CN102281004A - 大功率开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
一种大功率开关电源电路，涉及集成电路供电领域，包括三个输入滤波单元、六个开关单元、三个输出滤波单元、相位选择开关、同步时钟配置开关和单输出/双输出电压选择开关，每两个开关单元为一组，每个输入滤波单元分别连接每组开关单元，一个主脉冲宽度调制控制器控制一组开关单元，两个从脉冲宽度调制控制器分别控制另外两组开关单元，每组开关单元连接一输出滤波单元，且每个开关单源与输出滤波单元之间连接一个感应电感；所有脉冲宽度调制控制器均连接相位选择开关和同步时钟配置开关，三个输出滤波单元连接单输出/双输出电压选择开关。该电路输出电流均流，在大功率、低电压、低纹波以及高瞬态响应的供电要求下，稳定可靠的输出直流电流。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统设备中集成电路的供电领域，具体来讲是一种大功率开关电源电路。
背景技术
在下一代互联网通信系统中，由于其设备的特殊性，特别是对核心交换设备超大交换容量的需求，带来了核心交换集成电路在规模度、复杂性、集成度、工艺性和功耗等方面的极高要求，并对其集成电路的供电系统提出了挑战。低电压、大电流、低纹波和高瞬态响应的大功率供电系统的需求随之提出。
目前，业界常用的通信电源模块能提供的1.2V输出电压，最大输出电流＜30A，电压纹波＜30mV。而在大容量电信级以太网机架设备的核心交换处理芯片的供电设计中，提出了输出电流＞100A，输出电压＜1.2V，电压纹波＜20mV等供电要求。
此种情况下，必须使用多个现有的电源模块，通过并联的方式才能实现上述需求。但是，这种方式由于没有均流技术，无法实现各电源模块之间电流的平均分配，在大规模集成电路超低供电电压(输出电压＜1.2V)和低纹波(电压波纹＜20mV)的要求下，无法提供稳定的电流输出。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率开关电源电路，实现输出电流的均流，在大功率、低电压、低纹波以及高瞬态响应的供电要求下，稳定可靠的输出超大规模集成电路内核所需的直流电流。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种大功率开关电源电路，包括三个输入滤波单元、六个开关单元、三个输出滤波单元、相位选择开关、同步时钟配置开关和单输出/双输出电压选择开关，所述每两个开关单元为一组，每个输入滤波单元分别连接每组的两个开关单元，一个主脉冲宽度调制控制器控制其中一组开关单元，两个从脉冲宽度调制控制器分别控制另外两组开关单元，每组开关单元连接一个输出滤波单元，且每个开关单源与输出滤波单元之间连接一个感应电感；所述主脉冲宽度调制控制器、两个从脉冲宽度调制控制器均连接相位选择开关和同步时钟配置开关，三个输出滤波单元连接单输出/双输出电压选择开关。
在上述技术方案的基础上，所述每个输入滤波单元是由多个电容并联组成，输入电流流过每个输入滤波单元后，进入每组的两个开关单元。
在上述技术方案的基础上，所述每个开关单元分别各由两个金氧半场效晶体管组成，其中上金氧半场效晶体管的漏极与相应的输入滤波单元连接，下金氧半场效晶体管的源极接地，所述上金氧半场效晶体管的源极和下金氧半场效晶体管的漏极连接，并作为与其相连的开关单元的输出端，与所述感应电感连接。
在上述技术方案的基础上，所述主脉冲宽度调制控制器输出时钟同步信号，连接两个从脉冲宽度调制控制器。
在上述技术方案的基础上，当相位选择开关将主脉冲宽度调制控制器和两个从脉冲宽度调制控制器的相位控制脚经电阻接地时，为单输出电压模式。
在上述技术方案的基础上，当相位选择开关将主脉冲宽度调制控制器和制控制器相位控制脚经过两个电阻连接后接地，另外一个从脉冲宽度调制控制器的相位控制脚直接接地时，为双输出电压。
在上述技术方案的基础上，所述同步时钟配置开关将主脉冲宽度调制控制器和其中一个从脉冲宽度调制控制器的时钟同步信号连接，根据其配置引脚上分到的电压值，按照时钟同步信号的脉冲上升沿或下降沿选择适合的时间，控制与所述主脉冲宽度调制控制器和其中一个从脉冲宽度调制控制器相连的两组开关单元的打开和关闭。
在上述技术方案的基础上，每个输出滤波单元和其连接的两个感应电感组成LC滤波电路。
在上述技术方案的基础上，所述每个输出滤波单元由多个并联电容组成；所述感应电感与输出滤波单元的连接节点的电压为输出电压，两个负载分别连接至输出电压。
本发明的有益效果在于：
本发明大功率开关电源电路采用多个开关电源系统堆叠的方式，实现输出电流＞100A。由于使用一种时钟同步的方式，实现输出电流的均流，在大功率、低电压、低纹波以及高瞬态响应的供电要求下，稳定可靠的输出超大规模集成电路内核所需的直流电流。
另外，本发明中，由于相位选择开关、同步时钟配置开关和单输出/双输出电压选择开关，三个开关的接通和断开，控制单电压输出或双电压输出模式，即可拆分的形式，能够满足超大规模集成电路内核供电时，满足电源同电压不同电源域或较小差别的不同电压域精确供电的需求。
附图说明
图1为本发明大功率开关电源电路的原理框图；
图2为图1中主脉冲宽度调制控制器及外围器件的原理图；
图3为图1中一个从脉冲宽度调制控制器及外围器件的原理图；
图4为图1中另一个从脉冲宽度调制控制器及外围器件的原理图；
附图标记：
主PWM控制器0，从PWM控制器(1、2)，输入滤波单元(11、12、13)，开关(21、22、23)，开关单元(31、32、33、34、35、36)，感应电感(41、42、43、44、45、46)，输出滤波单元(51、52、53)，负载(61、62)，电阻(71、72、73、74)，时钟同步信号81。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明大功率开关电源电路包括三个输入滤波单元，六个开关单元，三个输出滤波单元，每两个开关单元为一组，每个输入滤波单元连接一组开关单元，每组开关单元分别与一个输出滤波单元相连，滤波输出单元和每组的两个开关单元之间均连接有感应电感。所述大功率开关电源电路还包括主脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，简称PWM)控制器，两个从PWM控制，主PWM控制器和两个从PWM控制器分别控制每组开关单元。所述大功率开关电源电路还包括相位选择开关、同步时钟配置开关和单输出/双输出电压选择开关，主脉冲宽度调制控制器、两个从脉冲宽度调制控制器均连接相位选择开关和同步时钟配置开关，三个输出滤波单元连接单输出/双输出电压选择开关。
如图1至图4所示，本实施例中，开关单元31、32为一组，开关单元33、34为一组，开关单元35、36为一组；输入滤波单元11连接开关单元31、32，输入滤波单元12连接开关单元33、34，输入滤波单元13连接开关单元35、36。所述输入滤波单元11～13由多个电容并联组成，输入电流流过输入滤波单元11～13进入与其连接的开关单元31～36。
主PWM控制器0控制开关单元31和开关单元32的打开和关闭，从PWM控制器1控制开关单元33和开关单元34的打开和关闭，从PWM控制器2控制控制开关单元35和开关单元36的打开和关闭。开关21为相位选择开关，开关22为同步时钟配置开关，开关23为单输出/双输出电压选择开关。主PWM控制器0输出时钟同步信号81，连接从PWM控制器1和从PWM控制器2。
感应电感41上接开关单元31的输出，下接输出滤波单元51；感应电感42上接开关单元32的输出，下接输出滤波单元51；感应电感43上接开关单元33的输出，下接输出滤波单元52；感应电感44上接开关单元34的输出，下接输出滤波单元52；感应电感45上接开关单元35的输出，下接输出滤波单元53；感应电感46上接开关单元36的输出，下接输出滤波单元53；其中感应电感41，42与输出滤波单元51组成LC滤波电路，感应电感43，44与输出滤波单元52组成LC滤波电路，感应电感45，46与输出滤波单元53组成LC滤波电路，实现输出滤波功能。所述感应电感41～46的另一个功能为反馈采样，本开关电源电路采用的是峰值电流感应方式进行输出电流的采样，利用感应电感41～46的直流等效电阻上流过的电流反映输出电流的大小并反馈给PWM控制器，形成闭环反馈。所述输出滤波单元51～53，是由多个并联电容组成，与所述感应电感连接节点的电压为输出电压，连接对应的负载61和负载62。
所述的开关单元31～36，均由两个金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)组成，本实施例中使用N沟道MOSFET。每个开关单元的上下MOSFET的栅极分别与对应的PWM控制器连接。所述上MOSFET管的漏极与对应的输入滤波单元连接，所述下MOSFET管的源极与地连接。所述上MOSFET的源极和下MOSFET的漏极连接并作为对应的开关单元的输出端与对应的感应电感相连，上述所有对应的关系，均为前面所述的相连的部分。
如图1至图4所示，主PWM控制0的相位配置引脚PH经电阻73连接从PWM控制器1的相位配置引脚PH，再经电阻74和开关21，与从PWM控制器2的相位配置引脚PH相连，并接地。从PWM控制器1和从PWM控制器2，根据其配置引脚PH上分到的电压值，按照时钟同步信号81的某个时钟上升沿或下降沿选择对应的时间，打开各自控制的开关单元。开关22通过并联电阻71、电阻72接地。
如果为单输出电压，开关21将主PWM控制器0和两个从控制器1、2的相位控制脚经电阻接到地。同时，开关22为使电路时钟同步信号连接在一起的模式。此时主PWM控制器0和两个从控制器1、2根据其配置引脚PH上分到的电压值，按照时钟同步信号的脉冲上升沿或下降沿选择适合的时间打开和关闭开关单元31～36。
如果为双输出电压，开关21为将主PWM控制器和从PWM控制器1的相位控制脚PH通过电阻73和电阻74连接后接地的模式，从PWM控制器2的相位控制脚经过电阻71、电阻72直接接地的模式，并且开关22为将主PWM控制器和从PWM控制器1的时钟同步信号连接的模式，根据其配置引脚PH上分到的电压值，主PWM控制器和从PWM控制器1按照时钟同步信号的脉冲上升沿或下降沿选择适合的时间打开和关闭开关单元31～34，从PWM控制器2的时钟同步信号处于独立的模式。
下面通过两个实施例对本发明进一步阐述：
实施例1：
如图1至图4所示，所述单输出电压时，开关21为将主PWM控制器0、从PWM控制器1和从PWM控制器2的相位控制脚一起接地模式。同时，开关22为将主PWM控制器0、从PWM控制器1和从PWM控制器2的时钟同步信号脚连接在一起的模式。开关23为单输出电压选择模式，即负载1和负载2合为一个负载。这样三个PWM控制器处于堆叠模式，输入电流流过输入滤波单元11～13，进入对应的开关单元31～36。主PWM控制器0、从PWM控制器1和从PWM控制器2，根据其配置引脚PH上分到的电压值，依序按照时钟同步信号上脉冲上升沿选择打开各自控制的开关单元。由于每个PWM控制器控制一组的两路开关单元，即两相电流，三个PWM控制器一共有6相电流。这样在主PWM控制器0输出的一个同步时钟周期内，主PWM控制器0、从控制器1和从控制器2依序输出6相电流，每相电流经过与其对应感应电感和输出滤波单元组成的LC滤波电路，进入负载。
根据单输出电压所述的电路和对整个电路的调试和测试，该电路实现了输出电压1V，120A输出电流和20mV输出纹波的设计要求，具体参数如表1所示。
表1
| 参数 | 条件 | 最小 典型 最大 | 单位 |
| Vin 输入电压 | 4.8 5 12 | V | |
| Vout 输出电压 | 1 | V | |
| Vripple 电压纹波 | Io＝120A | 20mV | V |
| Iout 输出电流 | 120 | A |
实施例2：
所述双输出电压时，开关21为将主PWM控制器0、从PWM控制器1的相位控制脚一起接地模式，从PWM控制器2的相位控制脚直接接地。同时，开关22为将主PWM控制器0和从PWM控制器1时钟同步信号脚连接在一起的模式，从PWM控制器2时钟同步信号处于独立模式。开关23为双输出电压选择模式。整个电路变成一个4相电流输出的开关电源电路和一个2相电流输出的开关电源电路。两个开关电源电路的输入相同，输出负载不同，即输出电流的大小不同。
对于4相电流输出的开关电源电路，输入电流流过输入滤波单元11～12，进入对应的开关单元31～34。主PWM控制器0和从PWM控制器1，根据其配置引脚PH上分到的电压值，依序按照时钟同步信号上脉冲上升沿选择打开各自控制的开关单元。由于一个PWM控制器控制两路开关单元，即两相电流，两个PWM控制器一共有4相电流。这样在主PWM控制器输出的一个同步时钟周期内，主PWM控制器0、从控制器1依序输出4相电流，每相电流经过与其对应感应电感和输出滤波单元组成的LC滤波电路，进入负载1。
对于2相电流输出的开关电源电路，输入电流流过输入滤波单元13，进入开关单元35和36。从PWM控制器2，按照相位相差180°的关系依序打开开关单元35和36。由开关单元35和36流出的两相电流经过与其对应感应电感和输出滤波单元组成的LC滤波电路，进入负载2。
根据所述双输出电压和对整个电路的调试和测试，该电路成功实现了一个1V输出电压，80A输出电流，电压纹波小于20mV，另一个1.12V输出电压，40A输出电流，电压纹波小于20mV的开关电源。具体参数如表2所示。
表2
| 参数 | 条件 | 最小 典型 最大 | 单位 |
| Vin 输入电压 | 4.8 5 12 | V | |
| Vout 1 输出电压1 | 1 | V | |
| Vout 2 输出电压2 | 1.12 | V | |
| Vripple1电压纹波 | Io＝80A | 20mV | V |
| Vripple2电压纹波 | Io＝40A | 20mV | V |
| Iout1 输出电流1 | 80 | A | |
| Iout2 输出电流2 | 40 | A |
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种大功率开关电源电路，包括三个输入滤波单元、六个开关单元、三个输出滤波单元、相位选择开关、同步时钟配置开关和单输出/双输出电压选择开关，其特征在于：所述每两个开关单元为一组，每个输入滤波单元分别连接每组的两个开关单元，一个主脉冲宽度调制控制器控制其中一组开关单元，两个从脉冲宽度调制控制器分别控制另外两组开关单元，每组开关单元连接一个输出滤波单元，且每个开关单元与输出滤波单元之间连接一个感应电感；所述主脉冲宽度调制控制器、两个从脉冲宽度调制控制器均连接相位选择开关和同步时钟配置开关，三个输出滤波单元连接单输出/双输出电压选择开关。
2.如权利要求1所述的大功率开关电源电路，其特征在于：所述每个输入滤波单元是由多个电容并联组成，输入电流流过每个输入滤波单元后，进入每组的两个开关单元。
3.如权利要求1所述的大功率开关电源电路，其特征在于：所述每个开关单元分别各由两个金氧半场效晶体管组成，其中上金氧半场效晶体管的漏极与相应的输入滤波单元连接，下金氧半场效晶体管的源极接地，所述上金氧半场效晶体管的源极和下金氧半场效晶体管的漏极连接，并作为与其相连的开关单元的输出端，与所述感应电感连接。
4.如权利要求1所述的大功率开关电源电路，其特征在于：所述主脉冲宽度调制控制器输出时钟同步信号，连接两个从脉冲宽度调制控制器。
5.如权利要求4所述的大功率开关电源电路，其特征在于：当相位选择开关将主脉冲宽度调制控制器和两个从脉冲宽度调制控制器的相位控制脚经电阻接地时，为单输出电压模式。
6.如权利要求4所述的大功率开关电源电路，其特征在于：当相位选择开关将主脉冲宽度调制控制器和一个从脉冲宽度调制控制器相位控制脚经过两个电阻连接后接地，另外一个从脉冲宽度调制控制器的相位控制脚直接接地时，为双输出电压。
7.如权利要求6所述的大功率开关电源电路，其特征在于：所述同步时钟配置开关将主脉冲宽度调制控制器和其中一个从脉冲宽度调制控制器的时钟同步信号连接，根据其配置引脚上分到的电压值，按照时钟同步信号的脉冲上升沿或下降沿选择适合的时间，控制与所述主脉冲宽度调制控制器和其中一个从脉冲宽度调制控制器相连的两组开关单元的打开和关闭。
8.如权利要求1所述的大功率开关电源电路，其特征在于：每个输出滤波单元和其连接的两个感应电感组成LC滤波电路。
9.如权利要求8所述的大功率开关电源电路，其特征在于：所述每个输出滤波单元由多个并联电容组成；所述感应电感与输出滤波单元的连接节点的电压为输出电压，两个负载分别连接至输出电压。
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