带有分段线性负载线的电压调制器

技术领域

本发明涉及电压调制器领域，具体涉及一种带有分段线性负载线的电压调制器。

背景技术

电子设备，也可以称为负载，从各种电源接收电力。例如，一些电源可以耦合到墙上插座处的负载设备(例如来自主电源)，或者可以更直接地耦合到各种本地和/或便携式电源(例如电池、可再生能源、发电机)。一些负载设备，如中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)继续对输入电流提出更高的要求，同时要求电源进行严格的电压调节和/或高效率。

在一些电子设备中，源电压供应(例如电池输入、整流电源、中间直流电源)可通过各种电压转换电路转换为负载兼容电压。开关电源由于其高效率而成为电压转换电路，因此常被用来供应各种电子负载。

开关电源使用开关器件转换电压，开关器件以极低的电阻接通，以极高的电阻断开。开关模式电源可在一段时间内对输出电感器充电，并可在随后的时间段内释放部分或全部电感器能量。输出能量可以被传送到一组输出电容器，这些电容器提供滤波以产生直流输出电压。在降压型开关电源中，稳态下的输出电压可近似为输入电压乘以一个工作周期，其中工作周期是一个通断开关的接通时间除以一个开关周期内通断开关的总接通时间和断开时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有分段线性负载线的电压调制器，该设备及其相关方法涉及提供一种具有多个不同效率部分的分段式负载线，并基于电源的输出电流，选择分段式负载线的分段。在说明性示例中，分段式负载线可包括具有负效率的分段。当输出电流小于预定阈值时，可以选择具有负斜率的分段以提高功率效率。在一些实施例中，分段式负载线可具有不同正斜率的若干分段。可以选择不同的分段，使负载在不同的模式下工作。例如，通过选择过流负载线，可以通知负载(例如，处理器)抑制其性能。有一个分段式负载线可能允许独立优化负载线电阻、电压阈值和电流极限。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种控制电路，包括：

一个输入端，耦合接收表示电压调制器供给负载的一个输出电流信号；

一个处理电路，依据多个预定义负载线特性中的一个产生控制输出信号，其中，操作处理电路选择多个预定义负载线特性中的一个，作为所接收的输出电流信号的函数；以及

一个输出端，将所产生的控制输出信号，传导到电压调制器的控制输入端。

可选的，预定义负载线特性的至少一个包括一个在电压调制器的输出端具有负电阻特性的负载线。

可选的，配置处理电路，当输出电流小于预定义的电流阈值时，选择带有负电阻特性的负载线。

可选的，预定义负载线特性的至少一个还包括一个带有第一个正电阻特性的第一个负载线以及一个带有第二个正电阻特性的第二个负载线，第二个正电阻大于第一个正电阻，并且当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第二个负载线。

可选的，当输出电流大于第一个预定义电流阈值，并小于第二个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第一个负载线。

可选的，预定义负载线特性的至少一个还包括一个带有第一个正电阻特性的第一个负载线以及一个带有第二个正电阻特性的第二个负载线，第二个正电阻大于第一个正电阻，并且当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第二个负载线。

可选的，当输出电流小于第二个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第一个负载线。

可选的，预定义负载线特性的至少一个特性还包括一个带有第三个正电阻特性的第三个负载线，第三个正电阻大于第二个正电阻，并且当输出电流大于第二个预定义电流阈值，并小于第三个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第二个负载线。

可选的，当输出电流大于第三个预定义电流阈值时，配置处理电路选择第三个负载线。

可选的，处理电路包括：

一个第一个比较器，配置接收输出电流和第一个预定义电流阈值，以产生第一个比较信号；

一个状态机器，耦合到第一个比较器的一个输出端上，并根据第一个比较结果，产生选择信号；以及

一个多路复用器，配置接收一个电阻串的不同节点上传感到的多个电压值，其中电阻串耦合在第一个节点A和第二个节点B之间，其中输出电流注入到第一个节点A中，第二个节点B连接到代表电压调制器产生的输出电压信号上，

其中根据选择信号，将多路复用器配置到控制输出信号VLL的输出端上。

可选的，电压调制器包括一个开关模式功率级。

可选的，所接收的输出电流信号包括电压调制器的多个开关周期的平均值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明各种实施例可实现一个或多个优点。当负载包括一个处理器(例如一个多核处理器)，通过监控电源的输出电流，处理器可能会收到信号，表示它正在消耗过多的能量。在某些实施例中，通过配置分段式负载线，瞬态大电流事件的通信可以比事件更快，使得处理器可以执行一些操作来防止事件发生，以提高系统和/或晶体管的可靠性。

进一步的，本发明可以有利地减少或基本上避免多余的能量流进入负载，这可以提高负载的可靠性和性能。在一些实施例中，通过设置另一阈值，可以保护处理器，例如免受电源病毒的。也就是说，当输出电流大于阈值时，一种可能的原因是处理器受到黑客或恶意代码的攻击。通过选择一个能使电源输出电压迅速下降的负载线，处理器可能会被节流，以抵抗攻击。当电流达到阈值时，电压调制控制器可以模拟恒定电流控制。因此，恒定电流操作可通过简单改变载重线的效率来实现。可以获得向处理器发信号的有效、低成本和高效的一种装置。

附图说明

在附图和下文的描述中阐述了各种实施例的细节。其他特征和优点将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。

图1表示耦合到负载供电的示例性电压调制器的框图，其中电压调制器具有符合分段式负载线的特性。

图2表示一种示例性分段式负载线。

图3表示另一种示例性分段式负载线。

图4表示另一种示例性分段式负载线。

图5表示电压调制器中使用的一种示例性负载线选择电路的框图。

图6表示操作电压调制器的一种示例性方法的流程图。

各种图纸中的相似参考符号表示相似的元件。

具体实施方式

为了便于理解，本说明书的组织如下。首先，图1表示配置一种示例性电源和电压调制器，为负载供电，该电源和电压调制器具有与分段式负载线一致的性能。其次，参见图2-图4，主要讨论解释说明不同的分段式负载线的典型实施例。然后，参见图5，讨论利用一种典型电路，选择分段式负载线的不同负载线。最后，参见图6，进一步讨论解释操作电源的一种典型方法。

直流到直流电压转换通常由开关型电压调制器进行，也称为电压转换器或负载点(POL)调节器/转换器。一种类型的直流到直流转换器，也称为降压调制器，可以将较高的电压(例如12伏)转换成一个或多个负载器件所需要的较低的电压值。更确切地说，电压调制器和电流调制器通常都称为功率转换器，如本发明中所述的“功率转换器”术语是指包括此类装置。

图1表示耦合到负载供电的示例性电压调制器的框图，其中电压调制器具有符合分段式负载线的特性。电压调节器的负载线可以定义为代表不同负载电压值的负载电流的线。在该描绘的示例中，系统100包括电源(例如一个或多个电池组)105和电压调制器110，配置所述电压调制器110，将未经调节的输入电压(例如，由电源105提供的电压)调制或控制为输出节点A处的调节输出电压V

电压调制器110还可以采用N-通道金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOSFET)或其它类型的晶体管作为功率级。电压调制器110还包括一个电感器，该电感器的一个端子耦合到功率级。电压调制器110还包括通过输出节点A耦合到电感器的另一端子的电容器。然后负载115接收输出节点A处的输出电压V

在这个描绘的示例中，电压调制器110包括电压调制控制器125，其被配置成使电压调制器110产生经调制的输出电压V

在一些实施例中，由于负载115可以包括一个或多个处理器，因此可以通知处理器，它正在消耗过多的电流。然后，处理器可以被配置成限制其性能，例如与电压调节器的功率输送能力相匹配。例如，多核处理器的一个核心可以被关闭，或者核心的时钟频率可以降低。分段式负载线可以用来调整输出节点的电压，随着输出电流的变化而变化。例如，当输出电流高于预定阈值时，可以将具有较小斜率的负载线改变为具有较大斜率的负载线，以快速降低输出电压。示例性负载线请参考图2-图4。

图2表示示例性分段式负载线。电压调制器110可以具有一个分段式负载线200，其范围从第一个负载(例如处理器)电压极限V

当输出电流大于第一个电流限制I

在一些实施例中，当相对于输入电源的电流限制设置I

图3表示另一示例性分段式负载线。在这个描绘的示例中，在电压调制器中实现的分段式负载线300还包括具有斜率S3(例如负电阻)的低电流负负载线。低电流负负载线位于零和第三个电流限制I

图4表示另一个示例性分段式负载线。在这个描绘的示例中，在电压调制器中实现的分段式负载线400还包括具有斜率S4的欠电压负载线。欠电压负载线位于第二个电流极限I

图5表示在电压调制器中使用的示例性负载线选择电路的框图。在该描绘的示例中，负荷线电压生成电路120包括串联连接的多个电阻器(例如，R

负荷线电压生成电路120包括三个传感点(图中没有表示出)，其被配置成传感节点C、节点D和节点B处的电压。然后由三输入多路复用器510接收节点C处的感测电压V

V

V

配置三输入多路复用器510对选择信号515响应而输出负载线电压V

更确切地说，为了选择分段式负载线400的不同斜率，在该描绘的示例中，负荷线电压生成电路120的负载线选择电路500包括第一个比较器520a、第二个比较器525a和第三个比较器530a。配置第一个比较器520a，将感应输出电流I

例如，当感应输出电流I

图6表示操作电压调制器的示例性方法的流程图。操作具有分段式负载线400的电压调制器的示例性方法600包括，在605处，为负载(例如，负载115)产生(例如通过电压调制器)经调制的电压V

方法600还包括在615处，决定(例如通过比较器和状态机器)感应输出电流I

如果感应输出电流I

如果感应输出电流I

虽然参照附图本发明提出了各种实施例，但还可能存在其他的实施例。在各种实施例中，触发分段式负载线效率变化的参考系数，除了电压调制器的输出电流之外，也可以是其他参数。例如，负载的环境温度可以用作一个参考系数。当环境温度达到预定义的值时，可以改变负载线的效率，有利于减少或基本消除热问题。在某些实施例中，不同参数的组合(例如温度、电流、电压、功率)可以用作参考系数。

实施例的一些方面可以实现为计算机系统。例如，各种实现可以包括数字和/或模拟电路、计算机硬件、固件、软件或其组合。设备元件可以在信息载体例如机器可读存储设备中有形地体现在计算机程序产品中，以供可编程处理器执行；并且本方法可以由可编程处理器执行指令程序，通过操作来执行各种实施例的功能输入数据并生成输出。一些实施例可以在可编程系统上可执行的一个或多个计算机程序中有利地实现，所述可编程系统包括耦合成从数据存储系统、至少一个输入设备和/或至少一个输出设备接收数据和指令，并向其发送数据和指令的可编程系统。计算机程序是一组指令，可以直接或间接地在计算机中用来执行某项活动或产生某种结果。计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括编译语言或解释语言，也可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或其他适合在计算环境中使用的单元。

作为示例，但不作为局限，用于执行指令程序的合适处理器包括通用微处理器和专用微处理器，其可以包括单处理器或任何类型计算机的多个处理器中的一个。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者中接收指令和数据。计算机的基本元件是一个执行指令的处理器和一个或多个存储指令和数据的存储器。

在各种实施例中，计算机系统可以包括非临时存储器。存储器可以连接到一个或多个处理器，处理器可以被配置为存储数据和计算机可读指令，包括处理器可执行程序指令。数据和计算机可读指令可由一个或多个处理器访问。当由一个或多个处理器执行时，处理器可执行程序指令可导致一个或多个处理器执行各种操作。

模块的各种示例可以使用电路来实现，包括各种电子硬件。作为示例而非限制，硬件可以包括晶体管、电阻器、电容器、开关、集成电路和/或其他模块。在各种示例中，模块可包括模拟和/或数字逻辑、分立元件、迹线和/或在包括各种集成电路(例如，FPGA、ASIC)的硅衬底上制造的存储器电路。在一些实施例中，模块可涉及由处理器执行的预编程指令和/或软件的执行。例如，各种模块可能同时涉及硬件和软件。

在一个示例性方面，控制电路包括(a)一个输入端子，通过耦合接收输出电流信号，表示电压调制器提供给负载的电流，(b)一个处理电路，根据多个预定义的负载线特性中的一种配置产生控制输出信号。处理电路用于选择多个预定义负载线特性中的一个，作为接收到的输出电流信号的函数。以及(c)一个输出端，将所产生的控制输出信号传输到电压调制器的控制输入端。

在某些实施例中，预定义负载线的特性中的至少一个特性包括一个在电压调制器输出端具有负电阻特性的负载线。在某些实施例中，可以配置处理电路，当输出电流小于第一个预定义电流阈值时，选择一个带有负电阻特性的负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性中的至少一个特性包括一个具有第一个正电阻特性的第一个负载线，以及一个具有第二个正电阻特性的第二负载线，第二个正电阻可以大于第一个正电阻，当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，可以配置处理电路，选择第二个负载线。

在某些实施例中，当输出电流大于第一个预定义电流阈值，并且小于第二个预定义阈值时，可以配置处理电路，选择第一个负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性中的至少一个特性包括一个具有第一个正电阻特性的第一个负载线，以及一个具有第二个正电阻特性的第二个负载线，第二个正电阻可以大于第一个正电阻，并且当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，可以配置处理电路，选择第二个负载线。

在某些实施例中，当输出电流小于第二个预定义电流阈值时，还可以配置处理电路，选择第一个负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性中的至少一个特性包括一个具有第三个正电阻特性的第三个负载线，第三个正电阻可以大于第二个正电阻，并且当输出电流大于第二个预定义电流阈值，小于第三个预定义电流阈值时，可以配置处理电路，选择第二个负载线。在某些实施例中，当输出电流大于第三个预定义电流阈值时，可以配置处理电路，选择第三个负载线。

在某些实施例中，处理电路包括(a)一个第一个比较器，通过配置接收输出电流和第一个预定义电流阈值，以产生第一个比较结果，(b)一个状态机器，耦合到第一个比较器的输出端，并根据第一个比较结果，产生一个选择信号，以及(c)一个多路复用器，通过配置技术在电阻串的不同节点上传感到的多个电压值。电阻串可以耦合在第一个节点A和第二个节点B之间，输出电流可以注入到第一个节点A中，第二个节点可以连接到表示电压调制器所产生的输出电压的信号上。可以配置多路复用器，根据选择信号，输出控制输出信号V

在某些实施例中，控制电路包括电压调制器，电压调制器是由一个开关型功率级制成的。在某些实施例中，所接收的输出电流信号包括电压调制器多个开关周期上的平均。

在另一个典型方面，操作控制电路的方法包括：(a)接收代表电压调制器供给负载电流的输出电流信号，(b)通过处理电路，依据多个预定义负载线特性中的一个特性，产生控制输出信号。操作处理电路，选择多个预定义负载线特性中的一个特性，作为所接收的输出电流信号的函数。以及(c)为电压调制器提供所产生的控制输出信号。配置电压调制器，根据控制输出信号，控制电压调制器的输出电压。

在某些实施例中，预定义负载线特性中的至少一个特性包括在电压调制器的输出端，具有负电阻特性的负载线。在某些实施例中，产生控制输出信号包括当输出电流小于第一个预定义电流阈值时，选择具有负电阻特性的负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性中的至少一个特性包括一个具有第一个正电阻特性的第一个负载线以及一个具有第二个正电阻特性的第二个负载线，第二个正电阻可以大于第一个正电阻，控制输出信号的产生还包括当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，选择第二个负载线。

在某些实施例中，产生控制输出信号包括当输出电流大于第一个预定义电流阈值，小于第二个预定义阈值时，选择第一个负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性的至少一个特性包括有一个具有第一个正电阻特性的第一个负载线以及一个具有第二个正电阻特性的第二个负载线，第二个正电阻可以大于第一个正电阻，控制输出信号的产生还包括当输出电流大于第二个预定义电流阈值时，选择第二个负载线。

在某些实施例中，产生控制输出信号包括当输出电流小于第二个预定义电流阈值时，选择第一个负载线。在某些实施例中，预定义负载线特性的至少一个特性包括有一个具有第三个正电阻特性的第三个负载线，第三个正电阻可以大于第二个正电阻。控制输出信号的产生还包括当输出电流大于第二个预定义电流阈值，小于第三个预定义电流阈值时，选择第二个负载线。

虽然上文已经描述了本发明的多种实施例。然而，可以理解的是，本发明可以进行各种修改。例如，如果以不同的顺序执行所公开技术的步骤，或者如果以不同的方式组合所公开系统的组件，或者如果用其他组件来补充这些组件，则可以获得有利的结果。因此，其他实现方式也限定在权利要求的范围内。