基于输出电容器参数和输出电压变化的峰值电流估计制造技术

开关电压调节器的控制器基于电压调节器内的电流、电压调节器的输出电压中的变化以及输出电容器的电容和/或等效串联电阻(ESR)来估计负载电流。对于输出电压中的急剧下降，输出电容器的ESR提供负载电流的更好的估计，而输出电容针对中等输出电压降提供更好的估计。这些技术使电压调节器控制器更快地检测过大的负载电流，并且以很少的时间延迟向负载发出过电流警告。这些技术提供的快速响应为负载(例如，CPU或GPU)提供了足够的时间来减少其电流，从而避免了由于过大的负载电流而导致的完全关机。

【技术实现步骤摘要】
基于输出电容器参数和输出电压变化的峰值电流估计
本申请涉及用于基于电压调节器中的电流、提供给电压调节器的负载的输出电压的变化以及输出电容器的电容或等效串联电阻(ESR)来估计提供给电压调节器的负载的峰值电流的技术。
技术介绍
许多供电负载(包括：服务器、游戏机和高端计算处理器)都要求在负载瞬变导致负载电流猛增到过高水平时，尽可能快地接收到过电流(OC)警告信号。一旦这样的负载接收到OC警告信号，负载就可以降低负载电流，例如，通过关闭负载内的中央或图形处理单元(CPU或GPU)的部分，或另外通过将汲取的电流钳位到安全水平来减小负载电流，这可以防止负载因电流过大而关机。向负载供电的电压调节器通常必须提供这样的OC警告信号，并且必须以最小的延迟发出该信号，因为负载响应于OC警告信号来调整负载电流还有进一步的延迟。例如，典型负载内的系统可能要求在电流峰值的4微秒内发出这样的OC警告。如果OC警告信号发出得足够迅速，例如在该4微秒的时间限制内，则负载电流(例如，CPU/GPU电流)可能会及时被减小，以防止由于电流过大而导致关机。从输出负载电流达到警告水平时到发出OC警告的延迟可能没有提供足够的时间来防止负载的过电流关机。该延迟的主要分量是输出负载电流增加与在电压调节器内检测到该增加之间的时延。大多数开关电压调节器使用储能电感器来调节电压，并且电感器会限制从电压调节器输出的电流的变化率。负载电流的增加(和减小)导致电感器电流的对应增加(和减小)，但仅在一定的滞后之后。该滞后很大程度上取决于电感器的电感，其中较大的电感会导致较长的延迟。用于减小报告时延并且从而提高OC警告性能的一种技术是使用较小的电感。然而，较小的电感通常在开关电压调节器中需要较高的开关频率，这是以较高的开关损耗和较低的功率效率为代价的。考虑到功率效率对于电压调节器的重要性，通常最好使用较大的电感器，以优化功率效率。需要用于减小在电压调节器处检测负载处的过大电流水平时的时延的技术，使得可以向负载迅速地发出OC警告信号。这样的技术不应降低电压调节器的功率效率，并且因此不应该影响所选择的电感器尺寸。
技术实现思路
根据用于估计提供给开关电压调节器的负载的负载电流的方法的实施例，该方法可以在开关电压调节器内实现。该方法包括感测电感器电流和开关电压调节器的输出电压。该方法进一步包括确定感测到的输出电压中的电压变化，并且基于电感器电流、电压变化和开关电压调节器的输出电容器的电容器参数来估计负载电流的峰值电流。例如，电容器参数可以是输出电容器的电容或等效串联电阻(ESR)。根据开关电压调节器的实施例，开关电压调节器被配置为估计提供给负载的负载电流。开关电压调节器包括功率级、输出、输出电容器、电感器和控制器。输出用于耦合负载并且用于向负载提供电流。输出电容器被耦合到输出并且具有包括输出电容和输出电容器ESR的电容器参数。电感器被耦合在功率级与输出之间，并且具有流经电感器的电感器电流。控制器被配置为感测电感器电流和输出处的输出电压。控制器进一步被配置为确定感测到的输出电压中的电压变化，并且基于感测到的电感器电流、电压变化和电容器参数中的至少一个电容器参数来估计负载电流的峰值电流。本领域技术人员在阅读以下详细描述并在查看附图时将认识到附加的特征和优点。附图说明附图的元件不必相对于彼此成比例。相同的附图标记表示对应的相似部分。除非它们相互排斥，否则可以组合各种所示实施例的特征。在附图中描绘了实施例，并且在随后的描述中详细描述了实施例。图1示出了开关电压调节器的示意图，开关电压调节器包括控制器，控制器被配置为估计峰值负载电流并且部分地基于感测到的输出电压来发出过电流警告信号。图2示出了与图1类似的电路内的电压和电流相对应的波形。图3A和3B示出了与图1内的电压和电流相对应的波形。图4A、4B、5A、5B示出了在各种负载线条件下和具有不同电流瞬变的情况下与图1内的电压和电流相对应的波形。图6示出了用于估计峰值负载电流的方法。图7A、7B、7C和7D示出了用于估计峰值负载电流的子方法。具体实施方式本文描述的实施例提供了用于估计正由负载吸收的峰值电流的电路和方法。所描述的技术在向负载供电的电压调节器或其中的控制器内实施。这些技术不仅依赖于电压调节器内的测量的电流(例如，通过开关电源的电感器的电流)，而且使用电压调节器的测量的输出电压以及输出电容器的参数来估计峰值负载电流。由于输出电压在负载电流急剧增加后几乎立即改变，因此与仅依赖于电压调节器的测量的输出电流的估计技术相比，上述基于输出电压的估计技术能够以明显更少的时延追踪峰值负载电流。估计的峰值负载电流可以用于生成过电流(OC)警告信号，该信号可以被发送到负载。所描述峰值负载电流估计技术提供的减少的时延导致在负载电流瞬变之后发出OC警告信号的延迟减少，从而提高了负载能够安全地降低其电流消耗并且避免OC关机的可能性。为了描述清楚，在基于作为开关降压转换器的电压调节器的特定示例的背景下解释该技术。然而，该技术可以类似地被应用于其他非隔离式电压调节器，其将储能电感器与功率(开关)级(例如，包括升压转换器和降压/升压转换器)结合使用。可以类似地在隔离电压转换器(例如，包括反激和正激转换器)内实现该技术。所描述的峰值负载电流估计技术可以改善从任何如下电压调节器发出OC警告的时延，该电压调节器在发生负载电流瞬变与可以在电压调节器内的感测电流中检测到关联的峰值负载电流之间产生明显的延迟。该技术依赖于测量电压调节器的输出电压，并使用耦合到输出电压的输出电容器的参数。这些参数包括等效串联电阻(ESR)和/或输出电容器的电容，并且通常被存储在电压调节器内的存储器中。所描述的实施例出于解释的目的提供了特定的示例，并且不意味着是限制性的。除非上下文不允许，否则示例实施例的特征和方面可以被组合或重新布置。下面以对与负载和向该负载供电的电压调节器对应的电路的描述开始。结合示出与电压调节器和负载相关联的电流和电压的波形来进一步描述该技术。接下来，针对各种条件提供了峰值负载估计技术的准确性结果。最后，描述了用于估计峰值负载电流的示例方法。用于估计峰值负载电流的电压调节器图1示出了负载130和向负载供电的电压调节器的示意图100。负载可以包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、服务器、游戏机处理器等等。电压调节器在输入端子101处被提供输入电压VIN，并且在输出端子102处被提供输出电压VOUT，输出端子102被耦合到负载130。电压调节器包括降压转换器110和控制器140。输出电容器120被耦合到电压调节器的输出电压VOUT，并且用于对提供给负载130的电压VOUT进行滤波(平滑)。输出电容器120被建模为具有电阻RESR的等效串联电阻器(ESR)、具有电感LESL的等效串联电感(ESL)和具有电容COUT的理想电容器。降压转换器110包括被耦合在输入端子101与接地参考之间的功率级。功率级具有由高侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在开关电压调节器内用于估计提供给所述开关电压调节器的负载的负载电流的方法，所述方法包括：/n感测所述开关电压调节器的电感器电流；/n感测所述开关电压调节器的输出电压；/n确定感测的所述输出电压中的电压变化；/n基于所述电感器电流、所述电压变化以及所述开关电压调节器的输出电容器的电容器参数，估计所述负载电流的峰值电流。/n

【技术特征摘要】
20190509 US 16/407,7681.一种在开关电压调节器内用于估计提供给所述开关电压调节器的负载的负载电流的方法，所述方法包括：
感测所述开关电压调节器的电感器电流；
感测所述开关电压调节器的输出电压；
确定感测的所述输出电压中的电压变化；
基于所述电感器电流、所述电压变化以及所述开关电压调节器的输出电容器的电容器参数，估计所述负载电流的峰值电流。


2.根据权利要求1所述的方法，
其中感测所述输出电压包括：在第一时刻处感测第一输出电压，以及在所述第一时刻之后发生的第二时刻处感测第二输出电压；
其中确定所述电压变化包括：获取所述第二输出电压与所述第一输出电压之间的差；并且
其中在所述第二时刻处或在所述第二时刻之前感测所述电感器电流。


3.根据权利要求1所述的方法，
其中所述电容器参数包括输出电容器等效串联电阻(ESR)；
其中估计所述峰值电流包括：基于所述电感器电流、所述电压变化和所述输出电容器ESR来计算所述峰值电流。


4.根据权利要求3所述的方法，其中计算所述峰值电流包括：将所述电压变化除以所述输出电容器ESR，并且将相除的结果与所述电感器电流相加。


5.根据权利要求4所述的方法，其中所述电容器参数还包括输出电容，所述方法进一步包括：
基于所述电感器电流、所述电压变化、在其上发生所述电压变化的时间间隔以及所述输出电容，估计第二峰值电流。


6.根据权利要求1所述的方法，
其中所述电容器参数包括输出电容；
其中估计所述峰值电流包括：基于所述电感器电流、所述电压变化、在其上发生所述电压变化的时间间隔以及所述输出电容来计算所述峰值电流。


7.根据权利要求6所述的方法，其中估计所述峰值电流包括：将所述电压变化除以所述时间间隔，并且将相除的结果乘以所述输出电容。


8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将估计的所述峰值电流与电流警告阈值进行比较；以及
响应于检测到估计的所述峰值电流等于或超过所述电流警告阈值而生成电流警告信号。


9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
从所述开关电压调节器的存储器取回所述电容器参数。


10.一种开关电压调节器，被配置为估计提供给所述开关电压调节器的负载的负载电流，所述开关电压调节器包括：
功率级；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：游志青，T·吴，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT