CN101247089A - 用于并联式电源供应器的功率分享的切换控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于电源供应器的功率分享的切换控制器，其包含输入电路、第一积分电路及控制电路。其中，该输入电路耦接于输入端，用来接收输入信号，以产生相移信号。该第一积分电路耦接于该输入电路，用来响应该输入信号的脉冲宽度而产生第一积分信号。该控制电路耦接于该第一积分电路，用来产生切换该电源供应器的切换信号。该切换信号响应该相移信号而使能，而该切换信号的脉冲宽度决定于该第一积分信号。

Description

用于并联式电源供应器的功率分享的切换控制器

技术领域

本发明涉及一种切换控制器，尤指一种用于并联式电源供应器的切换控制器。

背景技术

为了满足电脑及通讯系统的高速运作需求，电源供应器必需要能供应中央处理器及其周边装置较大的切换电流。然而，电源供应器在供应较大切换电流的同时，会有较多的功率损失。一般说来，电源供应器的功率损失与其所供应的切换电流的平方成正比，也就是如下列方程式(1)所示：

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

其中，I为该电源供应器的切换电流，而R为切换装置的阻抗，例如像是电感及晶体管的电阻...等。

较高的输出电流会导致较低的效率，其中又以对低输出电压的电源供应器的效率的影响尤为严重。近年来，各种并联式输出的技术已被广泛地用来解决此项问题，例如，由Dinh所公开的美国专利号6,262,566“DC-to-DC controller having a multi-phase synchronous buckregulator”、由Walters等人所公开的美国专利号6,278,263“Multi-phaseconverter with balanced currents”、由Ashburn等人所公开的美国专利号6,362,608“Multi-phase switching converters and methods”、及由Yang等人所公开的美国专利号6,404,175“Multi-phase and multi-module powersupplies with balanced current between phases and modules”等。然而，这些背景技术有一项共同的缺点，也就是仅能提供有限数目的并联式通道(parallel channel)，具体言之，这些现有技术仅能提供二或三个通道。这种仅能提供有限数目个通道特性，会使并联式输出的技术在应用上不具弹性。这些现有技术尚有另一项缺点，也就是平衡电流方法(balance current approach)，必需不断地量测切换电流，然而，量测切换电流会造成功率损失。

发明内容

鉴于以上所述背景技术的缺点，本发明的一个目的即在提供一种用于并联式电源供应器的具有功率分享功能的切换控制器，以达到不需量测切换电流，且能增加并联式通道的应用上的弹性。

为达成上述及其它目的，本发明所提供的用于并联式电源供应器的切换控制器包含：输入电路，用来接收输入信号，以产生相移信号；电阻，其决定该输入信号及该相移信号间的延迟时间；第一积分电路，其耦接于该输入电路，用来响应于该输入信号的脉冲宽度，以产生第一积分信号；以及控制电路，用来产生切换该电源供应器的切换信号。该用于电源供应器的切换控制器还包含第二积分电路，用来响应于切换信号的脉冲宽度，以产生第二积分信号。

该切换信号响应于相移信号的使能而使能，并响应于第一积分信号及第二积分信号的比较结果而失效。第一积分电路的时间常数(timeconstant)与第二积分电路的时间常数相关。如此一来，切换信号的脉冲宽度决定于该第一积分信号的位准。第一积分信号的位准随着输入信号的脉冲宽度的增加而增加，而切换信号的脉冲宽度则随着第一积分信号的减少而减少。切换信号的脉冲宽度随着输入信号的脉冲宽度相应变化，以实现功率分享。此外，侦测电路用来侦测该输入信号，以在该侦测电路侦测到该输入信号并不存在时，使切换信号得以响应脉冲信号而被使能。另有振荡器被用来产生该脉冲信号及斜坡信号，且有误差放大器耦接至该电源供应器的输出端，用来产生反馈信号，使切换信号得以响应该反馈信号及斜坡信号的比较结果而失效。假设输入信号存在，误差放大器会因过电压保护而运作。

本发明的具有功率分享能力的切换控制器可独立(tand-alone)运作，也可与其它切换控制器并联地运作，以对电源供应器提供高输出电流。理论上，本发明的切换控制器的并联数目并无限制。同步化及相移可进一步用来分散(spread)切换噪音及降低波纹(ripple)。当使用功率分享替代平衡电流时，便不需量测切换电流，如此将可简化电路，并进而增进该电源供应器的效率。

附图说明

图1为本发明的并联式电源供应器的较佳实施例。

图2为本发明的切换控制器的较佳实施例的电路示意图。

图3为本发明的切换控制器中的功率分享电路。

图4为本发明的输入电路的较佳实施例的电路示意图。

图5为脉冲产生器的电路图的较佳实施例的电路示意图。

图6为用以侦测该输入电路的输入的侦测电路的较佳实施例的电路示意图。

图7为本发明的积分电路的较佳实施例的电路示意图。

图8为振荡器电路的较佳实施例的电路示意图。

图9为多路复用器的电路图的较佳实施例的电路示意图。

图10为本发明的重置电路的较佳实施例的电路示意图。

图11为本发明的切换控制器中几个关键波形。

主要元件符号说明

10、20、40切换控制器

12、22、42、117、120、121、122、142、145、181、181、225、316晶体管

15、25、45变压器        16、26、46整流器

17、27、47、125、155、185-187、220、325电容

21、41电阻

50反馈电路              80、149触发器

85、159、252、253、351、351与门

90驱动电路

100功率分享电路         110输入电路

115操作放大器           130、131缓冲门

132、133、235-237、315与非门

134、147、151、152、157、240、241、251、360、361反相器

135、165、170、175脉冲产生器

140侦测电路

143、150、180、210、215、320电流源

160第一积分电路

190-192、211、216开关   200振荡器

230、231、330、345比较器

250多路复用器       256、370或非门

300重置电路         310第二积分电路

SYN、DLY、IN输入端  S_YN输入信号

SW、OUT输出端       FB反馈端

V_IN输入电压         V_o输出电压

V_FB反馈信号         CNT控制信号

PWM切换信号         RAMP斜坡信号

PLS脉冲信号         S₂相移信号

ON输出信号          OFF重置信号

PWRST电源重置信号   V_T第一积分信号

S₁输入整形信号      V_REF参考电压

SP₁第一取样信号     SP₂第二取样信号

V_H、V_L作用点电压    SAW第二积分信号

T_DLY延迟时间        T_ON1、T_ON2脉冲宽度

I₁₂₀、I₁₂₂、I₁₈₀、I₃₂₀电流

具体实施方式

以下配合附图说明本发明的具体实施例，以使所属技术领域中具有通常知识者可轻易地了解本发明的技术特征与实现的功效。

图1为本发明的较佳实施例中并联式电源供应器的较佳实施例。其中，切换控制器10、晶体管12及变压器15共同组成第一功率转换器，切换控制器10的输出端SW耦接并用来控制晶体管12，晶体管12是用来切换变压器15，整流器16及电容17是连接至变压器15，用来产生该第一功率转换器的输出；切换控制器20、晶体管22及变压器25共同组成第二功率转换器，整流器26及电容27是连接至变压器25，用来产生该第二功率转换器的输出；切换控制器40、晶体管42及变压器45共同组成第四功率转换器，整流器46及电容47连接至变压器45，用来产生该第四功率转换器的输出。该第一功率转换器的输出端、该第二功率转换器的输出端及该第四功率转换器的输出端，皆以并联的方式连接至该电源供应器的输出端；变压器15连接至输入电压V_IN。当切换控制器10开启时，会产生切换电流I_10-sw，而切换电流I_10-sw可由下列方程式(2)来表示：

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

其中，L₁₅为变压器15中主要线圈的电感值，T_ON-10为控制切换器10的开启时间(on time)，而V_IN为输入电压。

切换控制器10的反馈端FB经由反馈电路50而耦接至输出端，用来调节电源供应器输出端的输出电压V_O。反馈电路50通常包含误差放大器(error amplifier)及光耦合器(optical coupler)，用来响应于该电源供应器的输出电压V_O，以产生反馈信号V_FB。切换控制器10的输出端SW耦接至切换控制器20的输入端SYN，切换控制器10经由切换控制器20的输入端SYN控制切换控制器20。电阻21连接至切换控制器20，用来决定切换控制器10及20的切换信号间的延迟时间(delay time)；相同地，电阻41连接至切换控制器40，以用来决定切换控制器40及其之前的切换控制器的切换信号之间的延迟时间。切换控制器10做为主要(master)控制器，而切换控制器20及40则做为从属(slave)控制器。所述功率转换器的输出皆连接至输出电压V_O。其中所述从属控制器可采菊链式(daisy chain)排列，以同步化并分享功率。而所述从属控制器与主要控制器具有相同的开启时间及切换周期。

该电源供应器的输出功率P_O可由下列方程式表示：

$P_O=\frac{1}{2}\×L\×I^2---\left(3\right)$

$P_{10}=\frac{{\left(V_{\mathrm{IN}}\right)}^2\×{\left(T_{\mathrm{ON}-10}\right)}^2}{2\×L_{15}\×T_{10}}---\left(4\right)$

$P_{20}=\frac{{\left(V_{\mathrm{IN}}\right)}^2\×{\left(T_{\mathrm{ON}-20}\right)}^2}{2\×L_{25}\×T_{20}}---\left(5\right)$

$P_{40}=\frac{{\left(V_{\mathrm{IN}}\right)}^2\×{\left(T_{\mathrm{ON}-40}\right)}^2}{2\×L_{45}\×T_{40}}---\left(6\right)$

P_O＝P₁₀+P₂₀+..+P₄₀---------------------------------(7)

其中，L₂₅及L₄₅分别为变压器25及45的电感值，T_ON-20及T_ON-40为切换控制器20及40的开启时间，T₁₀、T₂₀和T₄₀为切换控制器10、20和40的切换周期，P₁₀为该第一功率转换器的输出功率，P₂₀为该第二功率转换器的输出功率，而P₄₀为该第四功率转换器的输出功率。

由于所述从属控制器的开启时间及切换周期设计成相等于该主要控制器的开启时间T_ON及切换周期T，因此，若所述变压器15、25和45的电感值皆相同，则每一个功率转换器皆会有相等的输出电流。

图2为本发明的切换控制器的较佳实施例。该切换控制器包含功率分享电路(power-sharing circuit，PSC)100，其连接输入端SYN，用来接收输入信号S_YN，因此输入信号S_YN为另一个切换控制器所输出的输出信号。功率分享电路100另耦接输入端DLY，用来接收输入电流I_DLY。其中图1中的电阻21及41均可用来决定输入电流I_DLY的大小。功率分享电路100响应于输入信号S_YN而产生相移(phase-shift)信号S₂、控制信号CNT和第一积分信号V_T。当输入信号S_YN使能达延迟时间T_DLY后，相移信号S₂才被产生，而延迟时间T_DLY的长短决定于输入电流I_DLY的大小。控制信号CNT是用以指示输入信号S_YN是否有效。第一积分信号V_T的产生与输入信号S_YN的脉冲宽度相关。

振荡器(oscillator，OSC)200用来产生脉冲信号PLS及斜坡(ramp)信号RAMP。脉冲信号PLS及相移信号S₂皆连接至多路复用器(multiplexer，MUX)250。控制信号CNT连接多路复用器250，并用来控制多路复用器250。多路复用器250于控制信号CNT使能时，所输出的信号相同于相移信号S₂；而多路复用器250于控制信号CNT失效时，所输出的信号相同于脉冲信号PLS。多路复用器250的输出信号ON耦接至触发器80，并用来设定触发器80。触发器80与与门85共同形成控制电路，该控制电路在与门85的输出端产生切换信号PWM。与门85的输入端连接触发器80的输出端及多路复用器250的输出端，触发器80受控于重置信号(reset signal)OFF而重置。重置电路300响应第一积分信号V_T或反馈信号V_FB而产生重置信号OFF。具体言之，当控制信号CNT失效时，重置信号OFF响应反馈信号V_FB而产生，而反馈信号V_FB与斜坡信号RAMP的比较结果，将控制重置信号OFF的产生。当该切换控制器运作成主要控制器时，控制信号CNT是失效；反之，若该切换控制器运作成从属控制器，则控制信号CNT将使能，且重置信号OFF将响应第一积分信号V_T而产生。切换信号PWM是经由驱动电路90输出至该切换控制器的输出端SW。

图3为功率分享电路100的较佳实施例的电路示意图。功率分享电路100包含输入电路110及第一积分电路160。其中，输入电路110耦接至输入端SYN及输入端DLY，用来接收输入信号S_YN及输入电流I_DLY，并产生控制信号CNT、相移信号S₂和输入整形(input-shaping)信号S₁。其中，输入整形信号S₁是传送至第一积分电路160。第一积分电路160响应输入整形信号S₁及切换信号PWM，而产生第一积分信号V_T。

图4为输入电路110的较佳实施例的电路示意图。缓冲门(buffergate)130连接至输入端SYN，以接收输入信号S_YN。缓冲门130响应输入信号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的临界电压时，输入整形信号S₁会被使能(logic-high)。操作放大器115的正输入端连接参考电压V_REF，而操作放大器115的负输入端则耦接至输入端DLY。操作放大器115与晶体管120联合，以依据电阻21或41的电阻值，产生电流I₁₂₀。晶体管121及122共同形成电流镜(currentmirror)，以用来依据电流I₁₂₀产生电流I₁₂₂，电流I₁₂₂用来对电容125充电。缓冲门131的输入端连接至电容125，而缓冲门131的输出端则连接至与非门132的输入端，与非门132的另一输入端则输入该输入整形信号S₁。与非门132的输出端耦接至脉冲产生器135，并经由脉冲产生器135产生相移信号S₂。因此，输入信号S_YN使能及相移信号S₂使能之间，即存在有一延迟时间T_DLY。其中电阻值(例如电阻21或41)是决定电流I₁₂₀及电流I₁₂₂的大小，而延迟时间T_DLY的长短则由电流I₁₂₂及电容125的电容值所共同决定。

晶体管117连接至电容125，以用来对电容125放电。与非门133用来控制晶体管117的导通/截止。其中，与非门133的第一输入端输入该输入整形信号S₁，而切换信号PWM则经由反相器134输入到与非门133的第二输入端。如此一来，当输入整形信号S₁失效或切换信号PWM使能时，电容125便会被放电。此外，侦测电路140是用来侦测输入信号S_YN的输入。侦测电路140是响应相移信号S₂而产生控制信号CNT。

图5为脉冲产生器135的的较佳实施例的电路示意图。反相器151连接脉冲产生器135的输入端IN，用来接收输入信号。反相器151的输出端经由反相器152连接晶体管153，且用来控制晶体管153。电容155与晶体管153并联，电流源150耦接电容155，用以对电容155充电。反相器157的输入端连接至电容155，反相器157的输出端则连接至与门159的输入端。与门159的另一输入端则是连接反相器151的输出端，至于与门159的输出端则连接脉冲产生器135的输出端OUT。如此一来，脉冲产生器135便可响应脉冲产生器135的输入信号的下降缘(falling edge)，而产生脉冲电压，其中，脉冲电压的脉冲宽度则由电流源150的电流及电容155的电容值所共同决定。

图6为侦测电路140的较佳实施例的电路示意图。相移信号S₂被传送至晶体管142，用以控制晶体管142。晶体管142是用来控制电容145放电。电流源143连接电容145，用以对电容145充电。反相器147的输入端连接至电容145，而反相器147的输出端则连接触发器149，用以重置触发器149。触发器149是被相移信号S₂使能。触发器149响应相移信号S₂，而产生控制信号CNT。具体言之，当相移信号S₂没有在暂停期间(time-out period)内输入，则控制信号CNT会失效。该暂停期间由电流源143的电流以及电容145的电容值所共同决定。

图7为第一积分电路160的较佳实施例的电路示意图。电流源180经由开关190连接电容185，且用来对电容185充电。开关190由输入整形信号S₁所控制。电容186经由开关191耦接至电容185。开关191由第一取样信号S_P1所控制。电容187经由开关192而连接至电容186，用以产生第一积分信号V_T。开关192由第二取样信号S_P2所控制。第二取样信号S_P2由切换信号PWM经由脉冲产生器165所产生。脉冲产生器170响应输入整形信号S₁，而产生第一取样信号S_P1。晶体管181连接至电容185，用以响应第一取样信号S_P1的结束，而对电容185放电。第一取样信号S_P1传送到脉冲产生器175，而脉冲产生器175的输出端耦接至晶体管181，以控制晶体管181。如此一来，输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1、电流源180的电流I₁₈₀以及电容185的电容值C₁₈₅便可共同决定第一积分信号V_T的大小，第一积分信号V_T可由下列方程式(8)表示：

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

图8为振荡器200的较佳实施例的电路示意图。电流源210经由开关211耦接电容220，且用来对电容220充电。电流源215经由开关216耦接至电容220，且用来对电容220放电。比较器230包含作用点电压(trip-point voltage)V_H，比较器231则包含作用点电压V_L。比较器230及231彼此耦合，且共同侦测电容220的电压。与非门235及236形成一闩锁电路(latch circuit)。比较器230的输出端及比较器231的输出端均连接至该闩锁电路，而该闩锁电路的输出端则连接至与非门237的输入端。至于与非门237的输出端则是连接至反相器240以产生脉冲信号PLS。该脉冲信号PLS另被传送至开关216，用以控制开关216的导通/截止，与非门237的输出端用来控制开关211的导通/截止。当控制信号CNT使能时，可经由晶体管225对电容220放电，控制信号CNT经由反相器241以及与非门237，来控制脉冲信号PLS失效。

图9为多路复用器250的较佳实施例的电路示意图。与门252接收脉冲信号PLS，与门253接收相移信号S₂，控制信号CNT连接至与门253；控制信号CNT另经由反相器251而输入至与门252。或非门256响应与门252及253的输出，而产生多路复用器250的输出信号ON。

图10为重置电路300的较佳实施例的电路示意图。重置电路300包含第二积分电路310、比较器330和345、或非门370、与门351和352以及反相器360和361。其中，第二积分电路310包含：电流源320、电容325、晶体管316和与非门315。切换信号PWM及控制信号CNT输入至与非门315；与非门315的输出端经由晶体管316耦接至电容325，以用来对电容325放电；电流源320耦接至电容325，并于切换信号PWM及控制信号CNT使能时对电容325充电。第二积分信号SAW响应切换信号PWM的使能而产生；第二积分信号SAW传送至比较器330，用来与第一积分信号V_T比较。比较器330的输出端依序地耦接与门351与或非门370而产生重置信号OFF。如此一来，一旦第二积分信号SAW高于第一积分信号V_T，切换信号PWM便会失效。切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2可由下列方程式(9)表示：

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

其中，C₃₂₅为电容325的电容值，而I₃₂₀为电流源320的电流大小。

参阅方程式(8)，方程式(9)可改写为下列方程式(10)：

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

由式(10)可看出，适当的选取C₃₂₅使其与C₁₈₅相关，及将电流I₃₂₀设定为与电流I₁₈₀相关，则切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2会相等于输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1。如此一来，第一积分信号V_T便会随着输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1的增加而增加；而切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2则会随着第一积分信号V_T的减少而减少。

比较器345的输出端是连接至与门352，而与门352的另一输入端则经由反相器360而耦接至控制信号CNT。或非门370的第二输入端连接至与门352的输出端，反馈信号V_FB及斜坡信号RAMP均输入至比较器345，以在控制信号CNT失效时，产生重置信号OFF，电源开启(power-on)重置信号PWRST经由反相器361而输入至或非门370的第三输入端。

第11图显示切换控制器中输入信号S_YN及切换信号PWM的波形图。输入信号S_YN用来于延迟时间T_DLY后产生切换信号PWM，第一积分信号V_T依据输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1而产生。一旦切换信号PWM产生，第二积分信号SAW会相应地产生。一旦第二积分信号SAW高于第一积分信号V_T，切换信号PWM便会失效。切换信号PWM的脉冲宽度T_ON2因而等于输入信号S_YN的脉冲宽度T_ON1。如此一来，并联式电源转换器的功率分享便得以实现。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如后述的权利要求所列。

Claims (10)

1. 一种用于并联式电源供应器的功率分享的切换控制器，该切换控制器包含：

输入电路，其耦接于输入端，用来接收输入信号，以产生相移信号；

第一积分电路，其耦接于该输入电路，用来响应于该输入信号的脉冲宽度以产生第一积分信号；以及

控制电路，其耦接于该第一积分电路，用来产生切换该电源供应器的切换信号；

其中，该切换信号响应于该相移信号而使能，而该切换信号的脉冲宽度决定于该第一积分信号。

2. 根据权利要求1所述的切换控制器，其另外包含电阻，用来决定该输入信号使能时及该相移信号使能时之间的延迟时间。

3. 根据权利要求1所述的切换控制器，其中，该第一积分信号随着该输入信号的脉冲宽度的增加而增加，而该切换信号的脉冲宽度则随着该第一积分信号的减少而减少。

4. 根据权利要求1所述的切换控制器，其中，该输入电路包含侦测电路，用来侦测该输入信号的输入。

5. 根据权利要求1所述的切换控制器，其另外包含：

振荡器，其产生脉冲信号及斜坡信号；以及

反馈端，其耦接于该电源供应器的输出端，用来接收反馈信号；

其中，若该输入信号不存在，则该切换信号是响应于该脉冲信号而使能，且响应于该反馈信号及该斜坡信号间的比较而失效。

6. 根据权利要求1所述的切换控制器，其还包含：

第二积分电路，用来响应该切换信号的脉冲宽度，以产生第二积分信号，其中，该输入电路另产生相移信号，而该切换信号响应于该第一积分信号及该第二积分信号间的比较而失效。

7. 一种用于并联式电源供应器的功率分享电路，该功率分享电路包含：

输入电路，用来接收输入信号，并据以产生相移信号；

第一积分电路，其耦接于该输入电路，用来将该输入信号予以积分，并据以产生第一积分信号；

控制电路，其耦接于该输入电路，且响应于该输入信号而使能，并产生切换信号；以及

第二积分电路，耦接于该控制电路，用来将该切换信号予以积分，并产生第二切换信号；

其中，当该第二积分信号一高于该第一积分信号时，该切换信号便失效。

8. 根据权利要求7所述的功率分享电路，其还包含电阻，该电阻是耦接于该输入电路，用来决定该输入信号使能时及该相移信号使能时之间的延迟时间。

9. 根据权利要求7所述的功率分享电路，其中，该第二积分电路的时间常数与该第一积分电路的时间常数相关。

10. 根据权利要求7所述的功率分享电路，其中，该第一积分信号随着该输入信号的脉冲宽度的增加而增加，而该切换信号的脉冲宽度随着该第一积分信号的减少而减少。

Images