CN101656419A - 固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置，该多相电源转换器包含多个信道用以将一输入电压转换为一输出电压，电流平衡装置包括一误差电流信号产生器和一工作时间产生器，其特征在于：该误差电流信号产生器，检测多个信道中第N个信道的信道电流与一目标值的误差产生第N个信道的电流误差信号；工作时间产生器，提供一控制信号驱动第N个信道；其中，当第N个信道的信道电流等于目标值时，该控制信号具有固定的工作时间，当第N个信道的信道电流不等于目标值时，该工作时间产生器根据第N个信道的电流误差信号调节控制信号的工作时间。

Description

固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及一种固定工作时间控制的多相电源转换器，具体地说，是一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置及方法。

背景技术

多相电源转换器是由多个单相切换式转换器并联组成的，其中每一个单相切换式转换器定义为一个通道。为了达成热平衡，在多相电源转换器中的每一个信道中的信道电流必须等于其它信道的信道电流，因此需要一电流平衡机制来让所有信道中的信道电流平衡。一般来说，切换式电源转换器的脉宽调变控制方法可以分为固定切换频率控制及可变切换频率控制。图1为已知的固定切换频率控制示意图，以说明固定切换频率控制，其中用以驱动信道的信号PWM1的切换周期Tsw固定，藉由改变信号PWM1的工作时间(on-time)Ton或非工作时间(off-time)Toff调节信号PWM1的工作周期比(duty ratio)，进而调节所述信道所输出的电压及信道电流。图2为已知的可变切换频率控制示意图，以说明可变切换频率控制，其中用以驱动信道的信号PWM2的工作时间Ton固定，藉由改变信号PWM2的切换周期Tsw来调节信号PWM2的工作周期比，进而调节所述信道所输出的电压及信道电流。

图3为已知的两相电源转换器示意图，所述两相电源转换器10，其包括通道12及16，在信道12中，切换电路14根据信号S1产生信道电流I1，在信道16中，切换电路18根据信号S2产生信道电流I2。在电源转换器10中，信道电流I1及I2不平衡的原因在于信道12及16的阻抗R1及R2不匹配。假设电源转换器10使用固定工作时间控制而且只使用一个输出电压回授回路时，所有通道12及16具有相同的切换周期，换言之，所有信道12及16的工作周期比相同，在没有电流平衡机制的情况下，阻抗R1及R2的不匹配最后将使得电源转换器10进入电压V1等于电压V2的平衡状态，进而导致电流I1及I2不平衡。

因此已知的多相电源转换器在没有电流平衡机制的情况下存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置，所述多相电源转换器包含多个信道用以将一输入电压转换为一输出电压，所述电流平衡装置包括一误差电流信号产生器和一工作时间产生器，其特征在于：

所述误差电流信号产生器，检测所述多个信道中第N个信道的信道电流与一目标值的误差产生所述第N个信道的电流误差信号；

所述工作时间产生器，提供一控制信号驱动所述第N个信道；

其中，当所述第N个信道的信道电流等于所述目标值时，所述控制信号具有固定的工作时间，当所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述工作时间产生器根据所述第N个信道的电流误差信号调节所述控制信号的工作时间。

本发明的电流平衡装置还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的电流平衡装置，其中所述误差电流信号产生器包括：

一加法器，结合所述多个信道中的信道电流产生一总合电流；

一除法器，将所述总合电流除以所述多个信道的数量产生所述目标值；

一减法器，将所述第N个信道的信道电流减去所述目标值产生所述第N个信道的电流误差信号。

前述的电流平衡装置，其中所述工作时间产生器包括：

一电容；

一充放电电路，控制所述电容的充放电；

一比较器，比较所述电容上的跨压及一参考电压而产生所述控制信号。

前述的电流平衡装置，其中所述充放电电路包括：

一电流源，提供一随所述第N个信道的电流误差信号改变的充电电流给所述电容；

一开关，与所述电容并联，用以决定所述电容的充放电。

前述的电流平衡装置，其中所述工作时间产生器包括：

一电容；

一电流源，提供一固定的充电电流给所述电容；

一开关，与所述电容并联，用以决定所述电容的充放电；

一电压源，提供一随所述第N个信道的电流误差信号改变的第一电压；

一比较器，比较所述第一电压及所述电容上的第二电压产生所述控制信号。

前述的电流平衡装置，其中更包括一限制电路用以设定所述第一电压的上限及下限。

前述的电流平衡装置，其中所述第一电压的上限及下限是可调整的。

前述的电流平衡装置，其中在所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述第二信号的工作时间变化量具有一上限及一下限。

前述的电流平衡装置，其中所述上限及下限是可调整的。

一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡方法，所述多相电源转换器包含多个信道用以将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：检测所述多个信道中第N个信道的信道电流与一目标值的误差产生所述第N个信道的电流误差信号；

第二步骤：产生一控制信号驱动所述第N个信道，其中当所述第N个信道的信道电流等于所述目标值时，所述控制信号的工作时间固定，当所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述控制信号的工作时间随所述电流误差信号改变以调节所述第N个信道的信道电流。

本发明的电流平衡方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的电流平衡方法，其中更包括平均所述多个信道中的信道电流以产生所述目标值。

前述的电流平衡方法，其中所述产生一控制信号的步骤包括：

第一步骤：提供一充电电流对一电容充电，所述充电电流随所述第N个信道的电流误差信号变化；

第二步骤：比较所述电容上的第一电压及一参考第二电压以产生所述控制信号。

前述的电流平衡方法，其中所述产生一控制信号的步骤包括：

第一步骤：提供一固定的充电电流对一电容充电；

第二步骤：比较所述电容上的第一电压及一第二电压以产生所述第三信号，所述第二电压随所述第N个信道的电流误差信号改变。

前述的电流平衡方法，其中更包括设定所述第二电压的上限及下限。

前述的电流平衡方法，其中所述第二电压的上限及下限是可调整的。

前述的电流平衡方法，其中更包括设定所述控制信号之工作时间变化量的上限及下限。

前述的电流平衡方法，其中所述上限及下限是可调整的。

采用上述技术方案后，本发明的固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置及方法具有电流平衡机制的优点。

附图说明

图1为已知的固定切换频率控制示意图；

图2为已知的可变切换频率控制示意图；

图3为已知的两相电源转换器示意图；

图4为本发明的实施例示意图；

图5为图4中误差电流信号产生器的实施例示意图；

图6为图4中工作时间产生器的第一实施例示意图；

图7为图6中信号的波形图；

图8为图4中工作时间产生器的第二实施例示意图；

图9为图8中信号的波形图；

图10为图8的电路在不同充电电流Ic的情况下控制信号S1的工作时间及其变化示意图；

图11为图4中工作时间产生器的第三实施例示意图；

图12为图11中限制电路的另一实施例示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

现请参阅图4，图4为本发明的实施例示意图。如图所示，所述多相电源转换器20中，多个通道22、24及26分别根据来自工作时间产生器28、30及32的控制信号S1、S2及SN将输入电压Vin转换为输出电压Vo，误差放大器42根据输出电压Vo及一参考电压(图中未示出)之间的差值产生误差信号VEA，加法器40结合所有通道22、24及26的通道电流IL1、IL2及ILN产生总合电流Isum，总合电流Isum经电阻R产生信号Vof偏移误差信号VEA产生误差信号VEA’，比较器36比较误差信号VEA’及来自锯齿波产生器38的锯齿波信号产生信号PWM，电流平衡装置21包括误差电流信号产生器34及工作时间产生器28、30及32，误差电流信号产生器34检测所有通道22、24及26的通道电流IL1、IL2及ILN与目标值的误差以产生电流误差信号IB1、IB2及IBN，工作时间产生器28、30及32根据电流误差信号IB1、IB2及IBN及信号PWM决定控制信号S1、S2及SN，在所有通道电流IL1、IL2及ILN平衡时，控制信号S1、S2及SN的工作时间固定，当通道电流IL1、IL2及ILN不平衡，工作时间产生器28、30及32根据电流误差信号IB1、IB2及IBN调节控制信号S1、S2及SN的工作时间。

图5为图4中误差电流信号产生器34的实施例示意图，其中加法器3406结合所有通道电流IL1、IL2及ILN产生总合电流Is，除法器3404将总合电流Is除以通道的数量N后产生平均电流Iavg作为目标值，加法器3402将信道22上的信道电流IL1减去平均电流Iavg产生电流误差信号IB1。本实施例虽仅说明如何产生电流误差信号IB1，但本领域的技术人员可以轻易的得知如何得到其它的电流误差信号IB2至IBN。

图6为图4中工作时间产生器28的第一实施例示意图，其中电流源2802与开关SW组成充放电电路控制电容C1的充放电，电流源2802提供随电流误差信号IB1变化的充电电流Ic对电容C1充电，逻辑电路2808根据信号PWM及控制信号S1产生信号Vqn切换开关SW以控制电容C1的充放电，比较器2810比较电容C1上的充电电压Vc及参考电压Vref产生控制信号S1。在电流源2802中，运算放大器2804根据输入电压Vin及输出电压Vo之间的差值产生电压Vin_Vo，电流误差信号IB1施加至电阻RB1产生电压VB1，电压Vin_Vo与电压VB1结合后产生电压Vm，由于电压VB1随电流误差信号IB1变化，因此电压Vm也将随电流误差信号IB1变化，电压电流转换器2806将电压Vm转换为充电电流Ic。

图7为图6中信号的波形图，其中波形50为充电压压Vc，波形52为充电压压Vc，波形54为充电压压Vc，波形56为控制信号S1。当所有通道电流IL1、IL2及ILN平衡时，电流误差信号IB1为零，故电压Vm等于(Vin-Vo)，由于输入电压Vin与输出电压Vo为定值，因此充电电流Ic也为定值，这使得充电电压Vc的上升斜率固定，如波形52所示，因此，控制信号S1的工作时间Ton亦为定值，如波形56所示。当所有通道电流IL1、IL2及ILN不平衡时，电流误差信号IB1不为零，若电压VB1为正值，电压Vm将等于[(Vin-Vo)+VB1]，因此充电电流Ic上升，使得充电电压Vc较快达到参考电压Vref的准位，如波形50所示，故控制信号S1的工作时间将变为(Ton-ΔTon)以调节信道22中的信道电流IL1，进而让电流误差信号IB1趋向零。若因所有通道电流IL1、IL2及ILN的不平衡而使电压VB1为负值时，电压Vm将等于[(Vin-Vo)-VB1]，因此充电电流Ic下降，使得充电电压Vc较慢达到参考电压Vref的准位，如波形56所示，故控制信号S1的工作时间将变为(Ton+ΔTon)以调节信道22中的信道电流IL1，进而让电流误差信号IB1趋向零。

图8为图4中工作时间产生器28的第二实施例示意图，其包括电流源2812用以提供固定的充电电流Ic对电容C1充电，逻辑电路2814根据信号PWM及控制信号S1产生信号Vqn切换开关SW以控制电容C1的充放电以产生充电电压Vc，电压源2816提供随电流误差信号IB1变化的电压Vref2，在电压源2816中，电阻R1因应电流误差信号IB1产生电压VB1，固定的参考电压Vref1结合电压VB1产生电压Vref2，比较器2818比较电压Vref2及充电电压Vc产生一输出经反相器2820得到控制信号S1。

图9为图8中信号的波形图，其中波形60为电压Vref2，波形62为电压Vref2，波形64为电压Vref2，波形66为充电压压Vc，波形68为控制信号S1。当所有通道电流IL1、IL2及ILN平衡时，电流误差信号IB1为零，故电压Vref2等于Vref1，如波形62所示，由于充电电流Ic及电压Vref1均为定值，因此控制信号S1的工作时间Ton亦为定值，如波形68所示。当所有通道电流IL1、IL2及ILN不平衡时，电流误差信号IB1不为零，若电压VB1为正值，电压Vref2将等于(Vref1+VB1)，如波形60所示，因此充电电压Vc需要较长的时间才能达到参考电压Vref2的准位，如波形60所示，故控制信号S1的工作时间将变为(Ton+ΔTon)以调节信道22中的信道电流IL1，进而让电流误差信号IB1趋向零。若因所有通道电流IL1、IL2及ILN的不平衡而使电压VB1为负值时，电压Vref2将等于(Vref1-VB1)，因此充电电压Vc达到参考电压Vref的准位所需的时间较短，如波形64所示，故控制信号S1的工作时间将变为(Ton-ΔTon)以调节信道22中的信道电流IL1，进而让电流误差信号IB1趋向零。

图10为图8的电路在不同充电电流Ic的情况下控制信号S1的工作时间及其变化示意图。在图8的电路中，假设分别使用三种不同的充电电流Ic1、Ic2及Ic3对电容C1充电，其中Ic1＜Ic2＜Ic3，在通道电流不平衡使参考电压Vref2由Vref1升至(Vref1+VB1)时，若充电电流Ic为Ic1，控制信号S1将具有工作时间Ton1，因通道电流不平衡而造成的工作时间变化为ΔTon1，如图10的波形70所示。若充电电流Ic为Ic2，控制信号S1将具有工作时间Ton2，因通道电流不平衡而造成的工作时间变化为ΔTon2，如图10的波形72所示。若充电电流Ic为Ic3，控制信号S1将具有工作时间Ton3，因通道电流不平衡而造成的工作时间变化为ΔTon3，如图10的波形74所示。由图10可以很清楚的看出

ΔTon1/Ton1＝ΔTon2/Ton2＝ΔTon3/Ton3＝VB1/(Vref+VB1)显然，在不同的充电电流Ic的情况下，控制信号S1的工作时间Ton的变化都与电流误差信号IB1具有比例关系。

当图4中的控制信号S1至SN的工作时间变化过大时，可能在各通道电流之中造成振荡，进而影响电源转换器20的正常操作，因此需要设定一个范围来限制控制信号的工作时间变化率。图11为工作时间产生器28的第三实施例示意图，其中电流源2822提供充电电流Ic对电容C1充电，逻辑电路2824根据信号PWM及控制信号S1切换开关SW以控制电容C1的充放电产生充电电压Vc，电压源2826提供随电流误差信号IB1变化的电压Vref2，电压Vref2具有一上限及一下限，比较器3832比较充电电压Vc及电压Vref2产生控制信号S1。在电压源2826中，电压电流转换器2828将电流误差信号IB1转换为电流Ia，电阻Ra因应电流Ia产生电压VB1与固定的参考电压Vref1相加产生电压Vref2，限制电路2832限制电压VB1的上限及下限，进而限制电压Vref2的变化范围，因此控制信号S1的工作时间的变化也将被限制在一个范围内。在此实施例中，限制电路2830包括二极管D1具有一阳极连接电阻Ra的A端及一阴极连接电阻Ra的B端，以及二极管D2具有一阳极连接电阻Ra的B端及一阴极连接电阻Ra的A端，二极管D1及D2将使电压Vref2有固定的上限及下限，也就是说，控制信号S1的工作时间的变化也具有固定的上限及下限。

图12为图11中限制电路2830的另一实施例示意图，其中二极管D3、D4及D5串联在电阻Ra的A端及B端之间，二极管D6、D7及D8串联在电阻Ra的A端及B端之间，每一二极管都与一开关并联，藉由切换所述等开关改变与电阻Ra并联的二极管的数量，进而改变电压Vref2的上限及下限，因此，控制信号S1的工作时间的变化量具有可变的上限及下限。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

组件符号说明

10    电源转换器

12    通道

14    切换电路

16    通道

18    切换电路

20    电源转换器

21    电流平衡装置

22    通道

24    通道

26    通道

28    工作时间产生器

2802  电流源

2804  运算放大器

2806  电压电流转换器

2808  逻辑电路

2810  比较器

2812  电流源

2814  逻辑电路

2816  电压源

2818  比较器

2820  反相器

2822  电流源

2824  逻辑电路

2826  电压源

2828  电压电流转换器

2830  限制电路

2832  比较器

30    工作时间产生器

32    工作时间产生器

34    误差电流信号产生器

3402  加法器

3404  除法器

3406  加法器

36    比较器

38    锯齿波产生器

40    加法器

42    误差放大器

50    充电电压Vc的波形

52    充电电压Vc的波形

54    充电电压Vc的波形

56    控制信号S1的波形

60    电压Vref2的波形

62    电压Vref2的波形

64    电压Vref2的波形

66    充电电压Vc的波形

68    控制信号S1的波形

70    充电电压Vc的波形

72    充电电压Vc的波形

74    充电电压Vc的波形

Claims (17)

1.一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡装置，所述多相电源转换器包含多个信道用以将一输入电压转换为一输出电压，所述电流平衡装置包括一误差电流信号产生器和一工作时间产生器，其特征在于：

所述误差电流信号产生器，检测所述多个信道中第N个信道的信道电流与一目标值的误差产生所述第N个信道的电流误差信号；

所述工作时间产生器，提供一控制信号驱动所述第N个信道；

其中，当所述第N个信道的信道电流等于所述目标值时，所述控制信号具有固定的工作时间，当所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述工作时间产生器根据所述第N个信道的电流误差信号调节所述控制信号的工作时间。

2.如权利要求1所述的电流平衡装置，其特征在于，所述误差电流信号产生器包括：

一加法器，结合所述多个信道中的信道电流产生一总合电流；

一除法器，将所述总合电流除以所述多个信道的数量产生所述目标值；

一减法器，将所述第N个信道的信道电流减去所述目标值产生所述第N个信道的电流误差信号。

3.如权利要求1所述的电流平衡装置，其特征在于，所述工作时间产生器包括：

一电容；

一充放电电路，控制所述电容的充放电；

一比较器，比较所述电容上的跨压及一参考电压而产生所述控制信号。

4.如权利要求3所述的电流平衡装置，其特征在于，所述充放电电路包括：

一电流源，提供一随所述第N个信道的电流误差信号改变的充电电流给所述电容；

一开关，与所述电容并联，用以决定所述电容的充放电。

5.如权利要求1所述的电流平衡装置，其特征在于，所述工作时间产生器包括：

一电容；

一电流源，提供一固定的充电电流给所述电容；

一开关，与所述电容并联，用以决定所述电容的充放电；

一电压源，提供一随所述第N个信道的电流误差信号改变的第一电压；

一比较器，比较所述第一电压及所述电容上的第二电压产生所述控制信号。

6.如权利要求5所述的电流平衡装置，其特征在于，更包括一限制电路用以设定所述第一电压的上限及下限。

7.如权利要求6所述的电流平衡装置，其特征在于，所述第一电压的上限及下限是可调整的。

8.如权利要求1所述的电流平衡装置，其特征在于，在所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述第二信号的工作时间变化量具有一上限及一下限。

9.如权利要求8所述的电流平衡装置，其特征在于，所述上限及下限是可调整的。

10.一种固定工作时间控制的多相电源转换器的电流平衡方法，所述多相电源转换器包含多个信道用以将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：检测所述多个信道中第N个信道的信道电流与一目标值的误差产生所述第N个信道的电流误差信号；

第二步骤：产生一控制信号驱动所述第N个信道，其中当所述第N个信道的信道电流等于所述目标值时，所述控制信号的工作时间固定，当所述第N个信道的信道电流不等于所述目标值时，所述控制信号的工作时间随所述电流误差信号改变以调节所述第N个信道的信道电流。

11.如权利要求10所述的电流平衡方法，其特征在于，更包括平均所述多个信道中的信道电流以产生所述目标值。

12.如权利要求10所述的电流平衡方法，其特征在于，所述产生一控制信号的步骤包括：

第一步骤：提供一充电电流对一电容充电，所述充电电流随所述第N个信道的电流误差信号变化；

第二步骤：比较所述电容上的第一电压及一参考第二电压以产生所述控制信号。

13.如权利要求10所述的电流平衡方法，其特征在于，所述产生一控制信号的步骤包括：

第一步骤：提供一固定的充电电流对一电容充电；

第二步骤：比较所述电容上的第一电压及一第二电压以产生所述第三信号，所述第二电压随所述第N个信道的电流误差信号改变。

14.如权利要求13所述的电流平衡方法，其特征在于，更包括设定所述第二电压的上限及下限。

15.如权利要求14所述的电流平衡方法，其特征在于，所述第二电压的上限及下限是可调整的。

16.如权利要求10所述的电流平衡方法，其特征在于，更包括设定所述控制信号之工作时间变化量的上限及下限。

17.如权利要求16所述的电流平衡方法，其特征在于，所述上限及下限是可调整的。

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