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CN102810983A - Pwm电压调节器的控制电路及方法 - Google Patents

Pwm电压调节器的控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PWM电压调节器的控制电路及方法，结合高频反馈技巧与固定工作时间或固定非工作时间架构，以改善该PWM电压调节器的暂态效能。该PWM电压调节器根据一电流产生固定工作时间或固定非工作时间以产生PWM信号，并在暂态期间根据其输出的衰减电压动态地调整该电流，因而加速其暂态响应，且毋需任何负载步阶检测的门槛。

Description

PWM电压调节器的控制电路及方法
技术领域
本发明涉及一种脉宽调变(Pulse Width Modulation；PWM)电压调节器，特别是关于一种PWM电压调节器的控制电路及方法。
背景技术
近代中央处理器(CPU)的负载电流是高度动态且从轻载到最大负载的变化非常快速的。CPU的一次电流暂态变化可能在1微秒(μs)以内，此时间小于典型的脉宽调变电压调节器的切换周期，不论其是电压模式或电流模式控制。为解决此问题，用来提供电压给CPU的PWM电压调节器大部分是藉设定其输出的电压变化门槛来触发另一非闭回路调节机制，例如触发另一PWM工作时间(on-time)或立刻停止非工作时间(off-time)，或增加PWM信号的工作周期比(duty)。然而这种设计有两个主要的缺点：第一，该电压变化门槛是不连续的，因此只有在输出的衰减电压超过该电压变化门槛时才能改善暂态响应；第二，该电压变化门槛是固定的，因此不适用各种应用。此外，若使用外部元件来设定该电压变化门槛，则需要额外的接脚，这将增加成本且降低电路板设计的弹性。
目前，应用在CPU的电压调节器大多使用适应性电压位置(NativeAdaptive Voltage Position；N-AVP)控制，例如美国专利号7,436,158。传统的PWM架构通常使用锯齿波信号作为参考值与输出电压信号或电感电流信号比较而产生PWM信号供控制电压调节器的切换。在负载由轻载转为重载的暂态期间，PWM电压调节器的输出电压瞬间下降，可能因为降到太低而导致CPU停止操作。目前已有许多解决控制回路暂态问题的方案，例如美国专利申请案公开号2007/0013356利用电压模式控制回路来解决快速暂态响应问题，但这种方法会因为同步时脉而遭遇时序问题，而且也无法在暂态发生时即时反应。美国专利申请案公开号2007/0109825提出一种感测负载电流以改变时序源的方法以克服前述的时脉时序问题，但此方法也无法在暂态发生时即时反应。美国专利号7,615,982在负载电流超过门槛时插入一非闭回路PWM脉冲以改善暂态响应，虽然可以在暂态发生时即时反应，但其是非线性控制，可能造成电压调节器的控制回路不稳定。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种改善PWM电压调节器的暂态效能的控制电路及方法。
本发明的目的之一，在于提出一种PWM电压调节器的控制电路及方法，在该PWM电压调节器暂态期间根据其输出的电压变化动态地调整其PWM信号。
本发明的目的之一，在于提出一种PWM电压调节器的控制电路及方法，根据该PWM电压调节器的输出电压涟波频率判断是否发生暂态。
根据本发明，一种PWM电压调节器的控制电路及方法，结合高频反馈(feedback)技巧与固定工作时间或固定非工作时间架构，以改善该PWM电压调节器的暂态效能。
根据本发明，该PWM电压调节器根据一电流产生固定工作时间或固定非工作时间以产生PWM信号，并在暂态期间根据其输出的电压变化动态地调整该电流。
根据本发明，该PWM电压调节器检测其输出电压涟波频率，使用高频反馈回路调整该电流。
根据本发明的控制电路及方法至少达成多项优点：第一，不需要任何负载步阶检测的门槛，其触发仅与暂态速度有关，且其响应正比于暂态速度及步阶；第二，可以不需要额外的接脚就能改善暂态响应；第三，提供高度弹性予电路板设计以改变加速暂态响应的能力；第四，适用多种类型的应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为应用本发明的CCR COT PWM电压调节器；
图2为图1中的电源管理IC及高频反馈控制器的实施例；
图3为图1中的高频反馈控制器的另一实施例；
图4为图1的PWM电压调节器的波形图；以及
图5为本发明的控制电路的另一实施例。
附图标号：
10  控制电路
12  输出级
14  CPU
142 CPU的电源输入接脚
16  高频反馈控制器
18  电源管理IC
182 电源管理IC的固定时间设定接脚
184 电源管理IC的接脚
20  驱动器
30  固定时间产生器
32  PWM比较器
34  电流控制电流源
36  比较器
38  控制器
40  PWM信号Spwm的波形
42  输出电压Vout的波形
44  PWM信号Spwm的波形
46  输出电压Vout的波形
48  PWM信号Spwm的波形
50  输出电压Vout的波形
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在传统的PWM电压调节器中，习惯增加补偿电路来滤除反馈信号的高频成分，但本发明反其道而行，提出一种特别的高频反馈回路来控制高频反馈信号，其能有效的改善PWM电压调节器的暂态响应。此高频反馈回路为线性控制回路而且只针对控制回路的高频部分。此高频反馈回路可以用简单的被动元件及结构实现。
参照图1的实施例，本发明应用在定电流涟波(Constant Current Ripple；CCR)固定工作时间(Constant On Time；COT)PWM电压调节器。该CCR COTPWM电压调节器使用N-AVP控制且其PWM触发机制类似谷值电流模式(valley current mode)COT控制回路。正如同已经广为熟知的，该PWM电压调节器包括控制电路10及输出级12，且输出级12根据控制电路10提供的PWM信号Spwm产生输出电压Vout供给CPU 14的电源输入接脚142。输出级12包括驱动器20根据PWM信号Spwm切换开关SW1及SW2而控制电感电流IL对电容Co充电，以产生输出电压Vout，这些是现有技术。控制电路10包括电阻Rset、电源管理IC 18及高频反馈控制器16。电阻Rset连接在电压输入端Vin及电源管理IC 18的固定时间设定接脚182之间，供应电流Iset到固定时间设定接脚182，电源管理IC 18根据从固定时间设定接脚182接收到的电流I1产生固定时间Tcon，用来决定PWM信号Spwm的工作时间或非工作时间。在CCR COT PWM电压调节器中，电流I1正比于电感电流IL以使输出电压Vout的涟波固定。高频反馈控制器16连接在固定时间设定接脚182及电源输入接脚142之间，用来建立高频反馈回路。固定时间设定接脚182及电源输入接脚142都是IC或芯片原本就有的接脚，因此在此实施例中不需要增加额外的接脚。
参照图1，在正常操作期间，输出电压Vout的涟波处于低频，高频反馈控制器16如同断路，因此经固定时间设定接脚182流入电源管理IC 18的电流I1＝Iset。在供给CPU 14的输出电压Vout发生快速且大范围下降时，输出电压Vout的涟波频率超过高频反馈控制器16的门槛，促使高频反馈控制器16建立高频反馈回路从固定时间设定接脚182抽取电流Iqr，因而调整电流I1＝Iset-Iqr，进而调整固定时间Tcon。电流Iqr的大小取决于输出电压Vout的衰减电压，因此高频反馈控制器16会自行追踪输出电压Vout的衰减电压而调整电流Iqr，因而动态地调整固定时间Tcon。高频反馈控制器16设置在电路板上而非电源管理IC 18中，因此电路板设计者只要改变高频反馈控制器16的元件就可以改变高频反馈控制器16的加速能力，以符合各种应用，故对电路板设计者而言，本发明提供更好的弹性。
图2为图1中的电源管理IC 18及高频反馈控制器16的实施例。电源管理IC 18包括固定时间产生器30根据电流I1产生固定时间Tcon，以及PWM比较器32在反馈电压VFB低于参考电压Vref1时触发信号St给固定时间产生器30以触发PWM信号Spwm。如同大家已熟知的，反馈电压VFB是PWM电压调节器的输出反馈信号，通常与输出电压Vout成正比。固定时间产生器30包括电流控制电流源(Current Control Current Source；CCCS)34根据电流I1产生电流I2对电容C1充电，开关SW3与电容C1并联，比较器36比较电容C1的电压Vc1及参考电压Vref2以产生PWM信号Spwm。在一实施例中，当控制器38响应触发信号St而产生短脉冲Ssp重设电容C1至接地电压时，PWM信号Spwm转为高准位，在短脉冲Ssp结束使开关SW3变为开路(off)后，电容C1的电压Vc1上升，当电压Vc1达到参考电压Vref2时，PWM信号Spwm转为低准位。电流I2的大小决定电压Vc1的上升速度，因而决定PWM信号Spwm的固定工作时间Tcon的长度。
参照图2，高频反馈控制器16包括由快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr组成的高通RC滤波器。快速响应电容Cqr与快速响应电阻Rqr串联，快速响应电容Cqr连接电源输入接脚142，快速响应电阻Rqr连接固定时间设定接脚182。在正常操作时，输出电压Vout的涟波处于低频，因此快速响应电容Cqr如同断路。当输出电压Vout发生暂态而瞬间下降时(为高频的暂态)，反馈电压VFB也瞬间下降而低于参考电压Vref1，因而立即触发信号St以触发PWM信号Spwm，进而达成即时响应，同时，因为输出电压Vout的涟波频率上升至高频范围，快速响应电容Cqr如同短路，所以快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr形成分流路径从固定时间设定接脚182抽取电流Iqr以降低电流I1，因而降低电流I2。随着电流I2下降，电压Vc1的上升速度变慢，因此PWM信号Spwm的固定工作时间Tcon变长，进而避免输出电压Vout过低而导致CPU 14停止操作。适当的选择高频反馈控制器16的快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr的RC值，能有效改善电压调节器的暂态响应。在其他实施例中，高通滤波器中的快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr可以用主动元件取代。除了高通滤波器之外，高频反馈控制器16也可以用其他高频信号过滤电路来实现。
由于控制电路10并非根据输出电压Vout的变化量来判断是否发生暂态，因此毋须设定电压变化门槛，而且可以根据输出电压Vout的变化量线性地调整PWM信号Spwm的固定时间Tcon，因此具有较佳的控制回路稳定性。当输入电压Vin改变、负载改变或电压识别(voltage identification)VID改变而导致输出电压Vout发生暂态时，控制电路10皆可提供较佳的暂态效能。
在图2的实施例中，快速响应电阻Rqr在暂态发生后可以使分流路径持续一段时间，但是电流Iqr的大小受限于快速响应电阻Rqr，因而限制了PWM信号Spwm的固定时间Tcon的长度，使得所能提升的效能也受到限制。图3为高频反馈控制器16的另一实施例，其除了图2中的快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr所形成的第一分流路径外，还包括旁通电容Cbp与快速响应电容Cqr及快速响应电阻Rqr并联以形成第二分流路径。由于在该第二分流路径上没有电阻，因此在暂态发生后，旁通电容Cbp立即分流较大的电流以产生较长的固定时间Tcon，但是也由于该第二分流路径上没有电阻，因此该第二分流路径只能维持很短暂的时间，在该第二分流路径变成断路后，该第一分流路径将再维持一段时间，因而可以大大地改善宽范围负载暂态响应。
图4为图1的PWM电压调节器的波形图，波形44及46分别为使用图2的高频反馈控制器16时的PWM信号Spwm及输出电压Vout，波形48及50分别为使用图3的高频反馈控制器16时的PWM信号Spwm及输出电压Vout，为了对照之用，波形40及42分别为不使用高频反馈控制器16时的PWM信号Spwm及输出电压Vout。在发生暂态时，如时间t1所示，没有使用高频反馈控制器16的PWM信号Spwm的固定时间Tcon维持不变，如波形40所示，因此无法即时提供足够的能量来稳定输出电压Vout，导致输出电压Vout低于CPU 14所需要的最低电压Vsd，如波形42所示；使用图2的高频反馈控制器16的PWM电压调节器在暂态发生时立即增加PWM信号Spwm的固定工作时间Tcon，因此不但可以避免输出电压Vout过低，也可以使输出电压Vout更快回复稳定，如波形44及46所示；使用图3的高频反馈控制器16的PWM电压调节器在暂态发生时能更加长PWM控制信号Spwm的固定工作时间Tcon，因此具有更好的效能，如波形48及50所示。
在图1及图2的实施例中，高频反馈控制器16藉调整电流I1来改变固定时间Tcon，但在其他实施例中，高频反馈控制器16也可以连接固定时间产生器30中的其他节点，例如在图5的实施例中，高频反馈控制器16经电源管理IC 18的接脚184连接电流控制电流源34的输出端，在暂态发生时分流电流I2以调整固定时间Tcon。接脚184可以是额外增加的接脚。
前述实施例利用CCR COT PWM电压调节器来解说，但其他类型的固定工作时间PWM电压调节器或固定非工作时间PWM电压调节器也可以使用高频反馈控制器16来调节PWM信号Spwm的固定时间Tcon。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种PWM电压调节器的控制电路，其特征在于，用来提供脉宽调变信号控制所述PWM电压调节器将输入电压转换为输出电压，所述控制电路包括：
固定时间产生器，产生固定时间以决定所述脉宽调变信号的固定工作时间或非固定工作时间；以及
高频反馈控制器，连接所述固定时间产生器，在所述PWM电压调节器发生暂态时建立高频反馈回路，以即时调整所述固定时间。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述固定时间产生器包括：
电容；
电流控制电流源，连接所述电容，根据第一电流决定第二电流对所述电容充电；
开关，并联所述电容，以重设所述电容；以及
比较器，连接所述电容，比较所述电容上的电压与参考电压以产生所述脉宽调变信号。
3.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述高频反馈控制器调整所述第一电流以调整所述固定时间。
4.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述高频反馈控制器调整所述第二电流以调整所述固定时间。
5.如权利要求1、2、3或4所述的控制电路，其特征在于，所述高频反馈控制器包括高频信号过滤电路。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述高频信号过滤电路包括高通滤波器。
7.如权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述高通滤波器包括：
快速响应电容；以及
快速响应电阻，与所述第一快速响应电容串联在所述固定时间产生器及所述PWM电压调节器的输出端之间。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述高频反馈控制器更包括旁通电容与所述串联的快速响应电容及快速响应电阻并联。
9.如权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述高通滤波器包括主动元件。
10.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，更包括电阻连接所述固定时间产生器，根据所述输入电压产生所述第一电流。
11.一种PWM电压调节器的控制方法，其特征在于，用来提供脉宽调变信号控制所述PWM电压调节器将输入电压转换为输出电压，所述控制方法包括下列步骤：
(A)产生固定时间以决定所述脉宽调变信号的固定工作时间或非固定工作时间；以及
(B)在所述PWM电压调节器发生暂态时即时调整所述固定时间以加快暂态响应。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤A包括：
根据第一电流决定第二电流；
根据所述第二电流产生线性变动的电压；以及
比较所述线性变动的电压与参考电压产生所述脉宽调变信号。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B包括调整所述第一电流以调节所述固定时间。
14.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B包括调整所述第二电流以调节所述固定时间。
15.如权利要求11、12、13或14所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B包括对所述输入电压进行高频信号过滤。
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