CN101030728A

CN101030728A - 具有改进负载升压瞬变响应的多相转换器

Info

Publication number: CN101030728A
Application number: CNA2006101392316A
Authority: CN
Inventors: G·许莱因
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2007-09-05
Also published as: US7492136B2; US20070064456A1; JP2007135390A; TW200717982A

Abstract

一种多相转换器，包括多个开关电路，每一个开关电路提供开关电压给转换器的输出节点；时钟电路，用于提供多个相时钟信号输出给开关电路以确定何时每个开关电路提供开关电压给输出节点；每一个开关电路包括第一和第二串联开关；包括第一电路，其将正比于在输出节点的转换器输出电压和包含第一参考电压的第二信号之间的差异的第一信号与包含一斜坡信号并用于产生脉宽调制信号的第二信号相比较以控制连接开关电路的开关的开启次数；还包括第二电路，其将正比于输出电压和第一参考电压之间的差异的第一信号与第二参考电压相比较并且如果第一信号超过第二参考电压一预定量，则用于开启至少一个开关电路以提供开关输出电压给输出节点。

Description

具有改进负载升压瞬变响应的多相转换器

交叉相关申请

[0001]本申请要求2005年9月16日提交的、名称为IR3550/3505 CHIP的美国在先申请序列号60717841的利益和优先权，在此一并作为参考。

技术领域

[0002]本发明涉及一DC到DC转换器，并尤其涉及一种在连接的开关电源多个公共输出端产生DC输出电压多相转换器，例如多个升压转换器。

背景技术

[0003]多相转换器是公知的。在典型的多相转换器中，例如，多相升压转换器，多个升压转换器每一个设有连接到输出节点的输出电感。在一典型应用中，每个升压转换器通过控制电路控制并可以运行以便每个升压转换器转换级的控制开关比其他相在不同的时间开启。这样，每一相顺序地提供电能给负载，减小波动并减小输出阻抗的大小。

[0004]图1示出了六相的多相转换器的实例，其使用了IR3500控制集成电路10，以及在所示的六相情况下的由控制IC控制的多个六相IR3505 IC 30。每一相IC 30是相同的，并具有连接到各自包含两个开关的升压转换器的输出，一上开关Q1起到控制开关的作用以及下开关Q2起到同步开关的作用。每相的开关节点V_s1-6连接到每相的输出电感L1至L6，其在公共节点VC连接并通过任一现有的分布阻抗连接到输出节点VOUT。一输出电容器COUT通过输出连接以过滤开关输出电压。

[0005]在典型多相转换器中，每个控制开关Q1开启以提供输出电流以给输出电感充电从而在时钟脉冲确定的时间时给负载提供电流，所述时钟脉可以由控制IC提供。因此，仅当出现时钟脉冲时控制开关才开启。每相IC的控制脉冲(标为PHSIN)如图3所示。如图所示，PHSIN信号(IC1 PHSIN、IC2 PHSIN、IC3 PHSIN、IC4 PHSIN)分别被延迟以开启彼此异相的各自的相控制开关Q1。同步开关Q2同样也被延迟，但以同控制开关互补的方式开启。

[0006]参考图2，其详细示出了图1中的电路，尽管只示出了两个相IC 30，但是时钟脉冲以CLKOUT从控制IC 10提供。如图4所示，在A，并参考图2，当时钟脉冲出现时，其启动斜坡信号PWMRMP，其在图2的PWM比较器45的同相输出示出。其也开启控制开关Q1，参看图4的C。PWMRMP以图4的波形B示出。PWM斜坡的基准水平是信号VDAC¹，其由控制IC 10基于由VID信号VIDO至VID7设定的参考电压电平提供，参见图1。当PWMRMP等于控制芯片10中误差放大器20的输出时，其将来自转换器输出电压的反馈FB与图2所示的参考电压VDAC相比，控制或高压侧开关Q1关闭以及低开关或同步开关Q2开启。参见图4的波形C或D。如图所示，当时钟脉冲出现时控制或高侧开关Q1开启以及当斜坡电压等于误差放大器输出其关闭。这示出了图4B中误差放大器信号的范围。如图所示，当由于图4B中I所示的负载升压而误差放大器输出增大时，控制开关Q1仅仅当时钟脉冲出现时开启并且当PWM斜坡电压达到误差放大器输出EAIN时关闭。如图4所示，增大的误差放大器输出导致增加Q1占空比。占空比因此跟随着误差放大器信号并一旦由于例如负载减小而误差放大器减小，则占空比减小，如图4C所示。

[0007]因此，可以从上述理解到，控制开关仅当时钟脉冲出现时开启。因此在转换器能响应负载暂态之前有一个时间延迟直到出现脉冲信号。因此，例如，如果负载暂态在时钟脉冲之前出现如图4B中虚线I所示，该转换器则不能通过开启控制开关响应直到出现时钟脉冲。

[0008]这通过下情形恶化，其中出现大负载暂态并且开启的下一相控制开关Q1可能不足以处理由负载暂态引起的电流需求。

[0009]因此，希望能提供一种多相转换器，其能直接响应负载暂态同时不需要等待直到出现时钟脉冲以为了开启至少一个转换器控制开关，并优选所有相的控制开关。

发明内容

[0010]因此，本发明的一个目的是提供一种多相转换器，其提供对于增加的负载暂态的快速响应。

[0011]根据本发明，提供多相转换器，其中刚一出现增加的负载暂态多相转换器中的至少一个并优选所述控制开关立即开启，而不等待系统时钟脉冲的出现。

[0012]根据本发明，提供的多相转换器包括多个开关电路，每一个开关电路提供开关电压给转换器的输出节点并且其中每一个开关电路顺序地提供开关输出电压到输出节点，在该点上产生了转换器的输出电压；时钟电路，其其用于提供多个相时钟信号输出给开关电路以确定何时每个开关电路提供开关电压给输出节点；每一个开关电路包括通过DC电压总线连接的第一和第二串联开关；进一步包括一第一电路，其将正比于在输出节点的转换器输出电压和第一参考电压之间的差异的第一信号与包含一斜坡信号并用于产生脉宽调制信号的第二信号相比较以控制连接开关电路的开关的开启次数；进一步包括一第二电路，其将正比于输出电压和第一参考电压之间的差异的第一信号与第二参考电压相比较并且如果第一信号超过第二参考电压一预定量，则开启至少一开关电路以在时钟信号出现之前提供开关输出电压给输出节点。

[0013]本发明的其他目的、特点和优势通过下面的描述将变得显而易见。

附图说明

[0014]现在参考附图在下文对本发明进行详细描述：

[0015]图1示出了本发明适用的六相多相转换器；

[0016]图2详细示出了只有两相的图1的多相转换器；

[0017]图3示出了图2四相的波形；

[0018]图4示出了图2的波形；

[0019]图5示出了一相控制电路的详细方框图，该电路用于控制升压输出级，其示出了本发明的一个实施例；

[0020]图6示出了图5电路的波形；以及

[0021]图7示出了电路如何响应升压负载暂态。

具体实施方式

[0022]再次参考附图，图1和2示出了本发明应用的多相转换器。图2示更详细出了图1的电路，仅详细示出了相同的两相集成电路(IC)30。每一相集成电路30控制包括两晶体管Q1和Q2和输出电感LN的升压转换器。晶体管Q1是控制开关且晶体管Q2是同步开关。如本领域技术人员熟知的，虽然使用同步开关提供了更高的效率，但是同步开关能用二极管代替。

[0023]尽管图1和2示出了独立控制集成电路10和相集成电路30，所述电路也可以使用单个集成电路或分立电路或任何数量的集成电路，例如，在一集成电路中的所有相。

[0024]如图2所示，控制集成电路10将图3所示的时钟信号CLKOUT提供给输入CLKIN处的每一相集成电路。图2中的虚线15示出了取决于负载需求使用的附加相或相IC，其中信号线16能延伸到附加相电路。

[0025]如图2和3所示，给每个相集成电路30提供时钟信号CLKIN。此外，给第一相IC提供减小的频率信号PSHIN，该信号是时钟信号其设定相IC的PWM频率。第一相IC将信号PHSOUT提供给下一相IC以给所述相IC提供延迟的时钟信号PHSIN。在图1中详细示出了六相转换器。图3示出了相时钟信号PHSIN的输出如何顺序地提供给每个相IC以控制每个升压转换器控制和同步开关各自的开启次数。图3示出了相IC1到IC4四相集成电路每个的顺序延迟时钟信号PHSIN。如图3所示，每个相IC的每个时钟信号PHSIN顺序延迟以提供相定时控制的输出，以开启每个相各自的开关Q1和Q2。

[0026]如已经描述的，图4示出了单独相的相IC时钟脉冲PHSIN和典型的PWM斜坡和误差放大器EAIN信号以及控制和同步(SYNC)开关的控制极输出信号。

[0027]如上所述，如果在时钟脉冲出现之前出现升压负载暂态(参见图4B)就会出现问题，升压器必须等待直到在响应于暂态前的时钟脉冲。这种延迟能导致在输出的电压的不良减小。

[0028]根据本发明，为了解决该问题，使用一种电路，其确定误差放大器电压是否大于参考电压一预定量。如果误差放大器输出电压超过参考电压预定量，控制开关的门信号就立即开启并且同步开关的门信号就关闭。优选地，这能对于单信号实现，所有相的控制开关同时关闭从而提供功率的瞬时突发以满足负荷需求。

[0029]参考图2、5和6，在正常操作中，输出电压VOUT由误差放大器20检测，参考图2。在控制IC 10中所示的误差放大器20接收来自远程读出放大器32的信号FB，该读出放大器读出跨越终端VOSENSE+和VOSENSE-的输出电压并产生输出V₀。该输出V₀(图2)通过分压电路35提供给误差放大器20的倒相输入。设有信号VDAC的误差放大器20的同相输入在输入VSETPT处提供。这设定了期望的转换器输出电压。VDAC本身是控制芯片10中数模转换器的输出，控制芯片从微处理器接收数字输入VID0至VID7以设定输出电压。误差放大器EAOUT的输出表示输出电压从参考VDAC的偏差。当出现时钟脉冲PHSIN时候，在相IC 30的输入端如EAIN所示的该误差放大器信号在每个相IC中通过PWM比较器45与图4所示的斜坡电压PWMRMP相比。当出现时钟脉冲时，PWM锁存70设为开启控制开关Q1。在控制开关Q1开启之前同步开关Q2稍微关闭以避免击穿。一旦斜坡电压等于误差放大器电压，PWM比较器45输出就重置PWM锁存70，关闭控制开关Q1并在一短的时间延迟之后开启同步开关Q2，再次阻止击穿。

[0030]图6示出了图5电路的运行，其示出了图2电路的更多细节。在每相IC 30中也有电流读出放大器62，其监测该相输出电感中的电流。电流读出放大器62的输出与在相加集40中的电压VDAC(DAC IN)加和并与分配调节误差放大器60中的平均电流信号ISHARE相比较。分配调节误差放大器60的输出调节充电电容器C_C的充电速率以调节总输出电流的相分配。例如，如果在特殊相中检测到的电流比平均值(ISHARE)高，则PWM斜坡产生器80将调节PWM斜坡以减小在所述相中的电流而将其拉近到平均值。在每个相集成电路中进行该操作以便每个相在给负载的总供电中进行平均分配。

[0031]如图6所示，示出电路对输出电压(过压保护-OVP)平均值的响应，其中当输出电压超过OVP阈值时，一在控制IC中的故障锁存被运行，引起控制开关Q1在下一时钟脉冲不开启，导致对相集成电路的误差放大器输出EAIN减小以减小输出电压。

[0032]图7示出电路对升压负载暂态的响应。当出现升压负载暂态时，误差放大器输出电压将由于转换器输出电压减小而增大。如果误差放大器20的输出电压EAIN超过预定量，如图7所示，例如超过参考电压VDAC¹1.3伏特，一比较器50(具有例如超过电压VDAC¹1.3伏特的参考55电压，其由分配调节放大器60依次设定，借助于相加级65)变高设定PWM锁存70。应当注意VDAC¹是VDAC的修正形式，它通过分配调节放大器60的输出被调节。如果分配调节放大器60没有出现那么VDAC¹和VDAC相同。PWM锁存70的设置借助于控制极75和驱动器80迫使输出作为控制开关Q1的控制极的输出极H变高。稍微在该时刻前，PWM锁存70的互补输出重置PWM斜坡发生器80并借助于控制极90，95、100以及控制极驱动器105关闭同步开关Q2。

[0033]如图7所示，其中对于控制开关的控制极信号(控制极H)在优先于IV处的时钟信号脉冲的III开启。如图7所示，一旦时钟信号出现，PWM斜坡就再次开始，以V示出，开启以VI示出的控制开关。

[0034]根据本发明，为了阻止高压侧开关Q1导电过长，在这种操作模式期间增加PWM斜坡倾斜，例如双倍。其在图7中以VII增加的倾斜示出。一旦PWM斜坡信号上升到误差放大器输出之上相IC 30出现该模式。

[0035]尽管本发明关于其特殊实施例进行了描述，但许多其他变化和修改以及其他的用途对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此本发明不被这里的特殊描述所限定，其仅由附加的权利要求所限定。

Claims

1.一种多相转换器，包括：

多个开关电路，每一个开关电路提供开关电压给转换器的输出节点并且其中每一个开关电路顺序地提供开关输出电压到输出节点，在该点上产生了转换器的输出电压；

时钟电路，其用于提供多个相时钟信号输出给开关电路以确定何时每个开关电路提供开关电压给输出节点；每一个开关电路包括通过DC电压总线连接的第一和第二串联开关；进一步包括一第一电路，其将正比于在输出节点的转换器输出电压和包含第一参考电压的第二信号之间的差异的第一信号与包含一斜坡信号并用于产生脉宽调制信号的第二信号相比较以控制连接的开关电路的开关的开启次数；

进一步包括一第二电路，其将正比于输出电压和第一参考电压之间的差异的第一信号与第二参考电压相比较并且如果第一信号超过第二参考电压一预定量，用于开启至少一个开关电路以在时钟信号出现之前提供开关输出电压给输出节点。

2.如权利要求1所述的多相转换器，其中每一个开关电路包括与在两个开关之间公共连接点处的开关节点串联的一控制开关以及一同步开关，以及其中至少一个开关电路的控制开关响应于误差信号放大器输出超过第二参考电压一预定量而开启。

3.如权利要求2所述的多相转换器，其中至少两个开关电路的控制开关响应于误差信号放大器输出电压超过第二参考电压一预定量而开启。

4.如权利要求3所述的多相转换器，其中每一个开关电路的控制开关响应于误差信号放大器输出电压超过第二参考电压一预定量而开启。

5.如权利要求1所述的多相转换器，其中第二电路包括一比较器电路。

6.如权利要求1所述的多相转换器，其中第二参考电压通过一电流分配电路而被调节，其调节第一参考电压以响应于开关电路提供的输出电流产生第二参考电压以补偿开关电路提供的输出电流。

7.如权利要求1所述的多相转换器，其中斜坡信号具有第一斜坡，并且其中当第一信号超过第二参考电压一预定量时该斜坡增加。

8.如权利要求1所述的多相转换器，其中增加的斜坡两倍于第一斜坡。

9.如权利要求1所述的多相转换器，其中第一和第二参考电压相同。

10.如权利要求2所述的多相转换器，其中每一个开关电路包括一升压转换器，该转换器具有将开关节点连接到转换器输出节点的输出电感。