CN101686009B - 固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路，所述控制电路包括一误差放大器，一加法器，一调节器，一工作时间产生器和一最小电流比较器，其特征在于：所述误差放大器，检测所述输出电压产生一第一误差信号；所述加法器，结合所述多个信道中的信道电流产生一总合信号用以调节所述第一误差信号产生一第二误差信号；所述调节器，根据所述第二误差信号及一锯齿波信号产生一调节信号；所述工作时间产生器，根据所述调节信号产生一控制信号驱动所述多个信道其中一个选定信道；所述最小电流比较器，检测所述选定信道中的信道电流以决定是否致能所述工作时间产生器。

Description

固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路及方法

技术领域

本发明涉及一种多相电源转换器，具体地说，是一种固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路及方法。

背景技术

传统的多相电源转换器大多采用各相各自独立的调变器或固定切换频率控制模式。各相各自独立的调变器分别接收同步的锯齿波控制讯号来达到多相交错(interleaved)操作。固定切换频率控制模式则是以固定的相序及时间间隔来达到多相交错的操作，所谓固定相序交错式即利用固定时间相移的同步讯号去分别驱动并联在一起的各相电路。

图1显示传统固定相序交错式的多相电源转换器10，其中通道12、14及16用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，误差放大器36检测输出电压Vo产生误差信号Vc，加法器30结合误差信号Vc及信道12中的信道电流IL1产生误差信号Vc1，调节器18包括比较器20比较误差信号Vc1及锯齿波信号Vramp1产生信号PWM1驱动信道12，加法器32结合误差信号Vc及信道14中的信道电流IL2产生误差信号Vc2，调节器22包括比较器24比较误差信号Vc2及锯齿波信号Vramp2产生信号PWM2驱动信道14，加法器34结合误差信号Vc及信道16中的信道电流ILN产生误差信号VcN，调节器26包括比较器28比较误差信号VcN及锯齿波信号VrampN产生信号PWMN驱动信道16。

图2显示已知的固定工作时间控制的多相电源转换器40，或者称为可变切换频率控制。图3显示图2中信号的波形图。多相电源转换器40包括多个通道42、44及46用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，误差放大器72检测输出电压Vo产生误差信号Vc，加法器66结合信道42中的信道电流IL1及误差信号Vc产生误差信号Vc1，调节器54包括比较器56比较误差信号Vc1及锯齿波信号Vramp1产生信号Ramp1，如图3的波形84所示，工作时间产生器48根据信号Ramp1产生固定工作时间的信号PWM1以驱动信道42，如图3的波形78所示，加法器68结合信道44中的信道电流IL2及误差信号Vc产生误差信号Vc2，调节器58包括比较器60比较误差信号Vc1及锯齿波信号Vramp2产生信号Ramp2，如图3的波形82所示，工作时间产生器50根据信号Ramp2产生固定工作时间的信号PWM2以驱动信道44，如图3的波形76所示，加法器70结合信道46中的信道电流ILN及误差信号Vc产生误差信号VcN，调节器62包括比较器64比较误差信号VcN及锯齿波信号VrampN产生信号RampN，如图3的波形80所示，工作时间产生器52根据信号RampN产生固定工作时间的信号PWMN以驱动信道46，如图3的波形74所示。

固定工作时间控制的多相电源转换器40的切换频率随负载变化，故切换损失也随着负载变化，当多相电源转换器40操作在低切换频率时，其切换损失也跟着变小，因此多相电源转换器40具有比多相电源转换器10更好的效率。然而，多相电源转换器40的切换周期不固定，因此无法像多相电源转换器10一样藉由分割周期达到交错操作，也就是说，多相电源转换器40较不易实现交错操作。

因此已知的固定工作时间控制的多相电源转换器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控制电路及方法。

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控制电路，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，所述控制电路包括一误差放大器，一加法器，一调节器，多个工作时间产生器和一最小电流比较器，其特征在于：

所述误差放大器，检测所述输出电压产生一第一误差信号；

所述加法器，结合所述多个信道中的信道电流产生一总合信号用以结合所述第一误差信号产生一第二误差信号；

所述调节器，根据所述第二误差信号及一锯齿波信号产生一调节信号；

每一个所述工作时间产生器，在被致能时根据所述调节信号产生一控制信号驱动所述多个信道的其中一个；

所述最小电流比较器，检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道，并致能对应选定信道的工作时间产生器。

本发明的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路，其中所述调节器包括一比较器比较所述第二误差信号及锯齿波信号产生所述调节信号。

前述的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路，其中所述选定信道中的信道电流小于一默认值时，所述最小电流比较器致能对应所述选定信道的工作时间产生器。

一种固定工作时间控制的多相电源转换器的控制方法，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，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：

第一步骤：检测所述输出电压产生一第一误差信号；

第二步骤：结合所述多个信道中的信道电流产生一总合信号用以结合所述第一误差信号产生一第二误差信号；

第三步骤：根据所述第二误差信号及一锯齿波信号产生一调节信号；

第四步骤：检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道；

第五步骤：根据所述调节信号产生一控制信号驱动所述被选取的信道。

本发明的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制方法，其中所述产生一调节信号的步骤包括比较所述第二误差信号及锯齿波信号产生所述调节信号。

前述的固定工作时间控制的多相电源转换器的控制方法，其中所述检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道的步骤包括选取所述多个信道中信道电流小于一默认值的信道。

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控制电路及方法具有使所述固定工作时间控制的多相电源转换器达到交错操作的优点。

附图说明

图1为传统固定相序交错式的多相电源转换器示意图；

图2为已知的固定工作时间控制的多相电源转换器示意图；

图3为图2中信号的波形图；

图4为本发明的第一实施例示意图；

图5为图4中信号的波形图；

图6为图4中信号的波形图；

图7为图4中电源转换器的通道数不同时锯齿波信号Vramp的设计；

图8为本发明的第二实施例示意图；

图9为说明图8中电源转换器的操作，以及

图10为图8中电源转换器16的信道数不同时各信道锯齿波信号的设计。

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为本发明的第一实施例示意图。如图所示，所述固定工作时间控制的降压式多相电源转换器90包括多个通道94、96及98用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，控制电路92提供控制信号PWM1、PWM2及PWMN驱动多个信道94、96及98。在控制电路92中，误差放大器118检测输出电压Vo产生误差信号Vc，加法器116结合所有通道94、96及98中的通道电流IL1、IL2及ILN产生总合信号Isum，加法器114结合误差信号Vc及总合信号Isum产生误差信号Vc’，调节器108包括比较器110比较误差信号Vc’及来自锯齿波产生器112的锯齿波信号Vramp产生调节信号PWM，工作时间产生器100、102及104各自根据调节信号PWM产生控制信号PWM1、PWM2及PWMN驱动信道94、96及98，最小电流比较器106检测所有通道94、96及98中的通道电流IL1、IL2及ILN产生信号ON1、ON2及ONN以决定是否致能工作时间产生器100、102及104。

图5显示图4中信号的波形图，其中波形120为控制信号PWMN，波形122为控制信号PWM2，波形124为控制信号PWM1，波形126为信号ONN，波形128为信号ON2，波形130为信号ON1，波形132为调节信号PWM。在图4中，最小电流比较器106检测所有通道94、96及98的通道电流IL1、IL2及ILN以决定操作相序，进而使多相电源转换器90达到交错操作，当调节信号PWM转为高准位时，最小电流比较器106检测所有通道电流IL1、IL2及ILN中以致能多个工作时间产生器100、102及104的其中一个，进而产生控制信号打开(turn on)具有最小信道电流的信道中之上桥开关。为了更清楚说明请参照图5，在时间t1时，调节信号PWM转为高准位，如波形132所示，此时最小电流比较器106检测到信道94的信道电流IL1最小，故送出信号ON1致能工作时间产生器100以产生控制信号PWM1驱动信道94，如波形124及130所示。在时间t2时，调节信号PWM转为高准位，此时最小电流比较器106检测到信道96的信道电流IL2最小，故送出信号ON2致能工作时间产生器102以产生控制信号PWM2驱动信道96，如波形122及128所示。在时间t3时，调节信号PWM转为高准位，此时最小电流比较器106检测到信道98的信道电流ILN最小，故送出信号ONN致能工作时间产生器104以产生控制信号PWMN驱动信道98，如波形120及126所示。

图6显示图4中信号的波形图，其中波形134为通道电流ILN，波形136为误差信号Vc’，波形138为锯齿波信号Vramp，波形140为调节信号PWM，波形142为信号ONN，波形144为控制信号PWMN。在图4中，误差信号Vc’是根据所有通道电流的总合Isum及误差信号Vc产生的，因此误差信号Vc’的谷值表示其中一个通道电流IL1、IL2及ILN达到其最小值，例如，在时间t4时，第N个信道98的信道电流ILN达到谷值，如波形134所示，同时误差信号Vc’也达到谷值，如波形136所示，此时锯齿波信号Vramp大于误差信号Vc’，如波形138所示，因此比较器110的输出PWM转为高准位，如波形140所示，最小电流比较器106检测到第N个信道98的信道电流ILN达到谷值，因此送出信号ONN致能工作时间产生器104以产生控制信号PWMN，如波形142及144所示。

多相电源转换器90是利用检测最小通道电流来达成交错操作，因此其交错操作的相序是任意的顺序，因此多相电源转换器90可以达成动态电流平衡功能以消除拍频振荡(beat frequency oscillation)，其中拍频振荡是因为以固定顺序驱动多相电源转换器的通道而产生的。

图7显示在图4中电源转换器90的通道数不同时锯齿波信号Vramp的设计，其中波形146为误差信号Vc’，波形148为锯齿波信号Vramp，波形150为误差信号Vc’，波形152为锯齿波信号Vramp，波形154为误差信号Vc’，波形156为锯齿波信号Vramp。当固定工作时间控制的电源转换器只有单相时，误差信号Vc’及锯齿波信号Vramp如图7下方的波形154及156所示，在每一周期中，锯齿波信号Vramp在一段空白时间xton1后才以ramp_slope1的斜率上升，其中时间xtion1用以重置锯齿波信号Vramp，以确保锯齿波信号Vramp在每个周期皆从同一准位上升。当固定工作时间控制的电源转换器有两相时，误差信号Vc’及锯齿波信号Vramp如图7中间的波形150及152所示，在每一周期中，锯齿波信号Vramp在一段空白时间xton2后才以ramp_slope2的斜率上升，其中，空白时间xton2＝xton1/2，斜率ramp_slope2＝2×ramp_slope1。当固定工作时间控制的电源转换器有四相时，误差信号Vc’及锯齿波信号Vramp如图7上方的波形146及148所示，在每一周期中，锯齿波信号Vramp在一段空白时间xton4后才以ramp_slope4的斜率上升，其中，空白时间xton4＝xton1/4，斜率ramp_slope4＝4×ramp_slope1。由上述可以推得，当电源转换器具有N相时，锯齿波信号Vramp具有空白时间

xtonN＝xton1/N                  公式1

以及斜率

ramp_slopeN＝N×ramp_slope1     公式2

图8显示本发明的第二实施例，固定工作时间控制的降压式多相电源转换器160包括多个通道164、166及168用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，控制电路162提供控制信号PWM1、PWM2及PWMN驱动多个信道164、166及168。在控制电路162中，误差放大器200检测输出电压Vo产生误差信号Vc，加法器198结合所有通道164、166及168中的通道电流IL1、IL2及ILN产生总合信号Isum，加法器196结合误差信号Vc及总合信号Isum产生误差信号Vc2，调节器178包括比较器180比较误差信号Vc2及来自锯齿波产生器190的锯齿波信号Vramp1产生调节信号PWMX1，工作时间产生器170根据调节信号PWMX1产生控制信号PWM1驱动信道164，调节器182包括比较器184比较误差信号Vc2及来自锯齿波产生器192的锯齿波信号Vramp2产生调节信号PWMX2，工作时间产生器172根据调节信号PWMX2产生控制信号PWM2驱动信道166，调节器186包括比较器188比较误差信号Vc2及来自锯齿波产生器194的锯齿波信号VrampN产生调节信号PWMXN，工作时间产生器174根据调节信号PWMXN产生控制信号PWMN驱动信道168，最小电流比较器176检测所有通道164、166及168中的通道电流IL1、IL2及ILN产生信号ON1、ON2及ONN以决定是否致能工作时间产生器170、172及174。在此实施例中，每一个通道164、166及168都有各自的调节器178、182及186，而锯齿波信号Vramp1、Vramp2及VrampN的频率都与切换频率相同，锯齿波信号Vramp1、Vramp2及VrampN可以受控于其它信号，也可以是独立的信号。

图9用以说明图8中电源转换器160的操作，为了方便说明，在此以电源转换器160中的第一个信道至第四个信道作为实施例，在图9中波形202为误差信号Vc2，波形204为锯齿波信号Vramp1，波形206为锯齿波信号Vramp2，波形208为锯齿波信号Vramp3，波形210为锯齿波信号Vramp4，波形212为第四个信道的控制信号PWM4，波形214为第三个信道的控制信号PWM3，波形216为第二个信道的控制信号PWM2，波形218为第一个信道的控制信号PWM1，波形220为信号ON4，波形222为信号ON3，波形224为信号ON2，波形226为信号ON1，波形228为第四个信道的调节信号PWMX4，波形230为第三个信道的调节信号PWMX3，波形232为第二个信道的调节信号PWMX2，波形234为第一个信道的调节信号PWMX1。在时间t5时，锯齿波信号Vramp1大于误差信号Vc2因此调节信号PWMX1转为高准位，如波形206及234所示，同时最小电流比较器176检测到第一个通通164中的通道电流IL1达到谷值因而送出信号ON1致能工作时间产生器170以产生控制信号PWM1，如波形218及226所示。在时间t6时，锯齿波信号Vramp2大于误差信号Vc2因此调节信号PWMX2转为高准位，如波形208及232所示，同时最小电流比较器176检测到第二个通通166中的通道电流IL2达到谷值因而送出信号ON2致能工作时间产生器172以产生控制信号PWM2，如波形216及224所示。在时间t7时，对应第三个信道的锯齿波信号大于误差信号Vc2因此对应第三个信道的调节信号PWMX3转为高准位，如波形210及230所示，同时最小电流比较器176检测到第三个通通中的通道电流达到谷值因而送出信号ON3以产生控制信号PWM3，如波形214及222所示。在时间t8时，对应第四个信道的锯齿波信号大于误差信号Vc2因此对应第四个信道的调节信号PWMX4转为高准位，如波形204及228所示，同时最小电流比较器176检测到第四个通通中的通道电流达到谷值因而送出信号ON4以产生控制信号PWM4，如波形212及220所示。

图9显示在图8中电源转换器160的信道数不同时各信道锯齿波信号的设计，其中波形236为误差信号Vc’，波形238为第一个信道的锯齿波信号Vramp1，波形240为第二个信道的锯齿波信号Vramp2，波形242为第三个信道的锯齿波信号Vramp3，波形244为第四个信道的锯齿波信号Vramp4，波形246为误差信号Vc’，波形248为第一个信道的锯齿波信号Vramp1，波形250为第二个信道的锯齿波信号Vramp2，波形252为误差信号Vc’，波形254为锯齿波信号Vramp。当固定工作时间控制的电源转换器160只有单相时，误差信号Vc’及锯齿波信号Vramp如图10下方的波形252及254所示，在每一周期中，锯齿波信号Vramp在一段空白时间xton_1P后才开始上升，直至锯齿波信号Vramp达到误差信号Vc’后下降。当固定工作时间控制的电源转换器160有两相时，误差信号Vc’、第一个信道的锯齿波信号Vramp1及第二个信道的锯齿波信号Vramp2如图7中间的波形246、248及250所示，其中，锯齿波信号Vramp1与锯齿波信号Vramp2除了相位不同外，其余均相同。当固定工作时间控制的电源转换器160有四相时，误差信号Vc’、第一个信道的锯齿波信号Vramp1、第二个信道的锯齿波信号Vramp2、第三个信道的锯齿波信号Vramp3及第四个信道的锯齿波信号Vramp4如图10上方的波形236、238、240、242及244所示，所有通道中的锯齿波信号Vramp1、Vramp2、Vramp3及Vramp4除了相位不同外，其余均相同。

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    多相电源转换器

12    通道

14    通道

16    通道

18    调节器

20    比较器

22    调节器

24    比较器

26    调节器

28    比较器

30    加法器

32    加法器

34    加法器

36    误差放大器

40    多相电源转换器

42    通道

44    通道

46通道

48    工作时间产生器

50    工作时间产生器

52    工作时间产生器

54    调节器

56    比较器

58    调节器

60    比较器

62    调节器

64    比较器

66    加法器

68    加法器

70    加法器

72    误差放大器

74    信号PWMN的波形

76    信号PWM2的波形

78    信号PWM1的波形

80    信号RampN的波形

82    信号Ramp2的波形

84    信号Ramp1的波形

90    多相电源转换器

92    控制电路

94    通道

96     通道

98     通道

100    工作时间产生器

102    工作时间产生器

104    工作时间产生器

106    最小电流比较器

108    调节器

110    比较器

112    锯齿波产生器

114    加法器

116    加法器

118    误差放大器

120    控制信号PWMN的波形

122    控制信号PWM2的波形

124    控制信号PWM1的波形

126    信号ONN的波形

128    信号ON2的波形

130    信号ON1的波形

132    调节信号PWM的波形

134    通道电流ILN的波形

136    误差信号Vc’的波形

138    锯齿波信号Vramp的波形

140    调节信号PWM的波形

142    信号ONN的波形

144    控制信号PWMN的波形

146    误差信号Vc’的波形

148    锯齿波信号Vramp的波形

150    误差信号Vc’的波形

152    锯齿波信号Vramp的波形

154    误差信号Vc’的波形

156    锯齿波信号Vramp的波形

160    多相电源转换器

162    控制电路

164    通道

166    通道

168    通道

170    工作时间产生器

172    工作时间产生器

174    工作时间产生器

176    最小电流比较器

178    调节器

180    比较器

182    调节器

184    比较器

186    调节器

188    比较器

190    锯齿波产生器

192    锯齿波产生器

194    锯齿波产生器

196    加法器

198    加法器

200    误差放大器

202    误差信号Vc2的波形

204    锯齿波信号Vramp1的波形

206    锯齿波信号Vramp2的波形

208    锯齿波信号Vramp3的波形

210    锯齿波信号Vramp4的波形

212    控制信号PWM4的波形

214    控制信号PWM3的波形

216    控制信号PWM2的波形

218    控制信号PWM1的波形

220    信号ON4的波形

222    信号ON3的波形

224    信号ON2的波形

226    信号ON1的波形

228    调节信号PWMX4的波形

230    调节信号PWMX3的波形

232    调节信号PWMX2的波形

234    调节信号PWMX1的波形

236    误差信号Vc2的波形

238    锯齿波信号Vramp1的波形

240    锯齿波信号Vramp2的波形

242    锯齿波信号Vramp3的波形

244    锯齿波信号Vramp4的波形

246    误差信号Vc2的波形

248    锯齿波信号Vramp1的波形

250    锯齿波信号Vramp2的波形

252    误差信号Vc2的波形

254    锯齿波信号Vramp的波形

Claims (6)

1.一种固定工作时间控制的多相电源转换器的控制电路，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，所述控制电路包括一误差放大器，一加法器，一调节器，多个工作时间产生器和一最小电流比较器，其特征在于：

所述误差放大器，检测所述输出电压产生一第一误差信号；

所述加法器，结合所述多个信道中的信道电流产生一总合信号用以结合所述第一误差信号产生一第二误差信号；

所述调节器，根据所述第二误差信号及一锯齿波信号产生一调节信号；

每一个所述工作时间产生器，在被致能时根据所述调节信号产生一控制信号驱动所述多个信道的其中一个；

所述最小电流比较器，检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道，并致能对应选定信道的工作时间产生器。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述调节器包括一比较器比较所述第二误差信号及锯齿波信号产生所述调节信号。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述选定信道中的信道电流小于一默认值时，所述最小电流比较器致能对应所述选定信道的工作时间产生器。

4.一种固定工作时间控制的多相电源转换器的控制方法，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，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：

第一步骤：检测所述输出电压产生一第一误差信号；

第二步骤：结合所述多个信道中的信道电流产生一总合信号用以结合所述第一误差信号产生一第二误差信号；

第三步骤：根据所述第二误差信号及一锯齿波信号产生一调节信号；

第四步骤：检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道；

第五步骤：根据所述调节信号产生一控制信号驱动所述被选取的信道。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述产生一调节信号的步骤包括比较所述第二误差信号及锯齿波信号产生所述调节信号。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述检测所述多个信道中的信道电流以选取其中一个信道的步骤包括选取所述多个信道中信道电流小于一默认值的信道。

Images