供多相dc-dc转换器使用的组件故障检测的制作方法

专利名称：供多相dc-dc转换器使用的组件故障检测的制作方法
技术领域：
本发明诸实施例一般涉及多相DC-DC转换器、供多相DC-DC转换器使用的方法、以 及供多相DC-DC转换器使用的组件故障检测电路。
现有技术DC-DC转换器一般将直流电从第一电压电平和电流电平转换成第二电压和电流电 平。例如，降压DC-DC转换器可将IOAmps下12V的电压输入(Vfl^)转换成IOOAmps下约 1.2V的电压输出(Vm)。作为一更具体的示例，两相DC-DC转换器可包括脉宽调制器(也 简称为调制器)，其包括第一脉宽调制输出(PWMlfl^)和第二 PWM输出(PWM2_)。PWMlfl5 出和PWM2输出处输出的信号，也称为PWMl输出信号和PWM2输出信号，异相180°。换言之，PWM2 输出信号落后(或领先)于PWMlfl^信号180°。常规地，PWMlfl^和PWM2fl^所输出的这些异相180°的信号直接驱动一对驱动 器-MOSFET级，它们可被称为DrMOSl和DrM0S2。DrMOSl可被视为是两相DC-DC转换器的 第一通道的一部分，而DrM0S2可被视为是两相DC-DC转换器的第二通道的一部分。该DC-DC转换器所输出的电压电平优选地是具有相对严格容限(例如士 )的 经调节的电压电平。另外，优选该两相DC-DC转换器的两个通道一般是平衡的，即每个通 道一般大致处理相同量的功率和电流，从而这两个通道之一不因处理太多功率和电流而受 损。然而，高频负载瞬变事件会不合需要地影响通道之间的这一平衡，从而不利地影响两相
5DC-DC转换器所产生的电压、并且可能损坏DC-DC转换器内的组件。当例如与DC-DC转换器 的电压输出连接的一个或多个负载(例如CPU)在先前掉电之后上电、或者在相对高频的情 况下在高功率工作状态(例如以最大时钟频率工作)与低功率工作状态(例如休眠模式或 待机模式)之间交替(但不限于此)时，这些高频负载瞬变状况可发生。
DC-DC转换器可经历故障，例如因为感应器和/或驱动器-MOSFET级或其一部分缺 失、失效、连接不正确、或变得断开。这些故障如果不正确处理会导致对DC-DC转换器以及 DC-DC转换器连接在其中的更大电路的损坏。

发明内容
本发明的具体实施例涉及供多相DC-DC转换器使用的组件故障检测电路。这种多 相DC-DC转换器可以是例如包括脉宽调制器的两相DC-DC转换器，该脉宽调制器适于输出 第一脉宽调制信号(P^lfia)和与第一脉宽调制信号(PWMlf^)基本上异相180°的第二 脉宽调制信号(P丽2f_)。该DC-DC转换器还可包括第一和第二驱动器MOSFET级(DrMOSl 和DrM0S2)，且每个DrMOS级都具有一个输入和一个输出。例如，每个DrMOS级都可包括一 个驱动器和一对功率场效应晶体管(FET)。此外，该DC-DC转换器可包括第一电感器(Li) 和第二电感器(L2)，该第一电感器(Li)具有取决于第一驱动器MOSFET级(DrMOSl)的输 出驱动的一个端子，而第二电感器(L2)具有取决于第二驱动器MOSFET级(DrM0S2)的输出 驱动的一个端子。如果例如DC-DC转换器的电感器(例如Ll或L2)和/或驱动器MOSFET 级(例如DrMOSl或DrM0S2)或其一部分缺失、失效、未正确连接、或断开，则组件故障检测 电路能检测到故障。根据一实施例，组件故障检测电路包括超常失衡(WOB)检测器和组件故障检测 器。WOB检测器适于检测DC-DC转换器内的WOB状况。组件故障检测器适于基于所检测到 的WOB状况来检测故障。例如，组件故障检测器可适于在预定时段内一种WOB状况的发生 比另一种WOB状况至少多指定次数的情况下检测到故障。该预定时段可以是例如时间和/ 或电压相关的软启动的指定初始部分。此外或替换地，预定时段可以是在DC-DC转换器工 作期间周期性地重置的指定时间量。在另一实施例中，预定时段可以是最后的M个时钟周 期，从而导致组件故障检测器实质上监视WOB状况的移动平均。根据一实施例，组件故障检测器包括加法/减法计数器，其被配置成在检测到第 一 WOB状况时加法(或减法)计数，且在检测到第二 WOB状况时在另一方向上计数。使用 该加法/减法计数器，可在计数器的计数值超过指定阈值时检测到故障。本发明的诸实施例还涉及包括如上所述的组件故障检测电路的多相DC-DC转换
ο本发明的诸实施例还涉及用于检测多相DC-DC转换器内的组件故障的方法。根据 一实施例，这种方法包括监视DC-DC转换器的通道的多个WOB状况，并基于所检测到的WOB 状况来监视故障。例如，如果在预定时段内一种WOB状况的发生比另一种WOB状况至少多 指定次数，则可检测到故障。此外或替换地，该方法可包括响应于检测到故障关闭DC-DC转 换器和/或另一电路。此外或替换地，组件故障检测信号可响应于检测到故障来输出。本发明内容并不旨在归纳本发明的所有实施例。本发明诸实施例的其它和替代实 施例、以及各个特征、方面和优点将从以下阐述的详细描述、附图和权利要求中变得更加显而易见。


图IA示出根据本发明一实施例的包括WOB再平衡器的两相DC-DC转换器。图IB示出根据本发明一具体实施例的图IA的两相DC-DC转换器和WOB再平衡器 的附加细节。图IC和ID示出图IA和IB中所示的驱动器MOSFET级的示例性附加细节。图2示出根据一实施例的用以实现图IA中介绍的脉冲路径导向器的电路系统。图3示出根据本发明一实施例的组件故障检测器。图4A示出常规DC-DC转换器的模拟结果，其示出在约220us和280usILl和IL2 失衡至可视为超常失衡(WOB)的点，这是因引入了模拟高频负载瞬变而引起的。图4B示出根据本发明一实施例的在引入相同的模拟高频负载瞬变的情况下实现 再平衡的DC-DC转换器的模拟结果。图5(包括5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H和5J)示出模拟波形图，其用来示出可如何 利用图IA和IB的实施例将多个相位从一个通道移至另一个通道以平衡两相DC-DC转换器 的两个通道的细节。图6 (包括6A、6B、6C、6D、6E、6F、6G、6H和6J)与图5相似，但仅有一个脉冲从P丽2 输出移至PWMl，且没有脉冲被从PWMl输出移至PWM2。图7 (包括7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G、7H和7J)与图5和图6相似，但模拟中施加了 更激烈的高频负载瞬变，这导致多得多的脉冲从PWMl_移至PWM2，并从PWM2_移至PWMl。图8(包括8A、8B、8C、8D、8E、8F、8G、8H和8J)和图9(包括9A-9J)针对不同的模 拟响应与图5-7相似。图 10(包括 10A、10B 禾口 10C)和图 11(包括 11A、11B、11C、11D、IlE 和 11F)示出图 IA和IB的电感器Ll在200us断开时的模拟。图12是用于归纳可用来再平衡通过多相DC-DC转换器的电流的本发明的各个方 法的高级流程图。图13是用于归纳可用来检测多相DC-DC转换器内的组件故障的本发明的各个方 法的高级流程图。图14是实现本发明诸实施例的一示例性系统的框图。
具体实施例方式图IA示出根据本发明一实施例的两相DC-DC转换器100。参照图1A，两相DC-DC 转换器100包括脉宽调制器102 (还简称为调制器)，其包括第一脉宽调制输出(PWM1 ) 和第二 PWM输出(PWM2输出)。PWMl输出和PWM2输出处输出的信号，也可称为PWMl输出信号和 PWM2fl^信号，基本上异相180°。换言之，PWM2fl^信号落后(或领先)于PWM1_信号基本 上180°。在图IA中示出的还有组件故障检测器120，其在以下参照图3和12更详细地描 述。两相DC-DC转换器100还包括示为DrMOSl和DrM0S2的一对驱动器-MOSFET级 106_1和106_2。在一实施例中，每个DrMOS能用作具有低输出阻抗的电平移位器。例如，每个DrMOS可连接在12V电轨和接地(gnd)之间，可在其输入端接收在0与5V之间变化 的逻辑电平PWM信号，且可输出具有(与在其输入处接收的PWM信号)基本上相同的脉宽 和占空比但在0与(例如12V)之间变化的PWM信号。为此，每个DrMOS级106可包括 例如如图IC所示的驱动器电路系统和一对功率场效应晶体管(FET)。或者，每个DrMOS级 106可包括例如如ID所示的驱动器电路系统、单个功率FET、以及二极管。其它DrMOS级配 置也是可能的，且在本发明的范围内。输入至DrMOSl的信号将被称为P丽1，而输入至DrM0S2的信号将被称为P丽2。 DrMOSl响应于输入至DrMOSl的相对低功率PWMl方波信号产生相对高功率的方波信号。同 样，DrM0S2响应于输入至DrMOSl的相对低功率PWM2方波产生相对高功率的方波信号。常 规地，PWMl与PWMl输出信号相同，而PWM2与PWM2输出信号相同。DrMOSl 106_1和DrM0S2 106_2的方波输出被分别提供给电感器Ll和L2的一侧 (即，一端)。当两个通道完全匹配和平衡时，通过电感器Ll和L2的电流是异相180°且振 幅相等的锯齿形信号。为了感测通过电感器的电流，极低电阻(例如ΙπιΩ)电阻器Rl和R2 能被连接至电感器Ll和L2的另一侧(即，端)(且电阻器Rl和R2的另一侧/端是提供两 相DC-DC转换器的输出电压Vfl^jn Vfl^2的输出端子)。可使用用于允许感测通过两个电 感器Ll和L2(或更一般地两个通道)的电流的替换电路系统。例如，替代如图1所示地将 Rl和R2与Ll和L2串联连接，电感器本身的直流电阻(DCR)可用于感测电感器电流，或者 电阻器Rl和R2可与Ll和L2并联连接以提取各个电感器中的串联电阻。其它变体是可能 的，且在本发明的范围之内。在一个实施例中，V输出！和V输出2可连接在一起(例如短接在一起)以提供DC-DC 转换器的输出(vf_)。另外，可存在反馈电路系统，用于向脉宽调制器提供Vf^1JfM2* /或V输出或指示这些电压的信号以例如调节PWMl输出和PWM2输出的占空比以使V输出^ Vf5M 和/或Vfl^处于期望调节电平。然而，由于这种反馈电路系统是众所周知的且对本发明诸 实施例而言不是重要的，因此现在示出这种反馈电路系统且不再赘述。图IA所示的还有标示为1081和1082的一对电流感测放大器ISENAMP1和ISEN AMP2，它们分别输出指示电阻器Rl和R2两端的电压的感测电流ILl和IL2，这导致由感测 放大器所输出的电流ILl和IL2实质上追随通过电感器Ll和L2的电流。换言之，电流ILl 指示通过电感器Ll的电流，更一般地指示通过DC-DC转换器的第一通道的电流。同样，电 流IL2指示通过电感器L2的电流，更一般地指示通过DC-DC转换器的第二通道的电流。示 例性锯齿电流ILl和IL2在图IB中部示出，且如下所述。当使用替换电路系统来感测通过 电感器Ll和L2的电流(例如使用DCR电路系统来代替Rl和R2)时，至感测放大器ISEN AMPl 108_1和ISENAMP2 102_2的输出可从电路的不同节点分接。如果第一通道的组件(包括DrMOSl、L1和Rl)与第二通道的组件(包括DrM0S2、 Ll和Rl)完全匹配，则ILl和IL2应具有相同振幅且异相180°，并且两个通道都将提供相 同的电流和功率。然而，由于不可避免的组件失配，一个通道将往往提供比另一个通道更大 的电流和功率。存在可用来补偿这些组件失配的公知电路系统和技术，但这种补偿不是本 发明的主题。因此，不示出针对组件失配作补偿的电路系统和技术并且不作赘述。如上所述，DC-DC转换器输出的电压电平优选地是具有严格容限(例如士 )的 经调节的电压电平。这种经调节的电压电平可例如通过数字码动态编程。另外，优选该两
8相DC-DC转换器的两个通道一般是平衡的，即每个通道一般处理相同量的功率和电流，从 而这两个通道之一不因处理太多功率和电流而受损。然而，高频负载瞬变事件会不合需要 地影响这些通道之间的这种电流和功率平衡，从而不利地影响两相DC-DC转换器所产生的 电压、并且可能损坏DC-DC转换器内的组件。当例如与DC-DC转换器的电压输出相连接的 一个或多个负载(例如CPU)在先前掉电之后上电(但不限于此)时，这些高频负载瞬变状 况可发生。如下所述的本发明的具体实施例可用来响应于这种高频负载瞬变事件平衡两相 DC-DC转换器的两个通道之间的电流和功率。如上所述，常规上，PWMl(即输入至DrMOSl的信号)与PWM1_信号相同，而 PWM2(即输入至DrM0S2的信号)与PWM2fl^信号相同。相反，在图IA的实施例中，添加了脉 冲路径导向器(PPD)电路系统104，其可被视为包括两个子PPD导向器PPDl和PPD2。PPDl 和PPD2各自接收PWMlfl^和PWM2fl^信号两者。PPDl所输出的信号是提供给DrMOSl的PWMl 信号，而PPD2所输出的信号是提供给DrM0S2的PWM2信号。以此方式，PPDl可向DrMOSl 选择性地提供PWMl _信号和/或PWM2fl^信号的脉冲，而PPD2可向DrM0S2选择性地提供 PWM2_信号和/或PWMl _信号的脉冲。以下将讨论对PPDl和PPD2或类似的脉冲路径导 向器的控制。图IB示出PPDl和PPD2的某些示例性细节。尽管图IB中的每个PPD被示为使用 一对与(AND)门、一个或非(NOR)门以及一个逆变器来实现，但可使用替代逻辑电路系统来 执行PPD的脉冲重新导向或交换功能，并且这在本发明的范围之内。再参看图1A，在该图右侧，示出了根据本发明一实施例的超常失衡(WOB)检测器 112，其检测何时ILl电流和IL2电流彼此相差一指定偏置电流(Iila)以上达至少指定时 段(例如PWMlf^和PWM2f_信号的两个连续周期)。图IB示出根据一具体实施例可用来 实现WOB检测器112的电路系统。—般而言，WOB检测器112在PWMl■和PWM2_信号的一周期中的任一点处实时 地确定何时ILl比IL2大指定偏置电流，且何时IL2比ILl大指定偏置电流。如果检测到 了这种WOB状况(例如ILl比IL2大指定偏置电流)，但在该周期结束之前不再检测到该状 况(例如ILl不再比IL2大指定偏置电流)，则该电路像常规的DC-DC转换器一样工作，因 为PWMl与PWMl fl^相同，且PWM2与PWM2 fl^相同。然而，如果在PWMl _信号的整个周期中 ILl保持比IL2大指定偏置电流，则如以下更详细地所述的，PWMlfl^信号的一个或多个脉冲 将被移(重定向)至PWM2。同样，如果在PWM2fl^信号的整个周期中IL2保持比ILl大指 定偏置电流，则PWM2fl^信号的一个或多个脉冲将被移(重导向)至PWM1。WOB检测器112和脉冲路径导向器104 (例如PPDl和PPD2)通过将调制器102输 出的一个或多个脉冲从具有较高电流的通道移至具有较低电流的通道来辅助再平衡两相 DC-DC转换器。因此，WOB检测器112和脉冲路径导向器104 (例如PPDl和PPD2)可被统 称为WOB再平衡器。WOB检测器112检测两相DC-DC转换器内的WOB状况。脉冲路径导向 器104取决于来自WOB检测器的反馈调节通过第一电感器(Li)的电流与通过第二电感器 (L2)的电流之间的平衡。更一般地，脉冲路径导向器104取决于来自WOB检测器的反馈调 节两个通道中的电流之间的平衡。如果存在两个以上通道则可使用相似的技术。例如，当存 在两个以上通道时，对于每个通道，可检测指示通过该通道的电流的电流。另外，可检测这 些检测到的电流的平均值。通过每个通道的电流可与平均通道电流作比较，并且如果通过通道的电流比所有通道的均值大了超过指定偏置，则脉冲路径导向器可将来自具有太多电 流的通道的脉冲重导向至电流低于平均通道电流的一个或多个其它通道。这仅仅是如何平 衡通过三个或更多通道的电流的一个示例。阅读本说明书的本领域普通技术人员将理解， 有其它选择可用并且这在本发明的范围内。图IA示出WOB检测器112可被视为包括WOB子检测器1和WOB子检测器2。图 IB中的虚线将WOB检测器112的电路系统分成WOB子检测器1和WOB子检测器2。WOB子 检测器1将检测何时ILl比IL2大指定偏置。WOB子检测器2将检测何时IL2比ILl大指 定偏置，该指定偏置可能但不必是WOB子检测器1所使用的相同偏置。当ILl和IL2相差 不超过指定偏置时，WOB检测器将不会检测到WOB状况。换言之，当ILl和IL2彼此在指定 偏置内时它们没有超常失衡。如图IB中可见，电流感测放大器ISEN AMPl驱动PMOS晶体管Ml和M2的栅极。例 如，电流感测放大器ISEN AMPl在其输出可包括连接有二极管的P沟道MOSFET (未示出)， 其用作晶体管Ml和M2的主电流反射镜。通过由Ml和M2反射的主反射镜(即连接有二极 管的P沟道M0SFET)的电流取决于由电流感测放大器ISEN AMPl感测的电流(例如通过Rl 的电流)。晶体管Ml和M2分别在其漏极提供电流IMl和IM2，其指示提供给其栅极的ILl 电流的幅值。为简化起见，可假设Ml和M2之比为1 1。晶体管Ml的漏极处的电流IMl被提供给包括NMOS晶体管M8和M7的电流反射镜 CMl的输入，其中M8连接有二极管且由此形成CMl的输入。为简化起见，假设M8和M7之比 为1 1。这导致M7尝试将电流汇集至接地，其等于IMl。开关S 1选择性地向M7的漏极 提供偏置电流Ι Μ。假设S 1通常是闭合的，则只要ΙΜ4+Ι ω>ΙΜ1，Μ7即可汇集等于IMl 的电流。如以下将解释的，只要电流ILl不超常失衡，即在可接受平衡内，S 1就闭合。因为Μ7尝试将等于IMl的电流汇集至接地，如果ΙΜ4+Ι IMl，则Μ4的漏极和 Μ7的漏极(即由这些漏极形成的节点Ni)被拉至低压电轨。(低压电轨可以是Vss或接地， 但对于其余讨论将假设为接地。)由此，如果Μ7可将节点m拉至接地，则这指示通道1比 通道2具有显著更多的电流，即通道1是W0B。换言之，如果M7尝试拉取比可用更多的电 流，则晶体管的源极被拉至接地，且NMOS晶体管M7从饱和工作区转变成欧姆区。另一电流感测放大器ISEN AMP2驱动晶体管M4和M3的栅极。例如，电流感测放大 器I SEN AMP2在其输出可包括连接有二极管的N沟道MOSFET (未示出)，其用作晶体管M4和 M3的主电流反射镜。通过由M4和M3反射的主反射镜(即连接有二极管的N沟道M0SFET) 的电流取决于由电流感测放大器ISEN AMP2感测的电流(例如通过R2的电流)。晶体管 M4和M3分别在其漏极提供电流IM4和IM3，其指示提供给其栅极的电流IL2的幅值。为简 化起见，可假设M4和M3之比为1 1。另一电流反射镜CM2包括NMOS晶体管M6和M12，其中M12连接有二极管且由此 形成CM2的输入。M3的漏极处的电流IM3被提供给CM2的输入，这将导致M6尝试将等于 M3的电流汇集至接地。开关S2选择性地向M6的漏极提供偏置电流Ι Μ。假设Sl通常是 闭合的，则只要ΙΜ2+Ι ω> ΙΜ3，Μ6即可汇集等于ΙΜ3的电流。如以下将解释的，只要电流 IL2不超常失衡(WOB)，即在可接受平衡内，S2就闭合。因为Μ6尝试将等于ΙΜ3的电流汇集至接地，如果ΙΜ2+Ι Μ< ΙΜ3，则Μ6的漏极和 Μ2的漏极(即由这些漏极形成的节点Ν2)被拉至低压电轨。由此，如果Μ6可将节点Ν2拉至接地，则这指示通道2比通道1具有显著更多的电流，即通道2是W0B。换言之，如果M6 尝试拉取比可用更多的电流，则晶体管的源极被拉至接地，且NMOS晶体管M6从饱和工作区 转变成欧姆区。WOB子检测器1包括连接至节点m的输出电路系统，其将产生指示何时ILl > IL2+IiSB的一个或多个输出。在图IB中，输出电路系统包括施密特触发器、逆变器和三个 NOR门，且该输出电路产生W0B_L2H和W0B_L2Hn输出。可使用替换电路系统且在本发明的 范围内。在一实施例中，当ILl > IL2+IiSB时W0B_L2H变高，而W0B_L2Hn是互补的。类似 地，WOB子检测器2包括连接至节点N2的输出电路系统，其将产生指示何时IL2 > IL1+Iifi i的一个或多个输出。在图1中，输出电路系统包括施密特触发器、逆变器和三个NOR门，且 该输出电路产生W0B_L1H和W0B_LlHn输出。可以使用替换电路系统且在本发明的范围内。 在一实施例中，当IL2 > ILl+IiSB时W0B_L1H变高，而W0B_LlHn是互补的。在图1中，W0B_ LlHn和W0B_L2H被提供给PPDl来控制PPD1,M W0B_L1H和W0B_L2Hn被提供给PPD2来控 制 PPD2。当WOB子检测器1检测到ILl > IL2+I (其可被称为ILl是W0B)时，以下两者 同时发生开关Sl打开以使Iila不再被提供给节点m ；且ILl > IL2+IiSB的检测被用来控 制PPDl和PPD2。更具体地，当在来自调制器的PWMlfl^变高时ILl为WOB时，PPDl和PPD2 将被控制成使PWM2(即对DrM0S2的输入)接收PWMl _和号两者的脉冲、同时阻 断PWMl■(即，对DrMOSl的输入保持为低)，以尝试使两个通道再平衡。换言之，通常将用 来驱动DrMOSl的脉冲将被移至另一通道以改为驱动DrM0S2。类似地，当WOB子检测器2检测到IL2 > IL1+I偏置(其可被称为IL2是TOB)时， 以下两者同时发生开关S2打开以使Iila不再被提供给节点N2 ；且IL2 > ILl+IiSB的检 测被用来控制PPDl和PPD2。更具体地，当在来自调制器的PWM2_变高时IL2为WOB时， PPDl和PPD2将被控制成使PWMl (即，对DrMOSl的输入)接收PWMl_和PWM2fl^f号两者 的脉冲、同时阻断PWM2f_ ( S卩，对DrM0S2的输入保持为低)，以尝试使两个通道再平衡。换 言之，通常将用来驱动DrM0S2的脉冲将被移至另一通道以改为驱动DrMOSl。为提供滞后，在需要时可添加另外一对电流源，该对电流源之一被连接至节点m 与接地之间，而另一个则被连接在节点N2与接地之间。这些电流源可用于选择性地将来自 节点m和N2的电流汇集至接地。当开关SI打开时连接在节点m与接地之间的附加电流 源的开关可被闭合，而当开关S2打开时连接在节点N2与接地之间的附加电流源的开关将 被闭合。添加滞后有助于系统返回至更接近平衡，而不是就处于WOB边缘。在一实施例中，此脉冲的移动可花两个周期来展开。更具体地，在周期1，PWMl可 显著增大通过电感器Ll的电流以使W0B_L1H变高(即WOB子检测器1检测到ILl > IL2+I
置)。然后(例如约500ns之后)响应于PWM2，DrM0S2将向电感器L2提供脉冲。通常该通 过电感器L2的电流的增大将把W0B_L1H信号重置回低。然而，如果高侧和低侧通道都失衡， 则在周期2期间W0B_L1H可保持为高。当PWMlf^信号的下一脉冲由调制器输出时，脉冲路 径导向器(例如PPDl和PPD2)将把该脉冲提供给PWM2 (即DrM0S2的输入)，而非PWMl (即， 非DrMOSl的输入)。WOB再平衡器也将PWM2_信号的下一个脉冲提供给PWM2 (即DrM0S2 的输入)从而导致DrM0S2接收到期望送往DrMOSl的脉冲和期望送往DrM0S2的脉冲两者， 而DrMOSl则没有接收到任何脉冲。以此方式，系统可通过调节相位次序来重新平衡。
根据诸具体实施例，可另外设置电路系统来确保没有一个DrMOS会接收太多脉冲 从而损坏DrMOS和/或电感器。例如，这种附加电路系统可用来确保没有一个DrMOS会接收 超过调制器102所输出的最后Y个脉冲中的X个脉冲，其中X > Y(例如X = 3且Y = 2)。图2示出根据一实施例以确保没有一个DrMOS会接收太多脉冲的方式来实现PPDl 和PPD2(或更一般地脉冲路径导向器104)的电路系统。相应地，这种电路系统可被称为限 制器电路系统，因为它限制可接收/移动的脉冲的量。图2所示的其它电路系统确保移动 整个脉冲，而不是仅仅移动脉冲的一部分。图2还包括允许启用和禁用脉冲路径导向器104 的电路系统。图3示出组件故障检测器120的示例性细节。组件故障检测器120可使用从图1 和2的电路中习得/推断的信息/信号来确定例如在DC-DC转换器100启动期间是否存 在故障。例如，图3的组件故障检测器可用来确定电感器(Li或L2)或DrMOS (DrMOSl或 DrM0S2)之一或其一部分何时缺失、失效、或未正确连接。图3的细节如下所述。图4A示出常规DC-DC转换器的模拟结果，其示出在约220us和280usILl和IL2 失衡至可视为WOB的点，这是因引入模拟高频负载瞬变而引起的。图4B示出相同DC-DC转 换器但添加和使用了 WOB再平衡器的模拟结果，其中引入了相同的模拟高频负载瞬变。如 根据图4B可理解的，WOB再平衡器将使通过电感器Ll和L2的电流ILl和IL2分别更接近 彼此地追随，这是合乎需要的。更一般地，WOB再平衡器将使两个通道中的电流和功率更接 近彼此地追随。图5A-5J(统称为图5)的波形用来示出图1实施例的操作的更多细节。图5A和 5B分别示出由图1中的调制器输出的PWMlfl^和PWM2f_信号。图5C和5D分别示出输入 至DrMOSl的PWMl信号和输入至DrM0S2的PWM2信号。换言之，图5C示出PPDl的输出而 图5D示出PPD2的输出。图5E和5F分别是图1中节点N2和m上的电压，它们是提供给 WOB子检测器2和WOB子检测器1的输出电路系统的电压。图5G和5H分别是由WOB子检 测器1和WOB子检测器2输出的逻辑高信号W0B_1H和W0B_2H。更具体地，当ILl > IL2+I _时W0B_L1H响应于节点附被拉至接地而变高，且当IL2 > IL1+I _时W0B_L2H响应于节 点N2被拉至接地而变高。图5J是指示通过电感器Ll和L2的电流的感测电流信号ILl和 IL2。在图5中，高频负载瞬变在约30us开始。如根据图5可以理解，在30us之前，节 点m和N2上的电压基本上保持于5V，从而使W0B_L1H和W0B_L2H保持为低，这使P^l追 随(即基本上等于)PWMlf^并使PWM2追随PWM2f_。然而，从约30us开始，节点N2被拉至 接地达0. 5us，返回至5V达0. 5us，然后拉至接地达另一个lus，这使W0B_L2H变高同时N2 被拉至接地。负载瞬变还使节点附从约32us开始被拉至接地达约lus，这使W0B_L1H变 高同时附被拉至接地。W0B_L1H和W0B_L2H信号以及其互补的W0B_LlHn和W0B_L2Hn被 用来控制PPDl和PPD2，如上所述。这导致PWM2fl^的(图5B中的)脉冲502和506被移 至(图5C中的)PWM1，而PWMl输出的(图5A中的)脉冲504被移至(图5D中的)PWM2，以 平衡两相DC-DC转换器的两个通道。图6与图5相似，但仅有一个脉冲602从PWM2 移至PWMl，且没有脉冲从PWMl输 移至PWM2。图7与图5和6相似，且有更激烈的高频负载瞬变施加于模拟中，这导致更多的
12脉冲(即脉冲704、708和712)从PWMl输出移至PWM2，且有更多的脉冲(即脉冲702、706和 710)从P丽2输出移至P丽1。图8和9与图5-7相似，但针对不同的模拟响应。再参看图1A，在具体实施例中，脉冲路径导向器104从脉宽调制器102处接收第 一和第二脉宽调制信号(PWM1 ^和PWM2f_)。另外，脉冲路径导向器104取决于来自WOB 检测器112的反馈，选择性地向第一和第二驱动器MOSFET级(DrMOSl和DrM0S2)的输入提 供第一和第二脉宽调制信号(PWM1 ^和PWM2f_)的脉冲，以调节第一电流(ILl)与第二电 流(IL2)之间的平衡，且由此调节通过第一电感器(Li)的电流与通过第二电感器(L2)的 电流之间的平衡。在一实施例中，脉冲路径导向器104选择性地向第一驱动器MOSFET级 (DrMOSl)的输入或第二驱动器MOSFET级(DrM0S2)的输入提供第一脉宽调制信号(PWM1 输出)的各个脉冲，且可选择性地向第一驱动器MOSFET级(DrMOSl)的输入或第二驱动器 MOSFET级(DrM0S2)的输入提供第二脉宽调制信号(PWM2fl^)的各个脉冲。在另一实施例中，在向第一和第二驱动器MOSFET级(DrMOSl和DrM0S2)提供第一 和第二脉宽调制信号(PWMl_*PWM2fl^)之前，脉冲路径导向器104交换由脉宽调制器 102输出的第一和第二脉宽调制信号(PWMlfl^和PWM2f_)的相位。再一次，这用来调节第 一电流(ILl)与第二电流(IL2)之间的平衡，且由此调节通过第一与第二电感器(Li与L2) 的电流之间的平衡。更一般地，脉冲路径导向器104调节多相DC-DC转换器的各个通道中的电流之间 的平衡，以由此平衡通道中的电流和功率。现在将使用图12来归纳可用来再平衡通过多相DC-DC转换器的电流的本发明的 各个方法。参看图12，在步骤1202，监视多相DC-DC转换器内的WOB状况。此外，如步骤 1204所示，通过多相DC-DC转换器的多个通道的电流之间的平衡取决于在步骤1202检测到 的WOB状况来进行调节。根据具体实施例，步骤1202可包括检测在指示通过第一电感器(例如图IA和IB 中的Li)的电流的第一电流(例如ILl)比指示通过第二电感器(例如图IA和IB中的L2) 的电流的第二电流(例如IL2)大了超过预定偏置电流时的第一 WAB状况。另外，步骤1202 可包括检测在指示通过第二电感器(例如图IA和IB中的L2)的电流的第二电流(IL2)比 指示通过第一电感器(Li)的电流的第一电流(ILl)大了超过预定偏置电流时的第二 WAB 状况。更一般地，步骤1202可包括检测在指示通过DC-DC转换器的第一通道的电流的第一 电流比指示通过DC-DC转换器的第二通道的电流的第二电流大了超过预定偏置电流时的 第一 WAB状况。另外，步骤1202可包括检测在通过DC-DC转换器的第二通道的第二电流比 通过DC-DC转换器的第一通道的第一电流大了超过预定偏置电流时的第二 WAB状况。因为 本文中所述的WOB状况涉及超常失衡的电流，所以WOB状况可更为具体地称为“W0B电流状 况”。由此，第一 WOB状况可称为“第一 WOB电流状况”，而第二 WOB状况可称为“第二 WOB电 流状况”。根据具体实施例，步骤124可包括取决于在步骤1202检测到的WOB状况，向第一 与第二驱动器MOSFET级(例如图IA和IB中的DrMOSl和DrM0S2)提供第一与第二脉宽调 制信号(例如？^—与？^^^^)的脉冲，以调节第一电流(例如ILl)与第二电流(例如 IL2)之间的平衡。这将具有调节两个通道中的电流之间的平衡的效果，例如调节通过第一电感器(Li)的电流与通过第二电感器(L2)的电流的平衡。这可包括选择性地向第一驱动 器MOSFET级(DrMOSl)的输入或第二驱动器MOSFET级(DrM0S2)的输入提供第一脉宽调制 信号(PWMlfM)的各个脉冲，且可选择性地向第一驱动器MOSFET级(DrMOSl)的输入或第 二驱动器MOSFET级(DrM0S2)的输入提供第二脉宽调制信号(PWM2f_)的各个脉冲。根据其它实施例，步骤1204可包括在向第一和第二驱动器MOSFET级(例如图IA 和IB中的DrMOSl和DrM0S2)提供第一和第二脉宽调制信号( 丽1_和PWM2f_)之前，交 换由脉宽调制器输出的第一和第二脉宽调制信号(例如PWMlf^和PWM2fl^)的相位，以调 节两个通道中的电流之间的平衡。现在将再次参考图3，其如上所述是组件故障检测器120的一个实施例，组件故障 检测器120可用于确定何时存在例如由于电感器(Li或L2)或DrM0S(DrM0Sl或DrM0S2) 之一或其一部分缺失、失效、未正确连接、或断开所引起的故障。在一实施例中，这通过对从 PWMl ■移至PWM2和/或从PWM2·移至PWMl的脉冲的数量计数来实现。如果例如在系统 启动期间在一个方向上移动的脉冲的数量超过在另一方向上移动的脉冲的数量达至少指 定阈值量，则这指示故障。这种故障在检测到时可用来关断电路以避免或最小化对其中使 用DC-DC转换器的更大电路的损坏。此外或替换地，这种故障在被检测到时可用来产生组 件故障检测信号，该组件故障检测信号可被提供给另一子系统。还应注意，组件故障检测器 可在除启动、或软启动之外的期间使用，如下所述。参看图3，数字加法/减法计数器310被示为包括加法输入、减法输入、时钟(elk) 输入、重置(rst)输入、以及多个输出(示为Q0-Q7，且QO为最低有效位(LSB))。加法/减 法计数器310的加法输入被示为在脉冲从PWMl fl^移至PWM2的任何时候接收脉冲，而减法 输入被示为在脉冲从PWM2fl^移至PWMl的任何时候接收脉冲(但至加法输入和减法输入的 输入可被反转)。时钟输入被示为接收使用NAND门和图2中产生的PWMl-2n和PWM2-ln信 号所产生的时钟信号，但不限于此。例如，时钟信号可替换地通过对PWMl■和PWM2·信号 求或产生。第二NAND门将响应于例如在软启动状况期间增压的基准电压达到指定电压(例 如0.5V)的指定状况重置数字加法/减法计数器。在图3的配置中，加法/减法计数器将 从芯片(加法/减法计数器位于其中)启用之时起进行加法/减法计数，直至增压中的基 准电压达到0.5V。这种基准电压可以是例如数模转换器(DAC)的输出，但不限于此。如果 在基准电压达到指定电平(例如0. 5V)之前加法/减法计数器310加法(或减法)计数至 指定计数值(例如16)，则检测到软启动故障(SS故障)。然而，如果到基准电压达指定电 平(例如0. 5V)时计数器没有加法(或减法)计数至指定值(例如16)，则对重置引脚的输 入变高且保持为高(直到掉电和另一软启动发生)，并且没有检测到故障。由于脉冲的移动是WOB检测器112所检测到的WOB状况的结果，因此组件缺陷检 测器120实质上监视一种WOB状况的发生比另一种WOB状况频繁多少。换言之，如果在预 定时段期间WOB状况之一比另一种WOB状况多发生至少指定次数，则组件故障检测器120 可检测到故障。再参看图1A，根据一实施例，组件故障检测器120监视在DC-DC转换器的指定时段 (例如软启动)期间(或更一般地，在DC-DC转换器位于其内的较大电路的诸如软启动的指 定时段期间)WOB检测器112的输出。如果在软启动的初始部分(其可以是时间和/或电 压相关的)期间DC-DC转换器的一个通道处于WOB比另一个通道多至少指定阈值量次(例如，第一通道处于WOB比第二通道多16次，或反之)，则检测到SS故障，否则则没有检测到 SS故障。作为一更具体示例，如果第一通道在软启动的初始部分期间处于WOB达20次，而 第二通道在软启动的初始部分期间处于WOB只有4次，则因为第一通道处于WOB比第二通 道多16次而能检测到SS故障。组件故障检测器120可在除启动外的其它时段期间使用，例如通过在启动之后周 期性地重置加法/减法计数器310。如果在计数器310被重置之前一个通道处于WOB比另 一个通道多至少指定阈值量次，则检测到故障状况。如上所述，当检测到故障时，DC-DC转 换器可被关闭以避免或最小化对其内使用DC-DC转换器的较大电路的损坏。这种关闭可例 如通过三态化驱动器MOSFET级的MOSFET的输出来进行，但不限于此。另外，或替换地，这 种故障在被检测到时可用来产生可被提供给另一子系统的组件故障检测信号，该另一子系 统可储存组件故障检测信息和/或确定并控制如何处理所检测到的故障。只要电路至少包括WOB检测器112电路，组件故障检测器120就可在具有或不具 有如上所详述的WOB再平衡器的情况下使用。因此，WOB检测器112可被视为是组件故障 检测电路的一部分。换言之，组件故障检测电路可被视为还包括本文中所述的WOB检测器 112和组件故障检测器120或类似的这种电路。图10 (包括图10A-10C)和图11 (包括图11A-11F)示出图1的电感器Ll在200us 断开的模拟。如从图IOB和图IlE可以理解，这将导致在Ll电感器断开之后约40us SS故 障信号(在图3中标示)变高。在此示例中，当比从PWM2_移至PWMl的脉冲多16个的脉 冲从PWMl fl^移(重定向)至PWM2时，SS故障变高。图13是用于归纳可用来检测多相DC-DC转换器内的组件故障的本发明的各个方 法的高级流程图。参看图13，在步骤1302监视多相DC-DC转换器的通道的WOB状况。步 骤1302与上述步骤1202相似，因此无需赘述。在步骤1304，取决于检测到的WOB状况来监 视组件故障。例如，如果在预定时段期间WOB状况之一比另一种WOB状况多发生至少指定 次数，则在步骤1304可检测到故障。预定时段可以是例如软启动的指定初始部分。另外， 或替换地，预定时段可以是在DC-DC转换器工作期间周期性地重置的指定时间量。在另一 实施例中，预定时段可以是最后的M个时钟周期，从而导致组件故障检测器实质上监视WOB 状况的移动平均。如上所述，如果例如DC-DC转换器的电感器(例如Ll或L2)和/或驱动 器-MOSFET级(例如DrMOSl或DrM0S2)或其一部分缺失、失效、不正确地连接或断开，则组 件故障可发生。图14是包括一对多相DC-DC转换器100的示例性系统(例如计算机系统)的一 部分的框图，每一个多相DC-DC转换器100还具有相应的组件故障检测器120。参照图14， 该系统包括例如母板的印刷电路板(PCB) 1402，其上定位有向每一个多相DC-DC转换器100 提供Vdd (例如5V)和V输入(例如12V)的AC/DC电源1410。Vdd和V输入相同(例如12V) 也是可能的，在该情形中AC/DC电源仅需产生单个电压电平。AC/DC电源1410可替换地定 位于PCB 1402之外。多相DC-DC转换器100之一被示为用来产生第一电压电平(Vf@_a)， 该电平被用来向中央处理单元(CPU) 1420供电。另一个多相DC-DC转换器100被示为用来 产生第二电压电平(Vf@_b)，该电平被用来向图形处理单元(GPU) 1430供电或用来向第二 CPU(例如如经常在具有多个CPU的服务器中实现)供电。取决于CPU1420和GPU 1430的 功率要求，相同或不同。每个多相DC-DC转换器100内都有WOB再平衡器，其包括W0B检测器112和脉冲路径导向器114。图14所示系统的部分可在还包括其它 模块的计算机系统中使用，其它模块诸如但不限于存储器(例如随机存取存储器(RAM)、闪 存、高速缓存等)、存储设备(例如硬盘、DVD-R/RW、CD-R/RW或RAM)、有线接口模块(例如 USB、RS-232串行端口、以太网卡)、被配置成使用无线协议(例如蓝牙、WiFi、IEEE 802. 11 等)通信的无线接口模块、显示器等。 前面的描述是关于本发明的优选实施例的。这些实施例是出于例示和描述的目的 提供的，但并非旨在是穷尽的或将本发明限于所公开的精确形式。许多修改和变体对本领 域技术人员将是显而易见的。选择和描述诸实施例是为了最佳地描述本发明的原理和实践 应用，从而使得本领域技术人员能够理解本发明。相信略微的修改和变化在本发明的精神 和范围内，例如具有两个以上通道/相位、和/或将本发明应用于除所示降压转换器拓扑外 的DC/DC转换器拓扑。其目的是，本技术的范围要由所附权利要求书及其等效方案来限定。
权利要求
一种供两相DC DC转换器使用的组件故障检测电路，其包括脉宽调制器，其适于输出第一脉宽调制信号(PWM1输出)和基本上与第一脉宽调制信号(PWM1输出)异相180°的第二脉宽调制信号(PWM2输出)，第一通道，包括具有输入和输出的第一驱动器MOSFET级(DrMOS1)，以及具有取决于所述第一驱动器MOSFET级(DrMOS1)的输出驱动的端子的第一电感器(L1)，第二通道，包括具有输入和输出的第二驱动器MOSFET级(DrMOS2)，以及具有取决于所述第二驱动器MOSFET级(DrMOS2)的输出驱动的端子的第二电感器(L2)，其中所述组件故障检测电路包括超常失衡(WOB)检测器，其适于检测所述两相DC DC转换器内的WOB状况；以及组件故障检测器，适于取决于所述WOB检测器检测到的WOB状况检测故障。
2.如权利要求1所述的组件故障检测电路，其特征在于，所述WOB检测器适于 检测在通过所述第一通道的电流比通过所述第二通道的电流大了超过指定阈值时的第一 WOB状况，以及检测在通过所述第二通道的电流比通过所述第一通道的电流大了超过指定阈值时的 第二 WOB状况。
3.如权利要求1所述的组件故障检测电路，其特征在于，所述组件故障检测器适于在 预定时段内所述第一 WOB状况和所述第二 WOB状况之一的发生比另一种至少多指定次数的 情况下检测故障。
4.如权利要求3所述的组件故障检测电路，其特征在于，所述预定时段包括软启动的 指定初始部分。
5.如权利要求3所述的组件故障检测电路，其特征在于，所述预定时段在所述DC-DC转 换器工作期间周期性地重置，和/或所述预定时段是所述DC-DC转换器工作期间的最后指 定数量个时钟周期。
6.如权利要求1所述的组件故障检测电路，其特征在于，所述组件故障检测器包括加 法/减法计数器，其被配置成在检测到所述第一 WOB状况时进行加法计数和减法计数中的 一种计数，且在检测到所述第二 WOB状况时进行加法计数和减法计数中的另一种计数。
7.—种供两相DC-DC转换器使用的方法，所述两相DC-DC转换器包括脉宽调制器，其适于输出第一脉宽调制信号(PWMlf^)和基本上与第一脉宽调制信号 (PWMlf^)异相180°的第二脉宽调制信号(PWM2输出)，第一通道，包括具有输入和输出的第一驱动器MOSFET级(DrMOSl)，以及具有取决于所 述第一驱动器MOSFET级(DrMOSl)的输出驱动的端子的第一电感器(Li)，第二通道，包括具有输入和输出的第二驱动器MOSFET级(DrM0S2)，以及具有取决于所 述第二驱动器MOSFET级(DrM0S2)的输出驱动的端子的第二电感器(L2)， 其中，所述方法包括(a)监视所述两相DC-DC转换器内的WOB状况；以及(b)取决于所检测到的WOB状况监视组件故障。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括(a. 1)检测在通过所述第一通道的电流比通过所述第二通道的电流大了超过指定阈值 时的第一 WOB状况，以及(a. 2)检测在通过所述第二通道的电流比通过所述第一通道的电流大了超过指定阈值 时的第二 WOB状况；以及步骤(b)包括如果在预定时段期间所述第一 WOB状况和所述WOB状况之一的发生比另 一种至少多指定次数，则检测组件故障。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定时段在所述DC-DC转换器工作期间 周期性地重置，和/或所述预定时段是所述DC-DC转换器工作期间的最后指定数量个时钟 周期。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括 当检测到所述第一和第二 WOB状况之一时递增计数值；当检测到所述第一和第二 WOB状况中的另一种状况时递减所述计数值；以及 当所述计数值超过指定阈值时检测故障。
11.一种多相DC-DC转换器，包括脉宽调制器，适于输出具有彼此不同相位的N个脉宽调制信号，其中N > 2， N个通道，每一个通道都包括具有输入和输出的驱动器MOSFET级以及具有取决于所述 驱动器MOSFET级的输出驱动的端子的电感器，超常失衡(WOB)检测器，其适于监视N个通道内的多个WOB状况；以及 组件故障检测器，其适于取决于由所述WOB检测器检测到的WOB状况检测故障。
12.如权利要求11所述的多相DC-DC转换器，其特征在于，所述组件故障检测器适于在 预定时段期间所述WOB状况之一的发生比所述WOB状况中的另一种至少多指定次数的情况 下检测故障。
13.如权利要求12所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述预定时段包括软启动的指定 初始部分。
14.如权利要求13所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述预定时段在所述DC-DC转换 器工作期间周期性地重置，和/或所述预定时段是所述DC-DC转换器工作期间的最后指定 数量个时钟周期。
15.如权利要求11所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述DC-DC转换器被配置成响应 于检测到故障而关闭。
16.如权利要求11所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述组件故障检测器被配置成响 应于检测到故障而输出组件故障检测信号。
17.一种供多相DC-DC转换器使用的方法，所述多相DC-DC转换器包括 脉宽调制器，适于输出具有彼此不同相位的N个脉宽调制信号，其中N > 2，N个通道，每一个通道都包括具有输入和输出的驱动器MOSFET级以及具有取决于所述 驱动器MOSFET级的输出驱动的端子的电感器， 其中所述方法包括(a)监视所述DC-DC转换器的N个通道内的多个WOB状况；以及(b)取决于所检测到的WOB状况监视组件故障。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括在预定时段期间所述WOB状 况中的一种的发生比所述WOB状况中的另一种至少多指定次数的情况下检测组件故障。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述预定时段包括软启动的指定初始部分。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述预定时段在所述DC-DC转换器工作期 间周期性地重置，和/或所述预定时段是所述DC-DC转换器工作期间的最后指定数量个时 钟周期。
21.如权利要求17所述的方法，还包括响应于检测到组件故障而关闭所述DC-DC转换器和/或另一电路。
22.如权利要求17所述的方法，还包括响应于检测到组件故障而输出组件故障检测信号。
23.—种系统，包括多相DC-DC转换器，其适于将第一 DC电压(V输入)转换成第二 DC电压(Vfl^ )，其中所 述多相DC-DC转换器包括脉宽调制器，适于输出具有彼此不同相位的N个脉宽调制信号，其中N > 2， N个通道，每一个通道都包括具有输入和输出的驱动器MOSFET级以及具有取决于所述 驱动器MOSFET级的输出驱动的端子的电感器，超常失衡(WOB)检测器，其适于检测所述多相DC-DC转换器内的WOB状况，以及 组件故障检测器，适于取决于所述WOB检测器所检测到的WOB状况检测故障； AC/DC电源，其适于产生所述第一 DC电压(V输入)，其中所述第一 DC电压(V输入)用于 向所述N个通道的驱动器MOSFET级供电；以及处理单元，其适于由所述多相DC-DC转换器所产生的所述第DC电压(Vflia)供电。
全文摘要
本文中所提供的是监视多相DC-DC转换器内的故障的电路、系统和方法。这可包括监视DC-DC转换器的通道的超常失衡(WOB)状况，并取决于所检测到的WOB状况监视组件故障。如果在预定时段期间WOB状况之一比另一种WOB状况多发生至少指定次数，则可检测到故障。该DC-DC转换器和/或另一电路可响应于所检测到的故障而关闭。另外或替换地，组件故障检测信号可响应于所检测到的故障来输出。
文档编号G01R31/02GK101924464SQ201010213429
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月16日
发明者T·马海尔 申请人:英特赛尔美国股份有限公司