用于脈沖寬度調(diào)制的調(diào)制器的載荷瞬變異步升壓的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電源管理單元(PMU)的領(lǐng)域，尤其涉及需要脈沖寬度調(diào)制控制器的電源管理單元。這樣的PMU普遍用在許多設(shè)備中，但尤其是用在移動(dòng)設(shè)備中，該移動(dòng)設(shè)備諸如移動(dòng)電話、智能手機(jī)、平板電腦以及其他類似的通信和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]移動(dòng)設(shè)備意味著對(duì)嵌入式電源管理單元的高約束。通常，這些電源管理單元由降壓轉(zhuǎn)換器組成，所述降壓轉(zhuǎn)換器由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制所定相的主時(shí)鐘同步。圖1示出了這種常規(guī)架構(gòu)。
[0003]主時(shí)鐘I (CLK)通過塊2、塊3、塊4(PH1、PH2、PH3)進(jìn)行相移。這些塊中的每個(gè)塊使時(shí)鐘相位移動(dòng)不同的值以便產(chǎn)生3個(gè)不同的時(shí)鐘CLK_1、CLK_2、CLK_3。這些時(shí)鐘中的每個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)各自的降壓轉(zhuǎn)換器5、降壓轉(zhuǎn)換器6、降壓轉(zhuǎn)換器7 (分別為BUCKl、BUCK2、BUCK3)。在圖1的基本示例中，僅描述3個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器5、降壓轉(zhuǎn)換器6、降壓轉(zhuǎn)換器7。塊PH1、塊PH2、塊PH3可因此在時(shí)鐘之間強(qiáng)加60°相移。例如:
[0004]時(shí)鐘CLK_1可對(duì)于主時(shí)鐘CLK未移動(dòng)。
[0005]時(shí)鐘CLK_2可對(duì)于主時(shí)鐘CLK移動(dòng)+60°。
[0006]時(shí)鐘CLK_3可對(duì)于主時(shí)鐘CLK移動(dòng)+120°。
[0007]通常，N是降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器BUCK_i的時(shí)鐘CLK_i可移動(dòng)360Xi/N，其中，i e [0，N-1]。這種架構(gòu)防止所有的降壓轉(zhuǎn)換器在相同的時(shí)鐘上升沿開始它們的導(dǎo)通周期，否則將導(dǎo)致電池上的大下沖。由于這個(gè)原因，降壓轉(zhuǎn)換器常被稱為PWM同步電壓模式控制。
[0008]圖2示出了標(biāo)準(zhǔn)同步PWM電壓模式控制DC/DC架構(gòu)的高電平框圖。輸出電壓Vout與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，并通過由電阻器Z1、電阻器Z2、電容器c和放大器(Amp)組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行放大。無源元件Z1、無源元件Z2致力于整體環(huán)路的穩(wěn)定性。在放大器(Amp)的輸出端處，信號(hào)Verror與同步至?xí)r鐘信號(hào)的上升沿的內(nèi)部斜坡(Vramp)進(jìn)行比較。
[0009]在時(shí)鐘信號(hào)的開始，狀態(tài)機(jī)SM操作鎖存器LI以使PMOS 8通電并導(dǎo)通，時(shí)鐘信號(hào)將同步地保持NMOS 9不導(dǎo)通(斷開)。每當(dāng)誤差信號(hào)Verror與Vramp信號(hào)交叉時(shí)，狀態(tài)機(jī)使PMOS 8斷開，并切換鎖存器L2以使NMOS 9通電為導(dǎo)通狀態(tài)。NMOS導(dǎo)通周期的結(jié)束是由時(shí)鐘周期的結(jié)束處的信號(hào)Vx所設(shè)置。這由圖3進(jìn)一步示出，圖3示出了(自上而下)時(shí)鐘10、信號(hào)Vx 11、斜坡Vramp 12和誤差信號(hào)Verror 13以及PMOS和NMOS的輸出(分別為CMD_P 14和CMD_N15)的時(shí)間線。
[0010]這種架構(gòu)的重大缺陷是在高輸出載荷瞬變的情況下，輸出電壓下沖。載荷瞬變性能不僅取決于輸出濾波器L和C，而且取決于輸出載荷瞬變階躍和時(shí)鐘上升沿之間的相位差(△ Td)。由于對(duì)輸出載荷瞬變階躍和時(shí)鐘上升沿之間的相位差的依賴，因此載荷瞬變性能可被影響30%。
[0011]高輸出載荷瞬變?cè)絹碓匠蔀槭袌?chǎng)的需求。因此需要降低對(duì)高輸出載荷瞬變性能的影響的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，本發(fā)明提供一種具有同步脈沖寬度調(diào)制(PWM)電壓模式控制架構(gòu)的PWM控制器，包括:
[0013]用于檢測(cè)瞬變載荷的裝置，以及
[0014]用于異步改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)的裝置。
[0015]所述PWM優(yōu)選降低輸出載荷瞬變階躍和時(shí)鐘上升沿之間的相位差以便最小化或防止輸出電壓下沖。優(yōu)選地，這通過將PWM的放大器的輸出施加到由瞬變載荷檢測(cè)電路提供的瞬變載荷檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)。瞬變載荷檢測(cè)電路可包括MOSFET或具有類似性能的晶體管，該MOSFET或具有類似性能的晶體管具有柵極端子，由放大器輸出的誤差電壓信號(hào)被施加到所述柵極端子以在漏極端子處產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。
[0016]所述檢測(cè)信號(hào)可被施加到延遲電路。延遲電路優(yōu)選響應(yīng)于快速變化的檢測(cè)信號(hào)以產(chǎn)生用于控制PMOS晶體管和NMOS晶體管中的每個(gè)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)的信號(hào)。所述信號(hào)可以是用于驅(qū)動(dòng)鎖存器控制每個(gè)相應(yīng)的PMOS晶體管和NMOS晶體管的鎖存信號(hào)。延遲電路在相對(duì)不同的時(shí)間產(chǎn)生每個(gè)鎖存信號(hào)，即，延遲電路提供用于異步改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)的裝置。
[0017]為了使ATd最小化，MOSFET的源極連接到與電容器并聯(lián)的載荷/源級(jí)電阻器。這在當(dāng)電容器未導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間使源極和漏極處的電流最小化。然而，在快速轉(zhuǎn)變時(shí)，電容器的行為好像使電阻器短路，以在MOSFET漏極端子處產(chǎn)生具有大大降低的相位延遲的檢測(cè)信號(hào)。延遲電路幾乎瞬時(shí)響應(yīng)于檢測(cè)信號(hào)以導(dǎo)致PMOS晶體管和NMOS晶體管的異步導(dǎo)通狀態(tài)切換。
【附圖說明】
[0018]現(xiàn)在參照示例性的附圖僅以示例的方式描述實(shí)施本發(fā)明的PMU和PMU的操作方法，其中:
[0019]圖4a和圖4b示出由發(fā)明人進(jìn)行的穿過線圈L的電流對(duì)于載荷瞬變的行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0020]圖5a和圖5b示出根據(jù)相位差(Λ Td)的多個(gè)值的降壓載荷瞬變性能。
[0021]圖6示出同步PWM電壓模式控制架構(gòu)。
[0022]圖7a和圖7b分別示出Verror信號(hào)和輸出電壓Vout。
[0023]圖8a、圖8b和圖8c分別不出檢測(cè)信號(hào)S、Verror信號(hào)和輸出信號(hào)Vout。
[0024]圖9示出矩形鎖存信號(hào)S1、矩形鎖存信號(hào)S2對(duì)于檢測(cè)信號(hào)S的時(shí)序。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖4a示出在PMOS導(dǎo)通周期期間發(fā)生載荷瞬變10事件的情況。只要載荷瞬變10開始使輸出電容器C放電，并且由于應(yīng)力位于PMOS導(dǎo)通周期之內(nèi)，線圈電流I_coil 11便瞬時(shí)以恒定的正電流斜率持續(xù)增加并補(bǔ)償輸出電容器放電。這持續(xù)到線圈電流I_coil 11達(dá)到載荷瞬變階躍I_load 10為止。
[0026]圖4b示出在匪OS導(dǎo)通周期期間發(fā)生載荷瞬變事件的情況。由于整個(gè)架構(gòu)在時(shí)鐘上同步，因此狀態(tài)機(jī)首先等候時(shí)鐘周期的結(jié)束，并隨后對(duì)輸出應(yīng)力作出反應(yīng)。意味著在這個(gè)情況中，線圈電流I_coil 10未對(duì)瞬變階躍I_load作出瞬時(shí)響應(yīng)。延遲ATd影響載荷瞬變性能。該延遲ATd越嚴(yán)重(越大)，載荷瞬變下沖幅度越大。
[0027]圖5a和圖5b示出根據(jù)相位差的多個(gè)值的降壓載荷瞬變性能。圖5a示出線圈電流相對(duì)于載荷瞬變而