CN101924467A - 在多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法，一种多相升压变换器，包括用于产生多个PWM信号的多相PWM控制器。多个升压变换器中的每个与连接于输入电压节点和输出电压节点之间的单独相关联，并响应于输入电压和多个PWM信号产生一个输出电压。多个升压变换器中的每个的相节点彼此“或”连接。

Description

在多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求，2009年9月4日提交的，题为“SYSTEMAND METHOD FORORING PHASES TO OVERCOME DUTY CYCLE LIMITATIONS IN AMULTIPHASE BOOST CONVERTER(在多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法)”的美国临时专利申请S/N 61/240,038，以及2009年6月2日提交的，题为“SYSTEM AND METHOD FOR ORING PHASES TOOVERCOME DUTY CYCLE LIMITATIONS IN A MULTIPHASE BOOSTCONVERTER(在多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法)”的美国临时专利申请S/N 61/183,304的优先权，并在此合并引入作为参考。
技术领域
本发明涉及多相升压变换器，更特别地，涉及多相升压变换器，其中多相升压变换器中每相的相节点“或”连接在一起。
背景技术
通常单相升压变换器包括具有电感器和至少一个开关晶体管的升压部分。整流和滤波部分包括二极管和电容器。通过在升压部分内开断开关来实现对升压调节器的控制。来自电路的升高的电压值依赖于施加于开关晶体管上的控制信号的占空比。由于稳态运行下电感器上的电压的积分值在整个占空比期间为零，所以采用提供较长开关导通时间的较大占空比将会增大电感器的电流存储峰值，并由此增大所升高的电压。当采用多相升压变换器而不采用单相升压变换器时，会对电路产生额外的限制。在传统的多相应用中，多相升压变换器应用受到最大占空比限制的影响。典型的最大占空比通常在50％到大约90％范围内。期望实现更好的多相升压变换器性能，能够克服多相升压变换器中的这些多相限制。
发明内容
在此公开和描述的本发明，一方面，包括多相升压变换器，其具有用于产生多个PWM信号的多相PWM控制器。多个升压变换器各自与连接于输入电压节点和输出电压节点之间的多相变换器的单个相关联。多个升压变换器中的每个响应于输入电压和来自多相PWM控制器的多个PWM信号之一产生输出电压。多个升压变换器的每个相节点彼此“或”连接在一起。
附图说明
为了更全面地理解，现参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1是升压变换器的示意图；
图2a是采用标准升压变换器的“或”连接各相的方案框图；
图2b示出与图2a电路的运行相关的波形；
图3是采用同步升压变换器的“或”连接各相的方案的示意框图；
图4是采用标准升压变换器的替代的“或”芯片逻辑方案的框图；以及
图5是采用同步升压变换器的“或”芯片逻辑方案。
具体实施方式
现在参考附图，其中在全部附图中相同的附图标记用来指代相同的元件，说明和描述了用于多相降压转换器内“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法的多个视图和实施例，还描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制的，而且只是为了说明起见，在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。本领域普通技术人员将可理解基于可能实施方式的以下示例的许多可能应用和变型。
现在参照附图，特别参照图1，示出了描述DC/DC升压变换器10基本设计的示意图。升压变换器10包括由电感器14和FET晶体管16形成的升压部分。半波整流和滤波部分包括二极管22和电容器24。通过对晶体管16的栅极施加的开关控制信号，来控制电路运行。在晶体管16的导通期间，输入节点12提供的输入电压V输入通过电感器14。当晶体管16关断时，电感器14上的电压电位的极性反向并与输入电压V输入相结合以在节点18处提供升压电压VB。由于开关16被周期性地操作，节点18处的电压电位VB为交流(AC)电压电位，且其峰值电压电位固有地大于输入电压V输入。
升压电压VB的值依赖于施加于开关16上的控制信号的占空比。由于电感器14上的电压的积分值在整个占空比期间必然为零，如稳态运行所需要的，采用不断增加的占空比，提供更长周期的开关导通时间，将直接地增大电感器14的电流存储峰值。并由此相应地增大升压电压电位VB。升压电压VB施加于二极管22和电感器24AC/DC变换电路并由此提供高电压DC输出VO。
当采用多相升压变换器应用而不采用参考图1所示的单相应用时，会有一些额外的限制。在传统的多相应用中，目前采用的多相升压变换器配置会受到最大占空比限制的影响。典型的最大占空比参数范围为50％到大约90％。
现在参照附图2a，示出了多相升压变换器，其中每个升压变换器的相节点“或”连接在一起。输入电压V输入于节点202处施加于第一升压变换器204和第二升压变换器205上。电容器204连接于节点202和接地之间。升压调节器204包括连接于节点202和节点208之间的电感器206。N沟道晶体管210的漏极/源极通道连接于节点208和接地之间。晶体管212包括N沟道晶体管，其漏极/源极通道连接节点208和接地。二极管214的阳极连接至节点208而阴极连接至输出电压节点216。电容器218连接于节点216和接地之间。晶体管210和212的栅极分别连接以接收来自低压侧栅极驱动器220和222的输出信号。
升压调节器205包括电感器224并连接于节点202和226之间。N沟道晶体管228的漏极/源极通道连接于节点226和接地之间。第二晶体管230与晶体管228并联，且其漏极/源极通道连接于节点226和接地之间。二极管232的阳极连接于节点226而阴极“或”连接于输出电压节点216。晶体管228和230的栅极分别由低压侧驱动电路234和236驱动。电流感测电路238感测通过晶体管210和212的在每个晶体管接地的源极处的电流。电流传感器240感测通过晶体管228和230源极节点的电流，该源极节点接地。电阻器250连接于输出节点和节点252之间。电阻器251连接于节点252和GND(接地点)之间。节点252连接至多相PWM控制器242以提供输出电压反馈信号。多相PWM控制器242，响应于所感测的电压反馈信号，产生四个PWM相输出信号，分别提供给低压侧驱动电路220、222、234和236。这些PWM信号由每个低压侧驱动电路所用以产生至其相关联的开关晶体管的栅极驱动信号。电流传感器238和240为多相PWM控制器242提供输入。多相PWM控制器242响应于所感测的电流信号，产生相校正信号用于各相之间提供精确的电流分配。
通过将与升压变换器204和升压变换器205相关的单独相在节点216处连接在一起，升压变换器的最大占空比限制可以得以克服。采用图1的实施方式，具有6伏V输入和24伏V输出信号的升压变换器的占空比具有大约为75％的稳态占空比。这可以超过先前实施方式的最大占空比规格。这样，通过将两个相节点并联，每个PWM信号稳态运行的占空比将大约为37.5％。
将相节点“或”连接在一起的其他优势在于，与升压变换器204和205的每个相关的两相将具有良好的电流分配，并且由于在一个开关周期中相节点208和226将降至GND(接地)两次，电感器的脉动频率将是每相开关频率的两倍。这样可使电感器206和224的尺寸减半。因此，具有两个PWM信号(PWM1、PWM2)控制一相，而每个PWM信号单独控制一个MOSFET(PWM1控制210，PWM2控制212)。以前的实施方式采用一个PWM信号控制一相。采用两个PWM信号控制单个相的好处在于这种配置解决了传统多相升压结构中占空比受限的问题。
图2a配置的进一步的优势源于每相包括两个并联的低压侧MOSFET开关晶体管。这样，相对于仅采用单个MOSFET晶体管的传统方法，每个MOSFET将仅导通一半的时间。这样，每个MOSFET晶体管的热设计需求降低，关于晶体管能够采用更小的封装件或散热片。
现在参照附图2b，示出了描述与图2a电路运行相关的信号的时序图。从时间T0到时间T1的时段表示电路的一个开关周期。对于升压变换器204，波形260表示通过电感器206的电流IL。电流在高电平262和低电平264之间形成斜坡。波形266表示PWM1相信号而波形268表示PWM2波形。波形270表示节点208处的电压。节点208处的电压具有加倍的频率(即，在控制器的一个开关周期中切换两次)。电压波形270在表示输出电压V输出的电平272和接地电平274之间切换。另一升压变换器205以相似方式运行，其中通过电感器224的电流由波形276表示。波形278表示PWM3波形而波形280表示PWM4波形。波形282表示节点226处的电压。可以看出，节点226处的电压也具有加倍的开关频率并且在控制器的一个开关周期中切换两次。
如图2b所示，在时间T0到时间T1间控制器的开关周期中，通过电感器206和电感器224的电感器电流上坡/下坡两次。这意味着每个电感器将看到两次控制器的开关频率，由此提供的另一好处——能够选择更小的电感值以达到相同的脉动需求。例如，如果V输入为10伏而V输出为20伏，在先有技术的实施方式中，基于这样的V输入和V输出值，节点208和节点226的稳态“等效”占空比应当为50％。但是，根据本发明公开，PWM控制信号PWM1和PWM2每个切换25％的占空比而PWM1和PWM2结合提供50％的等效占空比。PWM信号PWM3和PWM4的情形相同。这样，“或”后的占空比仅仅依赖于V输入和V输出但每个PWM信号运行于一半的占空比，这样结合起来可以获得加倍的数值。
现在参照图3，示出了多相升压调节器的另一实施例。在该实施例中，输入电压施加于输入电压节点302处。电容器304连接于节点302和接地之间。第一升压调节器306和第二升压调节器308连接至节点302。升压调节器306包括连接于节点302和节点310之间的电感器308。N沟道晶体管312连接于节点310和接地之间。第二N沟道晶体管314与晶体管312并联在节点310和接地之间。N沟道晶体管316的源极/漏极通道连接于节点310和输出电压节点312之间。电容器315连接于节点312和接地之间。晶体管312的栅极由同步驱动电路316的LO输出驱动。同步驱动器318采用其LO输出来驱动晶体管314的栅极，并且使用其HO输出来驱动晶体管310的栅极。
升压调节器308包括连接于节点302和节点322之间的电感器320。N沟道晶体管324的漏极/源极通道连接在节点322和接地之间。N沟道晶体管326与晶体管324并联且其漏极/源极通道连接于节点322和接地之间。晶体管328的漏极/源极通道连接于节点322和输出电压节点312之间。将每个晶体管306和308的输出在节点312处“或”连接在一起。同步驱动器330利用其LO输出来驱动晶体管324的栅极。同步驱动器332采用其LO输出来驱动晶体管326的栅极以及其HO输出来驱动晶体管328的栅极。
电阻器350连接于输出节点和节点312之间。电阻器351连接于352和GND之间。节点352连接至多相PWM控制器336以提供输出电压反馈信号。多相PWM控制器336，响应于所感测的电压反馈信号，产生四个PWM相输出信号，分别提供给低压侧驱动电路316、318、330和332。这些PWM信号由每个低压侧驱动电路所用以产生至其相关联的开关晶体管的栅极驱动信号。电流传感器334监控晶体管312和314的源极处的电流，并响应于此提供输出至多相PWM控制器336。电流传感器338监控晶体管324和326的源极处的电流并将此信息提供至多相控制器336。响应于在每个晶体管的源极处感测的电流信号，多相PWM控制器336产生相校正信号用于在各相之间提供精确的电流分配。此外或非门340和342的输出分别连接至同步驱动器318和332的H输入输入。或非门340的输入被连接成分别在节点344和346处接收来自多相PWM控制器的PWM1和PWM2信号。或非门342被连接成分别在节点348和350处接收来自多相PWM控制器的PWM3和PWM4信号。
采用MOSFET开关和晶体管310和328而不采用先前实施例所描述的二极管，由于消除了较大的二极管诱导损耗而提高了系统效率。或非门340和342防止了在晶体管312和314或晶体管324和326之间发生上下开关导通的情况，由此不会发生击穿情况。
现在参照图4，示出了多相升压调节器的又一实施例。输入电压施加于输入电压节点402。电容器404连接于输入节点402和接地之间。三个升压调节器406、408和410连接于输入电压节点402之间并在输出电压节点412处将它们的相节点全部“或”连接在一起。
升压调节器406包括连接于节点402和节点416之间的电感器414。N沟道晶体管418的漏极/源极通道连接在节点416和接地之间。二极管420的阳极连接至节点416而阴极连接至输出电压节点412。电容器422连接于输出电压节点412和接地之间。第二升压调节器408包括连接至节点402和节点426之间的电感器424。N沟道晶体管428的漏极/源极通道连接于节点426和接地之间。二极管430的阳极连接至节点426而阴极连接至节点408。升压调节器410包括连接至节点402和节点434之间的电感器432。二极管436的阳极连接至节点434而阴极连接至节点412。
电阻器450连接于输出节点412和节点452之间。电阻器451连接于节点452和GND之间。节点452连接至多相PWM控制器440来提供输出电压反馈信号。多相PWM控制器440，响应于所感测的电压反馈信号，产生四个PWM相输出信号。这些PWM信号由各个低压侧驱动电路所用以产生至相关联的开关晶体管的栅极驱动信号。电流感测电路438分别连接成监控晶体管418、428和434的源极处的电流。电流感测电路438将这些电流信息提供至多相PWM控制器440用于在各相之间提供精确的电流分配。PWM控制器440产生六个独立的PWM相信号至或逻辑单元442。或逻辑单元442将来自多相PWM控制器440的两个PWM信号相互进行或操作以分别产生相1、相2和相3信号。相1、相2和相3信号提供至低压侧驱动器444的输入。低压侧驱动器444的输出分别提供至晶体管418、428和434的栅极。在将PWM信号输送至驱动电路444之前，采用外部或逻辑单元444将PWM信号进行“或”操作，消除了对于在电感器和二极管之间的多相晶体管的需求，因为PWM信号在输送至驱动器的栅极驱动之前已经进行“或”操作，因此在一个开关周期期间，每个MOSFET将开关两次。相节点406、426和434处的波形将与图2中相节点208和226处的刚好相同。
现在参考图5，示出了升压调节器的又一实施例。输入电压施加于输入电压节点502。电容器504连接于输入节点502和接地之间。三个升压调节器506、508和510连接于输入电压节点502之间并在输出电压节点512处将它们的相节点全部“或”连接在一起。
升压调节器506包括连接于节点502和节点516之间的电感器514。N沟道晶体管518的漏极/源极通道连接在节点516和接地之间。晶体管520的漏极/源极通道连接于节点516和输出电压节点512之间。电容器522连接于输出电压节点512和接地之间。
第二升压调节器508包括连接至节点502和节点526之间的电感器524。N沟道晶体管528的漏极/源极通道连接于节点526和接地之间。晶体管530的漏极/源极通道连接于节点526和节点502之间。升压调节器510包括连接在节点502和节点534之间的电感器532。晶体管536为N沟道晶体管且其漏极/源极通道连接于节点534和接地之间。晶体管537的漏极/源极通道连接于节点534和节点512之间。
电阻器550连接于输出节点512和节点552之间。电阻器551连接于552和GND之间。节点552连接至多相PWM控制器540来提供输出电压反馈信号。多相PWM控制器540，响应于所感测的电压反馈信号，产生四个PWM相输出信号，这些PWM信号由各个低压侧驱动电路所用以产生至其相关联的开关晶体管的栅极驱动信号。电流感测电路538被连接成分别监控晶体管518、528和536的源极处的电流。电流感测电路538将这些电流信息提供至多相PWM控制器540用于在各相之间提供精确的电流分配。PWM控制器产生六个独立的PWM相信号至或逻辑单元542。或逻辑单元542将来自多相PWM控制器540的两个PWM信号相互进行或操作以分别产生相1、相2和相3信号。相1、相2和相3信号提供至三相驱动逻辑单元544的输入。三个相驱动逻辑单元544的输出分别提供至晶体管518、528、536、520、530和537的栅极。来自或逻辑单元542的“或”后的相施加于三相驱动逻辑单元534。三相驱动逻辑单元534的HO输出用于分别驱动晶体管520、530和537的栅极。三相驱动逻辑单元534的LO输出用于驱动晶体管518、528和536的栅极。
采用晶体管520、530和537而不用图4所示的二极管，由于消除了较大的二极管传导损耗而提高了系统效率。采用三相驱动逻辑单元544而不采用参考图4所讨论的LO侧驱动器444，能够通过提供高低压侧栅极驱动信号使升压应用同步化。这样，采用上述实施方式，已经克服了与现有多相升压变换器配置相关的占空比限制，同时在相关的电路内仍保持良好的电流分配并减小电感器的尺寸。
得益于本发明公开的优点的本领域技术的人员应当理解，用于多相升压变换器中“或”连接各相以克服占空比限制的系统和方法为多相升压变换器提供了增加的占空比。应当理解的是，本文中的附图和详细描述应被认为是说明性而不是限制的，而且并不旨在受限于所公开的特定形式和示例。反之，所包括的是未背离本发明如所附权利要求所限定的精神和范围的对本领域的普通技术人员而言明显的任何进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施方式。因此，旨在使所附权利要求被解释为包含所有这些进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施方式。

Claims (20)

1.一种多相升压变换器，包括：
产生多个PWM信号的多相PWM控制器；以及
多个升压变换器，每个升压变换器与连接于输入电压节点和输出电压节点之间的单独相关联，用于响应于输入电压和所述多个PWM信号产生输出电压，其中所述多个升压变换器的每个相节点彼此“或”连接。
2.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中的每个还包括：
连接于输入电压节点和相节点之间的电感器；
连接于相节点和接地之间的至少一个开关晶体管；
连接于相节点和输出电压节点之间的二极管；以及
响应于PWM信号控制至少一个开关晶体管的开断的驱动电路。
3.如权利要求2所述的多相升压变换器，其特征在于，还包括至少一个电流传感器，用于监控通过至少一个开关晶体管的电流并产生至多相PWM控制器的反馈信号。
4.如权利要求2所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多相PWM控制器响应于所感测的通过至少一个开关晶体管的电流产生多个PWM信号。
5.如权利要求2所述的多相升压变换器，其特征在于，所述驱动电路还包括低压侧驱动电路。
6.如权利要求3所述的多相升压变换器，其特征在于，还包括产生多个反向PWM信号的PWM逆变器，用于响应于多个PWM信号驱动至少一个开关晶体管。
7.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中的每个还包括：
连接于输入电压节点和相节点之间的电感器；
连接于相节点和接地之间的多个开关晶体管；
连接于相节点和输出电压节点之间的第二开关晶体管；
响应于PWM信号控制多个开关晶体管中的第一开关晶体管开断的第一同步驱动器；
响应于PWM信号控制第二开关晶体管开断的第二同步驱动器；以及
接收控制多个开关晶体管运行的PWM信号并产生控制信号以防止多个晶体管中的每个同时导通的“或非”门。
8.如权利要求7所述的多相升压变换器，其特征在于，还包括至少一个电流电感器，用于监控通过至少一个开关晶体管的电流并产生至多相PWM控制器的反馈信号。
9.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中的每个还包括：
连接于输入电压节点和相节点之间的电感器；
连接于相节点和接地之间的开关晶体管；
连接于相节点和输出电压节点之间的二极管；以及
响应于PWM信号控制开关晶体管的开断的低压侧驱动器。
10.如权利要求9所述的多相升压变换器，其特征在于，还包括：
至少一个电流传感器，用于监控通过开关晶体管的电流并产生至多相PWM控制器的反馈信号；以及
“或”逻辑单元，用于将由多相PWM控制器产生的多个PWM信号“或”连接在一起并产生至低压侧驱动器的控制信号。
11.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中的每个还包括：
连接于输入电压节点和相节点之间的电感器；
连接于相节点和接地之间的开关晶体管；
连接于相节点和输出电压节点之间的二极管。
12.如权利要求9所述的多相升压变换器，其特征在于，还包括：
三相驱动器，用于在响应于多个控制信号的多个升压变换器的每个中响应于PWM信号控制开关晶体管的开断；
至少一个电流传感器，用于监控通过开关晶体管的电流并产生至多相PWM控制器的反馈信号；以及
“或”逻辑单元，将由多相PWM控制器产生的多个PWM信号相互进行“或”操作并产生至三相驱动器的多个控制信号。
13.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中的每个还包括：
连接于输入电压节点和相节点之间的电感器；
连接于相节点和接地之间的开关晶体管；
连接于相节点和输出电压节点之间的第二开关晶体管；
三相驱动器，用于在响应于多个控制信号的多个升压变换器的每个中响应于PWM信号控制开关晶体管的开断；
至少一个电流传感器，用于监控通过开关晶体管的电流并产生至多相PWM控制器的反馈信号；以及
“或”逻辑单元，将由多相PWM控制器产生的多个PWM信号相互进行“或”操作并产生至三相驱动器的多个控制信号。
14.如权利要求1所述的多相升压变换器，其特征在于，所述多个升压变换器中每个的相的“或”连接将占空比增至大于66％。
15.一种操作多相升压变换器的方法，包括如下步骤：
将与多相升压变换器相关的多个升压变换器的相节点彼此连接；
产生多个PWM信号；以及
响应于输入电压和多个PWM信号产生输出电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生多个PWM信号的步骤还包括如下步骤：
监控通过多个开关晶体管中至少一个开关晶体管的电流；以及
响应于所监控的电流产生控制信号，以控制至少一个开关晶体管的开断。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，产生控制信号的步骤还包括如下步骤：
响应于所监控的电流产生多个PWM信号；以及
反转多个PWM信号以提供控制信号。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，产生控制信号的步骤还包括如下步骤：
响应于所监控的电流产生多个PWM信号；以及
将多个PWM信号相互进行“或”操作以产生控制信号。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生输出电压的步骤还包括利用多相驱动器驱动多个开关晶体管的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生输出电压的步骤还包括利用同步驱动器驱动多个开关晶体管的步骤。
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