用于以pfm模式運(yùn)行的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的可控導(dǎo)通時(shí)間減少的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，具體地涉及用于開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的脈沖頻率運(yùn)行模 式。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)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(yīng) 用（比如，用于通訊的計(jì)算（服務(wù)器和手機(jī)）和P0L(負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)））的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中被 使用。被廣為接受的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器拓?fù)浒ń祲和負(fù)?、升壓拓?fù)?、降?升壓拓?fù)?、正?拓?fù)洹⒎醇な?拓?fù)?、半橋拓?fù)?、全橋拓?fù)浜蚐EPIC拓?fù)洹６嘞嘟祲恨D(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)處理器）所需的低電壓下的高電流。 降壓轉(zhuǎn)換器被以有源部件和無源部件來實(shí)現(xiàn)，有源部件比如是脈沖寬度調(diào)制（PWM)控制器 1C(集成電路）、驅(qū)動(dòng)電路、包括功率M0SFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的一個(gè)或 多個(gè)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(jí)） 能夠通過相應(yīng)的電感器被并聯(lián)的連接至負(fù)載，以滿足高的輸出電流需求。
[0003] 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器中的損耗可大致被分類為傳導(dǎo)損耗（conductionloss)和頻率 相關(guān)損耗（frequency-dependentloss)。在輕負(fù)載狀態(tài)下，頻率相關(guān)損耗占主要，并且在 標(biāo)準(zhǔn)的脈沖寬度調(diào)制（PWM)控制被用于輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)引起急劇的效率滾降（roll-off)。 為了在甚至是非常輕的負(fù)載時(shí)維持高效率，被稱為是脈沖頻率調(diào)制（pulsefrequency modulation，PFM)的控制技術(shù)通常被使用。PFM通常在調(diào)節(jié)器輸出電流降低超過臨界傳導(dǎo) 通流時(shí)進(jìn)入，該臨界傳導(dǎo)通流是電感器紋波電流的一半。導(dǎo)通時(shí)間（on-time)通常在臨界 傳導(dǎo)點(diǎn)時(shí)基于電感值、輸入電壓和輸出電壓被設(shè)置。雖然這提供了在PWM控制期間的效率 提升，但相對(duì)較大的導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)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(duì)于在計(jì)算應(yīng)用中被使用的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，電壓紋波受行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制，以 限制中央處理單元（CPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA)或其他數(shù)字設(shè)備中的功率損耗。為了 滿足額定電壓紋波，PFM進(jìn)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(fù)載效率，因?yàn)槠錇閿?shù)據(jù)中心和家庭用戶節(jié)約資金，或增加手機(jī)應(yīng)用中的電池壽 命。
[0004] PFM的使用是用于在輕負(fù)載狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。許多常規(guī)PFM方法使 用恒定的PFM導(dǎo)通時(shí)間。然而，恒定的PFM導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)致輸出電壓紋波隨著PFM運(yùn)行而增 加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)一種控制開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的方法的實(shí)施例，該開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器包括用于通過 電感器向負(fù)載傳送輸出電流的功率級(jí)，該方法包括：在輸出電流減少至第一閾值以下時(shí)，將 功率級(jí)設(shè)置處于PFM(脈沖頻率調(diào)制）開關(guān)模式，該P(yáng)FM開關(guān)模式中的每個(gè)周期包括導(dǎo)通時(shí) 間、截止時(shí)間（off-time)和HiZ時(shí)間，在導(dǎo)通時(shí)間期間功率級(jí)的高側(cè)晶體管導(dǎo)通并且功率 級(jí)的低側(cè)晶體管截止，在截止時(shí)間期間低側(cè)晶體管導(dǎo)通并且高側(cè)晶體管截止，在HiZ時(shí)間 期間高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管均截止；以及響應(yīng)于輸出電流上的變化，改變PFM開關(guān)模式 的導(dǎo)通時(shí)間。
[0006] 根據(jù)一種開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的實(shí)施例，該調(diào)節(jié)器包括功率級(jí)和控制器。該功率級(jí)被 配置為通過電感器向負(fù)載傳送輸出電流，并且包括高側(cè)晶體管和低側(cè)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(jí)設(shè)置為PFM(脈沖頻率調(diào)制）開關(guān)模 式。該P(yáng)FM開關(guān)模式中的每個(gè)周期包括導(dǎo)通時(shí)間、截止時(shí)間和HiZ時(shí)間，在導(dǎo)通時(shí)間期間 高側(cè)晶體管導(dǎo)通并且低側(cè)晶體管截止，在截止時(shí)間期間低側(cè)晶體管導(dǎo)通并且高側(cè)晶體管截 止，在HiZ時(shí)間期間高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管均截止。該控制器進(jìn)一步可操作為響應(yīng)于輸 出電流上的變化，改變PFM開關(guān)模式的導(dǎo)通時(shí)間。
[0007] 通過閱讀下面的【具體實(shí)施方式】以及參看附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能識(shí)別其他的 特征和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0008] 附圖中的元件相對(duì)彼此不一定是按比例的。類似的附圖標(biāo)記指示對(duì)應(yīng)的類似部 分。各種所示實(shí)施例的特征能夠結(jié)合，除非其彼此排斥。實(shí)施例在附圖中被示出，并且在接 下來的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)行了詳細(xì)說明。
[0009] 圖1示出了一種多相開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的實(shí)施例的方框圖，該多相開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 在脈沖頻率調(diào)制模式中具有可變的導(dǎo)通時(shí)間；
[0010] 圖2是示出了與開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的脈沖頻率調(diào)制模式相關(guān)聯(lián)的各種波形的圖示；
[0011] 圖3是示出了對(duì)于在脈沖頻率調(diào)制模式中具有可變導(dǎo)通時(shí)間和不具有可變導(dǎo)通 時(shí)間的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，隨著輸出電流變化的效率的圖示；
[0012] 圖4是示出了對(duì)于在脈沖頻率調(diào)制模式中具有可變導(dǎo)通時(shí)間和不具有可變導(dǎo)通 時(shí)間的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)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(duì)于具有可變導(dǎo)通時(shí)間和不具有可變導(dǎo)通時(shí)間的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器， 基于開關(guān)頻率被控制的脈沖頻率調(diào)制運(yùn)行模式的圖示；
[0014] 圖6是示出了對(duì)于具有可變導(dǎo)通時(shí)間和不具有可變導(dǎo)通時(shí)間的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器， 在分立步驟中被實(shí)施的脈沖頻率調(diào)制運(yùn)行模式的圖示；
[0015] 圖7是一種響應(yīng)于PFM開關(guān)模式的HiZ時(shí)間、頻率或周期上的變化，改變PFM導(dǎo)通 時(shí)間的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0016] 圖8是一種響應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出電流的估計(jì)上的變化，改變PFM導(dǎo)通時(shí)間的方法的 實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本文中所描述的實(shí)施例通過響應(yīng)于負(fù)載上的變化改變開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的PFM(脈 沖頻率調(diào)制）導(dǎo)通時(shí)間，減少了開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓紋波，同時(shí)獲得了PFM運(yùn)行模式 中的效率提升。通過允許用戶選擇導(dǎo)通時(shí)間是否在PFM運(yùn)行中被改變以及導(dǎo)通時(shí)間何時(shí)被 改變，該實(shí)施例提供靈活性。這允許系統(tǒng)特有優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。
[0018] 圖1示出了開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100的實(shí)施例，開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100包括多個(gè)功率 級(jí)102和用于控制功率級(jí)102運(yùn)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(gè)功率級(jí)102可操作為通過分開的電感器（Ln)向負(fù)載106傳送 相電流（ij，負(fù)載106通過該電感器和輸出電容器（(：_)被連接至開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100。負(fù) 載106可以是高性能集成電路（比如微處理器、圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器等），或者需要電壓 調(diào)節(jié)的其他類型的集成電路（比如，P〇L(負(fù)載點(diǎn)））。
[0019] 每個(gè)功率級(jí)102具有通過相應(yīng)的電感器耦接至負(fù)載106的高側(cè)晶體管（HSn)和低 側(cè)晶體管（LSn)。在不同時(shí)期中，每個(gè)功率級(jí)102的高側(cè)晶體管可切換地將負(fù)載106連接至 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100的輸入電壓（Vin)，并且相應(yīng)的低側(cè)晶體管可切換地將負(fù)載106連接至 地。N個(gè)功率級(jí)102在圖1中被示出。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100可包括任何數(shù)量的功率級(jí)102， 包括單個(gè)功率級(jí)（相位）或不止一個(gè)功率級(jí)（即，多相位，其中每個(gè)功率級(jí)是該多相調(diào)節(jié)器 中的一個(gè)相）。
[0020] 在所有情況下，控制器104通過調(diào)整被傳送至負(fù)載106的相電流，調(diào)節(jié)由功率級(jí) 102傳送給負(fù)載106的電壓（V。）?？刂破?04包括脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulator， PWM)單元108，PWM單元108用于在CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式）中通過相應(yīng)的PWM控制信號(hào)（pwm) 開關(guān)每個(gè)功率級(jí)102,從而功率級(jí)102通過對(duì)應(yīng)的電感器和高側(cè)晶體管或低側(cè)晶體管產(chǎn)生 或注入電流至負(fù)載106。當(dāng)PWM控制信號(hào)處于邏輯電平高時(shí)，高側(cè)晶體管被置于導(dǎo)通狀態(tài)， 電感器電流通過高側(cè)晶體管被產(chǎn)生或注入，并且流經(jīng)電感器的電流在該時(shí)期內(nèi)增加。這通 常被稱為"導(dǎo)通時(shí)間（on-time)"，并且功率級(jí)102被認(rèn)為是"被導(dǎo)通（turnedon)"。當(dāng)PWM 控制信號(hào)處于邏輯電平低時(shí)，低側(cè)晶體管被置于導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過低側(cè)晶體管被獲得或 灌入，并且流經(jīng)電感器的電流在該時(shí)長(zhǎng)內(nèi)減少。這通常被稱為"關(guān)斷時(shí)間（off-time)"，并 且功率級(jí)102被認(rèn)為是"被關(guān)閉（turnedoff)"。
[0021] 控制器104還包括脈沖頻率調(diào)制（PFM)單元110,PFM單元110用于在DCM(非連 續(xù)導(dǎo)通模式）中通過相應(yīng)的PFM控制信號(hào)（pfm)開關(guān)功率級(jí)102中的一個(gè)。在DCM中，電感 器電流或電容器電壓中的開關(guān)紋波導(dǎo)致所施加的開關(guān)電流或開關(guān)電壓的極性反轉(zhuǎn)，并且在 電感器電流是0時(shí)，低側(cè)晶體管不被允許導(dǎo)通。在DCM開關(guān)周期開始時(shí)，相應(yīng)的功率級(jí)102 的高側(cè)晶體管（HSn)被導(dǎo)通。在電感器電流（ij達(dá)到峰值Ipk時(shí)，高側(cè)晶體管通常被關(guān)斷， 并且低側(cè)晶體管（LSn)被導(dǎo)通。然后，在電感器電流下降至0時(shí)，低側(cè)晶體管被關(guān)斷。在開 關(guān)周期的其他時(shí)間中高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管均截止，在本文中該其他時(shí)間被稱為HiZ時(shí) 間。為了調(diào)節(jié)DC輸出電壓（Vo)，控制器104改變功率級(jí)102的開關(guān)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(diào)制（PFM)。
[0022] 如上所述，每個(gè)PFM開關(guān)周期（switchingperiod或switchingcycle)包括導(dǎo)通 時(shí)間，接著是截止時(shí)間，再接著是HiZ時(shí)間。在HiZ時(shí)間期間，電感器電流是0,并且在周期 的該持續(xù)時(shí)間中并不改變。還是在HiZ時(shí)間期間，負(fù)載電流由輸出電容器（(：_)提供，導(dǎo)致 輸出電壓隨著時(shí)間減少，斜率取決于輸出電流。標(biāo)準(zhǔn)的控制方法是使用比較器來檢測(cè)輸出 電壓在何時(shí)已減少至目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓以下。在控制器104退出HiZ并進(jìn)入下一個(gè)的開關(guān)周期 的導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，增加了電感器電流并保持輸出電壓不再進(jìn)一步下降。因?yàn)榇祟愋偷腜FM方 案通過根據(jù)輸