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CN108628383A - 在多相电压调节器中组合温度监测和真实的不同电流感测 - Google Patents

在多相电压调节器中组合温度监测和真实的不同电流感测 Download PDF

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CN108628383A
CN108628383A CN201810235763.2A CN201810235763A CN108628383A CN 108628383 A CN108628383 A CN 108628383A CN 201810235763 A CN201810235763 A CN 201810235763A CN 108628383 A CN108628383 A CN 108628383A
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CN
China
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voltage regulator
phase
temperature
power stage
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CN201810235763.2A
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谢伊·帕特瑞克
张春
安基特·夏尔马
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Renesas Electronics America Inc
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Renesas Electronics America Inc
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Publication date
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Abstract

根据某些方面，本实施方式涉及用来提供监测电压调节器的一个或更多个工作参数的能力的技术。在实施方式中，电压调节器是具有与各个相位对应的多个功率级的多相电压调节器。在这些和其他实施方式中，工作参数包括相电流和相温度之一或二者。根据另外的某些方面，本实施方式提供独立地监测每个相位的各个相电流输出和相温度的能力。根据进一步的方面，在使电路复杂性最小化的同时获得监测工作参数的该能力。

Description

在多相电压调节器中组合温度监测和真实的不同电流感测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月22日提交的U.S.临时专利申请第62/475,029号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本实施方式总体涉及功率控制器，并且更具体地涉及监测多相电压调节器中的各种工作参数。
背景技术
电压调节器基于接收到的输入电压提供调节后的输出电压。电压调节器用在诸如网络设备、电信和数据通信设备、服务器和存储设备、物联网(IOT)装置、负载点(point-of-load)电源(例如，用于存储器、DSP、ASIC、FPGA芯片的电源)等之类的应用中。在这些和其他应用中，诸如温度和电流之类的电压调节器的各种工作参数监测对于保持最佳性能是有用的。
发明内容
本实施方式总体涉及功率控制器，并且更具体地涉及用来提供监测电压调节器的一个或更多个工作参数的能力的技术。在实施方式中，电压调节器是具有与各个相位对应的多个功率级的多相电压调节器。在这些和其他实施方式中，工作参数包括相电流和相温度之一或二者。根据另外的某些方面，本实施方式提供独立地监测每个相位的各个相电流输出和相温度的能力。根据进一步的方面，在使电路复杂性最小化的同时获得监测工作参数的能力。
附图说明
在结合附图浏览随后具体实施方式的描述时，本实施方式的各方面和特征对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见，其中：
图1是常规多相电压调节器的框图；
图2是根据本实施方式的示例多相电压调节器的框图；
图3是可包含在根据本实施方式的多相电压调节器中的示例功率级的框图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本实施方式，作为实施方式的举例说明的示例提供了这些附图，从而能够使本领域技术人员实施这些实施方式和对于本领域技术人员来说是显而易见的可选择的替代。注意，下面的附图和示例不意味着将本实施方式的范围限于单个实施方式，而是通过所描述的或举例说明的要素中的一些或全部的互换的方式，其他实施方式是可能的。此外，在可使用已知部件部分或完全实现本实施方式的某些要素时，仅将描述这些已知部件中的对于本实施方式的理解来说是必要的那些部分，并将省略这些已知部件中的其他部分的详细描述，从而不会使本实施方式模糊不清。被描述为以软件实现的实施方式不应限于此，而是其可包括以硬件、或软件和硬件的组合实现的实施方式，反之亦然，这对于本领域技术人员来说是显而易见的，除非在此有其他说明。在本申请中，显示出单数部件的实施方式不应认为是限制性的，而是，本公开内容旨在涵盖包括多个相同部件的其他实施方式，反之亦然，除非在此有其他明确说明。此外，申请人未打算将说明书或权利要求书中的任何术语认为具有不常用的或特殊的含义，除非在此明确有这种表述。此外，本实施方式涵盖与在此通过举例说明的方式指代的已知部件等同的目前和未来的已知等同物。
根据某些方面，本实施方式涉及用来提供监测电压调节器的一个或更多个工作参数的能力的技术。在实施方式中，电压调节器是具有与各个相位(phase)对应的多个功率级(power stage)的多相电压调节器。在这些和其他实施方式中，工作参数包括相电流(phasecurrent)和相温度(phase temperature)之一或二者。根据另外的某些方面，本实施方式提供独立地监测每个相位的各个相电流输出和相温度的能力。根据进一步的方面，与其他方案相对，在降低电路复杂性的同时获得监测工作参数的该能力。
图1是举例说明常规多相电压调节器的一个示例的框图。在该示例中，调节器100包括控制器102和多个(N个)功率级104，一个功率级104对应于N个相位中的各自一个。
控制器102例如是灵活多相(其中N可以是高达例如预定最大为六的任意所需的相数)PWM控制器。在实施方式中，控制器102可满足任何可应用的Intel服务器级瞬时性能规范、任何微处理器、FPGA或数字ASIC轨要求，并且可包括可调负载设定。控制器102可包括自动增/减相特征以在所有负载范围上允许最大效率，自动增/减相的阈值可以是用户可编程的。控制器102可包括综合故障管理系统以基于故障条件进一步配置单独的相位，故障条件基于功率级104提供的不同的监测信号，这将从下面的描述变得更加显而易见的。在这些和其他实施方式中，电压调节器100的应用可包括网络设备、电信和数据通信设备、服务器和存储设备、物联网(IOT)装置、负载点电源(例如，用于存储器、DSP、ASIC、FPGA芯片的电源)等。
控制器102可采用恒定频率、双缘PWM调制方案，其中PWM前缘和尾缘二者独立地移动，以针对瞬时负载给予最佳响应。这些相位当中的电流平衡是调节方案的固有部分。如果负载曲线要求这种工作，则调制方案能够将脉冲重叠。此外，调制器能够响应于调节要求从给定的周期增加或去除脉冲，同时仍将最大平均平率管理为安全级别。对于DC负载条件，工作频率是恒定的。如果进行自动减相，则仅通过负载电流可确定任意时间处的有效相数。根据有效相数，控制器102可采用在提供给各个有效相位的PWM信号之间交错的相位。
功率级104是切换功率控制器部件。功率级104从控制器102接收单独的PWM信号并在此基础上将电流驱动到各个电感器106中，这可以以本领域技术人员已知的许多方式进行。除了将电流驱动到电感器106中以外，功率级104还可将多个不同的输出信号提供回控制器102，使得控制器102可监测与功率级104相关的每个单独相位的性能。如该示例中所示，这些输出信号可包括相电流信号IOUT和相温度信号TMON。通过监测由每个功率级104提供的这些信号，控制器102可针对调节器100的最佳性能来控制每个单独相位的工作。
本申请人认识到诸如图1的调节器100之类的常规电压调节器的几个缺点。例如，在一些配置中，每个功率级104参照公共基准电压(该示例中为IREFIN)产生其各个相电流信号IOUT。如此，需要产生单独的基准电压VCCS(例如，1.2V)并提供给功率级104，以使IREFIN偏压。而且，所有功率级104的IREFIN输入全都结合在一起，因而经历交叉噪声耦合(cross noise coupling)，这不是理想的真实的不同电流感测方案。
本申请人认识到调节器100的另一示例缺点是，所有单独的功率级104的TMON输出结合在一起，从而仅将所有功率级104当中的最大温度提供给控制器102。因而，尽管每个功率级104提供其自身的温度，但由于所有相位的TMON输出结合在一起，所以损失了每个单独的功率级104的该信息。
本申请人认识到的进一步的缺点是，当调节器100的部件例如布局在PCB上时，这些部件之间的信号的路由变得复杂。一般来说，布局复杂性与需要发送和接收信号的引脚的数量和给定信号的目的地的数量对应地增加。如所示的，在调节器100中，在每个功率级104上具有用于信号TMON、IREFIN和IOUT的三个不同的引脚。同时，用于将IREFIN提供至所有相位的条件要求在电路(例如，PCB)上存在用于将IREFIN提供至所有功率级104的信号迹线。
图2是根据实施方式的示例多相电压调节器的框图。与调节器100类似，示例调节器200包括控制器202和多个(N个)功率级204，一个功率级204对应于N个相位中的各自一个。然而，根据某些方面，示例调节器200与常规调节器100在一些重要方面不同。注意，在该示例中，通过TREF从各个功率级204提供每个单独的相温度，并且通过IOUT从各个功率级204提供每个单独的相电流。
调节器200与调节器100之间的这些不同相比于常规的方案提供了各种优点。首先，因为TREF可给控制器202提供每个功率级204的温度，所以可进行热管理，从而在相位当中保持有效的热平衡，并且还允许控制器202关闭具有异常温度的相位。此外，如下面更详细的内容中描述的，IOUT现在参照TREF，从而不再需要诸如IREFIN之类的单独的电压基准，这降低了布局复杂性。该配置进一步使相位之间的交叉噪声耦合最小化并允许控制器202获得每个相位的真实的不同电流感测。
应当注意，尽管本文参照在多相电压调节器中的具体有益应用描述了本实施方式，但这不是必需的。例如，本实施方式的原理可扩展至更一般的应用，包括仅具有单相的电压调节器。
图3显示了可用在诸如图2中所示的多相电压调节器中的示例功率级。
可以看出，该示例中的功率级304包括智能模块310，智能模块310进一步包括PWM逻辑电路312、温度模块314和电流模块316，下面将对其进行更详细的描述。功率级304还包括高端晶体管(high-side transistor)322-H、低端晶体管(low-side transistor)322-L、以及分别相关的驱动器324-H和324-L。晶体管322-H和322-L每一个显示为本领域技术人员已知的N-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。可使用诸如其他类型的FET等的其他类型的电子开关器件，以及诸如双极结晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等的其他类型的晶体管。虽然以简化的形式显示了驱动器324-H和324-L，但其可包括自举或电荷泵电路，以有助于将晶体管322-H和322-L的栅极驱动到特定阈值以上。
PWM逻辑电路312从控制器，102接收PWM信号并在此基础上将电流驱动到电感器306中，这可以以本领域技术人员已知的许多方式进行。更具体地，例如，PWM逻辑电路312从控制器接收PWM信号并且经由驱动器324-H和324-L产生用于开启/关断晶体管322-H和322-L的单独信号，由此以来自控制器的PWM信号设立的开关频率和占空比分别将电感器316交替地耦接至VIN和地。PWM逻辑电路312可进一步包括用于执行可能与诸如代表电感器306的输出处的电压的信号VOS之类的各种报告信号有关的、本领域技术人员熟悉的各种其他任务的功能，诸如死区时间(dead time)和直通保护(shoot-through protection)、高端FET短路和过电流保护等。
该示例中的温度模块314与功率级304相关的相温度对应地产生温度补偿电压TREF。在一个示例中，温度模块314包含使用电源电压VCC(例如，5V)工作的低压降(lowdropout，LDO)调节器或由使用电源电压VCC(例如，5V)工作的低压降调节器实现。更具体地，在该示例中，温度模块314具有耦接至晶体管322-H和322-L之间的接合点(junction)的热传感器。基于该温度(Tj)，温度模块314产生LDO输出电压、或从LDO输出导出的电压，所产生的电压具有已知的基础电压值和与功率级304中的温度成比例的已知变量。例如，模块314的输出可以是TREF＝1.0V+4mV*Tj，其中Tj可在从-40摄氏度(degrees C)到+50摄氏度的范围内，1.0V是0摄氏度(或其他基础温度)时的已知基础电压，4mV是每一摄氏度的已知可变温度系数。然而，本实施方式不限于该特定的用于报告相温度的基于LDO的方案，本领域技术人员将认识到一些替换的相温度报告方案是可能的。因为如下面将要详细描述的，TREF用作电流感测模块316的基准，所以温度模块314优选使其为灌电流(sink current)和拉电流(source current)二者。
电流感测模块316监测由功率级304输出到电感器306上的电流并产生与感测到的电流成比例的输出IOUT电压。例如，电流感测模块316可监测低端晶体管322-L和高端晶体管322-H的电流并且利用该信息产生趋向于接近电感器306电流IL的实际波形的IOUT信号。在该示例和其他示例中，参照图3中的示例功率级304，电流感测模块316通过监测PHASE、VOS和PGND(低端晶体管322-L的源极连接点)电压产生IOUT信号，以产生具有IOUT＝TREF+IL*5mV/A的值的电压。因而，IOUT参照TREF，不再需要单独的基准IREFIN。此外，因为控制器接收TREF和IOUT二者，所以控制器可仅使用这两个引脚和信号，很容易彼此独立地监测每个相位的相温度(使用TREF)和相电流(使用IOUT和TREF)二者。
如图3的示例中进一步示出的，功率级304可包括用于单独的温度报告的可选引脚TOUT。在该示例中，温度模块314可在TREF引脚和TOUT引脚二者上输出TREF信号。在控制器要求用于从用于获得电流信息的信号分离出来的温度报告的专用输入的情况下，这可提供引脚兼容性。然而，应当注意，TREF和TOUT的值可以是不同的。例如，TOUT可产生为TOUT＝0.6V+8mV*Tj，其中Tj可在从-40摄氏度到+50摄氏度的范围内，0.6V是0摄氏度(或其他基础温度)时的已知基础电压，8mV是每一摄氏度的已知可变温度系数。
尽管参照其优选实施方式具体描述了本实施方式，但在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行变化和修改，这对于本领域普通技术人员来说应是很显然的。所附权利要求旨在涵盖这种变化和修改。

Claims (15)

1.一种用于监测电压调节器的一个或更多个工作参数的装置，包括：
温度模块，所述温度模块产生代表所述电压调节器中的温度的第一信号；和
电流模块，所述电流模块产生代表由所述电压调节器输出的电流的第二信号，其中所述第二信号是基于所述第一信号的。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括用于分别输出所述第一信号和所述第二信号的第一输出引脚和第二输出引脚。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述温度对应于所述电压调节器中的高端功率晶体管与低端功率晶体管之间的接合点温度。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电流对应于所述电压调节器中的电感器电流。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述电压调节器是具有与各个相位对应的多个功率级的多相电压调节器，并且其中所述第一信号和所述第二信号是由所述多个功率级中的每一个产生的。
6.如权利要求5所述的装置，进一步包括所述多个功率级的每一个中的、分别用于输出所述第一信号和所述第二信号的第一输出引脚和第二输出引脚。
7.一种用于监测电压调节器的一个或更多个工作参数的方法，包括：
产生代表所述电压调节器中的温度的第一信号；和
产生代表由所述电压调节器输出的电流的第二信号，其中所述第二信号是基于所述第一信号的。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括在所述电压调节器的第一输出引脚和第二输出引脚上分别输出所述第一信号和所述第二信号。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述温度对应于所述电压调节器中的高端功率晶体管与低端功率晶体管之间的接合点温度。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述电流对应于所述电压调节器中的电感器电流。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述电压调节器是具有与各个相位对应的多个功率级的多相电压调节器，并且其中所述第一信号和所述第二信号是由所述多个功率级中的每一个产生的。
12.一种多相电压调节器，包括：
控制器；和
与各个相位对应的多个功率级，所述多个功率级中的每一个包括：
温度模块，所述温度模块产生代表所述功率级中的温度的第一信号；和
电流模块，所述电流模块产生代表由所述功率级输出的电流的第二信号，其中所述第二信号是基于所述第一信号的。
13.如权利要求12所述的多相电压调节器，其中所述多个功率级中的每一个进一步包括用于分别输出所述第一信号和所述第二信号的第一输出引脚和第二输出引脚，并且其中所述控制器包括分别与所有功率级的第一输出引脚和第二输出引脚耦接的多个引脚。
14.如权利要求12所述的多相电压调节器，其中所述温度对应于所述功率级中的高端功率晶体管与低端功率晶体管之间的接合点温度。
15.如权利要求12所述的多相电压调节器，其中所述电流对应于所述功率级中的电感器电流。
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