[发明专利]用于具有电流平衡和近理想瞬态响应的高性能多相VRM的数字控制器

说明书

一种混合信号控制器，用于控制多相平均电流模式电压调节器，该电压调节器具有连接至负载的输出的，该控制器包括：数字电压采样ADC，用于将输出电压信号从模拟表示转换为数字表示；数字电流采样ADC，用于将电感电流从模拟表示转换为数字表示；数字补偿器，用于基于数字电压误差信号生成电流参考信号，以及用于基于所述数字电流误差信号生成占空比命令信号；多相数字脉宽调制器(DPWM)，用于生成脉宽调制信号(每相)，以控制提供给所述负载的每相电流和输出电压；模拟前端，其中单端信号经由ADC测量而用于稳态控制，并且单端输出电压在瞬态期间用于瞬态检测和输出电压极值检测；瞬态抑制单元(TSU)，用于在瞬态事件期间生成馈送至转换器晶体管的栅极的门控信号；相位计数优化器(PCO)单元，向每相PWM输出三态缓冲器生成启用/禁用控制信号；有源电压定位(AVP)单元，用于生成电压环补偿器电压参考信号。

技术领域

本发明涉及电压调节器模块(VRM)领域。更具体地，本发明涉及用于具有电流平衡和近理想瞬态响应的高性能多相VRM的数字控制器。

背景技术

随着云计算的普及，数据中心的功耗出现显著增长[1]。数据中心通常使用大量CPU和双倍数据速率(DDR)内存模块，而在极其严格的要求和规范下，每个都需要高度稳压的直流电压。近年来，由于开源计算项目(OCP)标准化所形成的[2]，数据中心应用程序的电源处理链以48Vdc非稳压总线为主电源，然后在两级转换器架构中下行至负载。第一级为48V转12V转换器，以提供12V总线。第二级为高性能12V转1.xV电压调节器模块(VRM)后端转换器，其通常使用多相降压架构实现。这样做是为了满足负载对电能质量的要求，尤其是为了确保在密集、快速和连续的负载瞬态下得到经过严格稳压的电源。多相交错式降压VRM(MPVRM)可实现低压大电流运行[3]-[5]，具有高功率密度、高转换效率[6]-[11]和快速动态响应[12]-[16]的特点。MPVRM最终可用于放宽对无源器件的要求或进一步提高计算能力。传统的多相交错式降压转换器设置使用多个并联相来为负载供电。通常，使用单个控制器IC来监测所有功率级的运行。这样可以更好地使信号同步，以更高的信噪比采集数据，并节省PCB面积。

出于成本和性能权衡，单相控制器主要使用模拟执行来实现。在多相，尤其是VRM的应用中，数字控制占据着主导地位。这主要是因为现代控制器不仅需要性能特性，还需要灵活性、即插即用和可编程能力，以及一些内务管理、通信和遥测功能。然而，实现数字控制器核心的额外代价也是一个不可忽略的因素，其源自满足性能目标的极端硬件要求，例如高时钟基频、总硅面积、功耗采集和控制分辨率等。这些可能是由于控制架构、内部控制块的实现、外围设备(peripheral units)等所致。

在绝大多数MPVRM中采用了具有线性补偿的电压模式控制方案，以便于调节[17]-[22]。并联和电压定位通过下降控制方法实现[23]-[29]，而每相电流信息通常用于均分目的或数据收集[30]-[32]。通过线性控制器之间的切换或转换，即通过根据负载工况调整补偿器的系数，来促进控制带宽加速[33]-[39]。虽然控制器可以获得每相电流信息的版本，但迄今为止，电流编程模式控制方法已被排除在商业应用之外。

多个功率级的同相和异相并联运行带来了一些挑战，从电流和热分布到由于物理布局不同而为同一控制生成不同的电压。由于相位分布在PCB的相当大一部分上，因此细致的跟踪和接口对于将电源以及来自各相位的控制信号传输至集中控制器并返回至关重要。在此应用中，调节每相电流大大降低了系统的复杂性。然而，捕获瞬时电感电流并相应地操纵相位运行实际上在感测和控制方面都令人望而却步。在这点上，平均电流模式(ACM)控制方法的优势变得越来越明显[40]-[43](尤其是在无需额外的硬件代价即可实现的情况下)。在ACM方法中，电压环路和电流环路的某些构建模块是相同的，因此，通过使用相同的硬件，可以显著减少资源的使用。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于高性能多相降压VRM的新型全数字控制器，其包括能够在相位之间实现负载均匀分配的电流平衡模块。