电流停泊切换调节器上游控制器制造技术

本公开提供了电流停泊切换调节器上游控制器。提供用于调节负载处的电压的系统和方法。电流源配置为将电流提供到电压控制机构，电压控制机构配置为将电流的一部分提供到负载。电流基于电流的被提供到负载的部分来生成。系统包括电流源、上游控制器和耦连到负载的电压控制机构。上游控制器耦连到电流源并配置为控制由电流源基于电流的被提供到负载的部分所生成的电流。

【技术实现步骤摘要】
电流停泊切换调节器上游控制器
本专利技术涉及调节器（regulator）电路。
技术介绍
在高性能数字系统中使用的、诸如微处理器和图形处理器的常规设备可基于处理的工作量而具有变化的电流需求。例如，当逻辑块在停顿之后重启时或当新请求发起诸如新图像的生成的大计算时，电流需求可能显著增加。相反，当逻辑块成为空闲时电流需求可能显著减少。当电流需求增加并且没有充足的功率时，提供到设备的供电电压可能掉到临界电压电平之下，潜在地使设备无法正确运行。当电流需求减少并且提供到设备的供电电压上升到临界电压电平之上时，设备内的电路可能无法正确运行并甚至可能遭到破坏。常规的多相切换调节器是在供电电源和设备之间相接的电功率转换设备，对设备提供电流并对电流需求的改变做出响应以维持供电电压电平。然而，常规多相切换调节器依靠大电感器用于电压转换，并且大电感器限制了常规多相切换调节器对电流需求中的显著改变（即电流瞬变）做出快速响应的能力。典型的30A相位的常规多相切换调节器可使用0.5μH的电感器用于电压转换。电流响应被限制在di/dt=V/L，对于V=11V（将12V输入降到1V供电电压电平）和L=0.5μH，得到22A/μs。提供到设备的电流增加10A将要求至少500ns。此外，脉冲宽度调制切换操作的同步将使常规多相切换调节器的电流响应时间增加若干微秒。当设备的时钟周期小于电流响应时间时，设备可能无法正确运行。500MHz的时钟具有2ns的周期，所以在500ns的电流响应时间期间可出现数百个时钟周期。因此，存在对改进电压电平的调节和/或与现有技术相关联的其他问题的需求。
技术实现思路
提供用于调节负载处的电压的系统和方法。电流源配置为将电流提供到电压控制机构，并且电压控制机构配置为将电流的一部分提供到负载。电流基于电流的被提供到负载的部分来生成。系统包括电流源、上游控制器以及与负载耦连的电压控制机构。上游控制器耦连到电流源并配置为控制由电流源基于电流的被提供到负载的部分所生成的电流。附图说明图1A示出根据一个实施例的电功率转换系统，其包括实现为具有单个电感器的电流停泊（current-parking）切换调节器的电功率转换设备；图1B示出根据一个实施例的、包括多个电功率转换设备的多相切换调节器；图1C示出根据一个实施例的、具有分立（split）电感器的电流停泊切换调节器；图2示出根据一个实施例的、用于调节提供到负载的电压电平的方法的流程图；图3A示出根据一个实施例的电流停泊切换调节器；图3B示出根据一个实施例的、控制提供到图3A中示出的电流停泊切换调节器的负载的电流的部分的波形；图3C示出根据一个实施例的、上游控制器的占空因数测量单元；图3D示出根据一个实施例的、上游控制器的另一占空因数测量单元；图4A示出根据一个实施例的、图3A中示出的电流停泊切换调节器的上游控制器；图4B示出根据一个实施例的、图3A中示出的电流停泊切换调节器的另一上游控制器；图4C示出根据一个实施例的、用于上游控制器控制通过电流控制机构所生成的电流的方法的流程图；图5A示出根据一个实施例的、用于调节提供到负载的电压电平的方法的另一流程图；图5B示出根据一个实施例的系统，所述系统包括驱动使用共享的电流源的两个负载的电流停泊切换调节器；图5C示出根据一个实施例的、系统内的电流停泊切换调节器的示图；图6A示出根据一个实施例的、由电流停泊切换调节器所生成的波形；图6B示出根据一个实施例的、图6A中示出的波形的一部分的放大图；图6C示出根据一个实施例的、图6A中示出的波形的一部分的另一放大图；以及图7示出例示性系统，其中可实现各先前实施例的各架构和/或功能性。具体实施方式电功率转换设备将期望的输出电压电平提供到负载，诸如设备。电功率转换设备将从电源（例如电池或主电源）所接收的功率转换到被提供到负载的供电电压电平。使用电感器将附加电流传递到负载并采用对流过电感器的平均电流进行调制的切换机构调节输出电压电平。电容器耦连在负载和接地之间以存储任何过剩电流（被提供通过电感器的电流和传递到负载的电流之间的差）。图1A示出根据一个实施例的电功率转换系统100，其包括实现为具有单个电感器L1的电流停泊切换调节器的电功率转换设备120。电功率转换设备120可以是多相切换调节器的一个相，如图1B所示。电功率转换设备120配置为通过对从电源108所接收的功率进行转换来在负载110处提供期望的输出电压电平（VL）。电功率转换设备120包括电流控制机构和电压控制机构。电流控制机构耦连到电源108和控制器105，并且可操作为控制流过电感器L1的电流IL1的平均值并确保跨多相切换调节器的多个相提供最小电流。例如，如所示，电流控制机构可包括一个或多个第一切换机构M1和一个或多个第二切换机构M2。切换机构M1和M2每个可包括例如N型功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和/或其他切换机构。虽然为了易于理解而示出单个切换机构M1和M2，但将理解的是，可并行连接多个切换机构M1和M2以增加电流容量、减少传导损耗等。控制器105配置为将一个或多个控制信号应用到切换机构M1和M2。例如，控制器105可配置为生成脉冲宽度调制（PWM）信号或脉冲频率调制（PFM）信号、PWM和PFM的组合、和/或不同控制信号以根据占空因数选择性地使能切换机构M1和M2。无论具体配置如何，控制器105配置为提供控制信号使得切换机构M1和M2不被并发地使能（即打开）。换句话说，一次仅切换机构M1和M2中的一个被使能。并发地使能切换机构M1和M2以在电源108的供电和接地之间提供直接路径，从而潜在地损坏电功率转换设备120和/或负载110和/或产生不合需要的高功率使用。与常规电功率转换设备相反，电功率转换设备120除电流控制机构以外包括电压控制机构。电压控制机构耦连在电流控制机构（处于电感器L1的下游末端）和负载110之间并可操作为控制VL。电流控制机构配置为生成“停泊”在电感器L1中的电流IL1。电压控制机构可操作为控制传递到电容器C1的电感器电流IL1的量。这样，电压控制机构包括一个或多个切换机构M3和一个或多个切换机构M4。切换机构M3和M4每个可包括例如N型平面金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和/或其他切换机构。虽然为了易于理解而示出单个切换机构M3和M4，但将理解的是，可并行连接多个切换机构M3和M4以增加电流容量、减少传导损耗等。常规电功率转换设备不包括切换机构M3和M4，所以电感器L1将代替地直接耦连到电容器C1和负载110。流过电感器L1并且不被负载110所消耗的任何过剩电流在电容器C1上累积，并且由负载110所汲取的、超过由电感器L1所提供的电流的任何电流由电容器C1来提供。电感器L1抵制电流的改变，从而防止当负载110的电流需求增加时在电感器L1中存储的能量全部立即释放到负载110。电感器的该属性与电容器C1的存储能力一起使VL在稳态运行期间（即当负载110的电流需求相对恒定时）能够足够稳定。然而，在VL中存在一些“脉动（ripple）”，其取决于电感器L1的大小、电容器C1的大小和/或控制器105的切换频率以及其他因素。总地来讲，随着电感器L1的大小的增加，稳态运行（即在负载110处近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：配置电流源为将电流提供到电压控制机构；配置所述电压控制机构为将所述电流的一部分提供到负载；以及基于所述电流的被提供到所述负载的所述部分生成所述电流。

【技术特征摘要】
2013.02.08 US 13/763,5161.一种电功率转换方法，包括：配置电流源为将电流提供到电压控制机构；通过第一切换机构，配置所述电压控制机构为将所述电流的一部分提供到负载，所述第一切换机构直接耦合在所述电流源和所述负载之间并由第一信号控制，其中所述电流的一部分随着所述第一信号的占空因数的增加而增加，并且所述电流的一部分随着所述第一信号的占空因数的减小而减小；测量所述第一信号的所述占空因数，以产生经测量的占空因数；将所述经测量的占空因数与目标占空因数相比较以产生比较输出，所述目标占空因数对应于所述负载消耗的电流；以及基于所述比较输出生成用以控制所述电流源内的第二切换机构的第二信号，从而基于比较结果来调节所述电流，其中所述电压控制机构以比所述电流源高的频率操作。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二信号将所述电流源与电源耦连和解耦以调节所述电流。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二信号将所述电流源与电流宿耦连和解耦以调节所述电流。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当所述经测量的占空因数小于所述目标占空因数时减少生成的所述电流。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标占空因数根据与所述负载相关联的处理工作量来变化。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量包括对所述第一信号进行滤波以产生所述经测量的占空因数。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量包括对抽头延迟线进行采样以产生所述经测量的占空因数。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述经测量的占空因数大于所述目标占空因数时增加所述电流。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流大于调节所述负载处的输出电压电平所需的平均电流。10.一种电功率转换方法，包括：配置电流源为将电流提供到电压控制机构；通过第一切换机构，配置所述电压控制机构为将所述电流的一部分提供到负载，所述第一切换机构直接耦合在所述电流源的输出和所述负载之间并由第一信号控制，其中所述第一信号在预定的范围内维持在负载上的输出电压水平，所述预定的范围由最小电压和最大电压为边界；测量所述电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·J·达利，
申请(专利权)人：辉达公司，
类型：发明
国别省市：美国;US