具有功率级睡眠模式的电压调节器

摘要

一种电压调节器的功率级包括第一开关、第二开关和驱动电路，该第一开关用于在该功率级的第一开关状态中将负载连接至电源电压，该第二开关用于在该功率级的第二开关状态中将该负载连接至接地，该驱动电路用于设置该功率级进入该第一开关状态、该第二开关状态或非开关状态，在该非开关状态中两个开关均响应于该功率级所接收的开关控制信号而断开。如果该功率级处于该非开关状态中持续预定义时长，功率管理单元将该功率级从标称功率模式移至第一低功率模式。

说明书

技术领域

本申请涉及电源调节器，尤其是电压调节器功率管理。

背景技术

电压调节器由于其高效和消耗的小量面积/空间被广泛地在各种 各样应用(比如，用于通讯的计算(服务器和手机)和负载点系统 (Point-of-LoadSystem,POL))的现代电子系统中被使用。被广为接 受的电压调节器拓扑包括降压拓扑、升压拓扑、降压-升压拓扑、正 向拓扑、反激式(flyback)拓扑、半桥拓扑、全桥拓扑和SEPIC拓扑。 多相降压转换器特别适合提供高性能集成电路(比如，微处理器、图 形处理器和网络处理器)所需的低电压下的高电流。降压转换器被实 施为具有有源部件和无源部件，该有源部件比如是脉冲宽度调制 (PWM)控制器IC(集成电路)、驱动电路、包括功率MOSFET(金 属氧化物半导体场效应晶体管)的一个或多个相，无源部件比如是电 感器、变压器或耦合电感器、电容器和电阻器。多相(功率级)能够 通过相应的电感器被并联的连接至负载，以满足高的输出电流需求。

理想地，电压调节器具有在所有负载状态下(包括轻负载)的高 效率和在该调节器断开时的低功率损耗。大功率电压调节器通常采用 分开的控制器和功率级。例如，大功率电源DC-DC电压调节器通常 具有单相(功率级)或多相(例如，在多相降压转换器的情况下)。 电压调节器的功率级可以是分立的(分开的驱动器和电源开关封装) 或集成的(一个封装包括驱动器和电源开关)。集成功率级包括先进 的电路，比如内部供应线、自举(bootstrap)供应器、集成电流检测、 集成温度检测等。轻负载状态导致该功率级具有很少或没有活动的时 期。多相转换器通常有能力使相位降低，其中一个或多个相位不主动 地转换和不支持任何另外的电流。此外，对于极轻负载电流，相位可 以以脉冲频率模式运行，其中大量时间在开关周期之间流逝，在该开 关周期中功率级未转换。因此，DC-DC电压调节器具有多相运行模 式，其中亟需使一个或多个功率级处于睡眠模式，以减少功率损耗。 与退出睡眠模式相关联的延迟对于功率级是重要的性能参数，在特定 情况下退出延迟是可接受的，但在其他情况下功率级必须立即响应于 其输入上的变化。

一些常规DC-DC电压调节器放弃了与执行功率级睡眠模式相关 联的复杂性，并因此不提供该特征。对于这些调节器，一些可被停用 的内部电路在该功率级中保持接通，不必要地增加了该电压调节器的 功率消耗。其他的常规DC-DC电压调节器提供专用引脚，用于表明 何时该功率级应该进入睡眠模式。该方法要求该电压调节器的控制器 和每个功率级(相)具有额外的引脚/信号用于实现该特征，增加了系 统大小和成本。并且，电压调节器在睡眠模式中通常被停用，这需要 高延迟，用于功率级在退出睡眠模式时恢复正常电压调节。另外，常 规睡眠模式实施并未优化运行中与功率级功率消耗有关的脉冲频率 和相位下降模式。

发明内容

根据一种电压调节器的功率级的实施例，该功率级包括第一开 关、第二开关、驱动电路和功率管理单元，该第一开关可操作为在该 功率级的第一开关状态中将负载连接至电源电压，该第二开关可操作 为在该功率级的第二开关状态中将该负载连接至接地。该驱动电路可 操作为设置该功率级在第一开关状态、该第二开关状态或非开关状态 中，在该非开关状态中两个开关均响应于该功率级所接收的开关控制 信号而断开。如果该功率级在该非开关状态中持续预定义时间段，该 功率管理单元可操作为将该功率级从标称功率(nominalpower)模式 移至第一低功率模式。

根据一种电压调节器的实施例，该电压调节器包括功率级和控制 器。该功率级可操作地在第一开关状态中将负载连接至电源电压，在 第二开关状态中将该负载连接至接地，响应于开关控制信号进入该第 一开关状态、该第二开关状态或非开关状态，在处于该非开关状态持 续预定义时间段之后从标称功率模式移至第一低功率模式，以及响应 于指示该功率级进入第二低功率模式的控制信号从该第一低功率模 式移至该第二低功率模式。该控制器可操作为设置该开关控制信号为 指示该非开关状态足够长，以使该功率级从该标称功率模式移至该第 一低功率模式，以及在等待足够时间以确保该功率级处于该第一低功 率模式之后，发送该控制信号，指示该功率级进入该第二低功率模式。

根据一种用于电压调节器的控制器的实施例，该控制器包括接口 和控制逻辑，该接口可操作为与该电压调节器的功率级通讯，该控制 逻辑可操作为发信通知该功率级进入非开关状态和从标称功率模式 移至第一低功率模式。在等待足够时间以确保该功率级处于该第一低 功率模式之后，该控制器还可操作为发信通知该功率级进入第二低功 率模式，该在第二低功率模式中该功率级被设计为相较于从该第一低 功率模式退出，从该第二低功率模式中退出时消耗较少功率并且具有 更多延迟。

通过阅读下面的具体实施方式和参看附图，本领域的技术人员将 能识别其他的特征和优点。

附图说明

附图中的元件相对彼此不一定是按比例的。类似的附图标记指示 对应的类似部分。各种所示实施例的特征能够结合，除非其彼此排斥。 实施例在附图中被示出，并且在接下来的具体实施方式中被详细说 明。

图1示出了一种具有不同的功率级睡眠模式的电压调节器的实施 例的方框图；

图2示出了一种通过电压调节器的控制器管理该电压调节器功率 级的不同电源模式的实施例的流程图；

图3示出了一种通过电压调节器的控制器使该电压调节器功率级 从低功率模式移至更低功率模式的实施例的流程图；

图4示出了一种由电压调节器的控制器所生成的PWM控制信号， 用于使该电压调节器的功率级从低功率模式移至更低功率模式；

图5示出了一种具有不同睡眠模式的电压调节器功率级的实施例 的方框图。

具体实施方式

本文中所描述的实施例提供了包括控制器和一个或多个功率级 (相)的电压调节器，该功率级具有睡眠(低功率)模式和深度睡眠 (更低功率)模式。该控制器发信通知进入/退出该睡眠模式和深度睡 眠模式。该睡眠模式不具有退出延迟，并且因此每个功率级能够近乎 即刻对其开关控制信号输入上的变化作出响应。该深度睡眠模式具有 退出延迟，但是比睡眠模式消耗更少功率，并且在该对应的功率级重 新开始开关之前，该控制器一直等待直至该功率级电路准备好。具有 此电压调节器设计，功率消耗能够在电压调节器被停用和处于脉冲频 率和相位下降模式中时(即，在此时或在此期间)被减少，因为内部 的功率级电路能被关断。该响应于调节器的运行模式上的变化的功率 级不受影响，因为在睡眠模式中不存在退出延迟，或者在深度睡眠模 式中的退出延迟已经被该调节器系统考虑在内。

图1示出了电压调节器100的实施例，电压调节器100包括多个 功率级102和控制器104，控制器104(比如，微控制器、微处理器、 ASIC(专用集成电路)等)用于控制功率级102的运行。仅为示例性 目的在图1中三个功率级102被示出，然而电压调节器100可包括任 何数量的功率级102，包括单个功率级102(即，单相调节器)或不 止一个功率级102(即，多相调节器)。

功率级102向负载106提供已调节的电压。每个功率级102可操 作为穿过一个或多个电感器(L)向负载106递送相电流，负载106 通过该电感器和一个或多个输出端电容器(Cout)被连接至电压调节 器100，该一个或多个输出端电容器与该调节器输出端并联。负载106 可以是高性能集成电路(比如，微处理器、图形处理器、网络处理器 等)或需要电压调节的其他类型的电子电路。每个功率级102在第一 开关状态中将负载106连接至电压调节器100的输入电压，并且在第 二开关状态中将负载106连接至接地。

控制器104管理每个功率级102的开关状态，通过对被传送给负 载106的相电流进行调节来调节被递送至负载106的电压(Vout)。 在PWM(脉冲宽度调制)是基于功率级102的开关的情况下，控制 器104包括PWM单元108，PWM单元108生成用于切换功率级102 的PWM控制信号(pwm)。如果负载电流低(例如，低于该相电流 的一半)，同步转换器允许负电流(反向电流)在其所被消耗处流过 功率级102中的一个或多个的低侧开关。然而，如果低侧开关断开， 相应的的体二极管不能够导通该反向电流，并且其停留在HiZ(高阻 抗)或零电流状态，被称为DCM(非连续导通模式)。电压调节器 100也可以以具有电流吸收能力的连续导通模式(CCM)运行。一般 而言，单个功率级102的开关状态和占空比(dutycycle)至少部分地 基于被提供给负载106的输出电压(Vout)被确定，从而电压调节器 100可以尽可能快速且可靠地反应以改变负载状态。

控制器104可以管理从一个参考电压到另一个之间的变化。控制 器104还可以确定输出电压(Vout)和参考电压之间的误差，并且将 该误差电压转换成数字表现形式，该数字表现形式被提供给PWM单 元108用于例如通过该PWM控制信号的占空比，修改功率级102的 开关状态和/或占空比。此电压调节功能是典型的数字控制开关电源转 换器中的标准，并且因此不再对此进行进一步说明。

信号接口110被提供在控制器104和功率级102之间。在其他功 能之中，控制器104可以通过接口110管理功率级102的不同功率模 式。

图2示出了一种通过调节器控制器104管理功率级102的不同功 率模式的实施例的流程图。每个功率级102在任一开关状态中以标称 (开关)功率模式运行(方框200)。功率级102均具有功率管理单 元112，用于在非开关状态时进入和退出睡眠(低功率)模式和深度 睡眠(更低功率)模式。控制器104可以发信通知功率级102中的单 个功率级，以此方式使功率级102进入该非开关状态并且从该标称功 率模式移至睡眠模式，从而减少调节器功率消耗(方框210)。在功 率级102处于睡眠模式之后，控制器104可以发信通知功率级102从 该睡眠模式移至深度睡眠模式，以更进一步地减少调节器功率消耗 (方框220)。

图3示出了一种使功率级102从睡眠模式进入深度睡眠模式的调 节器控制器104的实施例的流程图。根据此实施例，功率级102的开 关状态由PWM控制所确定。在该第一开关状态中被提供给功率级102 的PWM控制信号为有效(接通)时，功率级102在第一开关状态中 将负载106连接至电压调节器100的输入电压，并且如图4中所示， 在该第二开关状态中该PWM控制信号为不活跃的(断开)时，在第 二开关状态中将负载106连接至接地。功率级102在任一PWM开关 状态(即，PWM接通或PWM断开)中以该标称功率模式运行。为 使功率级102进入睡眠模式，控制器104停用该PWM控制信号，以 指示HiZ状态，在该HiZ状态中功率级102并不转换，即，功率级 102的高侧开关和低侧开关均断开。如果功率级102的功率管理单元 112检测到该PWM控制信号处于该HiZ非开关状态持续预定义时长， 功率级102从该标称功率模式移至睡眠(低功率)模式(方框300)。 控制器104包括控制逻辑114，控制逻辑114将宣称处于HiZ状态中 的该PWM控制信号保持足够的时长，以使功率级102进入睡眠模式。 功率级102的功率管理单元112停用功率级102之内的一些电路，以 减少在睡眠模式中的功率消耗。控制器104的控制逻辑114等待足够 时间(Twait)，以确保功率级102处于睡眠模式中(方框310)。该 等待时间是数个变量(比如，电感尺寸、相电流大小等)的函数。当 该时间限制失效时，在功率级电感器中的相电流应当是零，并且控制 器104可以发信通知功率级102进入深度睡眠(更低功率)模式(方 框320)。可替换地，控制器104可包括智能驱动器，该智能驱动器 知道何时该电感电流是零。无论哪种情况下，功率级102的功率管理 单元112响应于来自控制器104的信号停用功率级102之内的其他电 路，以进一步减少功率消耗。

电压调节器功率级102被设计为与睡眠模式相比，从深度睡眠模 式中退出消耗更少功率，并且具有更多延迟。该功率模式在控制器104 和功率级102之间发信号可使用一个或多个专用引脚被实施。可替换 地，该功率模式发信号可通过一个或多个引脚被实施，该一个或多个 引脚被功率级102在标称功率模式中用于向控制器104报告信息。该 引脚在功率级102处于非开关模式中时并不被功率级102用于报告信 息，并且因此该共享的引脚可被功率级102重新使用以控制至少该深 度睡眠的进入和退出。

功率级102的电路(比如，内部供应器、启动(boot)电路、集 成电流检测电路、集成温度检测电路和内部偏置电路)可在睡眠模式 和/或深度睡眠模式中被关断以节省功率。电压调节器100可使用该睡 眠模式和深度睡眠模式用于停用功率级102的内部电路，以最小化轻 负载运行期间的功率消耗。例如，在睡眠模式中，功率级102可包括 电流检测电路和/或温度检测电路，该电流检测电路和/或温度检测电 路在睡眠模式中是不需要的，因为由于功率级102是闲置的/非开关 的，该相电流是零并且温度是非关键的。该电流检测电路和/或温度检 测电路可在睡眠模式中被停用以减少功率消耗。控制器104然后可通 过重新使用引脚发信通知功率级102从睡眠模式移至深度睡眠模式， 该引脚在标称功率模式中向控制器104通讯来自功率级102的电流检 测信息和/或温度检测信息(imon/tmon)。由于该引脚未在非开关状 态中被使用，其可被重新使用，以使功率级102进入较低功率的深度 睡眠模式，并且随后从该深度睡眠模式中退出返回该睡眠模式。

图5更详细地示出了一种具有不同低功率模式的电压调节器功率 级102的实施例。功率级102包括高侧开关(HSFET)和低侧开关(LS FET)，高侧开关(比如，功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应 晶体管)或其他类型的功率晶体管)在一个开关状态中将负载(图5 中未示出)连接至电源电压(Vin)，低侧开关(比如，功率MOSFET 或其他类型的功率晶体管)在另一个开关状态中将该负载连接至接 地。功率级102还包括驱动电路200，驱动电路200用于响应于功率 级102所接收到的开关控制信号(pwm)，将功率级102设置为第一 开关状态(高侧开关接通，低侧开关断开)、第二开关状态(高侧开 关断开，低侧开关接通)或非开关状态(高侧开关断开，低侧开关断 开)。

驱动电路200可包括高侧驱动器202、低侧驱动器204、电平位 移器206、启动电容器(Cboot)、自举电路208，高侧驱动器202生 成用于该高侧开关的栅极的控制信号，低侧驱动器204生成用于该低 侧开关的栅极的控制信号，电平位移器206和该启动电容器用于该高 侧开关，自举电路208用于对该启动电容器进行充电。驱动电路200 可进一步包括用于接收开关控制信号(pwm)的输入缓冲器210，该 开关控制信号可包括单个或多个输入信号。该开关控制信号表示功率 级102的开关状态，即，其中该高侧开关被连接至负载的第一开关状 态、其中该低侧开关被连接至负载的第二开关状态以及其中既无高侧 开关也不无低侧开关被连接至负载的非开关状态。功率级驱动电路 200还可包括用于生成内部信号驱动控制逻辑212，以使高侧驱动器 和低侧驱动器202、204为高侧开关和低侧开关生成适当的栅极控制 信号，从而每个开关状态可被实现。

功率级102可具有一个或多个电压供应器和输入偏置电路214。 例如，功率级102可包括输入供应器(Vin)、驱动供应器(Vdrv)、 芯供应器(Vcin)和内部生成的自举供应器(Vboot)等，该输入供应 器被用于驱动该高侧开关和低侧开关，该驱动供应器被用于驱动低侧 栅极驱动器204和高侧栅极驱动器自举电路208，该芯供应器被用于 驱动功率级102的内部逻辑电路和控制电路210、212，该自举供应器 用于该高侧栅极驱动器202。

功率级102可包括其他部件。例如，功率级102可包括电流监测 器216、温度传感器218，电流监测器216用于测量或检测在第一开 关状态和第二开关状态中穿过电感器(L)的功率级102的输出电流， 温度监测器218用于测量在第一开关状态和第二开关状态中时功率级 102的温度。任何标准的电流监测器216和温度传感器218可被使用。

功率级102还可包括如本文前述的功率管理单元112。功率管理 单元112包括控制逻辑和计时器，用于将功率级102放置在睡眠(低 功率)模式和深度睡眠(更低功率)模式之中。功率管理单元112可 在功率级102处于非开关状态中持续预定义时长时将功率级102从标 称功率模式移至睡眠模式，并且响应于控制信号(sleep)将功率级 102从该睡眠模式移至深度睡眠模式，例如如本文中先前结合附图2-4 所描述的，该控制信号指示功率级102进入深度睡眠模式。

例如，在PWM控制下，功率管理单元112可在该PWM控制信 号(pwm)处于HiZ状态时间长于预定义时长(图4中的Tsleep)之 后，将功率级102置于睡眠模式中。指示功率级102从睡眠模式移至 深度睡眠模式的该控制信号(sleep)可由专用引脚提供。可替换地， 由电流监测器216使用的、用于向控制器104发送在标称功率模式中 所检测到的功率级输出电流信息(imon)的引脚可由控制器104重新 使用，以向功率级102传输该睡眠控制信号。在另一个实施例中，由 温度传感器218使用的、用于向控制器104发送在标称功率模式中所 检测到的功率级温度信息(tmon)的引脚可由控制器104重新使用， 以向功率级102传输该睡眠控制信号。

在每种情况下，功率管理单元112可根据功率级102处于是否睡 眠模式或深度睡眠模式，停用该功率级部件中的不同部件。本文中所 使用的“停用(Disabled)”意思是不供电(depowering)、使不活动 (deactivating)或减少被停用的功率级部件的功率消耗的其他行为。 例如，功率管理单元112能够在睡眠模式和深度睡眠模式两者中停用 电流监测器216和/或温度传感器218，因为当功率级102闲置/不开 关时该功率级输出电流是零并且该功率级温度是非关键的。功率管理 单元112可在深度睡眠模式中但不在睡眠模式中停用驱动电路200， 从而功率级102可以近乎即刻在睡眠模式中从非开关状态(PWMHiZ) 返回至第一开关状态(PWMon)。例如，电平位移器206和自举电 路208中的一个或多个可在深度睡眠模式中被停用但不在睡眠模式中 被停用。以此方式在睡眠模式中，自举电路208确保高侧驱动器202 处于适当的电压电平下，用于立即响应于该PWM控制信号的上升沿 过渡，驱动该高侧开关的栅极。

功率管理单元112可在深度睡眠模式中但不在睡眠模式中停用输 入缓冲器210和控制逻辑212中的一个或多个。例如，输入偏置、输 入电源供应器(Vin)、芯电源供应器(Vcin)、高侧驱动器和低侧驱 动器供应器(Vdrv)和自举供应器(Vboot)在睡眠模式中保持启动/ 激活，并且在深度睡眠模式中保持停用/无效。输入缓冲器210可包括 上拉电阻器(pull-upresistor)和下拉电阻器(pull-downresistor)，其 偏置可在睡眠模式和深度睡眠模式中被停用。只要功率级102可以近 乎即刻在睡眠模式中从非开关状态(PWMHiZ)返回至第一开关状态 (PWMon)，功率管理单元112可选择性地在睡眠模式和深度睡眠 模式两者中停用功率级102的内部供应器和偏置电路214。

功率管理单元112可响应于指示功率级102退出深度睡眠模式的 控制信号(sleep)，将功率级102从深度睡眠模式移回至睡眠模式。 这包括重新供电(re-powering)/重新启动(re-enabling)/重新激活 (re-activating)在深度睡眠模式中被断电(depowered)/停用(disabled) /去激活(deactivated)的功率级元件。功率管理单元112可响应于指 示功率级102重新开始开关的开关控制信号(pwm)，将功率级102 从睡眠模式移回至标称功率模式，例如通过退出HiZ状态进入上升沿 过渡。这包括重新供电/重新使用/重新激活在睡眠模式中被断电/停用 /去激活的功率级元件。功率级102可响应于指示功率级102重新开始 开关的该开关控制信号(pwm)从睡眠模式移回至标称功率模式，而 不需要首先预处理用于高侧开关和低侧开关的栅极驱动信号电平。

术语比如“第一(first)”、“第二(second)”等被用于描述 各自元件、区域、部分等，并且也并非意在限制。贯穿整个描述同样 的术语指同样的元件。

如本文所用，术语“具有(having)”、“包括(containing、including、 comprising)”等是开放式术语，表明所陈述的元件或特征的存在， 但并不排除其它的元件或特征。冠词“一(a或an)”和“该(the)” 旨在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另有明确说明。

应当理解的是，本文中所描述的各种实施例中的特征可彼此结 合，除非另有明确说明。

虽然特定的实施例已在本文中进行了说明和描述，但在不脱离本 发明范围的情况下，本领域的普通技术人员将会领会到各种替代的和 /或等效的实现方式可替代所示的和所描述的特定实施例。本申请旨在 涵盖本文所讨论的特定实施例的任何改编或者变化。因此，本发明旨 在仅由权利要求及其等同物限制。