CN102751873B - 多相电源转换器的增强型相数控制电路及方法 - Google Patents

多相电源转换器的增强型相数控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多相电源转换器的增强型相数控制电路及方法，在该多相电源转换器为单相操作期间，检测相电流的即时变化，若该相电流大于临界值，则立即将该多相电源转换器切换至较高的电源区，以增加操作相数，进而增加该多相电源转换器的转换效率及可靠度。

Description

多相电源转换器的增强型相数控制电路及方法
技术领域
本发明是有关一种多相电源转换器，特别是关于一种多相电源转换器的相数控制电路及方法。
背景技术
某些需要低压大电流的装置，例如中央处理器(CentralProcessingUnit；CPU)，其电源供应器大多使用多相并联的直流对直流转换器来实现，尤其是具有较严格规格者，该电源供应器还必须兼具有效电压定位(ActiveVoltagePositioning；AVP)的功能。在低输出电压高输出电流的应用上，多相并联操作的直流对直流转换器可以提升重载的转换效率，但是轻载的转换效率较差，为了让轻重载皆具有高转换效率，因而提出动态相数控制的方案。美国专利号6,674,274是通过AVP所产生的输出电压变化来辨别输出电流的大小。根据AVP原理，当输出电流变大时，输出电压下降，此时系统切换至多相操作，以提升重载效率；反之，当输出电流变小时，输出电压上升，此时系统切换至单相操作，以提升轻载效率。美国专利号7,492,134是感测相电路的相电流来判断输出电流的大小，进而决定操作相数。当相电流上升时，操作相数逐渐地增加；当相电流下降时，操作相数逐渐地减少。此外，当输出电压瞬间下降时，系统马上启动所有的相电路，以增加换相的速度，避免发生不必要的过电流保护，或造成系统损坏。
造成相电流突然增加的原因包括输出电流增加、直流负载线(loadline)由大变小以及高斜率的输出电压变化等，其中直流负载线是AVP所产生的压降。现有的方法都是根据输出电流的大小来改变操作相数，因此改变操作相数的速度取决于电流感测的速度。当系统感测电流的速度太快时，容易造成电流准位偏移及误动作；反之，当系统感测电流的速度太慢，系统将发生不必要的过电流保护，或造成系统损坏。参照图1，相电流的变化斜率可以概分成3个区间A1、A2及A3，其中区间A1的电流变化速度最快，区间A2的电流变化速度次之，区间A3的电流变化速度最慢。现有的方法只能即时处理位于区间A1及A3的电流变化以决定操作相数，因此当系统在稳态且单相操作时，若电流突然增加而且变化斜率是位于区间A2时，系统无法即时从单相操作切换为多相操作，因而造成不必要的过电流保护，或造成系统损坏。
因此，一种能处理中速电流变化速度的增强型相数控制电路及方法，乃为所冀。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种能处理中速电流变化速度的增强型相数控制电路及方法。
根据本发明，一种多相电源转换器的增强型相数控制电路包括状态机决定该多相电源转换器的电源操作区，以及电流快速响应电源区上升电路，在该多相电源转换器为单相操作期间，若相电流大于临界值，送出信号至该状态机，以切换该电源操作区使操作相数增加，进而增加该多相电源转换器的转换效率及可靠度。其中，不同的电源操作区具有不同的操作相数。
根据本发明，一种多相电源转换器的增强型相数控制方法包括在该多相电源转换器为单相操作期间检测该相电流，若该相电流大于临界值，切换该多相电源转换器的电源操作区以增加操作相数，进而增加该多相电源转换器的转换效率及可靠度。其中，不同的电源操作区具有不同的操作参数。
附图说明
图1是相电流变化斜率的快速、中速及慢速区间的示意图；
图2是使用本发明的增强型相数控制电路的多相电源转换器；
图3是图2中的增强型相数控制电路的实施例；
图4是设定电源区的示意图；
图5是总和信号Visum及直流信号Viqk的波形；
图6是在多相电源转换器的直流负载线由大变小时，没有电流快速响应电源区上升电路的信号波形图；以及
图7是在多相电源转换器的直流负载线由大变小时，具有电流快速响应电源区上升电路的信号波形图。
附图标号：
10误差放大器
12偏移消除电路
14比较器
16加法器
18加法器
20增强型相数控制电路
22相电路
24相电路
26相电路
28相电路
30电流感测器
32电流感测器
34电流感测器
36电流感测器
38低通滤波器
40负载追踪电源区下降电路
42连续电源区上升电路
44电流快速响应电源区上升电路
46动态参考电压相数上升电路
48电压快速响应电源区上升电路
50状态机
52比较器
54及闸
56检测器
58比较器
60总和信号Visum的波形
62直流信号Viqk的波形
具体实施方式
图2的多相电源转换器是使用本发明的增强型相数控制电路20。此多相电源转换器包括四个相电路22、24、26及28分别提供相电流IL1、IL2、IL3及IL4，电流感测器30、32、34及36分别感测相电流IL1、IL2、IL3及IL4产生电流感测信号CS1、CS2、CS3及CS4，加法器18结合电流感测信号CS1、CS2、CS3及CS4产生总和信号Visum，误差放大器10根据参考电压VID及与输出电压Vout相关的反馈电压VFB产生误差信号Vea1，参考电压VID是用以决定输出电压Vout的准位，加法器16结合参考电压VID及总和信号Visum产生信号Vcs，偏移消除电路12根据信号Vcs及Vea2消除误差信号Vea1的偏移而产生误差信号Vea2，比较器14根据信号Vcs及Vea2产生比较信号Sc1，增强型相数控制电路20根据比较信号Sc1提供脉宽调变信号Spwm1、Spwm2、Spwm3及Spwm4给相电路22、24、26及28，以分别控制相电流IL1、IL2、IL3及IL4。此外，增强型相数控制电路20还根据总和信号Visum、输出电压Vout及参考电压VID产生电源区控制信号Spzc及相数控制信号Spc来决定电源操作区及操作相数。不同的电源操作区定义不同的操作参数，例如操作相数、负载线、操作频率及电压偏移量等。此多相电源转换器处于稳态时，由于虚短路原理，误差放大器10的两输入端电压相等，反馈电压VFB可以视为参考电压VID，因此在此实施例中，增强型相数控制电路20使用反馈电压VFB替代参考电压VID。
图3是增强型相数控制电路20的实施例，其包括低通滤波器38、负载追踪电源区下降电路40、连续电源区上升电路42、电流快速响应电源区上升电路44、动态参考电压相数上升电路46、电压快速响应电源区上升电路48以及状态机50。为了处理广泛的相电流操作斜率，例如图1的三个区间A1、A2及A3，增强型相数控制电路20的电源区切换机制分为三部分。第一部分是慢速的电源区变化，例如图1的区间A3，通过负载追踪电源区下降电路40及连续电源区上升电路42来实现。第二部分是中速的电源区变化，例如图1的区间A2，通过电流快速响应电源区上升电路44及动态参考电压相数上升电路46来实现。第三部分是快速的电源区变化，例如图1的区间A1，藉电压快速响应电源区上升电路48来实现。
在图3的增强型相数控制电路中，低通滤波器38滤除总和信号Visum的切换涟波及高频噪声产生直流信号Viqk，因此直流信号Viqk等于总和信号Visum的平均值，可以用来判断输出电流Iload的变化。负载追踪电源区下降电路40根据直流信号Viqk以及临界值TH1-HYS1、TH2-HYS2及TH3-HYS3产生信号S1。连续电源区上升电路42根据直流信号Viqk以及临界值TH1、TH2及TH3产生信号S2。如图4所示，在此实施例中，临界值TH1、TH2、TH3、TH1-HYS1、TH2-HYS2及TH3-HYS3决定四个电源区PZ0、PZ1、PZ2及PZ3，其中电源区PZ0设定为四相操作，电源区PZ1设定为三相操作，电源区PZ2设定为二相操作，电源区PZ3设定为单相操作。
当多相电源转换器在电源区PZ3时，若直流信号Viqk上升且大于临界值TH3，连续电源区上升电路42送出信号S2至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ2。
当多相电源转换器在电源区PZ2时，若直流信号Viqk上升且大于临界值TH2，连续电源区上升电路42送出信号S2至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ1，若直流信号Viqk下降且小于临界值TH3-HYS3，负载追踪电源区下降电路40送出信号S1至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ3。
当多相电源转换器在电源区PZ1时，若直流信号Viqk上升且大于临界值TH1，连续电源区上升电路42送出信号S2至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ0，若直流信号Viqk下降且小于临界值TH2-HYS2，负载追踪电源区下降电路40送出信号S1至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ2。
当多相电源转换器在电源区PZ0时，若直流信号Viqk下降且小于临界值TH1-HYS1，负载追踪电源区下降电路40送出信号S1至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入电源区PZ1。
当输出电压Vout瞬间下降且低于临界值TH5时，电压快速响应电源区上升电路48送出信号S5至状态机50，状态机50因而送出电源区控制信号Spzc使多相电源转换器进入较高的电源区，例如立即进入电源区PZ0。
负载追踪电源区下降电路40、连续电源区上升电路42以及电压快速响应电源区上升电路48的电路架构可以参考美国专利号7,492,134，于此不再赘述。
当多相电源转换器处于单相操作时，即处于电源区PZ3时，只有相电路22启动，此时的总和信号Visum等于相电流IL1。若输出电流Iload瞬间上升且相电流IL1的变化斜率位于图1的区间A2，如图5的波形60所示，总和信号Visum随输出电流Iload快速上升，但直流信号Viqk则因低通滤波器38的延迟而慢慢上升，如波形62所示。当总和信号Visum达到临界值TH3后，直流信号Viqk需再经延迟时间Tiqk才达到临界值TH3，而当直流信号Viqk达到临界值TH3时，总和信号Visum已上升至相当高的准位，这可能触发单相的过电流保护，甚至损坏系统，因此电流快速响应电源区上升电路44在总和信号Visum上升至临界值TH3_QK时，送出信号S3至状态机50，使多相电源转换器进入较高的电源区，例如立即进入电源区PZ2、PZ1或PZ0。在此实施例中，电流快速响应电源区上升电路44包括比较器52比较总和信号Visum及临界值TH3_QR产生比较信号Sc2，以及及闸54根据比较信号Sc2及单相操作信号Sp1产生信号S3。
在多相电源转换器的直流负载线由大变小时，没有电流快速响应电源区上升电路44的信号波形如图6所示，具有电流快速响应电源区上升电路44的信号波形如图7所示。参照图6，在没有电流快速响应电源区上升电路44的情况下，当多相电源转换器为单相操作且直流负载线由大变小时，如时间t1所示，输出电压Vout及总和信号Visum上升，相电路22的上桥开关需要连开6次才能使多相电源转换器达到稳定。然而，参照图7，在有电流快速响应电源区上升电路44的情况下，当多相电源转换器为单相操作且直流负载线由大变小时，如时间t2所示，输出电压Vout及总和信号Visum上升，当总和信号Visum达到临界值TH3_QK时，如时间t3所示，电流快速响应电源区上升电路44使多相电源转换器进入电源区PZ0，相电路24、26及28都启动，如时间t4所示，因此相电路22的上桥开关只需要连开4次便能使多相电源转换器达到稳定。再者，有电流快速响应电源区上升电路44时的相电流IL1的最大暂态电流将远小于没有电流快速响应电源区上升电路44时的相电流IL1。假设相电流IL1的涟波为15A，则两种状况下的相电流IL1的最大暂态电流的差值约为30A。是以，电流快速响应电源区上升电路44能有效提升多相电源转换器的可靠度以及轻重载的转换效率。
参照图3，在此实施例中，动态参考电压相数上升电路46从反馈电压VFB判断参考电压VID的大小，当参考电压VID增加时，输出电压Vout开始上升，因此相电流将增加以使输出电压Vout上升，同时反馈电压VFB也跟着上升，若反馈电压VFB的变化量ΔVFB大于临界值TH4，则动态参考电压相数上升电路46送出信号S4至状态机50，状态机50因而输出相数控制信号Spc使所有相电路全部启动。在此实施例中，动态参考电压相数上升电路46包括检测器56用以检测反馈电压VFB的变化量ΔVFB，以及比较器58比较变化量ΔVFB及临界值TH4产生信号Sc。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的权利要求及其均等来决定。

Claims (6)

1.一种多相电源转换器的增强型相数控制电路，其特征在于，所述多相电源转器具有多个相电路提供多个相电流，多个电流感测器检测所述多个相电流产生多个电流感测信号，加法器结合所述多个电流感测信号产生总和信号，以及误差放大器比较参考电压及与所述多相电源转换器的输出电压相关的反馈电压产生误差信号以调整所述输出电压，所述增强型相数控制电路包括：
状态机，决定所述多相电源转换器的电源操作区，其中不同的电源操作区设定不同的操作相数；以及
电流快速响应电源区上升电路，连接所述状态机，在所述多相电源转换器为单相操作期间，若所述总和信号大于第一临界值，则送出第一信号至所述状态机，以切换所述电源操作区使操作相数增加。
2.如权利要求1所述的增强型相数控制电路，其特征在于，所述增强型相数控制电路更包括动态参考电压相数上升电路，连接所述状态机，在所述反馈电压的变化量超过第二临界值时，产生第二信号至所述状态机，使所述多个相电路全部启动。
3.如权利要求1或2所述的增强型相数控制电路，其特征在于，所述增强型相数控制电路更包括：
低通滤波器，过滤所述总和信号产生直流信号；
连续电源区上升电路，连接所述低通滤波器及状态机，根据所述直流信号产生第三信号至所述状态机，以切换所述电源操作区使操作相数增加；
负载追踪电源区下降电路，连接所述低通滤波器及状态机，根据所述直流信号产生第四信号至所述状态机，以切换所述电源操作区使操作相数减少；以及
电压快速响应电源区上升电路，检测所述输出电压，当所述输出电压低于第三临界值时，产生第五信号至所述状态机，以切换所述电源操作区使操作相数增加。
4.一种多相电源转换器的增强型相数控制方法，其特征在于，所述多相电源转器具有多个相电路提供多个相电流，多个电流感测器检测所述多个相电流产生多个电流感测信号，加法器结合所述多个电流感测信号产生总和信号，以及误差放大器比较参考电压及与所述多相电源转换器的输出电压相关的反馈电压产生误差信号以调整所述输出电压，所述增强型相数控制方法包括下列步骤：
检测所述总和信号；以及
在所述多相电源转换器为单相操作期间，若所述总和信号大于第一临界值，则切换所述多相电源转换器的电源操作区以增加操作相数；
其中，不同的电源操作区具有不同的操作参数。
5.如权利要求4所述的增强型相数控制方法，其特征在于，所述增强型相数控制方法更包括在所述反馈电压的变化量超过第二临界值时，使所述多个相电路全部启动。
6.如权利要求4或5所述的增强型相数控制方法，其特征在于，所述增强型相数控制方法更包括：
低通滤波所述总和信号产生直流信号；
根据所述直流信号切换所述电源操作区，以增加或减少操作相数；以及
检测所述输出电压，当所述输出电压低于第三临界值时，切换所述电源操作区以增加操作相数。
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