用于開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的控制器優(yōu)化的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，具體設(shè)及通過優(yōu)化電壓環(huán)路和電流環(huán)路響應(yīng)W使開 關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的輸出阻抗響應(yīng)平坦化來改進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如DC-DC調(diào)節(jié)器的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，由于其高效率和運(yùn)種轉(zhuǎn)換器占用小的面積 /體積，被廣泛用于各種應(yīng)用的現(xiàn)代電子系統(tǒng)，例如用于電信的計(jì)算（服務(wù)器和移動(dòng)電話） 和POL(負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)）。被廣泛接受的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓、升壓、降壓-升 壓、正向、反激、半橋、全橋和SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多相降壓轉(zhuǎn)換器特別適合用于在低電壓下提 供高性能集成電路，諸如微處理器、圖形處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器所需的高電流。降壓轉(zhuǎn)換器 使用有源組件實(shí)現(xiàn)，諸如脈沖寬度調(diào)制（PWM)控制器IC(集成電路）、驅(qū)動(dòng)器電路，包括功 率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的一個(gè)或多個(gè)相位，W及無源組件，諸如電感 器、變壓器或禪合電感器、電容器和電阻器。多個(gè)相（功率級(jí)）可W通過各自的電感器被并 聯(lián)連接到負(fù)載，W滿足高輸出電流要求。
[0003] 一些開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)AVP(自適應(yīng)電壓位置，也被稱為跌落補(bǔ)償和負(fù)載線）。 在一個(gè)基于AVP的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是為了滿足隨頻率的輸出 阻抗要求，W實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)節(jié)器控制器可包括被設(shè)計(jì)為使輸出阻抗響應(yīng)平坦化 W便獲得恒定的電阻輸出阻抗的補(bǔ)償器。只要輸出阻抗在控制帶寬內(nèi)是恒定的并且超出帶 寬的阻抗更小，AVP仍然可W實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)些條件下，相位裕度通常大于60度。否則，在輸出 阻抗曲線內(nèi)出現(xiàn)峰值或突起。常規(guī)AVP設(shè)計(jì)方法設(shè)定控制帶寬W匹配ESR(等效串聯(lián)電阻） 零點(diǎn)，并確保超出ESR零點(diǎn)的阻抗小于下垂電阻。然而，至少60度的相位裕度不是總能被 獲得，例如當(dāng)調(diào)節(jié)器控制器實(shí)施非常低的開關(guān)頻率W實(shí)現(xiàn)更高的效率時(shí)。在運(yùn)些使用常規(guī) 的AVP設(shè)計(jì)方法的條件下，顯著的峰值或突起出現(xiàn)在調(diào)節(jié)器的輸出阻抗響應(yīng)中。輸出阻抗 是用于評(píng)估開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的一種有效措施。相對(duì)平坦的輸出阻抗曲線產(chǎn)生 更為理想的調(diào)節(jié)器響應(yīng)。因此，在閉環(huán)阻抗曲線內(nèi)的峰值或突起是不希望的，并可能導(dǎo)致更 不理想的調(diào)節(jié)器響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)用于數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的確定控制環(huán)路系數(shù)的方法的一個(gè)實(shí)施例，該方 法包括：確定滿足數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的增益和相位裕度目標(biāo)的PID(比例-積分-微 分）系數(shù)，作為數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)；并重新確定一個(gè)或多個(gè)PID 系數(shù)，W在低于數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的帶寬的頻率下平坦化數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的輸 出阻抗響應(yīng)。 陽0化]根據(jù)可操作地存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序W確定用于數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的控制環(huán)路系 數(shù)的非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的一個(gè)實(shí)施例，該計(jì)算機(jī)程序包括：用W確定滿足數(shù)字電壓 調(diào)節(jié)器控制器的增益和相位裕度目標(biāo)的PID(比例-積分-微分）系數(shù)作為數(shù)字電壓調(diào)節(jié) 器控制器的多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的程序指令。該計(jì)算機(jī)程序還包括程序指令，W重新確定PID系數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，W在低于數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的帶寬的頻率下平坦化數(shù)字電 壓調(diào)節(jié)器控制器的輸出阻抗響應(yīng)。
[0006] 通過閱讀W下的詳細(xì)描述W及查看附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到附加特征和優(yōu) 點(diǎn)。
【附圖說明】
[0007] 附圖的元件相對(duì)于彼此不一定按比例。相同的標(biāo)記表示相應(yīng)的類似部件。各個(gè)圖 示的實(shí)施例的特征可W被結(jié)合，除非它們彼此排斥。實(shí)施例在附圖中被描繪并W下的說明 書中詳述。
[0008] 圖1示出了多相開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的一個(gè)實(shí)施例的框圖，其具有控制環(huán)路補(bǔ)償器， W及用于確定控制環(huán)路補(bǔ)償器的控制環(huán)路系數(shù)的編程系統(tǒng)。
[0009] 圖2示出了確定數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的控制環(huán)路系數(shù)的方法的一個(gè)實(shí)施例的 流程圖。
[0010] 圖3示出了用于開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路補(bǔ)償器的一個(gè)實(shí)施例的框圖。 W11] 圖4示出了用于基于PID的控制環(huán)路補(bǔ)償器的增益曲線。
[0012] 圖5至8,其包括圖5、圖6、圖7A、7B、8A和8B，示出了在參數(shù)優(yōu)化過程的不同階段 期間，用于圖1所示的調(diào)節(jié)器參數(shù)編程系統(tǒng)的屏幕捕獲。
[001引圖9示出了一個(gè)示例性繪制圖，其示出了基于初始控制環(huán)路系數(shù)的示例性設(shè)置產(chǎn) 生的開環(huán)和PID輸出阻抗曲線。
[0014] 圖10示出了用于開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路補(bǔ)償器的另一實(shí)施例的框圖。
[0015] 圖11繪制了圖10的控制環(huán)路補(bǔ)償器的不同增益響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 運(yùn)里描述的實(shí)施例優(yōu)化數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制器的控制環(huán)路系數(shù)，W在寬范圍的操 作條件下滿足電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的要求，同時(shí)也平坦化輸出阻抗響應(yīng)?？刂骗h(huán)路系數(shù)可W通 過確定滿足電壓調(diào)節(jié)器控制器的增益和相位裕度目標(biāo)的系數(shù)的初始設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化，作為用 于電壓調(diào)節(jié)器控制器的多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)。在輸出阻抗響應(yīng)中的峰值（突起）在感興趣 的頻率范圍內(nèi)被識(shí)別，并且控制環(huán)路系數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)被重新確定，使得在輸出阻抗響 應(yīng)中的峰值被降低。本文所描述的實(shí)施例提供了一種用于積極控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)的迭代法，其 中相位裕度影響峰值，并且控制環(huán)路系數(shù)經(jīng)受最小峰值條件被優(yōu)化。為此目的，提供數(shù)字 控制器配置方法，其使用系統(tǒng)模型（包括板和組件寄生現(xiàn)象、驅(qū)動(dòng)器延遲等），環(huán)路和輸出 阻抗分析，W及用于多種操作模式的可配置增益/帶寬參數(shù)。本文描述的方法可W適用于 PID(比例-積分-微分），AVP(自適應(yīng)電壓位置）和電流平衡控制的優(yōu)化。該優(yōu)化過程可 被應(yīng)用于所有的控制環(huán)路系數(shù)，或用于一些系數(shù)并且其余的可手動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0017] 圖1示出了諸如DC-DC調(diào)節(jié)器的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100,和編程系統(tǒng)200,諸如計(jì)算 機(jī)、服務(wù)器或用于編程開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100的控制環(huán)路系數(shù)的其他電子裝置的一個(gè)實(shí)施 例。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器100包括多個(gè)功率級(jí)102和用于控制功率級(jí)102的操作的數(shù)字控制器 104,例如微控制器、微處理器、ASIC(專用集成電路）等。出于示例性的目的，=功率級(jí)（相 位）102示于圖1，然而，電壓調(diào)節(jié)器100可包括任何數(shù)量的功率級(jí)102,包括單一的功率級(jí) 102 (即單相調(diào)節(jié)器）或多于一個(gè)的功率級(jí)102 (即多相調(diào)節(jié)器）。
[001引功率級(jí)102為負(fù)載106提供已調(diào)節(jié)的電壓。各個(gè)功率級(jí)102是可操作的，W通過 一個(gè)或多個(gè)電感器（L)為負(fù)載106提供相電流，負(fù)載106經(jīng)由電感器和與調(diào)節(jié)器輸出并聯(lián) 的一個(gè)或多個(gè)輸出電容器（Cout)連接到電壓調(diào)節(jié)器100。負(fù)載106可W是高性能集成電 路，例如微處理器、圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器等，或需要電壓調(diào)節(jié)的其他類型的電子電路。每 個(gè)功率級(jí)102在第一開關(guān)狀態(tài)將負(fù)載106連接到電壓調(diào)節(jié)器100的輸入電壓，并在第二開 關(guān)狀態(tài)將其接地。
[0019] 數(shù)字控制器104管理各功率級(jí)102的開關(guān)狀態(tài)，W通過調(diào)節(jié)輸送到負(fù)載106的相 電流來調(diào)節(jié)輸送到負(fù)載106的電壓（Vout)。在功率級(jí)102基于PWM(脈沖寬度調(diào)制）開關(guān)的 情況下，控制器104包括PWM單元108,其生成用于開關(guān)功率級(jí)102的PWM控制信號(hào)（pwm)。 如果負(fù)載電流低（例如，低于相電流的一半），同步轉(zhuǎn)換器允許負(fù)電流（反向電流）流過一 個(gè)或多個(gè)功率級(jí)102的低側(cè)開關(guān)，其在運(yùn)里被耗散。然而，如果低側(cè)開關(guān)關(guān)斷，相應(yīng)的體二 極管不能傳導(dǎo)反向電流，并且它停留在被稱為DCM(非連續(xù)導(dǎo)通模式）的化Z(高阻抗）或 零電流內(nèi)。電壓調(diào)節(jié)器100也可W工作在具有電流吸收能力的連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM)下。在 一般情況下，單獨(dú)的功率級(jí)102的開關(guān)狀態(tài)和占空比至少部分地基于提供給負(fù)載106的輸 出電壓（Vout)確定，使得電壓調(diào)節(jié)器100可從陜速且可靠地作出反應(yīng)，W能夠改變負(fù)載條 件。
[0020] 數(shù)字控制器104可W管理從一個(gè)基準(zhǔn)電壓到另一個(gè)的變化?？刂破?04也可確定 輸出電壓（Vout)與基準(zhǔn)電壓之間的誤差，并將誤差電壓轉(zhuǎn)換成提供給PWM單元108的數(shù)字 表示，用于例如通過調(diào)整PWM控制信