CN103683915A - 工作在宽负载范围的多相开关变换器 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括多相开关变换器和变换器控制模块。多相开关变换器接收输入电压，并且经由多个相位将输出电压供应给负载。每个相位包括多个开关、确定开关的接通时间的接通时间发生器模块、基于接通时间和时钟信号来控制开关的开关频率的开关控制模块、以及将开关连接至负载的电感。当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变开关频率而不改变接通时间，或者改变接通时间而不改变开关频率。

Description

工作在宽负载范围的多相开关变换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年8月31日提交的申请号为61/695832的美国临时专利的权益。通过引用将前面引用的申请的全部公开内容并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及开关电源，尤其涉及工作在较宽负载范围的多相开关变换器。
背景技术
在此所提供的背景描述是为了大致呈现本公开的上下文的目的。当前署名的发明人的到其在此背景部分所描述的程度的工作，以及在本申请提交时可能不被认定为现有技术的本说明书的方案，既不明确地也不隐含地被承认为相对本发明的现有技术。
多相DC-DC变换器提供了在重负载条件下的可接受的波纹消除和高效率。然而，多相变换器不提供在轻负载条件下的可接受的波纹消除和高效率。一般地，切相（关闭一个或多个相位）被用来维持轻负载的变换效率。然而，切相在相位的切除和重新激活期间产生了输出电压瞬变。恒定频率二极管仿真可用于消除模式转变和保存波纹消除。然而，当使用恒定频率的二极管仿真时，在轻负载下，效率降低。
发明内容
一种系统包括多相开关变换器和变换器控制模块。多相开关变换器接收输入电压，并经由多个相位提供输出电压给负载。每个相位包括多个开关、确定开关的接通时间的接通时间发生器模块、基于接通时间和时钟信号来控制开关的开关频率的开关控制模块、以及将开关连接至负载的电感器。当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变开关频率而不改变接通时间，或者改变接通时间而不改变开关频率。
在其它特征中，所述变换器控制模块包括基于参考电压和输出电压产生误差电压的误差放大器，以及基于误差电压产生具有频率的时钟信号的压控振荡器。开关频率是基于该时钟信号的频率。
在另一特征中，当所述多相开关变换器工作在连续导通模式中或不连续导通模式中时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变开关频率而不改变接通时间。
在另一特征中，变换器控制模块包括接通时间控制模块，该接通时间控制模块基于该误差电压和箝位电压产生用于接通时间的前馈控制，其中所述箝位电压是临界导通时的误差电压。
在另一特征中，当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变接通时间而不改变开关频率。
在另一特征中，当多相开关变换器工作在不连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变开关频率而不改变接通时间。
在其它特征中，变换器控制模块包括压控振荡器和比较器，压控振荡器产生具有频率的时钟信号，其中所述开关频率是基于所述时钟信号的频率，比较器用于比较所述输出电压与参考电压，并且根据该比较来产生控制信号，其中该控制信号决定了接通时间。
在另一特征中，当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变开关频率而不改变接通时间。
在另一特征中，当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变接通时间而不改变开关频率。
在另一特征中，变换器控制模块包括模式控制模块，当通过多个相位的电感的电流是不重叠的时，在通过负载的电流小于或等于预定值的情况下，该模式控制模块将多相开关变换器的模式切换为跳跃（skip）模式。
在另一特征中，变换器控制模块以预定顺序使用所述相位，来操作多相开关变换器。
在另一特征中，变换器控制模块使用少于所有相位的相位，来操作多相开关变换器。
在另一特征中，接通时间发生器模块基于通过负载的电流，来调节接通时间。
在其它特征中，该系统还包括振荡器和误差放大器，该振荡器产生具有频率的时钟信号，其中所述开关频率是基于所述时钟信号的频率，该误差放大器基于参考电压和输出电压产生误差电压，其中接通时间发生器模块基于该误差电压确定接通时间。
在其他特征中，该多个相位中的一个是主相位，并且其中该多个相位中的其它是从相位。
在另一特征中，在临界导通之后，变换器控制模块将通过主相位的电感的电流保持在临界导通值，并减少了通过从相位的电感的电流。
在另一特征中，所述主相位包括电流检测模块，电流检测模块检测通过负载的电流，并当电流接近零时关断多个开关中的一个。
在另一特征中，系统还包括相位去除/添加模块，该相位去除/添加模块基于相应的电感器电流去除/添加从相位。
在另一特征中，当多相开关变换器工作在连续导通模式中时，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块改变接通时间而不改变开关频率。
在另一特征中，在临界导通之后，当通过负载的电流变化时，变换器控制模块维持主相位中的接通时间和开关频率，并维持从相位中的开关频率。
在另一特征中，变换器控制模块减小峰值电感器电流以减小纹波。
在其他特征中，当从相位中的平均电感器电流小于或等于零时，变换器控制模块（i）去除从相位，（ii）在通过负载的电流小于或等于预定值的情况下，以跳跃模式操作主相位，以及（iii）当通过负载的电流变化时，改变主相位中的开关的开关频率，同时维持峰值电感器电流。
在另一特征中，当主相位的电感器电流大于零时，变换器控制模块添加从相位。
仍然在其它特征中，一种方法包括经由多相开关变换器的多个相位向负载供应输出电压，其中每一相位包括多个开关和连接这些开关至负载的电感。该方法还包括确定所述开关的接通时间，并基于接通时间和时钟信号，来控制开关的开关频率。该方法还包括当通过负载的电流变化时，改变开关频率而不改变接通时间，或改变接通时间而不改变开关频率。
在其他特征中，该方法进一步包括基于参考电压与输出电压产生误差电压，基于误差电压产生具有频率的时钟信号，并且基于该时钟信号的频率确定开关频率。
在另一特征中，该方法进一步包括当多相开关变换器工作在连续导通模式或不连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，改变开关频率而不改变接通时间。
在另一特征中，该方法还包括基于误差电压和箝位电压，产生用于接通时间的前馈控制，其中所述箝位电压等于临界导通时的误差电压。
在其他特征中，该方法还包括当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，改变接通时间而不改变开关频率，并且当多相开关变换器工作在不连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，改变开关频率而不改变接通时间。
在其它特征中，所述方法还包括产生具有频率的时钟信号，基于该时钟信号的频率确定开关频率，比较该输出电压与参考电压，基于所述比较产生控制信号，以及基于所述控制信号确定接通时间。
在其它特征中，所述方法还包括，当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，改变开关频率而不改变接通时间，或当通过负载的电流变化时，改变接通时间而不改变开关频率。
在另一特征中，该方法还包括当经由多个相位的电感的电流是不重叠的时，在通过负载的电流小于或等于预定值的情况下，将多相开关变换器的模式切换为跳跃模式。
在其他特征中，该方法进一步包括以预定顺序使用所述相位来操作所述多相开关变换器，或使用比所有相位少的相位来操作多相开关变换器。
在另一特征中，该方法还包括基于通过负载的电流来调节接通时间。
在其他特征中，多个相位中的一个是主相位，而所述多个相位中的其它是从相位，且所述方法还包括产生具有频率的时钟信号，基于所述时钟信号的频率确定所述开关频率，基于参考电压和输出电压产生误差电压，并基于误差电压确定所述接通时间。
在其它特征中，所述方法还包括，在临界导通后，将通过主相位的电感的电流维持在临界导通值，并减小通过从相位的电感的电流。
在其它特征中，所述方法还包括，在所述主相位中，检测流经负载的电流，并当电流接近零时关闭所述多个开关中的一个。
在另一特征中，该方法进一步包括基于相应的电感器电流，去除/添加从相位。
在另一特征中，该方法进一步包括当多相开关变换器工作在连续导通模式时，当通过负载的电流变化时，改变接通时间而不改变开关频率。
在其它特征中，所述方法还包括，在临界导通之后，当通过负载的电流变化时，维持主相位中的接通时间和开关频率，并维持从相位中的开关频率。
在另一特征中，该方法还包括降低峰值电感器电流以减小纹波。
在其它特征中，所述方法还包括，当从相位中的平均电感器电流小于或等于零时，去除从相位，在通过负载的电流小于或等于预定值的情况下以跳跃模式操作主相位，并且当通过负载的电流变化时，改变主相位中的开关的开关频率，同时峰值维持电感器电流。
在另一特征中，该方法还包括当主相位中的电感器电流大于零时，添加从相位。
根据详细说明书、权利要求书和附图，本公开的另外应用领域将变得清楚。该详细说明书和特定示例仅旨在为了说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
根据详细说明书和附图，本公开将变得被更全面地理解，其中：
图1A描绘了多相开关变换器的示意图；
图1B描绘了图1A的多相开关变换器的电感器电流波形；
图2A-2C描绘了使用在不同负载条件下的切相和使用二极管仿真的多相开关变换器的电感器电流波形；
图3描绘了在宽负载范围具有高效率和低纹波的多相开关变换器的电感器电流波形；
图4A描绘了不同类型的多相开关变换器的作为负载电流的函数的效率；
图4B描绘了不同类型的多相开关变换器的作为负载电流的函数的输出电压纹波；
图5A是使用具有恒定的接通时间和可变的频率的压控振荡器（VCO）模式控制的多相开关变换器的功能框图；
图5B描绘了作为负载电流的函数的图5A的多相开关变换器的开关频率；
图6A是使用具有连续导通（CCM）区域中的接通时间调整的VCO模式控制的多相开关变换器的功能框图；
图6B描绘了作为负载电流的函数的图6A的多相开关变换器的开关频率；
图7A是使用具有极轻负载下的SKIP模式的VCO模式控制的多相开关变换器的功能框图；
图7B描绘了作为负载电流的函数的图7A的多相开关变换器的开关频率；
图8A是使用主/从控制的多相开关变换器的功能框图；
图8B描绘了图8A的多相开关变换器的电感器电流波形；
图9A和图9B描述了具有在较宽的负载范围的高效率选项和低纹波选项的多相开关变换器的电感器电流波形；
图10是用于使用具有恒定的接通时间和可变的频率的VCO模式控制来操作多相开关变换器的方法的流程图；
图11是用于使用具有CCM区域中的接通时间调整的VCO模式控制来操作多相开关变换器的方法的流程图；
图12是用于在极轻负载下使用具有SKIP模式的VCO模式控制，来操作多相开关变换器的方法的流程图；以及
图13是用于使用主/从控制来操作多相开关变换器的方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及提供在较宽负载范围的高效率和低纹波的多相开关变换器。具体地，根据本公开的多相开关变换器与切相相比在更宽的负载范围上提供纹波消除，并且在轻负载下提供高效率的单相变换器。另外，所述多相开关变换器跨宽负载范围提供了三个不同操作区域之间的无缝（无瞬变）过渡：重负载下的连续导通（连续电流模式或CCM）、中等负载下的不连续导通（不连续电流模式或DCM）、以及轻负载下的脉冲频率调制（PFM）。
现在参看图1A和图1B，示出了多相开关变换器100。在图1A中，仅以举例的方式，多相开关变换器100被示出为三相变换器，该三相变换器接收输入电压Vin并将输出电压Vout经由三个相位A、B和C供应给负载102。在图1B中，示出了三个相位的电感器电流。通常，相邻相位的电感器电流之间的相移是360/N度，其中N是大于1的整数且表示相位的数量。多相开关变换器100提供的益处包括较小的总电感器尺寸、可接受的纹波消除、快速的瞬态响应和高效率。
现在参看图2A-2C，示出了多相开关变换器的纹波和效率，其在不同负载条件下使用切相。在图2A中，使用切相的多相开关变换器在重负载下提供可接受的纹波。在图2B中，使用切相的多相开关变换器在轻负载下提供可接受的效率，但是提供高的纹波。在图2C中，使用二极管仿真的多相开关变换器通过每个相位仅传输一部分能量来在轻负载下使用所有相位持续工作。因此，使用二极管仿真的多相开关变换器在轻负载下提供低纹波，但是提供低效率。
现在参看图3，在负载条件从重负载变到轻负载的时候，如图所示，高效率和低纹波可以同时在多相开关变换器中实现。如图所示，所有的相位都接通并且都具有相同的幅值而不管负载条件的变化如何。因此，每个周期将大量的能量输送到负载。当负载从重变轻时，较少的能量被输送，同时保持所有的相位和幅值。通过较不频繁地输送脉冲，来输送较少的功率。
通常，这可以通过使用SKIP（跳跃）模式实现，SKIP模式依赖于输出电压纹波信息来确定何时输送下一个脉冲。然而，在一些工作模式中，关于输出电压纹波的信息是不可用的。取而代之的是，如下面所解释的，基于输出电压和参考电压产生误差电压，并且使用压控振荡器（VCO）来基于误差电压改变开关频率。VCO根据误差电压来改变开关频率。从高负载下的固定高频操作到低负载下的可变较低频率操作的过渡是无缝的。在不具有关于输出电压纹波的信息的情况下实现SKIP模式功能。
基本上，在重负载下使用峰值电流模式控制，在中等负载下使用VCO模式或电压模式控制，而在低负载下脉冲不重叠的时候使用脉冲频率调制（PFM）模式或滞后输出电压控制。为了控制模式之间的无缝过渡，实时执行内部校准，以在每个控制模式中保持纹波幅值相同。
现在参看图4A和图4B，对不同类型的多相开关变换器的效率和波纹进行了比较。在图4A中，将根据本公开的多相开关变换器（即新的解决方案）的效率与使用切相和二极管仿真的多相开关变换器的效率相比。在图4B中，将根据本公开的多相开关变换器（即新的解决方案）的纹波与使用切相和二极管仿真的多相开关变换器的效率相比。
本发明的多相位开关变换器通过工作在三种类型的可变频率模式中的一种中而且同时保持交错（即在所有相位重叠电感器电流），提供了高效率、低纹波和无缝过渡：在第一可变频率模式中，当负载电流减小时，变换器的开关频率降低。在第二可变频率模式中，当负载电流减小时，电感器的峰值电流被基本上保持恒定。在第三可变频率模式中，当负载电流减小时，变换器的受控和同步开关的导通时间（接通时间）的总和基本上保持恒定。
使用该第一可变频率模式用于中等负载，而不是使用切相或二极管仿真。所有相位是激活的，且每个脉冲的全部能量被输送，除了当负载减小时所输送的脉冲数量减小。该操作类似于脉冲频率调制（PFM），除了PFM是基于SKIP模式，SKIP模式在该区域（中等负载）中不能实现，这是因为中等负载下没有关于输出电压纹波的信息。
现在参看图5A和图5B，示出了使用具有恒定的接通时间以及可变的频率的VCO模式控制的多相开关变换器200。多相开关变换器200使用VCO模式控制，以保持开关的接通时间恒定，同时当负载变化时改变所述开关频率。在图5A中，多相开关变换器200包括N个相位，其中N是大于或等于1的整数。示出了仅一个相位X的细节，以便简化说明。
多相开关变换器200包括如图所示那样连接的高侧（HS）开关和低侧（LS）开关以及电感器。该开关由死区时间控制模块202控制。多相开关变换器200接收输入电压Vin并且产生输出电压Vout。多相开关变换器200包括接通时间发生器模块204和触发器206。接通时间发生器模块204可以为开关产生恒定的接通时间，或基于多相开关变换器200的输入/输出电压或电流来估计接通时间。
多相开关变换器200还包括误差放大器208、VCO模块210，和分频器模块212，其可被统称为变换器控制模块。误差放大器208基于参考电压Vref和反馈电压Vfb产生误差电压Vea，反馈电压Vfb接收自如图所示的多相开关变换器200的输出。VCO模块210基于误差电压Vea产生具有频率fclk的时钟。分频器模块212将时钟的频率fclk除以相位的数量N，并产生具有频率fclk/N的分频后的时钟。分频后的时钟被供应给每个相位的接通时间发生器模块204和触发器206。死区时间控制模块202基于触发器206的输出来控制开关。
在图5B中，示出作为负载电流的函数的VCO输出频率的图该频率，VCO输出频率决定了多相开关变换器200的开关频率fsw。该图示出了当多相开关变换器200工作于非连续导通（DCM）和连续导通（CCM）区域中时，当负载变换时开关频率fsw的变化。
现在参看图6A和图6B，示出了使用在连续导通（CCM）区域中利用接通时间调整的VCO模式控制的多相开关变换器300。图6A中，多相开关变换器300包括图5A所示的多相开关变换器200的所有元件，除了如图所示，误差放大器208被连接到VCO模块210。另外，多相开关变换器300的变换器控制模块包括接通时间控制模块302，接通时间控制模块302基于箝位电压Vclp和误差电压Vea，提供用于开关的接通时间的前馈控制。接通时间控制模块302提供该前馈控制至每个相位的接通时间发生器模块204。箝位电压Vclp等于临界导通时的误差电压Vea。临界导通是当电感器电流的谷值接近零时的时间点。
CCM模式中的开关频率fsw被箝位为恒定的。在CCM模式中，当负载改变时，调整开关的接通时间，而不是调整开关频率fsw。根据误差电压Vea和箝位电压Vclp之间的差值，通过VCO调整DCM模式中的开关频率fsw。在DCM模式中，接通时间保持恒定。在CCM模式中，接通时间被调节以保持规整。在重负载下，损耗增加，并且接通时间与损耗成比例地增加。相反，在轻负载下，损耗减少，并且接通时间与损耗成比例地减少。
在图6B中，被示出作为负载电流的函数的VCO输出频率的图，该VCO输出频率决定了多相开关变换器300的开关频率fsw。该图示出了当多相开关变换器300工作于非连续导通（DCM）区域中时，当负载变换时开关频率fsw的变化。该图还示出了当多相开关变换器300工作于连续导通（CCM）区域中时，当负载变换时开关频率fsw没有变化。
现在参看图7A和图7B，示出了使用具有极轻负载下的SKIP模式的VCO模式控制的多相开关变换器500。在图7A中，多相开关变换器500包括图5A所示的多相开关变换器200的所有元件，除了以下：在多相开关变换器500的变换器控制模块中，误差放大器208被用于SKIP模式的欠压比较器506取代，而且VCO模块210和欠压比较器506经由多路复用器502连接至分频器模块212。欠压比较器506比较反馈电压与参考电压，并产生决定了开关的导通时间的脉冲。此外，多相开关变换器500的变换器控制模块包括控制多路复用器502的模式控制模块504。模式控制模块504基于电感器电流来确定何时切换模式。
在CCM模式中，可使用参考图5A-6B所描述的任何控制。在每相的电感器电流不交错（即不重叠）之后，多相开关变换器500可以进入极轻负载下的SKIP模式控制。具体地，模式控制模块504基于电感器电流将模式切换为极轻负载下的SKIP模式。例如，当相位的电感器电流为非重叠时，模式控制模块504将模式切换为SKIP模式。替代地，当相位的电感器电流为非重叠时，并且当相邻相位的电感器电流具有预定的相位差时，模式控制模块504将模式切换为SKIP模式。可以使用除了不重叠的电感器电流之外的其他标准。
在SKIP模式中，多相开关变换器500可以以不同顺序使用相位来工作。例如，一种顺序可以是ABC…ABC，其中当A相是活动的时，B和C相是不活动的；当B相是活动的时，则A和C相是不活动的；当C相是活动的时，A和B相是不活动的，依此类推。替代地，多相开关变换器500可以去除其它相位。例如，如果使用A相，去除B和C相，则用A相来代替去除的B和C相。相应地，该顺序可以是AAA…。在SKIP模式中，接通时间可以等于VCO模式中的接通时间。可以将滞后添加到SKIP模式中的接通时间，以避免模式颤振。SKIP模式中的接通时间可以与负载电流按比例缩小，以实现Vout中的恒定纹波。可通过降低峰值电感器电流Ipk（例如，降低至下面的图9B所示的Ipk/2）来减少纹波。
在图7B中，示出作为负载电流的函数的VCO输出频率的图，该频率决定了多相开关变换器500的开关频率fsw。该图示出了当多相开关变换器500工作于非连续导通（DCM）区域中和VCO模式区域中时，当负载变换时开关频率fsw的变化。该图还示出了当多相开关变换器500工作于连续导通（CCM）区域中时，当负载变换时开关频率fsw没有变化。
现在参看图8A和图8B，示出了使用主/从控制的多相开关变换器600。多相开关变换器600包括图5A所示的多相开关变换器200的所有元件，除了以下：仅一个相位是主相位，其它相位是从相位。在多相开关变换器600的变换器控制模块中，使用振荡器602代替VCO模块210。主相位包括接通时间发生器模块204-1，接通时间发生器模块204-1不同于包括在从相位中的接通时间发生器模块204-2。由于该区别，在临界导通之后，主相位中的峰值电感器电流Ipk被保持与在临界导通的情况下相同的值，同时从相位中的峰值电感器电流Ipk被降低以实现规整。误差放大器208的输出连接到接通时间发生器模块204-1和204-2，而不是连接到VCO模块210。
另外，主相位包括负载电流检测模块603，负载电流检测模块603检测负载电流，并且当所述电感器电流接近零时，关断低侧开关。如图所示，每个从相位的电感器连接到主相位的电感器。此外，多相开关变换器600的变换器控制模块包括相位去除/添加模块604，相位去除/添加模块604基于电感器电流（例如当从相位中的电感器电流下降到零以下时）来添加/去除从相位。
例如，如图8B所示，在CCM区域中，使用电流模式控制来保持恒定的开关频率。在临界导通后，主相位保持恒定的接通时间和恒定的开关频率，而从相位使用电流模式控制来工作，以保持恒定的开关频率。当从相位中的平均电感器电流降到零以下，则从相位被去除，而且主相位进入SKIP模式。
主/从控制提供了以下益处：在轻负载下可接受的效率，相位去除之前可接受的纹波消除，并且没有或者轻微的瞬变。然而，在中等负载下，效率很低。在图8B中，在中等负载（MID区域）下，主相位（例如A相）具有恒定的峰值电感器电流和恒定的开关频率（参见从上面往下的第三组波形）。从相位（例如B相和C相）具有可变的峰值电感器电流和恒定的开关频率。在中等负载和轻负载（MID/SKIP区域）之间的边界处，相位去除和相位添加在虚线框中示出。当从相位的平均电流Iavg小于或等于零时，从相位被去除。只有主相位工作时，电感器峰值电流可以保持恒定，并且开关频率可以如前面所解释的那样变化。当主相位的电感器电流大于零（没有过零）时，从相位被添加。在极轻负载下（SKIP区域，其中负载电流小于或等于预定值），只有主相位是活动的，其具有恒定的峰值电感器电流和可变的开关频率（参见在底部示出的最后一组波形）。
现在参看图9A和图9B，示出了在较宽的负载范围具有高效率选项和低纹波选项的多相开关变换器的电感器电流波形。在图9A中，高效率选项提供了以下优点：高效率、与纹波折衷相对的更好的效率，而且没有瞬变。当负载从顶部的重负载条件降低时，在临界导通时（CCM和中等负载（MID）区域之间的边界），电感器电流谷值接近零。随着负载进一步降低，在中等负载下（MID区域中），峰值电感器电流是恒定的，并且开关频率是可变的。在中等负载和轻负载之间的边界（MID/SKIP区域）处，电感器电流是不重叠的。在轻负载下（SKIP区域），峰值电感器电流（或接通时间）是恒定的，并且开关频率是可变的（参见在底部示出的最后一组波形）。在图9B中，低纹波选项提供了以下益处：在轻负载下相对于高效选项（在效率相比纹波中的不同的折衷性）较小的输出电压纹波，而且没有瞬变。然而，在轻负载下，效率是低的。在进入SKIP模式之后，如图所示，可以减小峰值电感器电流Ipk（例如，减小到Ipk/2），以减小纹波（参见在底部示出的最后一组波形）。
现在参看图10，示出了一种用于使用具有恒定的接通时间以及可变的频率的VCO模式控制器来操作多相开关变换器的方法700。在步骤702中，控制器产生了用于多相开关变换器的开关的恒定的接通时间。在步骤704中，控制器基于参考电压和多相开关变换器的输出电压的反馈，产生误差电压。在步骤706中，使用VCO，控制器基于误差电压，产生具有频率的时钟。在步骤708中，基于时钟来控制多相开关变换器的开关。在步骤710中，当DCM和CCM模式中的负载变化时，控制器改变开关的开关频率。
现在参看图11，示出了一种用于使用具有在CCM区域中的接通时间调整的VCO模式控制来操作多相开关变换器的方法800。在步骤802中，控制器产生了用于多相开关变换器的开关的接通时间。在步骤804中，控制器基于参考电压和多相开关变换器的输出电压的反馈，产生误差电压。在步骤806中，控制器基于误差电压，使用VCO产生具有频率的时钟。在步骤808中，基于时钟来控制多相开关变换器的开关。
在步骤810中，控制器基于箝位电压和误差电压，提供了用于开关的接通时间的前馈控制。在步骤812中，在CCM中，当负载变化时，控制器保持了恒定的开关频率，并改变开关的接通时间。在步骤814中，在DCM中，当负载变化时，控制器保持了恒定的接通时间，并改变开关的开关频率。
现在参看图12，示出了一种用于使用具有在极轻负载下的SKIP模式的VCO模式控制来操作多相开关变换器的方法900。在步骤902中，控制器使用VCO产生时钟来控制多相开关变换器的开关。在步骤904中，控制器将参考电压与多相开关变换器的输出电压的反馈进行比较，以控制多相开关变换器的开关的接通时间。在步骤906中，在CCM中，当负载变化时，控制器保持开关接通时间恒定，而且改变开关的开关频率，或者控制器保持开关的开关频率恒定，而且改变开关的接通时间。
在步骤908中，当每个相位中的电感器电流不重叠时，控制器将多相开关变换器的操作切换成极轻负载下的SKIP模式。在步骤910中，控制器以预定顺序使用相位或使用少于所有相位的相位，来操作该多相开关变换器。在步骤912中，控制器基于负载电流调整开关的接通时间。
现在参看图13，示出了一种用于使用主/从控制来操作多相开关变换器的方法1000。在步骤1002中，控制器产生时钟来控制多相开关变换器的开关。在步骤1004中，控制器将参考电压与多相开关变换器的输出电压的反馈进行比较，并产生控制信号以控制开关的接通时间。
在步骤1006中，在临界导通之后，控制器将主相位中的峰值电感器电流保持在与临界导通时相同的值，并降低多相开关变换器的从相位中的峰值电感器电流。在步骤1008中，当负载电流接近零时，控制器关断主相位中的低侧开关。在步骤1010中，控制器基于从相位的电感器电流，去除/添加从相位。
在步骤1012，在CCM中，当负载变化时，控制器保持恒定的开关频率，并改变开关的接通时间。在步骤1014中，在临界导通后，当负载变化时，控制器保持在主相位中恒定的接通时间和开关频率，并保持在从相位中恒定的开关频率。在步骤1016中，控制器减小了电感器电流以减小纹波。
在步骤1018中，当从相位的平均电感器电流小于或等于零，控制器去除从相位，在SKIP模式中操作主相位，并改变主相位中的开关的开关频率，同时保持峰值电感器电流恒定。在步骤1020中，当主相位中的电感器电流大于零时，控制器添加从相位。
上述描述实质上仅仅是说明性的，决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本发明包括特定例子，但是本公开的真正范围不应被如此限制，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求之后，其它的修改将变得显而易见。如在此所使用的，A、B和C相位中的至少一个相位应当被解释为使用非排他性的逻辑“或”来表示逻辑（A或B或C）。应该理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序（或同时）来执行，而不改变本公开的原理。
在本申请中，包括下面的定义，术语“模块”可以被替换为术语“电路”。术语“模块”可以指的是、属于或包括专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享的、专用的、或群组的）；存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的或群组的）；提供所述功能的其它合适的硬件组件；或一些或所有上述的组合，例如在片上系统中的。
上面所用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微码，并可表示程序、例程、函数、类和/或对象。术语“共享的处理器”包括执行来自多个模块的一些或全部代码的单一处理器。术语“群组处理器”包括与额外的处理器组合地执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器。术语“共享存储器”包括存储来自多个模块的一些或全部代码的单个存储器。术语“群组存储器”包括与额外的存储器组合地存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器。术语“存储器”可以是术语“计算机可读介质”的子集。术语“计算机可读介质”不包括通过介质传播的暂态的电信号和电磁信号，并且因此可以被认为是有形和非暂态的。非暂态的有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储设备和光存储设备。
本申请中所描述的设备和方法可以由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序部分或全部实现。计算机程序包括被存储在至少一个非暂态的有形计算机可读介质中的处理器可执行指令。计算机程序也可以包括和/或依赖于所存储的数据。

Claims (39)

1.一种系统，包括：
多相开关变换器，其接收输入电压，并经由多个相位将输出电压供应给负载，其中，每个相位包括：
多个开关；
接通时间发生器模块，其确定所述开关的接通时间；
开关控制模块，其基于所述接通时间和时钟信号来控制所述开关的开关频率；以及
电感，其将所述开关连接至所述负载；以及
变换器控制模块，当通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述开关频率而不改变所述接通时间，或者改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述变换器控制模块包括：
误差放大器，其基于参考电压和所述输出电压产生误差电压；以及
压控振荡器，其基于所述误差电压产生具有频率的所述时钟信号，
其中，所述开关频率是基于所述时钟信号的所述频率。
3.如权利要求2所述的系统，其中，当所述多相开关变换器在连续导通模式下或在不连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述开关频率而不改变所述接通时间。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述变换器控制模块包括接通时间控制模块，所述接通时间控制模块基于所述误差电压和箝位电压产生用于所述接通时间的前馈控制，其中，所述箝位电压等于临界导通时的所述误差电压。
5.如权利要求4所述的系统，其中：
当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述接通时间而不改变所述开关频率；并且
当所述多相开关变换器在不连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述开关频率而不改变所述接通时间。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述变换器控制模块包括：
压控振荡器，其产生具有频率的所述时钟信号，其中，所述开关频率是基于所述时钟信号的所述频率；以及
比较器，其比较所述输出电压与参考电压，并且基于所述比较产生控制信号，其中，所述控制信号决定了所述接通时间。
7.如权利要求6所述的系统，其中，当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时：
在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述开关频率而不改变所述接通时间；或者
在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述变换器控制模块包括模式控制模块，当通过所述多个相位的所述电感的电流是不重叠的时，在通过所述负载的电流小于或等于预定值的情况下，所述模式控制模块将所述多相开关变换器的模式切换为跳跃（skip）模式。
9.如权利要求8所述的系统，其中：
所述变换器控制模块以预定顺序使用所述相位，来操作所述多相开关变换器；或者
所述变换器控制模块使用少于所有相位的相位，来操作所述多相开关变换器。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述接通时间发生器模块基于通过所述负载的电流，来调整所述接通时间。
11.如权利要求1所述的系统，还包括：
振荡器，其产生具有频率的所述时钟信号，其中，所述开关频率是基于所述时钟信号的所述频率；以及
误差放大器，其基于参考电压和所述输出电压产生误差电压，
其中，所述接通时间发生器模块基于所述误差电压来确定所述接通时间。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述多个相位中的一个相位是主相位，并且其中，所述多个相位中的其他相位是从相位。
13.如权利要求12所述的系统，其中，在临界导通之后，所述变换器控制模块将通过所述主相位的所述电感的电流保持在临界导通值，并减少通过所述从相位的所述电感的电流。
14.如权利要求12所述的系统，其中，所述主相位包括电流检测模块，所述电流检测模块检测流经所述负载的电流，并当所述电流接近零时关断所述多个开关中的一个。
15.如权利要求12所述的系统，还包括相位去除/添加模块，所述相位去除/添加模块基于相应的电感器电流来去除/添加所述从相位。
16.如权利要求12所述的系统，其中，当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
17.如权利要求12所述的系统，其中，在临界导通之后，当通过所述负载的电流变化时，所述变换器控制模块保持所述主相位中的所述接通时间和所述开关频率，并保持所述从相位中的所述开关频率。
18.如权利要求12所述的系统，其中，所述变换器控制模块减小峰值电感器电流以减小纹波。
19.如权利要求12所述的系统，其中，当所述从相位中的平均电感器电流小于或等于零时，所述变换器控制模块（i）去除所述从相位，（ii）在通过所述负载的电流小于或等于预定值的情况下，使主相位在跳跃模式下工作，并且（iii）当通过所述负载的电流变化时，改变所述主相位中的所述开关的所述开关频率，同时保持峰值电感器电流。
20.如权利要求19所述的系统，其中，当所述主相位中的电感器电流大于零时，所述变换器控制模块添加所述从相位。
21.一种方法，包括：
经由多相开关变换器的多个相位向负载供应输出电压，其中，每一相位包括多个开关和将所述开关连接至所述负载的电感；
确定所述开关的接通时间；
基于所述接通时间和时钟信号，控制所述开关的开关频率；以及
当通过所述负载的电流变化时，改变所述开关频率而不改变所述接通时间，或改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
22.如权利要求21所述的方法，还包括：
基于参考电压与所述输出电压产生误差电压；
基于所述误差电压产生具有频率的所述时钟信号；以及
基于所述时钟信号的所述频率确定所述开关频率。
23.如权利要求22所述的方法，还包括当所述多相开关变换器在连续导通模式下或在不连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，改变所述开关频率而不改变所述接通时间。
24.如权利要求22所述的方法，还包括基于所述误差电压和箝位电压，产生用于所述接通时间的前馈控制，其中，所述箝位电压等于临界导通时的所述误差电压。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：
当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，改变所述接通时间而不改变所述开关频率；以及
当所述多相开关变换器在不连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，改变所述开关频率而不改变所述接通时间。
26.如权利要求21所述的方法，还包括：
产生具有频率的所述时钟信号；
基于所述时钟信号的所述频率来确定所述开关频率；
比较所述输出电压与参考电压；
基于所述比较产生控制信号；以及
基于所述控制信号确定所述接通时间。
27.如权利要求26所述的方法，还包括当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时：
当通过所述负载的电流变化时，改变所述开关频率而不改变所述接通时间；或者
当通过所述负载的电流变化时，改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
28.如权利要求26所述的方法，还包括当流经所述多个相位的所述电感的电流是不重叠的时，在通过所述负载的电流小于或等于预定值的情况下，将所述多相开关变换器的模式切换为跳跃模式。
29.如权利要求28所述的方法，还包括：
以预定顺序使用所述相位来操作所述多相开关变换器；或者
使用少于所有相位的相位，来操作所述多相开关变换器。
30.如权利要求28所述的方法，还包括基于通过所述负载的电流来调整所述接通时间。
31.如权利要求21所述的方法，其中，所述多个相位中的一个相位是主相位，并且其中，所述多个相位中的其他相位是从相位，所述方法还包括：
产生具有频率的所述时钟信号；
基于所述时钟信号的所述频率来确定所述开关频率；
基于参考电压和所述输出电压产生误差电压；以及
基于所述误差电压确定所述接通时间。
32.如权利要求31所述的方法，还包括在临界导通后：
将通过所述主相位的所述电感的电流保持在临界导通值；并且
减小通过所述从相位的所述电感的电流。
33.如权利要求31所述的方法，还包括在所述主相位中：
检测流经所述负载的电流；并且
当所述电流接近零时关断所述多个开关中的一个。
34.如权利要求31所述的方法，还包括基于相应的电感器电流，去除/添加所述从相位。
35.如权利要求31所述的方法，还包括当所述多相开关变换器在连续导通模式下工作时，在通过所述负载的电流变化时，改变所述接通时间而不改变所述开关频率。
36.如权利要求31所述的方法，还包括在临界导通之后：
保持所述主相位中的所述接通时间和所述开关频率；并且
当通过所述负载的电流变化时，保持所述从相位中的所述开关频率。
37.如权利要求31所述的方法，还包括降低峰值电感器电流以减小纹波。
38.如权利要求31所述的方法，还包括当所述从相位中的平均电感器电流小于或等于零时：
去除所述从相位；
在通过所述负载的电流小于或等于预定值的情况下，使所述主相位在跳跃模式下工作；并且
在通过所述负载的电流变化时改变所述主相位中的所述开关的所述开关频率，同时保持峰值电感器电流。
39.如权利要求38所述的方法，还包括当所述主相位中的电感器电流大于零时，添加所述从相位。
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