM脈沖而產生尾沿斜坡信號，其示為上斜坡信號VUP_RAMP。當PWM信號斷言為高時，尾沿斜坡發生器607開始提升VUP_RAMP信號(例如參見，圖16中示出的VUP_RAMP信號的操作)。當VUP_RAMP到達VCOMP時，比較器CMP2斷定其輸出為高，復位SR雙穩態多諧振蕩器601，并拉低PWM信號從而終止每個PWM脈沖。當PWM被拉低時，尾沿斜坡發生器607再次把VUP_RAMP信號拉低。由于雙斜坡雙沿PWM調制電路600在一個切換周期內的任意時間開關PWM脈沖，因此它的瞬時響應非常快。在正常操作下，PWM脈沖出現在切換周期的末尾。當重負載應用在周期開始時，PWM脈沖被提前到切換周期的開始以試圖把輸出保持在規格以內。為了限定切換頻率，典型地在一個切換周期中僅允許一個PWM脈沖。如果重瞬時負載事件和PWM脈沖在周期開始時發生，則直到下一周期才出現另一PWM脈沖。可能會存在一個不出現PWM脈沖的長周期，導致在初始響應之后額外的電壓降落。圖7是描述雙斜坡雙沿PWM調制電路600的操作的時序圖，該調節器電路描述了用于4-相系統的雙斜坡雙沿調制方案中的長空白周期問題。信號ILOAD，4個VDOWN_RAMP信號1-4(每個相位一個，或者VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4)，補償信號的電壓(VCOMP)和對應的4個PWM信號PWM1、PWM2、PWM3和PWM4按照時間繪制。在大約時間t20，重負載應用于系統并且響應該事件控制環路迅速開啟所有相位，如由每個PWM信號上的同步脈沖所描述的。在隨后的時間t21，關閉所有相位。在隨后的時間t22，控制電壓VCOMP返回到其操作點。在理想的情況中，如果系統在這段時間之后是穩定的，則期望控制電壓是恒定的，如虛線701所示。然而，由于每周期一個脈沖的限制，在時間t24之前不再有另一PWM脈沖。因此在理想情況中，時間t21和t24之間存在“空白”周期T1，大約等于切換周期。在實際情況中，由于在空白周期中沒有出現PWM脈沖，因此直到下一PWM脈沖輸出電壓才降落。因此實際補償電壓VCOMP提高，如703所示，試圖把輸出電壓維持在規格之內。所以，由于在時間t23處在周期中的較前位置存在PWM脈沖，因此時間t21和t23之間的實際空白周期T2遠小于切換周期。即使空白周期T2小于一個切換周期，其仍導致額外的電壓降落，并且在其穩定之前輸出電壓可能會振蕩幾個周期。因此，在所描述的雙沿方案中，在雙斜坡雙沿調制方案中的初始瞬時響應之后可能存在一個空白周期，這導致額外的電壓降落以及可能的振蕩問題。為了避免額外的電壓降落，空白周期應該盡可能的短。一種解決該問題的方式是在重瞬時事件下在相同周期中允許第二脈沖。如圖7所示，在初始瞬時響應之后VCOMP再次走高。如果在同一周期中允許有第二PWM脈沖，則輸出很快穩定。但如果瞬時事件以高重復率發生，則它可能提高功率級上的切換頻率和散熱。對于快速瞬時響應來說，應能在一個周期中提前PWM脈沖。最好在輕負載下把PWM脈沖保持在周期末尾，從而有空間來提前脈沖。然而，在重負載下可以把PWM脈沖放置在切換周期中的任意位置。對于負載釋放事件來說，在放電感應器電流所必需的瞬時和一些空白時間之后不久PWM結束。因此期望在重負載條件下使PWM脈沖出現在周期的開始。如下面的進一步描述，在輕負載條件下PWM脈沖保持在周期末尾，而當負載增大時移動到周期的開始。圖8是描述根據本發明一個實施方式可應用到雙斜坡雙沿PWM調制電路的自適應PWM脈沖定位系統的方塊圖。類似于雙斜坡雙沿PWM調節器電路600的組件假設使用相同的附圖標記。時序源603和發生器605和607未示出，但也被提供并以相同方式操作。上斜坡比較器CMP2接收VCOMP和VUP_RAMP信號并將它的輸出端耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的復位輸入端。下斜坡比較器CMP1的倒相輸入端接收下斜坡信號VDOWN_RAMP，并且其輸出耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的置位輸入端。在這種情況下，偏移電壓VO被加到使用功能方塊801和加法器803的誤差信號放大器的輸出信號VCOMP，加法器803提供經調整的補償信號VC1給比較器CMP1的非倒相輸入端。比較器CMP1的輸出端耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的置位輸入端。偏移電壓VO是所有相位的感應平均電流IAVG的函數f1(s)，從而使VO＝f1(s)*IAVG，其中星號”*”表示乘法。在重負載下，偏移電壓VO為高以在周期前期觸發PWM脈沖。雖然未示出，但是可以使用平衡電流來調整提供給上斜坡比較器CMP2的補償信號，其中平衡電流與一個相位Iphase的感應相位電流和所有相位的感應平均電流IAVG相關，例如f2(IAVG，Iphase)，其中f2是任意適宜的函數。一個簡單的例子是Ibalnce＝k*(IAVG-Iphase)，其中k是常量。圖9是實現自適應PWM脈沖定位系統800的示例性實施方式的PWM脈沖定位系統900的示意圖。類似于雙斜坡雙沿PWM調節器電路800的組件假設使用相同的附圖標記。時序源603和發生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。在這種情況下，VCOMP信號被提供給電阻器R1的一端，其另一端產生提供給比較器CMP1的非倒相輸入端的VC1信號。IAVG電流注入到產生VC1信號的節點，從而使VO＝R1*IAVG和VC1＝VCOMP+R1*IAVG。圖10是描述用于4相系統的自適應PWM脈沖定位系統900的操作時序圖，其中包括4個下斜坡信號VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4和4個PWM信號PWM1-PWM4。信號ILOAD、VC1、VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4以及PWM1-PWM4按時間繪制。VC1信號和VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4疊加以描述用于產生PWM1-PWM4信號的各個比較器的操作。為了比較，VCOMP的電壓用虛線示出。如圖所示，就在時間t30之前出現負載瞬時，觸發所有PWM1-PWM4信號，這些信號在時間t31再次走低。如果直接提供VCOMP信號給比較器CMP1而不是提供修正的補償信號VC1給比較器，則額外的PWM脈沖分別出現在時間t32、t33和t34處的PWM2、PWM3和PWM4上，每個都早于其本應出現的位置。以這種方式，性能顯著提高。圖11是描述根據本發明另一個實施方式可應用到雙斜坡雙沿PWM調制電路的自適應PWM脈沖定位系統1100的方塊圖。自適應PWM脈沖定位系統1100類似于自適應PWM脈沖定位系統800，其中類似組件采用相同的附圖標記。時序源603和發生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。IAVG信號提供給用于產生偏移電壓VO的功能塊801，偏移電壓VO被提供給加法器1101的倒相輸入端。加法器1101在其非倒相輸入端接收VDOWN_RAMP信號。在這種情況下，由偏移電壓VO調整VDOWN_RAMP信號，而不是誤差放大器輸出信號VCOMP。加法器1101從VDOWN_RAMP減去VO以產生經調整的斜坡信號VR，其被提供給比較器CMP1的倒相輸入端。如圖所示，誤差信號放大器輸出信號VCOMP直接提供給比較器CMP2的倒相輸入端，其在它的非倒相輸入端接收VUP_RAMP，并且其輸出端耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的復位輸入端。SR雙穩態多諧振蕩器601以相似方式操作以提供PWM信號。圖12是描述根據本發明另一個實施方式可應用到雙斜坡雙沿PWM調制電路的自適應PWM脈沖定位系統1200的方塊圖。自適應PWM脈沖定位系統1200類似于雙斜坡雙沿PWM調制電路600，其中類似組件采用相同的附圖標記。時序源603和發生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。提供比較器CMP1來比較VCOMP和VDOWN_RAMP信號，以及提供其輸出給SR雙穩態多諧振蕩器600的置位輸入端，SR雙穩態多諧振蕩器在其Q輸出端提供PWM信號。在這種情況下，產生不同的偏移電壓VO2，該偏移電壓與多相轉換器各相位的感應相位電流IPHASE相關。提供電流IPHASE給功能方塊1201的輸入端(由函數f3(s)乘IPHASE)以產生VO2，然后提供其給加法器1203的輸入端。加法器1203把VCOMP加到VO2以產生一個經調整的補償信號VC2。提供VC2信號給比較器CMP2的倒相輸入端，其在它的非倒相輸入端接收VUP_RAMP，并且其輸出耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的復位輸入端。在重負載下，偏移電壓VO2為高，并且VC2電壓增大以保持相同的占空度，促使早期觸發每個相位的PWM脈沖。圖13是實現自適應PWM脈沖定位系統1200的示例性實施方式的PWM脈沖定位系統1300的示意圖。類似組件再次假設使用相同的附圖標記。時序源603和發生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。在這種情況下，功能塊1201和加法器1203用電阻器R2有效代替，其一端接收VCOMP信號，另一端產生VC2信號，VC2信號提供給示出的比較器CMP2的倒相輸入端。IPHASE電流從產生VC2信號的節點流出，從而使VC2＝VCOMP-R2*IPHASE。經調整的補償信號VC2通過比較器CMP2和VUP_RAMP信號比較，比較器CMP2的輸出端耦合到SR雙穩態多諧振蕩器601的復位輸入端。比較器CMP11的電路和圖12中示出的電路相同。圖14是描述用于4相系統的自適應PWM脈沖定位系統1300的操作時序圖，其中包括4個下斜坡信號VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4和4個PWM信號PWM1-PWM4。信號ILOAD、VC2、VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4以及PWM1-PWM4按時間繪制。VC2信號和VDOWN_RAMP1-VDOWN_RAMP4疊加以描述用于產生PWM1-PWM4信號的各個比較器的操作。如圖所示，負載瞬時大約出現在時間t40，觸發所有PWM1-PWM4信號，這些信號在隨后的時間t41再次走低。如果直接提供VCOMP信號給比較器CMP2，而不是提供修正的補償信號VC2給比較器，則額外的PWM脈沖分別出現在時間t42、t43和t44處的PWM2、PWM3和PWM4上，每個都早于其本應出現的位置。以這種方式，性能顯著提高。圖15是可用于產生雙斜坡雙沿PWM調制電路600的VDOWN_RAMP信號的下斜坡發生器1500的方塊圖，從而描述根據本發明另一個實施方式的自適應PWM脈沖定位系統。因而，除了用下斜坡產生器1500代替前沿斜坡產生器605之外，還使用雙斜坡雙沿PWM調制電路600。對于下斜坡產生器1500來說，受控電流吸收器1501耦合在接地(GND)和產生VDOWN_RAMP信號的節點之間。電容器C1耦合在節點1502和GND之間。二極管1503具有耦合到節點1502的陰極和耦合到產生最小斜坡電壓VMIN的電壓源1505的正極端子的陽極。單電極單投擲(SPST，single-pole，single-throw)開關SW具有耦合在節點1502和產生最大斜坡電壓VMAX的電壓源1507的正極端子之間的切換端子，其中VMAX大于VMIN。電壓源1505和1507的負極端子耦合到GND。開關SW具有接收時鐘信號(CLK)的控制端子，其以CLK信號的頻率開關SW。電流吸收器1501具有接收信號C+k*IAVG的控制端子，其中C和k是常量。以這種方式，電流吸收器1501的電流是基于被測量或被感應的IAVG的級別。在下斜坡發生器1500的操作中，開關SW關閉并且電壓源1507把電容器C1充電到電壓電平VMAX。當打開開關SW時，電流吸收器1501以基于IAVG信號的速率放電電容器C1。確定常量C和k以為IAVG信號的正常操作級別提供適宜的VDOWN_RAMP信號的信號轉換速率。當由于負載變換增大IAVG信號時，據此增大VDOWN_RAMP信號的信號轉換速率以加速電容器C1的放電，并因而重新定位下一PWM脈沖到周期中的較前位置。因此，基于感應平均電流IAVG調整VDOWN_RAMP信號的信號轉換速率。在輕負載下，IAVG較低并且VDOWN_RAMP信號的信號轉換速率為低。在重負載下，增大IAVG并且增大VDOWN_RAMP信號的信號轉換速率，導致早期觸發周期中的PWM脈沖。圖16是描述采用下斜坡產生器1500的自適應PWM脈沖定位系統的操作的時序圖。ILOAD、CLK、VDOWN_RAMP、VUP_RAMP、VCOMP和PWM按時間繪制。VCOMP信號和VDOWN_RAMP及VUP_RAMP信號疊加以描述比較器CMP1和CMP2的操作。當ILOAD信號從INORM跳到IHIGH時，VCOMP信號臨時增大并且IAVG信號也增大，導致早期觸發PWM信號。雖然已參照特定優選版本十分詳細地描述了本發明，但是其它版本和變體也是可能以及可預見到的。例如，時鐘信號的延遲調整，或者加到斜坡信號和/或補償信號的偏移電壓可以是基于操作參數的，而不是輸出或負載電流，例如輸入電壓，輸出電流和/或輸出電壓(例如，瞬時事件或類似物)的微分等。本發明也可應用于數字調節器，其中由數字計算和/或算法以及類似物代替模擬功能(例如斜坡，誤差信號，補償信號等)。本發明可應用到采用數字控制的調節器，例如用于調整延遲時間，調整時鐘信號，調整PWM脈沖激發的時序，基于計算結果調整PWM占空度等。本領域技術人員應知道他們可以容易地利用所公開的概念和特定實施方式，在不脫離本發明的實質和范圍的情況下，來進行設計或修改以提供出本發明的其它結構。
權利要求
1.一種用于提供輸出電壓的電壓轉換器的自適應脈沖定位系統，所述自適應脈沖定位電路包括脈寬調制(PWM)產生電路，其產生包括多個PWM脈沖的PWM信號，用于控制電壓控制器的輸出電壓；傳感器，其感應電壓轉換器的輸出負載條件并提供表示該條件的負載信號；以及脈沖定位電路，其耦合到所述傳感器和所述PWM產生電路上，該脈沖定位電路根據所述負載信號自適應地定位所述多個PWM脈沖。
2.根據權利要求1所述的自適應脈沖定位系統，其中所述脈沖定位電路包括延遲功能，該延遲功能具有接收所述負載信號的第一輸入、接收第一時鐘信號的第二輸入、以及提供延遲時鐘信號的輸出，該延遲時鐘信號具有基于所述負載信號的延遲；以及其中所述PWM產生電路基于所述延遲時鐘信號控制所述多個PWM脈沖的時序。
3.根據權利要求2所述的自適應脈沖定位系統，其中所述PWM產生電路包括誤差放大器，其提供表示電壓控制器的輸出電壓誤差的補償信號；信號發生器，其具有接收所述延遲時鐘信號的輸入和提供斜坡信號的輸出；比較器，比較所述所述補償信號和所述斜坡信號，產生表示該比較的PWM控制信號；以及PWM邏輯，其具有接收所述延遲時鐘信號的第一輸入、接收所述PWM控制信號的第二輸入和提供所述PWM信號的輸出。
4.根據權利要求3所述的自適應脈沖定位系統，其中所述延遲時鐘信號包括周期時鐘脈沖，其中所述信號發生器提供鋸齒波信號，以及其中所述PWM邏輯包括脈沖時序電路，該脈沖時序電路具有接收所述延遲時鐘信號的時鐘輸入、接收所述PWM控制信號的控制輸入和提供所述PWM信號的輸出。
5.根據權利要求3所述的自適應脈沖定位系統，其中所述延遲時鐘信號具有50％的占空度，其中所述信號發生器提供三角波信號，以及其中所述PWM邏輯包括脈沖時序電路，該脈沖時序電路具有接收所述延遲時鐘信號的時鐘輸入、接收所述PWM控制信號的控制輸入和提供所述PWM信號的輸出。
6.根據權利要求1所述的自適應脈沖定位系統，其中所述PWM產生電路包括第一斜坡發生器，提供與時鐘信號同步的前沿斜坡信號；誤差放大器，提供表示電壓控制器的輸出電壓誤差的第一補償信號；第一比較器，比較所述前沿斜坡信號和第二補償信號，并斷定表示該比較的置位信號；第二斜坡發生器，提供尾沿斜坡信號，當斷定所述置位信號時，該尾沿斜坡信號開始傾斜；第二比較器，比較所述尾沿斜坡信號和所述第一補償信號，并斷定表示該比較的復位信號；以及脈沖控制邏輯，當斷定所述置位信號時斷定所述PWM信號，當斷定所述復位信號時取消斷定所述PWM信號；以及其中所述脈沖定位電路具有接收所述第一補償信號的第一輸入、接收所述負載信號的第二輸入、以及提供所述第二補償信號的輸出，其中所述脈沖定位電路基于所述負載信號自適應地調整所述第二補償信號。
7.根據權利要求6所述的自適應脈沖定位系統，其中所述傳感器提供表示輸出負載電流的傳感信號；以及其中所述脈沖定位電路包括功能塊，具有接收所述傳感信號的輸入和提供表示該信號的偏置電壓的輸出；以及加法器，把所述第一補償信號加到所述偏置電壓，以提供所述第二補償信號。
8.根據權利要求1所述的自適應脈沖定位系統，其中所述PWM產生電路包括第一斜坡發生器，提供與時鐘信號同步的第一前沿斜坡信號；誤差放大器，提供表示電壓控制器的輸出電壓誤差的第一補償信號；第一比較器，比較第二前沿斜坡信號和所述補償信號，并斷定表示該比較的置位信號；第二斜坡發生器，提供尾沿斜坡信號，當斷定所述置位信號時，該尾沿斜坡信號開始傾斜；第二比較器，比較所述尾沿斜坡信號和所述補償信號，并斷定表示該比較的復位信號；以及脈沖控制邏輯，當斷定所述置位信號時斷定所述PWM信號，當斷定所述復位信號時取消斷定所述PWM信號；以及其中所述脈沖定位電路具有接收所述第一前沿斜坡信號的第一輸入、接收所述負載信號的第二輸入，提供所述第二前沿斜坡信號的輸出，以及其中所述脈沖定位電路基于所述負載信號自適應地調整所述第二前沿斜坡信號。
9.根據權利要求8所述的自適應脈沖定位系統，其中所述傳感器提供表示輸出負載電流的傳感信號；以及其中所述脈沖定位電路包括功能塊，具有接收所述傳感信號的輸入和提供表示該信號的偏置電壓的輸出；以及加法器，把所述第一前沿斜坡信號加到所述偏置電壓，以提供所述第二前沿斜坡信號。
10.根據權利要求1所述的自適應脈沖定位系統，其中所述PWM產生電路包括第一斜坡發生器，提供與時鐘信號同步的前沿斜坡信號；誤差放大器，提供表示電壓控制器的輸出電壓誤差的補償信號；第一比較器，比較所述前沿斜坡信號和所述補償信號，并斷定表示該比較的置位信號；第二斜坡發生器，提供尾沿斜坡信號，當斷定所述置位信號時，該尾沿斜坡信號開始傾斜；第二比較器，比較所述尾沿斜坡信號和所述補償信號，并斷定表示該比較的復位信號；以及脈沖控制邏輯，當斷定所述置位信號時斷定所述PWM信號，當斷言所述復位信號時取消斷言所述PWM信號；以及其中所述脈沖定位電路基于所述負載信號調整所述前沿斜坡信號的信號轉換速率。
11.根據權利要求1所述的自適應脈沖定位系統，其中所述第一斜坡電路包括一電容器；一轉換電路，其耦合到所述電容器，與一時鐘信號同步將所述電容器充電到最大電壓級別；以及一受控電流吸收器，其耦合到所述電容器，以基于一電流控制信號的信號轉換速率對所述電容器進行放電；以及其中所述脈沖定位電路基于所述負載信號提供所述電流控制信號。
12.一種自適應地定位脈寬調制(PWM)脈沖的方法，用于控制電壓調整器的輸出電壓，該方法包括基于一時鐘信號產生一系列PWM脈沖；感應輸出負載的條件；以及基于該輸出負載條件自適應地移動該系列PWM脈沖。
13.根據權利要求12的方法，其中所述感應輸出負載條件包括感應輸出負載電流。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述產生一系列PWM脈沖包括延遲第一時鐘信號以提供一延遲時鐘信號；基于該延遲時鐘信號產生一斜坡信號；基于電壓調整器的輸出電壓的誤差產生一補償信號；比較斜坡信號和補償信號并提供一表示該比較的控制信號；以及基于延遲時鐘信號和控制信號斷定每個PWM脈沖；以及其中所述自適應地移位該系列PWM脈沖包括自適應地調整該第一時鐘信號和該延遲時鐘信號之間的延遲的數量。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述產生一斜坡信號包括用延遲時鐘信號的每個脈沖來初始化所述斜坡信號；其中所述斷定每個PWM脈沖包括用該延遲時鐘信號的對應脈沖來初始化每個PWM脈沖，并基于所述控制信號來終止每個PWM脈沖。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述產生一斜坡信號包括基于該延遲時鐘信號產生一三角波；其中所述提供一控制信號包括當該補償信號大于該三角波時，斷定該控制信號到第一級別，當補償信號小于三角波時，斷定該控制信號到第二級別；其中所述斷定每個PWM脈沖包括基于該控制信號轉換每個PWM脈沖。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述產生一系列PWM脈沖包括提供一和該時鐘信號同步的前沿斜坡信號；基于該電壓調節器的輸出電壓的誤差產生第一補償信號；比較該前沿斜坡信號和第二補償信號，并提供一表示該比較的置位信號；當提供該置位信號時初始化一尾沿斜坡信號；比較該尾沿斜坡信號和第一補償信號，并提供一表示該比較的復位信號；以及當提供該置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供該復位信號時終止每個PWM脈沖；以及其中所述自適應地移動該系列PWM脈沖包括基于該輸出負載條件產生一偏移量；以及把該偏移量加到該第一補償信號上以提供第二補償信號。
18.根據權利要求12所述的方法，其中所述產生一系列PWM脈沖包括提供一和該時鐘信號同步的第一前沿斜坡信號；基于該電壓調節器的輸出電壓的誤差產生一補償信號；比較一第二前沿斜坡信號和補償信號，并提供一表示該比較的置位信號；當提供該置位信號時初始化一尾沿斜坡信號；比較尾沿斜坡信號和補償信號，并提供一表示該比較的復位信號；以及當提供該置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供該復位信號時終止每個PWM脈沖；以及其中所述自適應地移位該系列PWM脈沖包括基于該輸出負載條件產生一偏移量；以及把該偏移量加到該第一前沿斜坡信號上以提供該第二前沿斜坡信號。
19.根據權利要求12所述的方法，其中所述產生一系列PWM脈沖包括提供一和該時鐘信號同步的前沿斜坡信號；基于該電壓調節器的輸出電壓的誤差產生一補償信號；比較該前沿斜坡信號和補償信號，并提供一表示該比較的置位信號；當提供該置位信號時初始化一尾沿斜坡信號；比較該尾沿斜坡信號和補償信號，并提供一表示該比較的復位信號；以及當提供該置位信號時初始化每個PWM脈沖，當提供該復位信號時終止每個PWM脈沖；以及其中所述自適應地移位該系列PWM脈沖包括基于該輸出負載條件調整該前沿斜坡信號的信號轉換速率。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述提供前沿斜坡信號和所述調整前沿斜坡信號的信號轉換速率包括和時鐘信號同步地將電容器充電到一預定級別，并以一基于輸出負載條件的速率將該電容器放電。
全文摘要
一種用于電壓轉換器的自適應脈沖定位系統提供輸出電壓，該系統包括PWM產生電路，傳感器和脈沖定位電路。PWM產生電路產生帶有PWM脈沖的PWM信號，用于控制電壓控制器的輸出電壓。傳感器感應電壓轉換器的輸出負載條件，并提供表示其的負載信號。脈沖定位電路基于負載信號自適應地定位PWM脈沖。一種用于控制電壓調節器的輸出電壓的自適應定位PWM脈沖的方法，該方法包括基于時鐘信號產生一系列PWM脈沖，感應輸出負載條件，以及基于輸出負載條件自適應地移位系列PWM脈沖。
文檔編號H03K7/00GK1992487SQ200610064230
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月16日 優先權日2005年11月16日
發明者W·邱, R·H·艾沙姆, Z·梁 申請人:英特賽爾美國股份有限公司