CN101106330A - 用于并联式功率转换器的切换控制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于并联式功率转换器的切换控制器。所述切换控制器包含输入电路，其耦合到切换控制器的输入端子以接收输入信号。积分电路耦合到所述输入电路，以响应于所述输入信号的脉冲宽度而产生积分信号。控制电路产生切换信号而切换所述功率转换器。所述切换信号响应于所述输入信号的启用而启用。在输入信号与所述切换信号之间产生可调整的延迟时间。根据积分信号而决定所述切换信号的脉冲宽度。

Description

用于并联式功率转换器的切换控制器

技术领域

本发明涉及一种功率转换器，且更确切地说涉及一种切换式功率转换器的控制电路。

背景技术

高电流需求通常会降低功率转换器中的功率效率。功率转换器的功率损耗与其电流呈指数型比例，可以下列方程式(1)表示：

P_LOSS＝I²×R-----------------------------------------(1)

其中I是功率转换器的切换电流，且R是切换装置的阻抗，例如电感器和晶体管...等的电阻。

因此，在最新的发展中，已开发出利用并联技术来降低高电流功率转换器的功率消耗。例如Walters等人的第6,278,263号美国专利“Multi-phaseconverter with balanced currents”；Yang等人的第6,404,175号美国专利“Multi-phase and multi-module power supplies with balanced current betweenphases and modules”。然而，这些现有技术的问题是平衡电流-的电流测量所导致的额外功率损耗。现有技术的另一缺点是并联功率信道不具弹性。

发明内容

本发明的目的是克服上述问题。开发出一种用于并联式功率转换器的切换控制器。并联通道的数目理论上不受限制。切换的同步化和相移(phase shift)经设计以分散切换噪声(noise)并减少涟波(ripple)。使用功率共享技术来代替平衡电流则无需电流测量这简化了控制电路，并改进了功率转换器的效率

本发明提供一种具有功率共享能力(power sharing capability)的切换控制器(switching controller)可运用于并联式功率转换器(parallel powerconverter)。切换信号的脉冲宽度将随着输入信号的脉冲宽度而变化。此输入信号是前一功率转换器的切换信号。在输入信号的启用(enabling)与切换信号的启用之间具有可调整的延迟时间(programmable delay time)，以用于同步化(synchronization)和相移(phase shift)。

切换控制器包含：输入电路以接收输入信号而产生移相信号(phase-shiftsignal)。电阻器决定输入信号的启用与移相信号的启用之间的延迟时间。积分电路(integration circuit)耦合到输入电路以根据输入信号的脉冲宽度(pulsewidth)产生积分信号(integration signal)。利用控制电路来产生切换信号而切换功率转换器。根据积分信号的电平(level)来决定切换信号的脉冲宽度。产生积分信号的电平，其与输入信号的脉冲宽度成比例。切换信号的脉冲宽度与积分信号的电平成比例。因此，切换信号的脉冲宽度与输入信号的脉冲宽度相关，从而实现功率共享。一旦积分信号低于阈值(threshold)便禁用切换信号，以便在轻载(light load)时节省功率。此外，切换信号的最大导通时间(maximum on time)受到限制，以便保护功率转换器。

附图说明

本发明包含附图以提供对本发明的进一步了解，且附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，且连同描述内容一起用以解释本发明的原理。

图1绘示本发明的并联式功率转换器的较佳实施例。

图2绘示本发明的切换控制器的较佳实施例。

图3绘示本发明的切换控制器的功率共享电路的较佳实施例。

图4绘示本发明的输入电路的较佳实施例。

图5绘示本发明脉冲产生器的较佳实施例的电路示意图。

图6绘示本发明的积分电路的较佳实施例。

图7绘示本发明的复位电路的较佳实施例。

图8绘示本发明的切换控制器的关键波形(key waveform)。

具体实施方式

图1绘示-本发明的并联式功率转换器的较佳实施例。切换控制器10、晶体管12、电感器15和整流器16形成第一功率转换器。切换控制器10的输出端子SW1耦合到控制晶体管12以切换电感器15。整流器16和电容器17连接以在输出端子V_O处产生功率转换器的输出。另一切换控制器50、晶体管52、电感器55和整流器56另一功率转换器并耦合到输出端子V_O。第一功率转换器与上述另一功率转换器的输出并联连接。电感器15由输入端子V_IN处耦合到功率转换器的输入。当晶体管12导通时，产生切换电流I₁₀，其可由下列方程式(2)表示：

$I_{10}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_{15}}\×T_{\mathrm{ON}-10}-------------------------------\left(2\right)$

其中L₁₅是电感器15的电感值；T_ON-10是切换控制器10的切换信号的导通时间；V_IN是输入端子V_IN的电压。

切换控制器10的反馈端子FB通过电阻器25和26耦合到输出端子V_O，以便调整功率转换器。切换控制器10的电流感测端子CS1连接到电阻器11以感测晶体管12的切换电流。切换控制器50的电流感测端子CS2也耦合到电阻器51以感测晶体管52的切换电流。切换控制器10的输出端子SW1连接到切换控制器50的输入端子SYN。电阻器59从切换控制器50连接到接地端，以决定切换控制器10和50的切换信号之间的延迟时间。

切换控制器10作为主要控制器而操作。切换控制器50被启用作为从属控制器。这些功率转换器的输出连接到输出端子V_O。从属控制器可以菊链式(daisy chain)方式连接，以用于同步化和功率共享。从属控制器的导通时间和切换周期将遵循主控制器的导通时间和切换周期。

功率转换器的输出功率P_O可以由下列方程式(3)～(5)得知：

P_O＝V_O×I_O-----------------------------------------------(3)

P_O＝V_O×(I₁₀+..+I₅₀)----------------------------------(4)

$I_{50}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_{55}}\×T_{\mathrm{ON}-50}--------------------------------\left(5\right)$

其中L₅₅是电感器55的电感值；T_ON-50是切换控制器50的导通时间。

从属控制器的导通时间和切换周期设计成等于主控制器的导通时间T_ON和切换周期T。如果两电感器的电感值相等，那么功率转换器的输出电流将相同。

图2绘示本发明的切换控制器50的较佳实施例，其包含功率共享电路100，所述功率共享电路100连接到输入端子SYN以便接收输入信号S_YN。输入信号S_YN是前一切换控制器(例如图2中的切换控制器10)的输出信号。功率共享电路100还耦合到延迟端子DLY以接收延迟电流I_DLY。电阻器59决定延迟电流I_DLY。功率共享电路100用于响应于输入信号S_YN而产生移相信号ON和积分信号V_T。当输入信号S_YN启用时，在延迟时间T_DLY之后移相信号ON产生。延迟电流I_DLY决定延迟时间T_DLY。根据输入信号S_YN的脉冲宽度产生积分信号V_T。

积分信号V_T进一步耦合到比较器82。比较器82包含阈值V_L。比较器82的输出经连接用以启用触发器80。移相信号ON耦合到触发器80以设定触发器80。触发器80和与门85形成控制电路以在与门85的输出处产生切换信号PWM。一旦积分信号V_T低于阈值V_L，切换信号PWM便将响应于移相信号ON的频率(clocking)而禁用。与门85的输入连接到触发器80的输出和移相信号ON。复位信号OFF使触发器80复位。复位电路300根据积分信号V_T而产生复位信号OFF。此外，复位电路300连接到电流感测端子CS2以产生切换信号PWM。切换信号PWM通过驱动电路90耦合到切换控制器50的输出端子SW2。

图3绘示功率共享电路100的较佳实施例。所述功率共享电路100包含输入电路110和积分电路160。输入电路110耦合到输入端子SYN和延迟端子DLY以接收输入信号S_YN和延迟电流I_DLY而产生移相信号ON和输入整形信号(input-shaping signal)S₁。输入整形信号S₁连接到积分电路160。积分电路160响应于输入整形信号S₁和切换信号PWM而产生积分信号V_T。

图4是根据本发明的输入电路110的较佳实施例。缓冲门130连接到输入端子SYN以接收输入信号S_YN。缓冲门130响应于输入信号S_YN而产生输入整形信号S₁。当输入信号S_YN高于缓冲门130的阈值电压时，输入整形信号S₁将启用(高逻辑准位)。运算放大器115的正输入连接到参考电压V_REF。运算放大器115的负输入耦合到延迟端子DLY。运算放大器115与晶体管120联接在一起并根据电阻器59的电阻值而产生电流I₁₂₀。晶体管121和122形成电流镜以根据电流I₁₂₀而产生电流I₁₂₂。电流I₁₂₂经连接以对电容器125进行充电。缓冲门(buffer gate)131的输入连接到电容器125。缓冲门131的输出连接到与非门(NAND gate)132的输入。与非门132的另一输入连接到输入整形信号S₁。与非门132的输出耦合到脉冲产生器135以通过脉冲产生器135产生移相信号ON。因此在输入信号S_YN的启用与移相信号ON的启用之间产生延迟时间T_DLY。电阻器59决定电流I₁₂₀和电流I₁₂₂的大小。电流I₁₂₂和电容器125的电容C₁₂₅决定延迟时间T_DLY。

晶体管117连接到电容器125以对电容器125进行放电。使用与非门133来控制晶体管117的导通/截止状态。与非门133的第一输入端是接收整形信号S₁。与非门133的第二输入端经由反相器134连接到切换信号PWM。因此，一旦输入整形信号S₁禁用或切换信号PWM启用电容器125放电。

图5绘示脉冲产生器的电路示意图。反相器151的输入端IN连接到脉冲产生器以接收脉冲产生器所产生的输出。反相器151的输出通过反相器152以控制晶体管153。电容器155与晶体管153并联连接。电流源150耦合至对电容器155以对对电容器155进行充电。反相器157连接到电容器155。反相器157的输出连接到与门159。与门159的另一输入连接到反相器151的输出。与门159的输出连接到脉冲产生器的输出。因此，脉冲产生器响应于脉冲产生器的输入的下降沿(falling edge)而产生脉冲。电流源150的电流I₁₅₀和电容器155的电容值C₁₅₅决定脉冲的脉冲宽度。

图6绘示根据本发明的积分电路160的较佳实施例。电流源180连接开关190，通过开关190对电容器185进行充电。开关190受到输入整形信号S₁的控制。电容器186经由开关191耦合到电容器185。开关191受到第一取样信号SP1的控制。电容器187通过开关192耦合到电容器186以产生积分信号V_T。开关192受到第二取样信号SP2的控制。第二取样信号SP2由切换信号PWM通过脉冲产生器165产生。脉冲产生器170用于响应于输入整形信号S₁而产生第一取样信号SP1。晶体管181经连接以响应于第一取样信号SP1的结束而对电容器185进行放电。第一取样信号SP1通过脉冲产生器175控制晶体管181。因此，根据方程式(8)可得知输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1、电流源180的电流I₁₈₀和电容器185的电容值C₁₈₅决定积分信号V_T的电平。

$V_T=\frac{I_{180}}{C_{185}}\×T_{\mathrm{ON}1}--------------------------------\left(8\right)$

图7绘示根据本发明的复位电路300的较佳实施例。复位电路300包含第二积分电路310，比较器330、340和350，以及或非门370。第二积分电路310含有电流源320、电容器325、晶体管316以及反相器315。切换信号PWM连接到反相器315。反相器315的输出通过晶体管316耦合到电容器325，以对电容器325进行放电。电流源320耦合到电容器325，一旦切换信号PWM启用便对电容器325进行充电。第二积分信号SAW响应于切换信号PWM的启用而产生。第二积分信号SAW连接到比较器330，以便与积分信号V_T进行比较。比较器330的输出耦合至或非门370，以通过或非门370产生复位信号OFF。因此，一旦第二积分信号SAW高于积分信号V_T，切换信号PWM便将禁用。切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2可由方程式(9)得知：

$T_{\mathrm{ON}2}=\frac{C_{325}}{I_{320}}\×V_T--------------------------------\left(9\right)$

其中C₃₂₅是电容器325的电容值；且I₃₂₀是电流源320的电流大小。

参考方程式(8)，方程式(9)可写为方程式(10)：

$T_{\mathrm{ON}2}=\frac{C_{325}}{I_{320}}\×\frac{I_{180}}{C_{185}}\×T_{\mathrm{ON}1}-----------------------\left(10\right)$

挑选与电容值C₁₈₅相关的电值容C₃₂₅，并设置与电流I₁₈₀相关的电流I₃₂₀。切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2将与输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1相同。因此，产生积分信号V_T，其与输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1成比例。产生切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2，其与积分信号V_T成比例。

或非门370的第二输入连接到比较器340的输出。作用点信号(trip-pointsignal)V_H连接到比较器340的负输入。比较器340的正输入耦合到第二积分信号SAW。一旦第二积分信号SAW高于作用点信号V_H，将产生复位信号OFF，以便禁用切换信号PWM。因此，切换信号PWM的最大导通时间受到限制。或非门370的第三输入连接到比较器350的输出。限制信号V_LIMIT连接到比较器350的负输入。比较器350的正输入耦合至电流感测端子CS2接收电流感测信号。一旦电流感测端子CS2的电流感测信号高于限制信号V_LIMIT，复位信号OFF将产生以便禁用切换信号PWM。限制信号V_LIMIT提供限制值以限定晶体管52的切换电流。因此，一旦晶体管52的切换电流高于限制值，便禁用切换信号PWM。

图8绘示输入信号S_YN和切换信号PWM的波形。输入信号S_YN在延迟时间T_DLY之后产生切换信号PWM。根据输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1产生积分信号V_T。一旦产生切换信号PWM，便将相应地产生第二积分信号SAW。一旦第二积分信号SAW高于积分信号V_T切换信号PWM将禁用。这样产生的切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2与输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1相同。因而，并联式功率转换器实现了功率共享。

本领域的技术人员将容易了解，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明的结构作出各种修改和变更。鉴于前文所述，倘若对本发明作出的修改和变更在所附权利要求书及其等效物的范围内，则希望本发明涵盖这些修改和变更。

Claims (15)

1.一种用于并联式功率转换器的切换控制器，其包括：

输入电路，其耦合到所述切换控制器的输入端子，以用于接收输入信号而产生移相信号；

积分电路，其耦合到所述输入电路，以用于响应于所述输入信号的脉冲宽度而产生积分信号；以及

控制电路，其耦合到所述积分电路，以用于产生切换信号而切换所述功率转换器，其中在所述输入信号的启用与所述移相信号的启用之间产生延迟时间，且其中所述切换信号响应于所述移相信号的启用而启用，且根据所述积分信号来决定所述切换信号的脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述的切换控制器，其进一步包括电阻器，所述电阻器耦合到所述切换控制器的延迟时间电路以对所述延迟时间进行调整。

3.根据权利要求1所述的切换控制器，其中所述积分信号根据所述输入信号的脉冲宽度而产生，且所述切换信号的脉冲宽度根据所述积分信号而产生。

4.根据权利要求1所述的切换控制器，其中一旦所述积分信号低于阈值，所述切换信号便禁用。

5.根据权利要求1所述的切换控制器，其中一旦所述功率转换器的功率晶体管的切换电流高于限制值，所述切换信号便禁用。

6.根据权利要求1所述的切换控制器，其中所述切换信号的最大导通时间受到限制。

7.一种用于功率转换器的切换控制器，其包括：

输入电路，其耦合到输入端子，以用于接收输入信号；

控制电路，其经耦合以决定切换信号而切换所述功率转换器；以及

电阻器，其经耦合以决定延迟时间，其中所述切换信号响应于所述输入信号而产生，其中在所述输入信号的启用与所述切换信号的启用之间产生所述延迟时间，且根据所述输入信号的脉冲宽度而决定所述切换信号的脉冲宽度。

8.根据权利要求7所述的切换控制器，其进一步包括积分电路，以根据所述输入信号的脉冲宽度而产生积分信号；其中一旦所述积分信号低于阈值，所述切换信号便禁用。

9.根据权利要求7所述的切换控制器，其中一旦所述功率转换器的功率晶体管的切换电流高于限制值，所述切换信号便禁用。

10.根据权利要求7所述的切换控制器，其中所述切换信号的最大导通时间受到限制。

11.一种用于功率转换器的切换控制器，其包括：

输入电路，其耦合到输入端子，以用于接收输入信号；以及

控制电路，其经耦合以产生切换信号而切换所述功率转换器，其中所述切换信号的脉冲宽度与所述输入信号的脉冲宽度相关。

12.根据权利要求11所述的切换控制器，其进一步包括电阻器以对延迟时间进行调整，其中在所述输入信号的启用与所述切换信号的启用之间产生所述延迟时间。

13.根据权利要求11所述的切换控制器，其进一步包括积分电路，以根据所述输入信号的脉冲宽度而产生积分信号，其中一旦所述积分信号低于阈值，所述切换信号便禁用。

14.根据权利要求11所述的切换控制器，其中一旦所述功率转换器的功率晶体管的切换电流高于限制值，所述切换信号便禁用。

15.根据权利要求11所述的切换控制器，其中所述切换信号的最大导通时间受到限制。

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