專利名稱：具有增強的處理負載電流快速衰減能力的補償調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電子器件，具體而言，涉及補償變換器。
背景技術(shù)：
補償變換器用于將較高的電壓變換成適合比如微處理器使用的較低的電壓。在美國專利6166528中公開了一種傳統(tǒng)的補償變換器，該專利于2000年12月26日授予Rossetti等人，其公開的內(nèi)容在此引作參考。一般，補償變換器用時鐘工作，其中，在時鐘周期的第一部分(充電階段)對一個電感充電，在時鐘周期的第二部分(放電階段)該電感作為一個電流源工作。


圖1A示出一種典型的補償變換器10，包括晶體管14和18、控制器20、電感24和電容28。補償變換器10通過響應(yīng)時鐘信號而開始充電階段來運行。在充電階段，電感24/電容28和連接在輸出電壓Vout上的負載(未示出)被耦合到輸入電壓Vin。同時，電感電流iL由控制器20監(jiān)視。當iL達到一個預(yù)定值時，變換器10被從輸入電壓Vin上斷開，而電感24通過負載和電容28泄放其能量。電感電流以斜率diL/dt＝(VL/L)線性上升和下降，其中VL是電感上的電壓降。圖1B示出補償變換器10中的信號Vin和iL。
當出現(xiàn)要求的負載電流快速衰減時，控制器20只是等待，而電感24中的電流向電容28和負載中泄放，導致輸出電壓Vout迅速上升。例如，象Pentium、Itanium這樣的微處理器要求大約1.5V的電壓和大約60A的電流，且電流從0變化到60A要在納秒級完成。Vout如此快速的增加可能導致電容28和/或負載的嚴重損壞。因此，電容的容量必須非常大才能在如此快速的浪涌電流期間將電壓上升限制在安全的大小范圍內(nèi)。但是，大容量電容非常昂貴，是補償變換器中最昂貴的部件。這樣會增加補償變換器的總體成本。
因此，需要一種低價位的補償變換器，同時，其性能還不能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種低價位的補償變換器，同時，其性能還不降低。本發(fā)明由獨立權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求限定優(yōu)選的實施例。本發(fā)明的補償變換器最好應(yīng)用于如權(quán)利要求所要求保護的一種計算機系統(tǒng)。
通過以下結(jié)合附圖所進行的說明以及權(quán)利要求，本發(fā)明的其它目的和成就以及對本發(fā)明的理解將會更加清楚和明白。
附圖簡述下面參照附圖，通過舉例的方式對本發(fā)明做進一步的詳細闡述。
圖1A示出一種傳統(tǒng)補償變換器；圖1B示出圖1A所示補償變換器中的各種信號；圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一種補償變換器；圖3示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的一種補償變換器；圖4示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一種補償變換器；圖5示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的一種補償變換器；在全部附圖中，相同的標號指示相似的或?qū)?yīng)的特征或功能。
具體實施例方式
圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的一種補償變換器30。補償變換器30包括MOS晶體管34和38，由控制器40在它們各自的柵極控制。在一種具體的實施例中，Vin是正的，且兩個晶體管34和38都是N型MOS晶體管。補償變換器30還包括與開關(guān)46并聯(lián)連接的電感44和連接在輸出電壓Vout和接地電平之間的電容48。開關(guān)46可以是任意合適的開關(guān)器件，最好其導通電阻很低。控制器40根據(jù)對負載電流iload快速衰減或輸出電壓Vout中的過壓狀態(tài)的檢測來控制開關(guān)46。過壓狀態(tài)可能是由于負載斷開導致負載電流iload快速衰減而引起的。當負載斷開時，負載電流iload將快速衰減。因此，電感電流iL將流入電容28并使得Vout增大到超過預(yù)定電平(如1.5V)。過壓狀態(tài)還可能是由于在負載存在時，電感電流iL在充電階段增大而引起的。當控制器40檢測到負載電流快速衰減或過壓狀態(tài)時，該控制器首先關(guān)閉兩個晶體管34和38，然后接通開關(guān)46。
在該第一實施例中，在充電階段，控制器接通晶體管34而關(guān)斷晶體管38，使得電感44、電容48和負載(未示出)耦合到輸入電壓Vin，而開關(guān)46保持斷開。隨著電感44被充電，電感電流iL增加，使得Vout也增加。當控制器40檢測到過壓狀態(tài)或由于負載斷開而導致的負載電流iload快速衰減時，控制器40關(guān)斷晶體管34，使變換器30從Vin斷開，以啟動放電階段。此時，控制器還閉合開關(guān)46。
在放電階段，電感電流iL在由電感44和開關(guān)46形成的閉合回路內(nèi)保持，損失很少，并且不流入電容48和負載中。這樣防止了電容48和/或剩余的負載被過電壓損壞。如果負載還存在，電流將從電感48流入負載。一旦控制器40檢測到Vout已經(jīng)被負載電流iload減小到一個合適的電平(如1.5V)，控制器40就打開開關(guān)46，使得電感44中儲存的電流再次對電容48充電并供應(yīng)到負載。如果控制器40再次檢測到負載電流iload快速衰減或Vout的過壓狀態(tài)時，控制器40將再次閉合開關(guān)46，但是將會有一個較低的電流在電感-開關(guān)回路中流動。重復(fù)這一周期，直到平均的電感電流iL低于要求的負載電流iload，此后，恢復(fù)正常工作，例如，變換器30在充電和放電階段之間交替運行。
在上述周期中，晶體管34保持關(guān)斷，而晶體管38保持“不被驅(qū)動”，但是只要開關(guān)46打開而電流在電感中流動時，晶體管34就通過其內(nèi)部二極管導通。
在一個具體的實施例中，Vin是12V，而Vout是1.2V。分析電感電流增加的速率(其中VL＝Vin-Vout)與電感電流衰減的速率(其中VL＝Vout)間的關(guān)系表明(Vin-Vout)/Vout＝(12-1.2)/1.2＝9。因此，由于只有增加電感電流才會對所需的電容大小產(chǎn)生影響，而現(xiàn)在對電容48容量的要求只相當于原來的1/10。這樣，電容的價格也降到原來的大約1/10，節(jié)約效果非常顯著。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的一種補償變換器50。本實施例與圖2所示的第一實施例類似。在該實施例中，用兩個MOS晶體管(注意，兩個晶體管用來防止在開關(guān)必須關(guān)斷時體二極管的導通，而不管電感上電壓降的極性如何)54和58代替圖2中的開關(guān)46。變換器50的工作過程與上述第一實施例的變換器30一樣。在充電階段，兩個晶體管54和58都關(guān)斷。在放電階段，兩個晶體管54和58開始都導通，以形成與電感44的閉合回路，將電感電流保持在回路中，以防電容48過充電。
在放電階段，控制器40以與圖2中控制器40閉合或打開開關(guān)46類似的方式，根據(jù)對負載電流iload快速衰減或輸出電壓Vout中的過壓狀態(tài)的檢測來導通或關(guān)斷晶體管54和58，直到平均的電感電流iL低于負載電流iload，或Vout下降到預(yù)定電平以下。
盡管本實施例中由于實際的原因(寄生體二極管)，用了兩個晶體管，但是可以理解，也可以使用一個晶體管作為開關(guān)。上述實施例對于iload持續(xù)快速地在低-高值之間循環(huán)的情況來說是理想的。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一種補償變換器60。如在圖2中所示的一樣，補償變換器60包括晶體管34和38，由控制器40在它們各自的柵極控制。補償變換器60還包括與晶體管64串聯(lián)的電感44，晶體管64的柵極由控制器44控制。二極管68連接在輸入電壓Vin與電感44的一端之間，電容48連接在輸出電壓Vout與接地電平之間。二極管68最好是肖特基二極管，其損耗適中，價格合理。二極管68還可以用有源整流器實現(xiàn)，用功率MOSFET獲取最低的損耗，但價格要貴一些。
在充電階段，控制器40導通晶體管34和64而關(guān)斷晶體管38，使得電容48和負載耦合到Vin。二極管68被反向偏置，在充電階段作為開路。如果負載從變換器60上斷開，負載電流iload將會快速衰減。在放電階段，當控制器40檢測到負載電流iload快速衰減或Vout大于一個預(yù)定電平(例如1.5V)時，控制器40關(guān)斷晶體管64，該晶體管于是起開路的作用。這樣可以防止電容48過充電。然后，電流在晶體管34、電感44和二極管68構(gòu)成的回路中流動?；芈分械碾娏髟诙O管68中快速泄放。當負載再次連接到變換器時，會開始一個新的充電階段，控制器40將導通晶體管64，使得Vin以與上述相同的方式連接到變換器60。
在iload或Vout在低-高之間不頻繁循環(huán)的情況下，上述實施例是理想的。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的一種補償變換器70。該第四實施例是圖4所示的第三實施例的一種變換形式。該實施例允許由負載減小和過壓檢測控制器70對晶體管64的控制與驅(qū)動晶體管34和38的控制器40分開。這樣做的好處在于，可以在較大范圍內(nèi)選擇晶體管34和38的較成熟的控制器，經(jīng)過簡單的處理就可以適合于結(jié)合在本發(fā)明中。
通過改裝非同步補償調(diào)節(jié)器，如Philips的SAPFET，也可以實現(xiàn)本發(fā)明，所述SAPFET可以從Philips Semiconductors，Inc.，Sunnyvale，California得到。
盡管以上結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是，顯然對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，根據(jù)前述說明，各種選擇和變換以及改動將是很清楚地。因此，這樣的選擇和變換以及改動都屬于所附權(quán)利要求的范疇。
權(quán)利要求
1.一種補償變換器(30)，包括用于接收輸入信號的輸入電路(34，38)；連接到該輸入電路，用于控制該輸入電路的控制器(40)；可以由該控制器控制閉合/打開的開關(guān)(46)；連接到所述輸入電路，并且與所述開關(guān)并聯(lián)的電流儲存元件(44)；和連接到所述電流儲存元件，用于與負載并聯(lián)的輸出電壓儲存元件(48)。
2.權(quán)利要求1的變換器，其中在充電階段，所述控制器使得所述輸入電路允許所述輸入信號通過，并通過所述電流儲存元件被提供給負載，且其中所述控制器還使得所述開關(guān)打開，變成開路。
3.權(quán)利要求1的變換器，其中在放電階段，所述控制器使得所述輸入電路從所述輸入信號斷開，并使得所述開關(guān)閉合，變成短路，從而電流在由所述開關(guān)和所述電流儲存元件構(gòu)成的回路內(nèi)流動。
4.權(quán)利要求3的變換器，其中當所述控制器檢測到流入所述負載的負載電流快速衰減時發(fā)生所述放電階段。
5.權(quán)利要求3的變換器，其中當所述控制器在所述輸出電壓儲存元件上檢測到過壓狀態(tài)時發(fā)生所述放電階段。
6.權(quán)利要求1的變換器，其中所述開關(guān)包括兩個相互串聯(lián)的MOS晶體管(54，58)。
7.一種補償變換器(60)，包括具有用于接收輸入信號的輸入端子的輸入電路(34，38)；連接到該輸入電路，用于控制該輸入電路的控制器(40)；連接到所述輸入電路的電流儲存元件(44)；可以由所述控制器控制閉合/打開并且串聯(lián)連接到所述電流儲存元件的開關(guān)(64)；連接在所述輸入電路的輸入端子與所述電流儲存元件和所述輸入電路之間的一個點之間的整流元件(68)；和連接到所述開關(guān)，用于與負載并聯(lián)的輸出電壓儲存元件(48)。
8.一種計算機系統(tǒng)，包括一個存儲器；連接到所述存儲器的處理器；和一個變換器，用于將較高的電壓變換為適合所述處理器使用的較低的電壓，所述變換器包括用于接收輸入信號的輸入電路，連接到該輸入電路，用于控制該輸入電路的控制器，可以由該控制器控制閉合/打開的開關(guān)，連接到所述輸入電路，并且與所述開關(guān)并聯(lián)的電流儲存元件，和連接到所述電流儲存元件，用于與負載并聯(lián)的輸出電壓儲存元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種價格低廉但不降低性能的補償變換器。根據(jù)本發(fā)明一種實施例，提供了一種改進的補償變換器。該補償變換器包括用于接收輸入信號的輸入電路，連接到該輸入電路，用于控制該輸入電路的控制器，可以由該控制器控制閉合/打開的開關(guān)，連接到所述輸入電路，并且與所述開關(guān)并聯(lián)的電流儲存元件，和連接到所述電流儲存元件，用于與負載并聯(lián)的輸出電壓儲存元件。在充電階段，所述控制器使得所述輸入電路允許所述輸入信號通過，并通過所述電流儲存元件被提供給負載。所述控制器還使得所述開關(guān)打開，變成開路。在放電階段，所述控制器使得所述輸入電路從所述輸入信號斷開，并使得所述開關(guān)閉合，變成短路，從而電流在由所述開關(guān)和所述電流儲存元件構(gòu)成的回路內(nèi)流動。
文檔編號H02M3/158GK1407419SQ0213018
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月27日
發(fā)明者J·E·利布勒 申請人:皇家菲利浦電子有限公司