CN101630907A - Dc/dc转换器、具有dc/dc转换器的计算机系统和dc/dc转换方法 - Google Patents

Dc/dc转换器、具有dc/dc转换器的计算机系统和dc/dc转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC/DC转换器，包括该DC/DC转换器的计算机系统和DC/DC转换方法。该DC/DC转换器包括：滤波部分，该滤波部分接收输入电压，并输出对所述输入电压进行电平转换的输出电压；多个开关部分，所述多个开关部分进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分，其中所述开关部分在相电压端子处与所述滤波部分并联；及控制装置，该控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压达到预定的目标值。

Description

DC/DC转换器、具有DC/DC转换器的计算机系统和DC/DC转换方法
技术领域
本发明的各方面涉及DC/DC转换器，该DC/DC转换器能够以高开关频率进行工作，并涉及具有该DC/DC转换器的计算机系统和其中的DC/DC转换方法。
背景技术
通常，计算机系统，如台式电脑或便携式电脑，设置有用于供给操作电源的内部或外部电源。该电源可具有向计算机系统供给DC电源的DC/DC转换器。为了提高效率或其它原因，开关式DC/DC转换器通常用作计算机DC/DC转换器。
在开关式DC/DC转换器的设计中，可能存在如下考虑：
首先，输出电流和输出电压的波纹(ripple)需要满足设计规格(例如，需要在预定值范围内)。
其次，当滤波电感器和滤波电容器的容量变得越来越小时，其成本变得越来越便宜，且其尺寸变得越来越小。
然而，由滤波电感器和滤波电容器确定的切断频率应当比开关频率小，以确保所要求的滤波功能，且因此，在为了降低其尺寸而降低滤波电感器的感应系数存在限制。
另一方面，通过增加开关频率能够降低输出电流的波纹。然而，由于用作开关式DC/DC转换器的开关元件的MOSFETs或其它类似的元件的特性，开关频率不能增加而超出一定的限制范围。
发明内容
因此，本发明的各方面提供一种DC/DC转换器，该DC/DC转换器能够使成本和尺寸最小化，同时满足关于输出电压和输出电流的波纹、输出瞬态响应等设计规格。并提供一种具有该DC/DC转换器的计算机系统和DC/DC转换方法。
此外，本发明的各方面提供一种DC/DC转换器，包括：滤波部分，该滤波部分接收输入电压，并输出对所述输入电压进行电平转换的输出电压；多个开关部分，所述多个开关部分进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分，其中所述开关部分在相电压端子处与所述滤波部分并联；及控制装置，该控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压达到预定的目标值。
所述控制装置可控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
所述控制装置可顺序地控制所述多个开关部分的开关。
在所述控制装置的控制下的所述多个开关部分中的每一个可包括：控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及同步FET，如果所述控制FET断开，则该同步FET续流流进所述滤波部分的电流。
如果所述多个开关部分之一中的所述控制FET和所述同步FET之一接通，所述控制装置断开在剩余的多个开关部分中的所述控制FETs和所述同步FETs。
所述滤波部分包括：滤波电感器，该滤波电感器储存所述输入电压的能量；及滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
此外，本发明的各方面提供一种计算机系统，包括：系统单元，该系统单元执行计算机程序以处理数据；及DC/DC转换器，该DC/DC转换器向所述系统单元供给工作电力。其中所述DC/DC转换器包括：滤波部分，该滤波部分接收输入电压，并输出对所述输入电压进行电平转换的输出电压，该输出电压作为所述系统单元的工作电压；多个开关部分，所述开关部分在相电压端子处与所述滤波部分并联，且所述多个开关部分进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及控制装置，该控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压达到预定的目标值。
所述控制装置可控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
所述控制装置可顺序地控制所述多个开关部分的开关。
在所述控制装置的控制下的所述多个开关部分中的每一个可包括：控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及同步FET，如果所述控制FET断开，则该同步FET续流流进所述滤波部分的电流。
如果所述多个开关部分之一中的所述控制FET和所述同步FET之一接通，所述控制装置断开在剩余的多个开关部分中的所述控制FETs和所述同步FETs。
所述滤波部分包括：滤波电感器，该滤波电感器储存所述输入电压的能量；及滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
此外，本发明的各方面提供一种DC/DC转换方法，包括：对在相电压端子处与滤波部分并联的多个开关部分中的一个进行开关操作，且进行开关操作以便选择性地供给输入电压，其中为了输出输出电压，所述多个开关部分中的一个转换所述输入电压的电压电平；及顺序地对所述多个开关部分中的其他开关部分进行开关操作，使得所述输出电压达到预定的目标值。
所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
其中以顺序开关的方式，所述多个开关部分一个接一个地被选择性地开关。
所述多个开关部分中的每一个包括：控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及同步FET，如果所述控制FET断开，则该同步FET续流流进所述滤波部分的电流。
如果所述多个开关部分之一中的所述控制FET和所述同步FET之一接通，所述控制装置断开在剩余的多个开关部分中的所述控制FETs和所述同步FETs。
所述滤波部分包括：滤波电感器，该滤波电感器能够储存所述输入电压的能量；及滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
本发明的其它方面和/或优点将在随后的描述中部分地提出，且部分地，根据该描述，将会是明显的，或者通过本发明的实践是可以教导的。
附图说明
结合附图，根据下文各实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得明白且更容易理解，其中：
图1示出根据本发明的示例性实施例的计算机系统1；
图2示出根据本发明的示例性实施例的DC/DC转换器；
图3示出根据本发明的示例性实施例的控制信号、相电压和输出电流；
图4示出与本发明的示例性实施例相比较的例子的多相DC/DC转换器；
图5示出根据图4中的DC/DC转换器的控制信号、相电压和输出电流；及
图6示出根据本发明的示例性实施例的DC/DC转换方法。
具体实施方式
现在将参照本发明的各实施例进行详细描述，这些实施例的例子在附图中示出，其中全文中相同的附图标记涉及相同的元件。为了解释本发明，通过参照附图，以下将描述各实施例。
图1示出根据本发明实施例的计算机系统1。计算机系统1可具体表示为台式计算机、便携式计算机、移动设备、家用电子设备、视屏或音频设备、电信设备、或具有嵌入式计算机的电子设备等等。如图1所示，计算机系统1可包括系统单元10和DC/DC转换器20。
系统单元10根据计算机程序的执行而处理数据。系统单元10可包括：用于储存计算机程序和硬盘驱动的ROM、用于执行加载计算机程序的RAM并执行加载在RAM中的计算机程序的CPU、用于执行接口的北桥(或MCH：存储控制器集线器)和南桥(或ICH：输入/输出控制器集线器)；及图形控制器、声音控制器、网络控制器、USB控制器、鼠标、键盘、显示器、CD/DVD等等。
DC/DC转换器20完成向系统单元10供电的部分电源功能(未示出)。DC/DC转换器20输出了系统单元10的工作电压，DC输入电压的电压电平已经转换成系统单元10的工作电压的。
DC/DC转换器20可将从整流/滤波装置(未示出)输出的DC电压接收作为输入电压，其中该整流/滤波设备接收并整流/滤波AC电压。计算机系统1可进一步包括用于向DC/DC转换器20输出DC电压的整流/滤波装置。DC/DC转换器20可设置为分离装置，或可与整流/滤波装置一体设置。
图2示出根据本发明示例性实施例的DC/DC转换器20。DC/DC转换器20可以为同步降压(synchronous buck)转换器。如图2所示，DC/DC转换器20包括：滤波部分21，该滤波部分21接收输入电压(VIN)，并输出输出电压(VOUT)，该输出电压从输入电压(VIN)的电平转换为系统单元10的工作电压；多个开关部分22，每个开关部分22与滤波部分21并联，并进行开关，以便输入电压(VIN)选择地供给滤波部分21；及控制装置，该控制装置顺序控制多个开关部分22的开关，使得所述输出电压(VOUT)达到预定的目标值。
滤波部分21可包括滤波电感器(LF)，在该滤波电感器中能够储存输入电压(VIN)的能量；及滤波电容器(CF)，该滤波电容器输出所述输出电压(VOUT)。滤波部分21基于由滤波电感器(LF)和滤波电容器(CF)的电抗确定的断开频率完成低通滤波。
每个开关部分22包括一对开关元件(以下，称为‘臂(arm)’)，每对开关元件以上部终端(Q1A，Q2A...，QNA)和下部终端(Q1B，Q2B...，QNB)设置。每个臂在相电压(VP)终端处与滤波电感器(LF)并联。
在控制装置23控制下的每个臂包括：控制FETs(Q1A，Q2A...，QNA)，该控制FETS进行开关动作，以便输入电压(VIN)选择性地供给滤波部分21；及同步FETs(Q1B，Q2B...，QNB)，如果断开控制FETs(Q1A，Q2A...，QNA)，该同步FETs(Q1B，Q2B...，QNB)续流(free-wheeling)流进滤波部分21的输出电流(IL)。
控制装置23包括多个输出端(DH1，DL1，DH2，DL2，......，DHN和DLN)，所述多个输出端分别向多个控制FETs(Q1A，Q2A，......和QNA)和多个同步FETs(Q1B，Q2B，.......和QNB)输出控制信号，并顺序地一个接一个开关所述多个开关部分22。控制装置23将输出电压(VOUT)和/或输出电流(IL)接收作为反馈(未示出)，并控制所述多个开关部分22，使得输出电压(VOUT)达到预定的目标值。控制装置23可以脉冲宽度调制(PWM)方式完成控制。
图3示出根据本发明实施例的控制信号(涉及DH1，DL1，DH2，DL2，DH3，DL3，DH4和DL4)、相电压(VP)和输出电流(IL)的波形。为了便于描述，示出四个开关部分22的控制信号的波形，但该实施例并不限于此。
控制装置23顺序地对第一控制FET(Q1A)和第一同步FET(Q1B)(涉及DH1和DL1)至第四控制FET(Q4A)和第四同步FET(Q4B)进行开关。如图3所示，如果对第二控制FET(Q2A)和第二同步FET(Q2B)对及第三控制FET(Q3A)和第三同步FET(Q3B)对的开关终止(参照图3，示出为DH2和DL2，及DH3和DL3)，且随后对第四控制FET(Q4A)和第四同步FET(Q4B)对的开关终止(参照图3，示出为DH4和DL4)，则控制装置23再次对第一控制FET(Q1A)和第一同步FET(Q1B)对进行开关。
在对每个臂(DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的开关中，控制装置23以预定的占空比(D)接通且随后断开控制FETs(Q1A，Q2A，Q3A和Q4A)，且接通同步FETs(Q1B，Q2B，Q3B和Q4B)。根据本发明实施例，仅在控制FETs(Q1A，Q2A，Q3A和Q4A)被断开之前，同步FETs(Q1B，Q2B，Q3B和Q4B)可首先被接通。
而且，控制装置23终止对一个臂(涉及DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的开关，且随后进行下一个臂(涉及DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的开关。在对一个臂(涉及DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)进行开关期间，其它臂(涉及DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)可以被断开。
参照图2，如果接通一个控制FETs(Q1A，Q2A，Q3A和Q4A)，且断开一个同步FETs(Q1B，Q2B，Q4B和Q4B)，则输入电压(VIN)供给滤波电感器(LF)，且因此，输出电流(IL)流进滤波电感器(LF)，且由滤波电容器(CF)输出输出电压(VOUT)。在这种情况中，电流能量储存在滤波电感器(LF)中，且输出电流(IL)增加。
参照图2，如果断开一个控制FETs(Q1A，Q2A，Q3A和Q4A)，且接通一个同步FETs(Q1B，Q2B，Q3B和Q4B)，则不向滤波电感器(LF)供给输入电压(VIN)。在这种情况中，对应的同步FETs(Q1B，Q2B，Q3B和Q4B)、滤波电感器(LF)和滤波电容器(CF)形成闭环，且因此，输入电流(IL)根据储存在滤波电感器(LF)中的电流能量进行流动，且由滤波电容器(CF)输出输出电压(VOUT)。在这方面，滤波电感器(LF)的电流能量被释放，且输出电流(IL)降低。
控制装置23可使关于各个臂(DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的占空比(D)相等。根据本实施例的占空比(D)可以为0.167。
在图3中的实施例中，各个臂(DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的开关频率(Fs1)为250kHz。由于臂(DH1与DL1，DH2与DL2，DH3与DL3，及DH4与DL4)的数目为4，则相电压(VP)终端的开关频率(Fs2)为250kHz×4，即1MHz。
如上所述，根据本实施例，所述多个臂并联，且被顺序开关，因此，相电压(VP)终端的开关频率能够极大地增加，而不增加每个臂的开关频率的容量。
如果能够增加开关频率，则可以充分地保证增加断开频率的可能性，且因此，滤波电感器(LF)的感应系数降低，LC滤波器的尺寸能够降低，且其成本能够降低。
图4示出与之比较的例子，在该比较例中，开关频率以多相方式增加。图4中示出的DC/DC转换器40设置有关于各个臂(Q1A’与Q1B’，Q2A’与Q2B’...，及QNA’与QNB’)的滤波电感器(LF1’，LF2’...，和LFN’)。
图5示出DC/DC转换器40中的控制信号(涉及DH1’，DL1’，DH2’，DL2’，DH3’，DL3’，DH4’和DL4’)和输出电流(IL’)的波形。为了便于描述，以举例的方式，DC/DC转换器40的臂的数目为4。在图5中，输出电流(IL’)为各个臂的电感器电流(IL1’，IL2’，IL3’和IL4’)之和。附图标记51表示对应于各个臂(Q1A’与Q1B’，Q2A’与Q2B’，Q3A与Q3B’，及Q4A’与Q4B’)的单相，且附图标记52表示最终输出端(VOUT’)的多相。
以下，根据图2和3中的本实施例的DC/DC转换器20与根据图4和5中的比较例的DC/DC转换器40将相互比较。
DC/DC转换器20和40在这些方面是相同的，即各个臂的开关频率(Fs1和Fs1’)为250kHz，二者的占空比(D和D’)为0.167，且二者的输出电流(IL和IL’)为1MHz。
然而，在根据本实施例的DC/DC转换器20中，在相电压(VP)终端处的开关频率为1MHz，而在根据比较例的DC/DC转换器40中，在相电压(VP1’，VP2’，VP3’和VP4’)终端的开关频率仅为250kHz。
换句话说，根据本实施例，在相电压(VP)终端处的开关频率能够增加，且因此，滤波电感器(LF)的感应系数能够降低，以由此降低LC滤波器的尺寸和其成本，而在相电压(VP1’，VP2’，VP3’和VPN’)终端处的开关频率不能够增加，且因此，上述效果不能够实现。
并且，DC/DC转换器20和40的不同在于，根据本实施例的DC/DC转换器20包括一个滤波电感器(LF)，而根据比较例的DC/DC转换器40包括多个滤波电感器(LF1’，LF2’，......和LFN’)。因此，根据本实施例，滤波电感器的数目能够降低，同时仍然满足如输出瞬态响应、输出电压和输出电流的波纹等设计规格，且因此，与比较例相比，其成本和尺寸能够降低。
而且，根据本实施例，能够去除相位不平衡，能够实现快速瞬态响应，且能够改善EMI和抗扰性。
而且，根据本实施例，如必须用于多相方式中的每个相的电流传感器和下垂控制装置(droop controller)等元件能够以简单的方式和较低的成本在单个模块中实现。
图6示出根据本发明示例性实施例的DC/DC转换方法。该DC/DC转换方法可由图1至3所示的DC/DC转换器20完成。
首先，在相电压(VP)终端与滤波部分21并联的所述多个开关部分22中的一个被开关，使得输出电压(VOUT)达到预定的目标值(S101)。所述多个开关部分中的被开关的一个可以为第一控制FET(Q1A)和第一同步FET(Q1B)。
随后，所述多个开关部分22中的下一个被开关，使得输出电压(VOUT)达到预定的目标值(S102)。所述下一个开关部分可以为第二控制FET(Q2A)和第二同步FET(Q2B)。
接下来，确认是否所有的开关部分被开关(S103)。如果确认所有的开关部分没有被开关，则进程返回操作S102，且下一个开关部分22被开关。下一个开关部分22可以为第三控制FET(Q3A)和第三同步FET(Q3B)。
如果在操作S103中确认所有的开关部分22被开关，例如，对第四控制FET(Q4A)和第四同步FET(Q4B)的开关完成了，则确认开关操作是否终止(S104)。
如果在操作S104中确认开关操作没有终止，则进程返回S101，以重复操作S101至S104。
如果在操作S104中确认开关操作终止，则所有的操作终止。
根据可替换实施例，操作S103和S104在顺序上可互换。而且，操作S103和S104中的至少一个可在操作S101和S102之间进行。而且，可省略操作S104。
虽然已经示出并描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的原理和精髓的条件下，在该实施例中可进行各种改变，其中本发明的保护范围在权利要求和其等同物中限定。

Claims (19)

1.一种DC/DC转换器，包括：
滤波部分，该滤波部分接收输入电压，并输出对所述输入电压进行电平转换的输出电压；
多个开关部分，所述多个开关部分进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分，其中所述开关部分在相电压端子处与所述滤波部分并联；及
控制装置，该控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压达到预定的目标值。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其中所述控制装置控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
3.根据权利要求2所述的DC/DC转换器，其中所述控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的DC/DC转换器，其中在所述控制装置的控制下的所述多个开关部分中的每一个包括：
控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及
同步场效应晶体管，如果所述控制场效应晶体管断开，则该同步场效应晶体管续流流进所述滤波部分的电流。
5.根据权利要求4所述的DC/DC转换器，其中，如果所述多个开关部分之一中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管之一接通，所述控制装置断开在剩余的多个开关部分中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管。
6.根据权利要求5所述的DC/DC转换器，其中所述滤波部分包括：
滤波电感器，该滤波电感器储存所述输入电压的能量；及
滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
7.一种计算机系统，包括：
系统单元，该系统单元执行计算机程序以处理数据；及
DC/DC转换器，该DC/DC转换器向所述系统单元供给工作电力，其中
所述DC/DC转换器包括：
滤波部分，该滤波部分接收输入电压，并输出对所述输入电压进行电平转换的输出电压，该输出电压作为所述系统单元的工作电压；
多个开关部分，所述开关部分在相电压端子处与所述滤波部分并联，且所述多个开关部分进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及
控制装置，该控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压达到预定的目标值。
8.根据权利要求7所述的计算机系统，其中所述控制装置控制所述多个开关部分的开关，使得所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
9.根据权利要求8所述的计算机系统，其中所述控制装置顺序地控制所述多个开关部分的开关。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的计算机系统，其中在所述控制装置的控制下的所述多个开关部分中的每一个包括：
控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及
同步场效应晶体管，如果所述控制场效应晶体管断开，则该同步场效应晶体管续流流进所述滤波部分的电流。
11.根据权利要求10所述的计算机系统，其中如果所述多个开关部分之一中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管之一接通，所述控制装置断开在剩余的多个开关部分中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管。
12.根据权利要求11所述的计算机系统，其中所述滤波部分包括：
滤波电感器，该滤波电感器储存所述输入电压的能量；及
滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
13.一种DC/DC转换方法，包括：
对在相电压端子处与滤波部分并联的多个开关部分中的一个进行开关操作，且进行开关操作以便选择性地供给输入电压，其中为了输出输出电压，所述多个开关部分中的一个转换所述输入电压的电压电平；及
顺序地对所述多个开关部分中的其他开关部分进行开关操作，使得所述输出电压达到预定的目标值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述输出电压的频率为所述多个开关部分中每一个的开关频率的倍数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中以顺序开关的方式，所述多个开关部分一个接一个地被选择性地开关。
16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中所述多个开关部分中的每一个包括：
控制场效应晶体管(FET)，所述控制场效应晶体管进行开关操作，使得将所述输入电压选择性地供给所述滤波部分；及
同步场效应晶体管，如果所述控制场效应晶体管断开，则该同步场效应晶体管续流流进所述滤波部分的电流。
17.根据权利要求16所述的方法，其中如果所述多个开关部分之一中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管之一接通，则剩余的多个开关部分中的所述控制场效应晶体管和所述同步场效应晶体管被断开。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述滤波部分包括：
滤波电感器，该滤波电感器能够储存所述输入电压的能量；及
滤波电容器，该滤波电容器输出所述输出电压。
19.一种DC/DC转换方法，包括：
接收输入电压；及
通过顺序地开关多个开关部分，将输入电压电平转换至预定输出电压电平，从而将输入电压的输入电压电平转换至输出电压的预定输出电压电平，其中所述多个开关部分与滤波部分并联。
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