在相位冗余电压调节器设备内共享冗余调节器相位的制作方法

在相位冗余电压调节器设备内共享冗余调节器相位


背景技术：

1.本公开总体上涉及电压调节器电路。具体地，本公开涉及在相位冗余电压调节器电路内共享冗余调节器相位。
2.稳压器是被设计成用于接收输入电压并自动地在一个或多个输出端子上维持恒定电压电平的电子设备或系统。取决于设计，电压调节器可用于调节一个或多个交流(ac)或直流(dc)电压。电压调节器可包含在诸如计算机电源的电子装置中，其中电压调节器可用于稳定dc电压，所述dc电压用于向诸如处理器、存储器装置和其他类型的集成电路(ic)的电子组件供电。电压调节器电路可接收从位于邻近于电压调节器向其供电的电子部件的感测点接收的反馈电压。该反馈电压可用于调制电压调节器的输出电压。这种经调制的输出电压可以导致由所供应的电子部件接收的电压被维持在稳定值，而不管这些部件的电流汲取或者将电压调节器互连到这些部件上的导体上的电压降如何。
3.场效应晶体管(fet)是使用电场来控制半导体材料中的一种类型的载流子的沟道的形状并因此控制其导电性的晶体管。fet可以是单极晶体管，因为它们可以涉及单载流子型操作。fet可以是多数电荷载流子器件，其中电流主要由多数载流子携带，或少数电荷载流子器件，其中电流主要是由于少数载流子的流动。fet器件可以由有源沟道组成，电荷载流子、电子或空穴通过该有源沟道从源极流到漏极。源极和漏极端子导体可以通过欧姆接触连接到半导体。沟道的导电性可以是跨栅极端子和源极端子施加的电势的函数。


技术实现要素：

4.实施例可涉及相位冗余电压调节器设备。所述相冗余电压调节器设备包括多个调节器相，每个调节器相包括电耦接以在调节器输入端接收输入电压并在调节器输出端提供相应输出电压的调节器。所述相冗余电压调节器设备包括所述多个调节器相的一组相组，所述一组相组包括第一相组和第二相组。每个相组包括公共调节器输入和公共调节器输出，所述公共调节器输入电互连到所述相组的调节器的调节器输入，所述公共调节器输出电互连到所述相组的调节器的调节器输出。每个相组还包括至少一个冗余调节器相和电耦接到该相组的每个调节器相的多相控制器(mpc)。mpc被配置为向控制逻辑传送相位故障信号以及从相应相位组的每个调节器相位接收的脉冲宽度调制(pwm)和共享电流(i
share
)相位控制信号之一。所述相冗余电压调节器设备包括所述多个调节器相中的一组备用调节器相，所述一组备用调节器相包括第一备用调节器相和第二备用调节器相。每个备用调节器相包括次级输出or运算装置，该次级输出or运算装置被电耦合并且被配置成用于限制电流流入备用调节器相的次级输出。每个备用调节器相还包括第一输出开关设备，其被配置为响应于第一相使能信号，将备用调节器相的调节器输出电耦合到第一公共调节器输出。每个备用调节器相还包括第二输出开关设备，其被配置为响应于第二相位使能信号，将备用调节器相的调节器输出电耦合到第二公共调节器输出和控制逻辑。所述控制逻辑电连接到所述一组相组中的每个相组的mpc，所述控制逻辑被配置为从所述mpc接收所述相控制信号并与所述mpc交换相故障信号。控制逻辑还电连接到备用调节器相集合中的备用调节器相。
控制逻辑被配置成断言相位使能信号以将相位控制信号传送到备用调节器相位以及从备用调节器相位接收相位故障信号。控制逻辑还被配置为响应于从mpc接收到相故障信号，将备用调节器相电互连到包括故障调节器相的相组。
5.实施例还可以针对相位冗余电压调节器装置。所述相冗余电压调节器设备可包括多个调节器相，每个调节器相包括电耦接以在调节器输入端接收输入电压并在调节器输出端提供相应输出电压的调节器。所述相冗余电压调节器设备还包括所述多个调节器相的一组相组，所述一组相组包括第一和第二相组。每个相位组包括与该相位组的调节器的调节器输入电互连的公共调节器输入和与该相位组的调节器的调节器输出电互连的公共调节器输出。每个相位组包括至少一个冗余调节器相位和电耦接到该相位组的每个调节器相位的mpc。mpc被配置为向控制逻辑传送相位故障信号以及从相应相位组的每个调节器相位接收的pwm和i
share
相位控制信号之一。所述相冗余电压调节器设备还包括所述多个调节器相中的一组备用调节器相，所述一组备用调节器相包括第一备用调节器相和第二备用调节器相。每个备用调节器相包括电耦合在调节器输出和备用调节器的次级输出之间的次级输出or运算场效应晶体管(fet)和具有电连接到次级输出or运算fet的源极端子和漏极端子的输入的第二比较器。第二比较器进一步具有电连接至次级输出or运算fet的栅极端子的输出端。第二比较器被配置为结合次级输出or运算fet限制进入备用调节器相的次级输出的电流。每个备用调节器相还包括第一输出开关fet，第一输出开关fet电连接并且被配置为响应于第一相使能信号，将备用调节器相的调节器输出电耦接至第一公共调节器输出。每个备用调节器相还包括第二输出开关fet，该第二输出开关fet被连接并被配置为响应于第二相使能信号，将备用调节器相的调节器输出电耦合到第二公共调节器。该相位冗余电压调节器设备还包括控制逻辑。所述控制逻辑电连接到所述一组相组中的每个相组的mpc，所述控制逻辑被配置为从所述mpc接收所述相控制信号并与所述mpc交换相故障信号。控制逻辑还电连接到备用调节器相集合中的备用调节器相，控制逻辑被配置成断言相位使能信号以将相位控制信号传送到备用调节器相，以及从备用调节器相接收相位故障信号。控制逻辑被配置为响应于从mpc接收到相故障信号，将备用调节器相电互连到包括故障调节器相的相组。
6.实施例还可以涉及一种用于在调节器相的相组之间共享冗余备用调节器相的集合的方法。该方法包括使用控制逻辑，该控制逻辑被配置成响应于监测从这些相组接收的相故障信号，向所述冗余备用调节器相位集合中的第一备用调节器相位断言，响应于检测到来自第一相组的相单故障信号，将第一备用调节器相的主输出电耦合到第一相组的公共调节器输出的相使能信号。该方法还包括使用控制逻辑向第一备用调节器相发送从第一相组的mpc接收的pwm和i
share
相控制信号之一，并将来自第一备用调节器相的相故障信号电连接到第一相组的mpc。该方法还包括使用控制逻辑响应于检测到来自第一相组的相单故障信号而中断监测相单故障信号并将第一备用调节器相和第一相组的公共调节器输出之间的关联存储到控制逻辑内的非易失性存储器中。该方法还包括使用控制逻辑向该组冗余备用调节器相位中的第二备用调节器相位断言，响应于检测到来自补充相组的附加相故障信号，将第二备用调节器相的主输出电耦合到补充相组的公共调节器输出的相使能信号。该方法还包括使用控制逻辑向第二备用调节器相发送从补充相组的mpc接收的pwm或i
share
相控制信号，并将来自第二备用调节器相的相故障信号电连接到补充相组的mpc。该方法还包
括使用控制逻辑来响应于检测到来自补充相组的附加相故障信号而中断监视该附加相故障信号并且将第二备用调节器相与补充相组的公共调节器输出之间的关联存储到非易失性存储器中。该方法还包括响应于所有冗余备用调节器相的输出电耦合到相组的公共调节器输出，使用控制逻辑发送请求调节器更换操作的系统通知。
7.以上概述并不旨在描述本公开的每个展示的实施例或每个实现方式。
附图说明
8.包括在本技术中的附图被结合到说明书中并且形成说明书的一部分。它们展示了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。这些附图仅说明某些实施例并且不限制本公开。
9.图1是示出根据本公开的实施方式的相位冗余电压调节器设备的框图。
10.图2包括描绘根据与附图一致的实施例的电压调节器相和备用电压调节器相的两个视图。
11.图3是描绘根据符合附图的实施例的具有共享的冗余备用的相位冗余电压调节器装置的框图。
12.图4是描绘根据与附图一致的实施例的用于在调节器组之间共享一组冗余备用调节器相位的方法的流程图。
13.虽然本发明可以进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过举例在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应当理解，本发明并非旨在将本发明限制于所描述的具体实施例。相反，本发明将覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。
14.在附图和具体实施方式中，相同的标号通常指代相同的部件、部件、步骤和过程。
具体实施方式
15.本公开的某些实施例可以在共享相位冗余电压调节器电路内的冗余调节器相位的上下文中理解。共享这样的冗余调节器相位可以有助于以降低的成本和设计复杂度提供相位冗余和稳健的功率输送。电压调节器电路内的冗余调节器相的共享可以向电子系统提供增加的可靠性功率传输。
16.实施例可以向电子设备(诸如服务器)提供共享的冗余调节器相位，该电子设备可以用于向通过网络附接至服务器的客户端提供数据。此类服务器可包括但不限于web服务器、应用服务器、邮件服务器和虚拟服务器。虽然不一定限于此，但在此上下文中论述的实施例可促进对本发明的不同方面的理解。某些实施例还可以涉及其他设备和相关联的应用，诸如向电子设备(诸如计算系统)提供共享的冗余调节器相位，电子设备可以在各种各样的计算和数据处理应用中使用。这样的计算系统可以包括但不限于超级计算机、高性能计算(hpc)系统和其他类型的专用计算机。实施例还可以针对用于诸如电信、机载和汽车应用中的设备的共享冗余调节器阶段。
17.在此参照场效应晶体管使用首字母缩略词“fet”，该场效应晶体管在电压调节器设计内通过提供节点之间的相对低阻抗电连接来互连两个电路节点可能是有用的。可以理解，在实施例中，电压调节器设计者可以选择不同类型的fet以满足某些电压调节器设计的电气性能标准。这样的fet类型可以包括但不限于增强型、耗尽型、n沟道场效应晶体管
(nfet)和p沟道场效应晶体管(pfet)器件。此类fet还可以被称为“功率fet”和“功率金属氧化物半导体场效应晶体管”(mosfet)，而不损失含义。还可理解，在一些实施例中，可使用不同其他类型的电子装置来代替fet。这样的电子器件可以包括但不限于诸如npn和pnp晶体管的双极器件以及以其他半导体技术制造的晶体管。
18.为了便于讨论和说明，术语“or运算装置”和“or运算fet”可以互换地使用，而不损失含义，以指代被配置成用于防止电流流入电压调节器相位输出的半导体器件。尽管图2中的fet符号(例如，244)用于表示这种器件，但是这不应解释为限制；如上所述，其他类型的设备也可以用于类似的目的。
19.在此参考例如“or运算装置”、“or运算fet”和“or运算调节器”使用的描述符“or运算”可以被理解为是指器件(例如，fet或电压调节器)的逻辑or功能和输出保护功能。这样的器件和电压调节器由fet保护以免反向电流流入器件输出，该fet被配置为以与输出保护二极管类似的方式执行。
20.术语“相位”和“调节器相位”在此参照在电压调节器设备内使用的冗余电压调节器可互换地使用。电压调节器相通常由多相控制器(mpc)在不同于其他电压调节器的激活时间的时间激活。这通常被称为与其他电压调节器“异相”激活。
21.大范围的电子系统采用电压调节器以稳定的电压向系统内的电子部件提供功率输送。这样的电子系统可以包括但不限于计算机、计算设备、服务器和在电信、机载和汽车应用中使用的设备。系统内的组件可以包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、其他集成电路(ic)类型、硬盘驱动器、固态驱动器(ssd)、存储器和其他类型的电子组件和设备。
22.电压调节器可以电连接在电源和被指定为接收低于由电源提供的电压的电压的部件之间。例如，电源可向电压调节器提供各种电压，例如12v、24v或48vdc。电压调节器的输出电压可包括例如3.3v、2.5v、1.8v、1.0v、0.7v或被指定为适合于被供电的电子部件和系统的任何其他电压。
23.包括并联连接的相冗余调节器的电压调节器可以为它们向其供电的不同电子系统提供许多益处。例如，这种电压调节器可以提供增加的系统可靠性和鲁棒性，这是由电压调节器装置用冗余备用或“备份”阶段动态地和自动地替换故障或故障的调节器阶段的能力引起的。调节器相位可能由于调节器相位内的一个或多个部件(诸如电容器、fet、放大器或驱动器电路)的故障(例如，短路)而故障。
24.作为减少相位冗余电压调节器设计内的去耦电容器的数量的结果，电子系统可靠性也可以增加。电容器计数的这种减少可以导致电压调节器的有效故障率的降低。向电压调节器设计添加一个或多个冗余或备用相还可以通过降低对包括在电压调节器内的多个冗余相中的每一个施加的总电流需求来增加设计的可靠性。
25.使用具有在交错时间激活的相位的相位冗余电压调节器还可导致减小的输出电压纹波和对置于所述相位上的电流负载的变化的增强的瞬态响应。多个冗余调节器相位在管理总体电压调节器系统成本方面可能特别有用。根据实施例，使用多个更小、冗余的调节器相的电压调节器的成本可以显著地小于使用更少、更大的调节器相的调节器的成本，每个调节器相具有更大的电流输出。
26.某些类型的电子系统可以使用相位冗余电压调节器来向某些子系统和电子部件
供电。例如，计算机系统可具有5个cpu，每个cpu在80a具有1.0v的指定电源电压要求，从而在400a产生1.0v的总功率传送要求。该功率需求可以例如由8个相位冗余电压调节器供应，每个调节器具有50a的额定电流输出容量。类似地，电子系统可以在200a具有1.25v的另一电源电压要求，以在cpu或另一类型的设备上提供另一电压要求，其可以由4个相位冗余电压调节器提供，每个电压调节器具有50a的额定电流输出容量。
27.为了确保在一个或多个电压调节器发生故障的情况下系统的可靠操作，可以将附加的冗余电压调节器相位添加到每个单独的电压域或输出电平。遵循本示例，设计者可以将4个附加冗余电压调节器结合到1.0v电源电路中，并且将2个附加冗余电压调节器结合到1.25v电源电路中，除了上述12个电压调节器之外，总共6个附加冗余电压调节器。
28.然而，将额外冗余电压调节器添加到每一电压电平的方法可能不是特别有效或有成本效益的。过量的和不必要的成本、消耗的功率、系统空间/面积、以及设计复杂性可以由使用这种方法引起。一种更有效的电压调节器设计方法是令人希望的；该方法减少了所使用的部件的数量、成本、消耗的功率、系统面积、以及设计复杂性。
29.根据实施例，可以将冗余电压调节器添加到电压调节器设计中并且在“根据需要”的基础上在各个电压域之间分配或共享冗余电压调节器。在本实例中，可以使一个或多个冗余电压调节器可用于1.0v或1.25v电源电路，并且可以动态地电连接至已经经历一个或多个调节器故障的电源电路。控制逻辑可监视电压供应电路的电压调节器故障，并且可按需监视备用电压调节器相的重新分配，以便在所有电压电平/域上提供稳健的、不间断的功率递送。在本实例中，3个额外冗余电压调节器可用于供应1.0v或1.25v供应电路两者的冗余需要，因此导致电压调节器设计的成本、面积、组件数目和设计复杂性的实质性整体减少。然而，以上提供的电压和电流示例不应被解释为限制性的，而是仅为了说明和澄清本公开的实施例的目的而提供的。
30.本文的附图描绘了用于实现本公开的实施例的某些示例电路、功能、电互连和部件交互。这些是以举例的方式提供的并且不应被解释为限制性的。在本公开的精神和范围内，实施例还可包括本文未描述或描绘的电路、功能、电互连和组件交互。
31.为了便于说明和讨论，本文描绘和讨论了有限数量的调节器相、调节器相组和备用调节器相。例如，可以使用各自包括三个调节器相以及两个备用调节器相的两个调节器相组来说明本公开的实施方式。然而，这不应被解释为限制；任何其他数量的调节器相、调节器相组和备用调节器相可以在实施例内使用。根据实施例和设计实践，用于满足电子系统内的电压域的电流要求的调节器相的数量“n”可以是相对小的数量，如1或2，或者它可以是大得多的，如20或更多。可以在电子系统内使用任何数量的调节器相组以满足对特定的、唯一的电压域的需要。电力系统设计者可以基于调节器相的预期平均故障率以及其他设计准则来选择备用调节器相的数量。
32.相对于不使用共享的冗余调节器相位来提供经调节的电压电平的电压调节器，本公开的实施例在减小电压调节器封装尺寸和成本方面可以是有用的。根据本公开的实施例配置的电子系统可以具有增加的可靠性和降低的成本、复杂度、零件计数和包括的电压调节器的封装面积。
33.根据某些实施例设计的具有共享冗余调节器相的相冗余电压调节器装置可以与现有的和经证明的电子系统兼容，并且可以是将共享冗余调节器相添加到为电子系统供电
的电压源的有用且成本有效的方式。根据本公开的实施例构造的相位冗余电压调节器装置可以安装在现有的电子系统内。
34.本公开的实施例可以通过使用现有的和已证明的ic和印刷电路板(pcb)制造技术和材料集、电子设计方法、设计工具和制造工艺来实现用于在电子系统内使用的具有共享的冗余调节器相位的相位冗余电压调节器。
35.图1是示出了包括多个冗余电压调节器相位126a、126b和126c的相位冗余电压调节器设备100的框图。多个冗余调节器相126a、126b和126c并联电连接在公共调节器输入v
in
与公共调节器输出v
out
之间，每个调节器相在v
in
输入136处接收输入电压并且在v
out
输出148上提供输出电压。
36.多个“n 1”或“n 2”电压调节器相可以并联地电连接，其中，“n”表示供应指定电流所需的相的最小数量，并且附加的一相或两相在替换一相或两相失效的电压调节器中可以是有用的。在一个或多个冗余阶段发生故障或“故障”的情况下，可以禁用故障冗余阶段以便在剩余活跃阶段之间共享电流负载，并且因此确保不中断的电力输送。冗余阶段还可以用于实现“掩蔽冗余”，意味着当阶段失败时，不向系统控制功能108报告故障。然后，冗余相位可以用于创建高可靠性调节器，而不是用作冗余相位。调节器相位的这种交换可以由mpc122控制。
37.调节器相位126a、126b和126c中的每一个包括降压调节器116、输入保护装置114、or运算装置118和相位冗余控制器106。结合输入保护装置114，相位冗余控制器106可用于将故障降压稳压器116的输入与设备100中的其他相位隔离。相位冗余控制器106可监测调节器相位(例如126a)的输入和输出电流和输出电压，并且可响应于例如该相位内的异常电流或电压来控制输入保护装置114。这样的异常电流或电压可由降压稳压器116内的诸如电容器或fet之类的组件的故障(例如，短路)引起。
38.输入保护装置114可以用于为相应的调节器相(例如，调节器相1126a)提供输入过电流保护和输出过电压保护。输入保护设备114可以通过响应于由相冗余控制器106生成的信号将公共调节器输入v
in
与降压调节器116电隔离(即，断开)来保护调节器相1126a。调节器相126a、126b和126c中的每一个还包括or运算装置118，该or运算装置可以用于限制或防止反向电流流入调节器相的v
out
输出148中。这种反向电流可能由fet或调节器相内的电容器的短路或故障引起。
39.mpc122通过检测到的电流输出102和控制信号124电耦合至调节器相126a、126b和126c中的每一个。mpc122的主控制器112生成控制信号124以周期性地和顺序地激活调节器相位126a、126b和126c中的每一个达预定时间段。在一些应用中，这种激活可以用于例如在多个阶段之间产生受控电流共享。mpc122可以用于在一个或多个调节器相位的故障或故障之后维持有源调节器相位之间的电流共享，其中提供用于实现冗余的一个或多个相位。当先前没有一个相发生故障时，也可以在多个有源调节器相之间实现电流共享。
40.mpc122的冗余故障报告电路104可以基于在来自相应的调节器相位的检测到的电流输出102a、102b和102c上呈现的多个检测到的电流信号来收集和报告相位故障/错误。可以使用和解释检测到的电流信号，以便指示一个或多个特定调节器相位的故障。在一些应用中，mpc122可以通过将相应的v
out
输出148交错为彼此异相来从冗余调节器相位提供减小的纹波和瞬态响应时间。mpc122还被配置为响应于在反馈输入101处接收到的来自公共调
节器输出v
out
的反馈输出电压来调节控制信号124。
41.串行控制总线120可以用于将mpc122的调节器串行接口110互连到系统控制功能108。调节器串行接口110可以向系统控制功能108发送和接收控制和监视信号，系统控制功能108可以对电子系统内的一个或多个相位冗余调节器装置100施加控制。在应用中，系统控制功能108可以表示硬件和/或软件单元，其可以在诸如计算机或服务器的电子系统中使用以监视和控制系统硬件功能的各个方面。系统控制功能108可在电子系统内使用以监视和控制功能，例如电源和电压调节器功能、系统时钟频率、冷却等。
42.在一些应用中，串行控制总线120可以是例如串行外围接口(spi)总线、电源管理总线(pmbus)或集成电路间(i2c)接口。串行控制总线120可以用于向系统控制功能108发送例如指示哪些调节器相位已经故障或故障的监视数据，并且还可以从系统控制功能108接收命令和控制。
43.图2包括根据与图一致的实施例的两个框图视图，这两个框图视图包括描绘电压调节器阶段126的视图和描绘备用电压调节器阶段227的视图。图2中所描绘的不同电路、功能和功能块总体上与图1中所描绘和参见图1所描述的那些一致。图2可用于提供这些功能的扩展的、更详细的描述，以及描述开关设备217和219以及or运算设备118、118a到调节器相(例如，图1中的126a)的添加，以便形成备用电压调节器相227。可以理解，视图126对应于单个调节器相，例如，图1中的调节器相1 126a。多个开关设备217和219以及or运算设备118、118a的添加在允许降压稳压器116的稳压器输出242选择性地电连接至多于一个输出(例如，备用稳压器相227的主输出204和副输出206)时可特别有用。
44.电压调节器相位126包括降压调节器116，降压调节器116可接收调节器输入240处的输入电压并将输出电压驱动到调节器输出242上。驱动器m1配置成响应于在控制输入250处接收到的控制信号(例如，图1中的124)而启用和禁用降压稳压器116内的fet。根据实施例，控制信号124可以是分别具有0v和3.3v的逻辑“0”电平和逻辑“1”电平的数字信号。在一些实施例中，可以使用其他电压电平。
45.电压调节器相位126还包括输入保护装置114、or运算装置118和相位冗余控制器106。相位冗余控制器106包括电流检测电路234、输出过电压保护电路232和输入过电流保护电路230。输入过电流保护电路230被电连接并且被配置成用于监测在v
in
输入136处接收的电流，而输出过电压保护电路232可以监测在调节器输出242处的输出电压。锁存器228是输入过电流保护电路230的一部分，其电连接到输出过电压保护电路232。电流检测电路234可以用于监测调节器输出242处的输出电流。
46.相位冗余控制器106可用于监测电压调节器相位126的输入和输出电流和输出电压，并且可作为响应控制输入保护装置114，其可用于为电压调节器相位126提供输入过电流保护和输出过电压保护。
47.相位冗余控制器106可通过断言输入过流保护电路230的锁存器228的q输出来控制输入保护装置114。锁存器228的q输出用于控制输入保护fet 238的栅极输入g输入。输入保护fet 238具有耦合至v
in
输入136的漏极输入d、耦合至调节器输入240的源极输入s。施加到输入保护fet 238的栅极输入g的控制信号可激活或去激活输入保护fet 238，其分别电连接或断开降压调节器116的v
in
输入136和调节器输入240。当降压调节器116故障或故障时，通过相冗余控制器106对输入保护设备114的控制在通过将调节器输入240与电压调节
器装置内的其他相电隔离来向电压调节器相126提供输入过流保护和输出过压保护中是有用的。
48.在一些应用中，电流检测电路234可以在检测到的电流输出202上提供信号，该信号具有在0v与3.3v之间的模拟电压电平，该模拟电压电平成比例地表示从电压调节器相位126的v
out
输出148流出的检测到的电流的电平。在一些应用中，可以使用其他模拟电压电平/范围。在实施例中，检测到的电流信号在指示特定调节器相位的故障中可以是有用的。
49.or运算设备118可以用于限制或防止反向电流流入电压调节器相位126的v
out
输出148，并且因此还调节流入调节器输出242的反向电流。这种反向电流可由降压调节器116内的fet或电容器的短路或故障引起。比较器246具有电连接至输出or运算fet 244的源极端子s和漏极端子d的输入端。比较器246的输出电连接至输出or运算fet 244的栅极端子g。比较器246被配置为并连接到输出or运算fet 244，响应于v
out
输出148处的电压大于调节器输出242处的电压，限制电流流入调节器输出242。在v
out
输出148处的电压大于调节器输出242处的电压(指示反向电流流动)的情况下，比较器246将低电压输出到输出or运算fet244的栅极g，因此停用输出or运算fet244且防止进一步反向电流流动。
50.在电互连和功能方面，备用电压调节器相227的相位冗余控制器106、输入保护装置114和降压调节器116通常与电压调节器相126一致。备用电压调节器相227还包括输出开关装置217和219，为了便于说明和讨论，这些输出开关装置在此被描绘为并且被称为“fet 217”和“fet 219”，而没有涵义的缺失。在实施例中，开关器件217和219每个还可以是nfet、pfet、npn晶体管、pnp晶体管或其他合适类型的晶体管或半导体器件。
51.fet217和fet219各自具有栅极输入g，其分别电连接至使能输入216和使能输入218。这些互连允许fet217和fet219响应于在相冗余控制器106的相应使能输入216和218上接收的相位使能信号被激活，即，使能漏极d端子与源极s端子之间的导电路径。该激活可用于分别通过or运算装置118和次级or运算装置118a将降压调节器116的调节器输出242电连接至主输出204或次级输出206。在实施方式中，初级输出204和次级输出206可电连接至相组(参见图3)的公共调节器输出。
52.备用电压调节器相227的or运算装置118和次级or运算装置118a的电气配置和功能与电压调节器相126的or运算装置118的配置和功能一致。类似于电压调节器相126的or运算装置118，备用电压调节器相227的or运算装置118和次级or运算装置118a可用于限制或防止反向电流流入主输出204和次级输出206，分别调节备用电压调节器相位227的反向电流，并且因此还调节流入调节器输出242的反向电流。
53.图3是描绘根据通常与图一致的实施例的具有共享冗余备用扇区300的相位冗余电压调节器装置的框图。图3在描绘与图1和图2一致的包括可电分配到相组374和376的备用电压调节器相227a和227b的相冗余电压调节器设备中特别有用。
54.图3中所描绘的实施例的许多方面与图1和图2中所描绘的那些方面特别一致，并且在相关联的文本中进行了描述，并且将不在此进一步描述。这些方面包括电路、逻辑和控制功能、功能之间的交互、电互连、信号使用和信号电压范围。
55.包括控制逻辑366、mpc122、电压调节器相位(例如，126a)和备用电压调节器相位(例如，227a)的相位冗余电压调节器设备300的元件是电互连的，并且由此通过使用不同类型的信号进行通信。这些类型包括相位故障信号、相位使能信号、i
share
和pwm相位控制信号。
这些信号类型在使能调节器相位功能和故障的监视以及控制逻辑366对调节器相位的控制和重新分配两者方面可以是有用的。
56.在实施例中，使用相位故障信号来指示电压调节器设备300内的特定调节器相的故障或故障。响应于从电压调节器相(例如，126a)的单独的相位冗余控制器(prc)106接收的检测到的电流输出102，可以由冗余故障报告电路104生成相位故障信号。例如，由冗余故障报告电路104接收的明显高于或低于其他检测到的电流输出102的检测到的电流输出102可以导致冗余故障报告电路104生成相应相位的相应相位故障信号。相位故障信号也可以由备用调节器相位(例如，227a和227b)的prc 106直接生成。
57.相位故障信号包括信号302a中的v1故障、信号302b中的v2故障、v1n
‑
1故障信号308a、v1n
‑
2故障信号310a、v2n
‑
1故障信号308b、v2n
‑
2故障信号310b、s1故障信号312a和s2故障信号312b。
58.如以上列出的相故障信号的命名惯例包括相关联的共用调节器输出电压(例如，“v
1”或“v
2”)、备用调节器指示符(例如，“s
1”或“s
2”)，该备用调节器指示符分别对应于备用调节器相位227a和227b、以及故障“电平”指示符(例如，“n
‑
1”或“n
‑
2”)。故障水平指示器“n
‑
1”指示故障信号指示“单故障”类型，即，故障信号起源的特定相组在相组中的电压调节器之中仅具有一个报告的故障。类似地，“n
‑
2”的故障水平指示器指示故障信号指示“双故障”类型，即，故障信号起源的特定相组在相组中的电压调节器之间具有两个报告的故障。“备用故障”信号(例如，s1故障信号312a)可以用于指示备用调节器相(例如，227a)的故障。不同相故障信号可用于提供故障的指示，这些故障指示可由控制逻辑366用于确定如何重新分配备用相以在一个或多个相故障的情况下提供持续的、稳健的电压调节器性能。
59.在实施例中，使用相位使能信号来使能备用调节器相位(例如，227a)的输出，以便将它们选择性地互连到公共调节器输出(例如，v1)。在实施例中，相位使能信号由控制逻辑366生成。相位使能信号包括s1使能v1信号316a、s1使能v2信号318a、s2使能v1信号316b和s2使能v2信号318b。如以上列出的相故障信号的命名惯例包括相关联的共用调节器输出电压(例如，“v
1”或“v
2”)以及相关联的备用调节器指示符(例如，“s1”或“s2”)。
60.pwm相位控制信号是通过重复系列的可变宽度脉冲来表示至少一个调节器相位的占空比或激活时间的数字信号。pwm相位控制信号可以例如由相位组(例如374)的mpc122生成，作为该相位组内的电压调节器的相对激活时间的指示符。相对占空比或激活时间可以随时间变化，以便调制电压调节器的输出以供应特定的动态电流负载。
61.pwm相位控制信号也可以被接收并且用于调制备用电压调节器相位，以便使其执行类似于相位组内有源电压调节器的相位。因此，pwm相位控制信号与相位使能信号相结合尤其可用于将故障电压调节器相位替换为有源备用电压调节器相位。pwm相位控制信号包括v1pwms1信号304a、v1pwms2信号306a、v2pwms1信号304b、v2pwms2信号306b、s1pwm信号314a和s2pwm信号314b。
62.在实施例中，i
share
相位控制信号是通过模拟电压表示将由相位组内的每个调节器相位提供的电流量的信号。在实施例中，电流“i
share”＝i
total
/n，其中＝i
total
是相位组的总电流输出，并且“n”是相位组中的相位数量。在一些实施例中，i
share
信号可以是分别在0v和3.3v之间的范围内的模拟电压。例如，0v的i
share
信号电压可以表示调节器相电流输出的0a，而3.3v的i
share
信号电压可以表示全额定(例如最大)调节器相输出电流。在ov和3.3v之间的
i
share
电压可以相应地表示调节器相输出电流，该调节器相输出电流在0a和全额定调节器相输出电流之间与相应的i
share
电压成线性比例。在一些实施例中，可以使用其他缩放/控制方案和/或电压范围。
63.i
share
相位控制信号可以例如由相组(例如374)的mpc122生成，作为从相组内的每个电压调节器所需的电流输出的指示符。i
share
相位控制信号可以随时间变化，以便调制电压调节器的输出以供应特定的动态电流负载。
64.i
share
相位控制信号也可以被接收并且用于调制备用电压调节器相位，以便使得备用电压调节器相位与相组内的有源电压调节器相位类似地执行。由此，i
share
相位控制信号与相位使能信号一起尤其可用于将故障电压调节器相位替换为有源备用电压调节器相位。i
share
相位控制信号包括v
1 i
share s1信号304a、v
1 i
share s2信号306a、v
2 i
share s1信号304b、v
2 i
share s2信号306b、s1 i
share
信号314a和s2 i
share
信号314b。
65.根据实施例，相位故障信号、相位使能信号、i
share
和pwm相位控制信号均可以是分别具有0v和3.3v的逻辑“0”和逻辑“1”电平的数字信号。在一些实施例中，可以使用其他电压电平。图3将上述信号描绘为具有箭头的线；可以理解，具有箭头的信号线的末端指示特定信号的目的地，而对端指示信号源。
66.相位冗余电压调节器设备300包括相位组374和376，每个相位组包括多个电压调节器相位126a、126b和126c，并且还包括互连的mpc122。电压调节器设备300还包括备用调节器相位227a和227b，每个备用调节器相位包括输出开关装置217和219以及or运算装置118和118a。包括非易失性存储器368和调节器串行接口110的控制逻辑366电连接到电压调节器相、备用电压调节器相和mpc中的每一个。
67.与图1一致，每个相组374和376包括多个冗余电压调节器相126a、126b和126c，所述多个冗余电压调节器相126a、126b和126c可用于分别向共用调节器输出v1和v2提供电力输送中的相位冗余。相位组内的每个相位的v
out
输出148连接到公共调节器输出，例如v1。为了便于说明和讨论，相位冗余电压调节器设备300包括两个输出电压电平，即，公共调节器输出v1和v2，并且包括两个备用调节器相位227a和227b。然而，在实施例中，可以为特定电子系统指定任意数量的电压电平和备用调节器相的数量。
68.每个相组的mpc122电耦合到相组的每个调节器相，例如126a、126b和126c。mpc122被配置为向控制逻辑366传送相位故障信号以及从相应相位组的每个调节器相位接收的脉宽调制(pwm)或共享电流(i
share
)相位控制信号。mpc122还被配置为生成pwm或i
share
控制信号，该pwm或i
share
控制信号可以用于顺序地激活相组中的每个调节器相持续预定时间段，这可以用于管理相组内的相之间的受控电流共享。
69.每个备用调节器相227a和227b包括输出开关装置217和219以及or运算装置118和118a，这对于将备用调节器相227a和227b互连至共用调节器输出v1和/或v2可以是特别有用的。根据实施例，输出开关设备217和219可以被激活，并且因此可以将降压调节器116的调节器输出242连接到备用调节器相(例如，227a)的主输出204或副输出206。例如，这种激活可以响应于针对备用调节器相位227a分别接收相位s1使能v1信号316a或s1使能v2信号318a而发生。这些相位使能信号由相位冗余控制器106接收，并分别提供给输出开关装置217和219。
70.(更多细节见图2)。
71.控制逻辑366电连接到每个相组374和376的mpc122。控制逻辑366被配置为从mpc接收相位控制信号，并与mpc交换相位故障信号。控制逻辑366还电连接到备用调节器相，并且被配置为断言相位使能信号以将相位控制信号传送到备用调节器相，以及从备用调节器相接收相位故障信号。例如，s1使能v2信号318a可以由控制逻辑366断言，以使能备用调节器相位227a的次级输出206(v2输出)。控制逻辑366还可分别通过连接380或连接382将pwm或i
share
相位控制信号(例如，v1pwms1(或v
1 i
share s1)信号304a或v1pwms2(或v
1 i
share s2)信号306a)传送到s1 pwm或s1 i
share
信号314a。控制逻辑366还可以从备用调节器相位接收相位故障信号，例如v
1 n
‑
2故障信号310a。
72.控制逻辑366可特别用于监测电压调节器相的故障，以及响应于检测到故障调节器相，启用和禁用各个相以及为已激活相供应pwm或i
share
控制信号。根据实施例，从相组接收的pwm或i
share
控制信号可以由控制逻辑366传送到备用调节器相，这可以用于使备用调节器相以与该相组的有源调节器相一致的电平被驱动。由控制逻辑366执行的功能的附加示例在图4和相关文本中进一步详述。
73.在实施例中，控制逻辑366可以包括非易失性存储器368，非易失性存储器368可以用于存储激活的备用调节器相和具有一个或多个故障调节器相的相组之间的关联。根据实施例，控制逻辑366可以是微控制器、定制集成电路(ic)、可编程逻辑器件(pld)、专用集成电路(asic)等。非易失性存储器368可以是闪存、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或在移除电源电压时不丢失数据的其他类型的存储器设备。
74.相对于使用专用电压调节器相位来提供可靠、稳健的功率递送的电压调节器设备，本公开的实施例可用于减小电压调节器封装大小和成本。通过使用共享备用电压调节器相代替专用于电压电平的冗余电压调节器相来获得这些效率。
75.在一些实施例中，如图3中所描绘的共用调节器输入v
in
可以连接至所有相组374和376的v
in
输入136、以及所有备用调节器相227a和227b的v
in
输入136。在一些实施例中，不同的公共调节器输入可连接到v
in
输入136并用于向每个相组和备用调节器相供应唯一的电压。根据实施例，相位组(例如374)内的调节器相位326a、326b和326c中的每一个的v
out
输出148全部连接到相同的公共调节器输出(例如v1)。在实施例中，备用调节器相227a和227b中的每一个的主输出204和副输出206均可以选择性地连接至共用调节器输出v1或共用调节器输出v2，响应于使能信号(例如，s1使能v1信号316a或s1使能v2信号318a)，由控制逻辑366在备用调节器相位227a和227b上断言。
76.根据实施例，“n 1”或“n 2”个电压调节器相的量可以并联地电连接，其中，“n”是供应指定电流所需的相的最小数量，并且附加的一相或两相可以有用于替换一相或两相故障的调节器相。在一个或多个冗余阶段的错误或“故障”的情况下，可以禁用故障冗余阶段以便共享电流负载并确保不中断的电力输送。
77.图3描绘了在电压调节器相位326a、326b和326c之间不具有电流共享电路的相位冗余电压调节器。然而，设想了在电压调节器阶段326a、326b和326c之间维持电流共享的实施例。在一些这样的实施例中，可以在每个调节器阶段326a、326b和326c内实现独立的电流节流点，以使得电压调节器阶段能够在其电流输出限制下运行，而一个或多个其他电压调节器阶段提供满足总电流负载所需的附加电流。这个实施例可以实现简化的分流，这可以允许某些电压调节器相在全电流负载下运行，而额外的电压调节器相可以在较低的电流水
平下运行。在一些实施例中，可以实现无源或“下降”共享，其中，电流共享可以由下降到低于指定参考电压的相位冗余调节器输出电压引起，并且作为响应，电连接至该输出端的各个调节器相位提升其相应的电流输出。这可导致调节器之间的负载分担。在一些实施例中，可以通过使用添加的电流监测、控制和反馈回路来实现主动或“强制”电流共享。
78.图4是描绘根据与附图一致的实施例的用于在相冗余电压调节器装置内在调节器相的组之间共享冗余备用调节器相的集合的方法400的流程图。该相位冗余电压调节器设备包括多个备用调节器相，例如图3中的227a，并且与在图1
‑
3中描绘和参见图1
‑
3描述的相位冗余电压调节器和设备一致。方法400通常通过使用图3的控制逻辑366来执行，控制逻辑366电连接并配置成监测从相组(例如，图3的相组374和376)接收的相故障信号。
79.方法400的执行可以通过使用由控制逻辑控制和分配的共享的冗余调节器相位来向电子系统提供增强的功率传递的可靠性。当与电子系统的相位冗余电压调节器设备结合使用时，方法400还可以通过使用共享的冗余调节器相位来提供电压调节器成本、封装面积、设计复杂度和故障率的大幅降低。这种改进可以导致电子系统成本、复杂性和故障率的相应总体降低。参见图4描绘和描述的方法通常与在图1
‑
3中描绘和参见图1
‑
3描述的具有共享冗余备用的相位冗余电压调节器和设备一致。
80.系统开始402处的操作状态不包括电压调节器相位故障，并且相位组374和376两者正常运行，其中“n”个相位用于分别向附接至共用调节器输出v1和v2的负载供应电流。方法400从开始402移动到操作404。
81.操作404通常涉及检测第一相故障。控制逻辑366(图3)用于监测“n
‑
1”相单故障信号，例如，如由对应的mpc 122的冗余故障报告电路104所生成的v
1 n
‑
1故障信号308a和v
2 n
‑
1故障信号308b。控制逻辑366确定相位单故障信号来源于哪个相位组。例如，可在相组374中检测第一相故障。一旦检测到第一相故障，方法400就移动到操作406。
82.操作406通常涉及断言将第一可用备用调节器相的输出电耦合到具有第一相故障的相组的公共调节器输出的相使能信号。在该示例中，图3中的备用电压调节器相位227a是第一可用备用调节器相位。因此，图3的控制逻辑366将s1使能v1信号316a断言给备用调节器相位227a，这使得其主输出204能够电连接至相位组374的公共调节器输出v1。根据实施例，第一备用调节器相位可以被配置为使用相位使能信号来输出存在于公共调节器输出v1上的电压或者存在于公共调节器输出v2上的电压。一旦相位使能信号被断言，方法400就移动到操作408。
83.操作408通常涉及将pwm或i
share
相位控制信号传送到第一备用调节器相位。在实施方式中，从生成相位单故障信号的相位组(在该实例中为相位组374)接收所传递的相位控制信号。相位控制信号由相位组374的mpc122生成。在这个示例中，由控制逻辑366接收的相位控制信号是v1i
share s1或v1pwm s1信号304a，其然后作为s1i
share
或s1pwm信号314a被传送到备用调节器相位227a。该相位控制信号然后用于与相组374的有源电压调节器相的输出一致地调制备用调节器相227a的输出。一旦相位控制信号被发送到第一备用调节器相位，方法400就移动到操作410。
84.操作410通常涉及将来自第一备用调节器相的相故障信号电连接至第一相组的mpc。在该示例中，s1故障信号312a由控制逻辑366电连接到相组374的mpc122的信号302a中的v1故障。该mpc122可以监测所分配的备用电压调节器相位227a的故障，并且将故障传达
至控制逻辑366。一旦连接了相故障信号，方法400就移动到操作412。
85.操作412通常是指中断对相单故障信号的监测。一旦已从图3的相组374检测到相单故障信号，图3的控制逻辑366中止对相单故障信号的监测。一旦已经中断对相单故障信号的监测，方法400就移动到操作414。
86.操作414通常涉及将第一使用备用调节器相和第一相组的公共调节器输出之间的关联存储到控制逻辑内的非易失性存储器(例如，图3中的368)中。在这个实例中，该关联包括信息关于：相位组，即“相位组374”或公共调节器输出v1，以及备用，即，备用调节器相位227a。这个信息被存储在非易失性存储器368中，这在电源故障的情况下在保留备用调节器相位227a与公共调节器输出v1的联动方面是有用的。在电源故障之后重新启动电压调节器时，控制逻辑366可以重新初始化备用调节器相位227a到公共调节器输出v1的电连接。一旦关联已经被存储，方法400就移动到操作416。
87.操作416通常涉及检测额外的相位故障。在实施例中，附加相故障可以由相单故障信号、相双故障信号或备用相故障信号来指示。控制逻辑366(图3)用于监测这些类型的相位故障信号中的每一种，如由相应的mpc 122的冗余故障报告电路104和由备用调节器相位(例如，227a)的相位冗余控制器106所生成的。控制逻辑366确定附加相故障信号来源于哪个补充电压调节器相组或备用电压调节器。根据实施例，该补充相组可以是该第一相组或该第二相组。例如，可在相组376中检测另外的相单故障。一旦检测到附加相故障，方法400就移动到操作418。
88.操作418通常涉及断言相位使能信号，该相位使能信号将第二可用备用调节器相位的输出电耦合到具有附加相位故障的相位组的公共调节器输出。在该示例中，备用电压调节器相227b(图3)是第二可用备用调节器相。因此，图3的控制逻辑366将s2使能v2信号318b断言给备用调节器相位227b，这使得副输出206能够电连接至相位组376的公共调节器输出v2。根据实施方式，第二备用调节器相位可被配置为使用相位使能信号输出存在于共用调节器输出v1上的电压或者存在于共用调节器输出v2上的电压。一旦相位使能信号已经被断言，方法400就移动到操作420。
89.操作420通常涉及将pwm或i
share
相位控制信号传送到第二备用调节器相位。在实施方式中，从生成附加相位故障信号的相位组(在该实例中为相位组376)接收所传递的相位控制信号。相位控制信号由相位组376的mpc122生成。在该示例中，由控制逻辑366接收的相位控制信号是v2pwm s2或v2i
share s2信号306b，该信号306b然后作为s2pwm或s2i
share
信号314b被传送到备用调节器相位227b。该相位控制信号然后用于与相组376的有源电压调节器相的输出一致地调制备用调节器相227b的出相。一旦已经发送了相位控制信号，方法400就移动到操作422。
90.操作422通常涉及将来自第二备用调节器相的相故障信号电连接至补充相组的mpc。在该示例中，s2故障信号312b由控制逻辑366电连接到相组376的mpc122的信号302b中的v2故障。该mpc122可以监测所分配的备用电压调节器相位227b的故障，并且将故障传达至控制逻辑366。一旦已经电连接了相故障信号，方法400就移动到操作424。
91.操作424总体上是指停止监测附加相故障信号。一旦从相组376检测到附加相故障信号，控制逻辑366就停止监视附加相故障信号。一旦已经中断对附加相故障信号的监测，方法400就移动到操作426。
92.操作426通常涉及将第二已用备用调节器相和附加相组的公共调节器输出之间的关联存储到图3中的控制逻辑366内的非易失性存储器(例如，图3中的368)中。在这个实例中，该关联包括信息re：相位组，即“相位组376”或公共调节器输出v2，以及备用，即，备用调节器相位227b。这个信息被存储在图3中的非易失性存储器368中，这在电源故障的情况下在保留备用调节器相位227b与公共调节器输出v2的联动方面是有用的。在电源故障之后系统重新启动时，控制逻辑366可以重新初始化备用调节器相位227b到公共调节器输出v2的电连接。一旦关联已经被存储到非易失性存储器中，方法400就移动到操作428。
93.操作428一般指的是发送请求管制者替换操作的系统通知。该通知响应于备用调节器相227a和227b二者均正在使用(即，电耦合至相组的公共调节器输出)而被发起，在电压调节器相额外故障的情况下没有额外的备用调节器相可用于使用。请求管制者替换操作的系统通知可以是例如电子邮件消息、文本消息、系统控制台消息或语音邮件消息。一旦已经发送系统通知，方法400就在框430结束。
94.可以理解，上述方法适用于“n 2”电压调节器相位配置，即，包括可以在特定相位组的一个或多个电压调节器故障的情况下使用的2个可用备用电压调节器的配置。在本公开的精神和范围内的其他类似方法可用于具有不同数量的可用备用电压调节器(诸如1、3、4等)的电压调节器设备。
95.根据实施方式，可以指定相组内的每个调节器相的电流输送容量，以便在相组内的一个调节器相失效之后导致相组的指定累积输出电流的输送。在一些实施例中，相组内的每个调节器相的每相电流输送容量可以允许在相组内的至少两个调节器相故障之后输送相组的指定累积输出电流。
96.已经出于说明的目的呈现了本公开的不同实施例的描述，但是并不旨在是详尽的或局限于所披露的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。选择在此使用的术语来解释实施例的原理、实际应用或在市场中发现的技术上的技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解在此披露的实施例。