CN103731023A - 用于多级dc-dc转换器中的平均输出电流平衡的pwm控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明呈现用于平衡多级DC-DC转换系统中的DC-DC转换器级的输出电流的脉冲宽度调制控制器设备和技术，其中根据输入电压和所连接电阻器的值来提供参考电流，且产生校正电流输出信号，其表示平均转换器级负载电流与本地负载电流之间的差，其中通过使用借助于用所述校正电流输出信号偏移所述参考电流输出信号而获得的充电电流对电容进行充电来产生PWM输出信号的接通时间。

Description

用于多级DC-DC转换器中的平均输出电流平衡的PWM控制设备

相关申请案的参考

本申请案主张2012年10月10日申请且标题为“可堆叠多相恒定接通时间控制中的电流共享架构(CURRENT SHARE ARCHITECTURE IN STACKABLE MULTIPHASECONSTANT ON TIME CONTROL)”的第61/712,071号美国临时专利申请案的优先权和权益，所述临时专利申请案的完整内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及多相/多沟道DC-DC电力转换器，以及用于其的脉冲宽度调制(PWM)控制器。

背景技术

DC-DC转换器呈许多不同形式，且包含一个或一个以上开关，其选择性地致动以基于接收到的DC输入提供经控制的DC输出电压或电流，其中通过控制提供给转换器开关的信令的控制脉冲宽度或接通时间来提供输出电力的调节。恒定接通时间(COT)转换器架构操作以通过调整就绪“接通时间”的脉冲之间所谓的“断开时间”来调节转换器输出，其中对断开时间的调整有效地改变用于输出调节的转换器操作频率。固定频率转换器以规则间隔开始转换器脉冲，且改变个别脉冲的接通时间以控制输出。调节切换控制信令的接通时间或断开时间(或频率)中的任一者或两者通常被称为脉冲宽度调制或PWM控制。在多级转换系统中，两个或两个以上转换器级经连接以个别地向系统的输出电流贡献，且个别级的输出通常经由对应的输出电感器连接到系统输出。个别电力转换器级的开关和/或输出电感器之间的失配可导致不均匀或不平衡的负载共享条件。然而，迄今尚未为恒定接通时间转换器开发级负载平衡技术，且提供用于更均匀地平衡多级DC-DC转换器中的个别级的输出贡献的技术和设备是合意的。

发明内容

本发明提供用于平衡多级DC-DC转换器中的个别转换器级的输出电流的DC-DC转换器脉冲宽度调制设备和技术。本发明的概念联合恒定接通时间转换器架构具有特定效用，以提供对多级转换器的个别级或沟道的原本恒定的接通时间的平衡调整，以促进转换器级之间的均匀负载共享。在个别级中根据输入电压和所连接电阻器的值提供参考电流，且产生表示平均转换器级负载电流与本地负载电流之间的差的校正电流输出信号。在特定实施方案中，通过使用借助于用校正电流输出信号偏移参考电流输出信号而形成的充电电流对电容进行充电来设定PWM输出信号的接通时间，且在其它实施例中，可至少部分地基于参考时钟信号与经取样PWM输出信号之间的相位或频率差，使用相位或频率校正电流信号来偏移参考电流。

根据本发明的一个或一个以上方面提供PWM控制器和集成电路。控制器包含：参考电路，其根据输入电压和所连接电阻器的值提供参考电流信号；以及平衡电路，其控制表示由所连接的DC-DC转换器级提供的负载电流与多级DC-DC转换系统中的平均转换器级负载电流之间的差的校正电流信号。另外，所述PWM控制器包含：求和电路，其用所述校正电流输出信号偏移所述参考电流输出信号，以提供电容器充电电流信号；以及脉冲产生器，其包含经切换电容器电路，所述经切换电容器电路交替地放电和充电电容，且提供具有由电容器充电电流的振幅确定的接通时间的PWM输出信号。

在某些实施例中，平衡电路包含：放大器，其提供表示转换器级输出电流的输出；以及电流镜，其基于放大器输出将第一和第二电流信号提供给对应电阻器，其中第一电阻器连接到输入端子，以接收表示其它DC-DC转换器级的平均转换器级负载电流的电压信号。在某些实施方案中，平衡电路进一步包含跨导放大器，其基于第一和第二电阻器上的电压之间的差来控制所述校正电流输出信号。

在某些实施例中，经切换电容器电路包含：电容器，其连接到求和电路以及对所述电容器进行放电的开关电路；比较器，其基于电容器电压与阈值电压的比较而输出脉冲信号；以及触发器，其具有连接到比较器输出的第一输入、接收用以开始新PWM周期的触发信号的第二输入、提供PWM输出信号的第一输出，以及控制开关电路的互补第二输出。在某些实施例中，求和电路节点直接连接到比较器的非反相输入且连接到参考电路，以接收所述参考电流输出信号，且提供电容器充电电流信号，作为由所述校正电流输出信号偏移的所述参考电流输出信号。

在某些实施例中，控制器可配置为主装置或从属装置，且PWM控制器包含：振荡器，其用以产生参考时钟信号；以及检测器电路，其产生表示参考时钟信号与来自脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号。参考电路至少部分地根据相位或频率误差信号来提供相位或频率校正电流输出信号。在某些实施例中，求和电路节点直接连接到非反相比较器输入以及参考电路，以接收参考电流输出信号。切换电路选择性地连接求和电路节点，以在配置为主装置时用相位或频率校正电流来偏移所述参考电流输出信号，或在配置为从属装置时用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流输出信号。在其它实施例中，求和电路节点经连接以接收所述参考电流输出信号和相位或频率校正输出电流信号，且如果控制器配置为从属装置，那么开关将校正电流输出信号连接到求和电路节点。

本发明的进一步方面涉及集成电路(IC)，其包含：平衡电路，所述平衡电路具有放大器，其基于表示转换器级输出电流的电压输入信号提供输出；以及电流镜电路；以及第一和第二电阻器。电流镜电路将第一电流输出提供给第一电流镜输出节点处的第一电阻器，第一电流镜输出节点经连接以从至少一个其它转换器级接收电压信号，且电流镜电路还基于第一放大器电路输出将第二电流输出提供给第二电流镜输出节点处的第二电阻器。平衡电路还包含具有连接到第一和第二电流镜输出节点的输入的跨导放大器，且基于第一和第二电流镜节点处的电压之间的差控制校正电流输出信号。

IC还包含：参考电路，其基于接收到的输入电压且基于内部或外部电阻器的值提供参考电流；以及内部节点；以及脉冲产生器电路，其具有连接到内部节点、开关和跨导放大器的输出的电容。脉冲产生器电路还包含比较器和触发器，其中比较器将内部节点处的电压与阈值电压进行比较，且当电容电压大于阈值电压时，在第一电平下提供脉冲信号，且当电容电压小于阈值时，在第二电平下提供脉冲信号。触发器具有连接到所述比较器输出的第一输入、接收用以开始新的PWM周期的触发信号的第二输入、提供用于控制所述DC-DC转换器级的脉冲宽度调制输出信号的第一输出，以及提供用以使所述开关电路处于所述第一状态以对所述电容进行放电的开关控制信号的互补第二输出。在某些实施例中，IC包含相位管理电路，其基于系统时钟信号提供触发信号，且如果IC配置为主装置，那么系统时钟信号可基于内部振荡器的参考时钟信号在内部产生，或如果IC配置为从属装置，那么系统时钟信号是从输入接收。

本发明的进一步方面涉及用于平衡多级DC-DC转换系统中的转换器级负载电流的方法，包含：基于输入电压且基于所连接电阻器的值在给定级中提供参考电流；提供表示由给定级提供的负载电流与平均转换器级负载电流之间的差的校正电流输出信号；用所述校正电流输出信号来偏移参考电流输出信号，以提供电容器充电电流信号；以及使用电容器充电电流来选择性地对电容进行充电，以提供具有由给定转换器级的电容器充电电流的振幅确定的接通时间的脉冲宽度调制输出信号。

附图说明

以下描述和图式详细陈述本发明的某些说明性实施方案，其指示其中可进行本发明的各种原理的若干示范性方式。然而，所说明的实例不是本发明的许多可能实施例的详尽表示。当结合图式考虑时，将在以下详细描述中陈述本发明的其它目标、优点和新颖特征，其中：

图1是说明根据本发明的一个或一个以上方面的用于DC-DC转换器级的脉冲宽度调制控制的示范性电力管理集成电路的示意图，包含根据由当前负载共享信号偏移的参考电流提供PWM输出的脉冲产生器电路；

图2展示说明转换器级之间的均匀负载平衡DC-DC转换器级脉冲宽度调制控制输出的接通时间的调整的曲线图；

图3是说明包含操作两个电力转换器级以提供DC-DC转换系统的主电力管理PWM控制器IC和从属电力管理PWM控制器IC的示范性多级电力转换系统的示意图；

图4是说明示范性从属电力管理IC框图的示意图；

图5是说明示范性主电力管理IC的框图的示意图；

图6是说明图1的IC中的脉冲产生器电路的另一实施例的示意图；以及

图7是说明图1的IC中的又一接通时间产生器电路实施例的示意图。

具体实施方式

下文结合图式描述一个或一个以上实施例或实施方案，其中始终使用相同参考标号来指代相同元件，且其中各种特征不一定是按比例绘制。本发明提供PWM控制器和集成电路，以及用于多级系统的DC-DC转换器级的脉冲宽度调制控制的技术。下文在示范性多级降压DC-DC转换器的上下文中说明和描述本发明的各种概念，其中使用主和从属电力管理集成电路来将PWM控制信令提供给驱动器电路，以用于致动上部和下部FET电力开关，以产生经组合以提供系统DC输出电压的转换器级输出电流，但可通过本文所揭示的脉冲宽度调制控制概念来直接或间接地操作任何合适形式的一个或一个以上电切换装置，且本发明不限于FET型电力开关，或降压转换器拓扑。另外，根据本发明的集成电路可包含如所描述的用于连接到外部驱动器和切换电路的电力管理电路，且/或可在IC中连同一个或一个以上开关和输出电感器一起提供板上驱动器电路，或可分别提供这些组件中的任一者，其中预期所有此些变体实施方案均属于本发明的范围内。

图1说明示范性电力管理集成电路20，其作为脉冲宽度调制(PWM)控制器而操作，以提供经脉冲宽度调制的控制信号21(PWM)，以供内部或外部驱动器电路用来产生一个或一个以上经脉冲宽度调制的切换控制信号，用于致动相关联DC-DC转换器级的一个或一个以上开关。此外，可组合两个或两个以上此些级，以形成多级或多沟道电力转换系统10，如下文在图3中进一步说明。另外，某些实施方案提供电力管理IC20，其可个别地配置以作为此多级系统10中的“主装置”或“从属装置”而操作，以供在恒定接通时间(COT)电力转换系统或其它形式的电力转换器中使用。

如先前所述，COT转换器通常在产生经调节DC输出电压或电流时使用对输出负载调节的频率或“断开时间”调整，其中PWM输出信号“接通时间”通常保持恒定。在所说明的实施方案中，可在“主”电力管理IC20中实施频率或断开时间调整，其中主装置将同步时钟信令和/或数据(图1中的SCLK)提供给一个或一个以上“从属”IC20，但这不是本发明所有方面的严格要求。此外，在所说明的实施方案中，本地“从属”电力管理IC或控制器20操作以按时本地调整对应的PWM脉冲信号，以便促进对由多级系统10的级贡献的输出电流的平衡。在这方面，虽然所描述的系统10可称为COT(恒定接通时间)系统，但给定转换器级20的本地PWM接通时间可不同于系统10内的其它级的接通时间，以促进负载平衡。另外，某些实施例中的“主”PWM控制器20可例如通过以错列方式控制相对定相来管理系统10中的多个级的经脉冲宽度调制的操作，使得脉冲宽度调制周期均匀地分布在多个所连接级之中。

最初参看图1到3，图1展示示范性电力管理IC或PWM控制器20，其在一个实施方案中具有用于与输入电压VIN和模拟系统接地AGND连接的外部可连接端子，以及其它电端子，使得多个控制器20可在多级系统10(例如，图3)中彼此互连。另外，控制器20可结合外部驱动器IC(例如，图3中的驱动器电路30)使用，以用于控制外部电力转换器切换装置QU和QL，以经由输出电感L与其它转换器级互连，或驱动器电路30、输出开关QU、QL和/或电感器L中的任一者可连同如本文所述的电力管理或PWM控制器电路20在单个集成电路20a中实施(如图3中的虚线20a中所示)。在这方面中，在某些转换器架构中，所说明的控制器20提供可根据需要在驱动器电路30中转换为互补PWM控制信号的单个PWM输出信号21，以驱动上部和下部输出开关QU和QL，或可结合根据接收到的PWM输出信号21提供开关控制信号的驱动器电路30使用单个开关。

如图1中最佳可见，PWM控制器IC20包含平衡电路22、参考电路24和脉冲产生器电路26。可将参考电路24实施为电压前馈(VFF)参考电路，其用以产生各种编程电流作为电流信号供IC20中的各种电路使用，包含根据根据输入电压VIN和所连接的电阻器RTON产生的参考电流输出信号Irton。另外，所说明的参考电路24基于VIN和RTON以及来自平衡电路22的校正控制信号25而产生校正电流信号Icor。在某些实施例中，可在IC20内提供电阻RTON，或电阻RTON可为连接到RTON端子的外部电阻器或电阻器网络。在操作中，脉冲产生器电路26使用参考电流Irton作为用于设定PWM输出信号21的接通时间Ton的基线，且使用如下文进一步描述的一个或一个以上调整来调整或“偏移”基线信号Irton，以促进系统10内的多个电力转换器级之间的负载平衡。图1中的平衡电路22提供控制信号25来控制用于偏移脉冲产生器电路26中的内部求和电路节点27(求和结)处的基线信号Irton的校正电流输出信号Icor的等级，其中校正信号Icor表示由对应DC-DC转换器级贡献的本地级负载电流与多级DC-DC转换系统10中的平均转换器级负载电流之间的差。

内部节点27充当求和结，以用校正电流Icor来偏移参考电流Irton，以将电容器充电电流信号ITon(＝Irton+/-Icor)提供给由电容C、开关电路S1、比较器U3和触发器U4形成的经切换电容器电路。所说明的实施例中的内部节点27在脉冲产生器电路26中提供，但平移的求和可代替地在参考电路24中的求和结或节点处或电力管理电路20内的其它地方实施。在操作中，脉冲产生器26交替地对电容C进行充电和放电，其中使用来自求和结27的电容器充电电流ITon来实现充电。尽管将电容C说明为单个电容器，且在本文中描述为“电容器”或“电容”，但电容或电容器C可为以任何合适串联、并联和/或串/并联配置连接的单个组件或电路接地AGND，以提供求和结节点27与可使用复合(偏移)电流ITon选择性地充电的电路接地AGND之间的电容，以与阈值进行比较，以设定输出脉冲宽度调制控制信号21的接通时间。

在操作中，比较器U3将其非反相(+)输入处的电容器电压Vc与连接到反相(-)输入的阈值电压VTH进行比较，且将输出提供到触发器U4的复位(R)输入。在此实例中，触发器U4是设定/复位(S-R)触发器，但可使用J-K或其它类型的触发器或其它合适逻辑电路来实施本文详述的功能性。触发器U4的Q输出提供具有由电容器充电电流ITon的振幅确定的接通时间Ton的PWM输出信号21。另外，设定(S)输入接收触发信号TRIG，以开始新的PWM周期，且互补第二输出Q′提供开关控制信号，以使开关电路S1处于闭合或导电状态，以对电容C进行放电，以开始每一新的脉冲宽度调制周期。响应于后文的下一触发信号TRIG的下降沿而释放互补第二输出Q′允许电容器C经由充电电流ITon而充电，且过程重复。示范性脉冲产生器26仅为其中通过U3将经电流充电的电容器电压与固定阈值电压VTH进行比较以产生接通时间的一个实例。在实践中，其它类型和形式的Ton产生器是可能的，包含(但不限于)用以对电容器充电的固定电流，以及穿过电阻器以对可变阈值进行编程的可编程电流；如图所示编程电容器充电速率，但镜像和反相所述信号并将其与阈值电压求和以将锯齿强加于比较器的两个输入上；和/或在阈值变化的情况下，这些的组合。可使用例如这些方法的任何合适技术来产生触发脉冲以使SR触发器U4复位。

图2提供分别说明三个示范性电容器电压曲线Vc₁、Vc₂和Vc₃的曲线图40、50和60，以及依据ITon而变的三个不同对应接通时间Ton₁、Ton₂和Ton₃的触发信号TRIG52和PWM脉冲信号62。如上文所述，PWM输出信号21的接通时间Ton(图2的曲线图60中的62)以反比方式由电容充电电流ITon的振幅确定，接通时间Ton随着充电电流电平ITon减小而增加。以此方式，电容器电压Vc升高到阈值电平VTH所需的时间由脉冲产生器电路26的求和节点27处的基线参考电流信号Irton的选择性偏移来调整。在图2的实例中，例如，电容器C的充电在T0处开始，此时，脉冲信号62从零状态变为“1”状态(上升沿)，且触发器U4的互补输出Q′断开切换电路S1，以允许电容器C开始根据充电电流Iton来充电。对于如在图2的曲线图40中所看到的给定阈值电压电平VTH，相对较高的充电电流Iton致使电容器电压Vc₁在时间T1处稍快地达到阈值电平，从而在时间T1处完成对应的PWM信号接通时间Ton₁。如果所得级输出电流比平均级电流稍大，那么平衡电路22减小校正电流电平Icor，从而降低所得经调整电容器充电电流Iton，从而导致电容器充电电压曲线斜率Vc₂(图2中的曲线图40)的降低，其在稍后时间T2达到阈值电平VTH，从而产生如曲线图60中所见的对应较长PWM接通时间Ton₂。类似地，校正电流Icor和所得经调整充电电流Iton的进一步减小再次减小电容器电压曲线斜率Vc₃，从而进一步加长PWM脉冲62的接通时间Ton₃。

此外，在所说明的实施例中，控制器IC20包含板上相位管理电路28，其基于系统时钟信号SCLK将触发信号TRIG提供到触发器U4的设定(S)输入。在控制器20配置为主装置的情况下，基于内部振荡器(如下文结合图5进一步描述)的参考时钟信号内部产生系统时钟信号SCLK，且如果将控制器20配置为从属装置，那么接收系统时钟信号SCLK作为输入。对于根据同步时钟信号SCLK设定的给定操作频率，来自相位管理电路28的触发信号TRIG的相继脉冲之间的时间在就绪状态下基本上恒定，且根据校正电流Icor偏移基线电流Irton改变PWM输出接通时间Ton，从而迫使相关联DC-DC转换器级的输出电平根据需要增加或减小，使得由给定转换器级提供的输出电流与由多级转换系统10中的其它相关联级中的一者或一者以上提供的输出电流相当。

因此，在此多沟道系统10中，配置为主装置的PWM控制器20将提供同步时钟信号SCLK或信息作为输出，且这由所连接的从属控制器20接收，其中主控制器20(图3)经由反馈输入FB监视输出电容C_OUT上的总输出电压V_OUT，反馈输入FB接收来自包含反馈电阻器RFB1和RFB2的分压器电路的电压，且选择性地调整主系统时钟信息SCLK的频率，以便通过频率调整来调节呈闭合环路形式的整个系统10的输出电压。同时，从属控制器20在脉冲产生器26中利用上文所述的选择性参考电流偏移技术来调整本地接通时间Ton，以促进系统10的每一从属转换器级的输出电流贡献的均匀平衡。在这方面，尽管个别转换器级的本地接通时间Ton可彼此不同，但所述系统作为整体以用以调节系统输出的可变频率实施恒定接通时间(COT)操作。

图1的实施例中的平衡电路22包含放大器电路，其包含op amp U1和感测电阻器RS，连同N沟道输出FET M1，其基于本地负载电流反馈电压输入信号提供放大器输出，其表示转换器级输出电流Id，其中在此情况下，信号为电流监视器输入端子IMON与连接到接地端子AGND的模拟接地之间的电压。在实践中，可通过感测感测FET Q上(例如，或感测电阻器上，未图示)的电压来获得负载电流反馈信号，感测FET Q又连接在转换器级输出驱动电路中，例如与图3中的转换器级输出切换装置QU或QL中的一者串联。以此方式，通过感测FET Q的沟道传导的漏电流Id代表通过对应的转换器级输出开关QU或QL传导的负载电流，且Q上的漏极-源极电压将代表相关联电力转换器级的负载电流的电压信号提供给反馈输入端子IMON。op amp U1经由感测电阻器RS感测此电压，且将栅极信号提供给M1，以产生穿过M1的对应电流，作为到P沟道FET M2的输入，P沟道FET M2与连接到正供应电压V+的P沟道FET M3和M4形成电流镜电路。

第一电流镜输出FET M3基于来自U1、M1的放大器输出将第一电流信号IL₁提供给连接在节点22a处的第一电阻器R1。另外，第二电流镜输出FET M4基于放大器输出将第二电流信号IL₂提供给节点22b处的第二电阻器R2。此外，第一电阻器R1连接到输入端子ISBUS，以接收表示系统10中的一个或一个以上其它DC-DC转换器级的平均转换器级负载电流的电压信号。此情况的实例在图3中可见，其中从属和主PWM控制器IC20的ISBUS端子彼此连接。第一和第二电阻器R1和R2具有大体上相等的电阻，且电流镜电路的第一和第二晶体管M3和M4在某些实施例中大体上彼此匹配，但不是严格要求。在所说明的实例中，使用匹配的晶体管M3、M4以及相等电阻器R1和R2，电流IL₁和IL₂各自大体上与相关联的DC-DC转换器级的负载电流成比例。将电流IL₁提供给第一电流镜输出节点22a以及将此节点连接到平衡电压输入端子(ISBUS)在第一电流镜输出节点22a处形成电压V_SHARE，其根据以下等式(1)与多级DC-DC转换系统10的平均级输出负载电流成比例。

$\left(1\right)V_{\mathrm{SHARE}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{IL}}_n\·\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R1}_n}{N},$

其中IL_n为第n个DC-DC转换器级的转换器级输出电流，且R1_n为第n个DC-DC转换器级的第一电阻器(R1)的电阻。因此，如果所连接的电力转换器级正提供其在整个输出负载电流中的份额，那么节点22a处的电压V_SHARE将与节点22b处的电压相同。然而，如上文所述，输出电感器L中和/或转换器级开关QU、QL中的变化可导致多级系统10的两个或两个以上级之间的不平衡。

为了促进多个DC-DC转换器级之间的输出电流负载平衡，平衡电路22进一步提供跨导(GM)放大器或其它合适放大器U2(其提供校正控制信号25)，以基于第一和第二电阻器R1和R2上的电压之间的任何差异(例如，图1中的本地负载电流信号电压V2与共享的平均负载电流信号电压V_SHARE之间的任何差异)来控制由参考电路24提供的校正电流输出信号Icor。在此情况下，跨导放大器U2作为压控电流源而操作，且提供与其输入电压成比例的输出控制信号25，受控的校正电流输出信号Icor因此表示来自本地负载电流与系统平均值的任何偏差。

如图1中最佳可见，参考电路24包含由彼此串联连接在输入电压VIN与电路接地节点(AGND)之间的电阻器R3和R4形成的电阻性分压器，其中将R3和R4的连接点提供到op amp U5的非反相输入(+)，op amp U5的反相输入(+)连接到端子RTON，以用于通过内部或外部电阻RTON连接到模拟接地。在一个可能实例中，设定R3和R4的值，使得U5的非反相输入处于近似等于0.10VIN的电压，但这不是本发明的严格要求。U5的输出将栅极信号提供给由P沟道FET M6到M9形成的电流镜的输入FET M6。在此实施例中，FET M7将标称或基线参考电流输出信号Irton提供给脉冲产生器电路26，以用于通过连接在共用内部节点27或其它求和电路处以对电容器C进行充电而根据校正电流输出信号Icor进行选择性偏移。此外，在所说明的电压前馈参考电路24中，第二电流镜输出晶体管M8将第二参考电流输出Ifcor提供到脉冲产生器电路26，在此情况下，根据来自锁相环电路29的相位频率误差信号Δφ来修改或设定，如下文结合图5到7进一步描述。并且，第三电流镜输出晶体管M9提供至少部分地基于来自平衡电路22的控制信号25的校正电流信号Icor。在其它可能实施方案中，可将校正电流Icor从跨导放大器输出提供到求和节点27。

图4和5说明分别配置为多沟道DC-DC转换系统中的从属组件和主组件的PWM控制器IC20的示范性实施例的框图。如图4中所见，从属电路20包含外部电阻器RTON，其经由输入端子连接到电压前馈参考电路24，用于建立标称默认参考充电电流输出信号Irton，且平衡电路22如上文所述而操作，以基于端子IMON处的受监视本地级电流输出反馈信号以及在ISBUS端子处接收到的共享电流平衡电压信号V_SHARE而控制校正电流信号Icor。脉冲产生器电路26(图4中标记为“Ton产生器”)提供PWM端子处的PWM输出信号21，以供相关联的转换器级使用，且接收来自相位管理电路28的阈值电压VTH和触发信号TRIG，其中至少部分地根据同步时钟信令和/或经由SCLK端子(例如，从主控制器20)接收到的值来提供触发信号TRIG。

如图5中所示，主电力管理PWM控制器IC20还具有本地电阻器RTON和电压前馈参考电路24，以用于建立其自己的内部基线参考电流信号Irton，以及大体如上文所述的平衡电路22、脉冲产生器电路26和相位管理电路28。另外，所说明的主控制器20包含连接到相位管理电路28的调节器块(DDREG)25，其执行对总体系统输出电压(上文图3中的V_OUT)的控制调节。另外，主控制器20包含振荡器电路21，其通过输入端子RT连接到外部计时电阻器RT，外部计时电阻器RT以根据电阻器RT的值设定的频率产生参考时钟信号REFCLK，且将参考时钟信号提供给相位或频率检测器电路23。在其它可能实施例中，可在PWM控制器IC20中提供计时电阻器RT。在实践中，可以任何数目的方式形成参考时钟信号，包含内部/外部R和/或C和/或电压阈值的组合，以编程内部固定频率振荡器，或通过外部得出的系统时钟。检测器电路23产生相位或频率误差信号Δφ，其表示参考时钟信号REFCLK与来自脉冲产生器电路26的经取样脉冲宽度调制输出信号PWM21之间的相位或频率差，例如如上文在图1中所见。另外，相位检测器23、参考电路24和脉冲产生器26一起形成如图5中所示的锁相环(PLL)电路29，其中如图1中以简化形式展示，将相位或频率误差信号Δφ从PLL29提供到参考电路24。

另外，如上文在图1中所说明，图5中的主PWM控制器20的电压前馈参考电路24基于输入电压VIN、电阻器RTON的值以及来自检测器电路23的相位或频率误差信号Δφ，提供相位或频率校正电流输出信号Ifcor。此外，在某些实施例中，电力管理IC20是可配置的，例如通过一次编程、数字编程、外部连接，或其它合适配置手段，来作为多沟道电力转换系统配置10的从属装置或作为主装置来操作。在这方面，单个IC设计20可用于给定系统10中的从属装置和主装置两者，其中作为从属装置的配置可选择性地停用控制器20内的某些电路(例如，振荡器21、相位检测器23、调节器电路25等)的操作。

还参看图6和7，上文图1的脉冲产生器电路26将求和电路节点27处的比较器U3的非反相输入(+)直接连接到参考电路24，以接收参考电流输出信号Irton和校正电流输出信号Icor，以提供电容器充电电流信号ITon，作为由校正电流输出信号Icor偏移的参考电流输出信号Irton。

图6说明另一脉冲产生器电路实施例26，其包含第二切换电路S2，第二切换电路S2根据PWM控制器IC20的经配置主模式或从属模式而操作，以用于选择性地偏移参考电流输出信号Irton。在此实施例中，产生器电路26的求和节点27再次直接连接到比较器U3的非反相输入，且直接接收参考电流Irton，其中如果装置配置为从属装置，那么第二切换电路S2以校正电流Icor选择性地偏移参考电流Irton，且如果装置配置为主控制器，那么代替地以相位或频率校正电流输出信号Ifcor来偏移Irton。因此，装置20作为从属装置的配置实施如上文在图1中的上述操作，而作为主装置的配置致使开关S2将电流信号Ifcor引导到求和电路节点27，从而以相位或频率校正电流输出信号Ifcor来偏移参考电流Irton，以对电容器C进行充电。

图7说明又一可能实施例，其中参考电流输出信号Irton和相位或频率校正电流输出信号Ifcor直接连接到求和节点27。在此情况下，使用切换电路S3来选择性地在装置20配置为从属装置的情况下将校正电流信号Icor连接到节点27，且否则仅根据相位或频率校正电流输出信号Ifcor来偏移参考电流Irton。

提供根据本发明的进一步方面的用于使用多级转换系统10中的多个DC-DC转换器级进行负载电流平衡的方法。至少部分地根据输入电压(例如，VIN)以及连接到给定DC-DC转换器级的电阻器(RTON)的值，在给定级中提供参考电流输出信号(例如，Irton)。所述方法进一步涉及：提供校正电流输出信号(例如，Icor)，其表示由给定DC-DC转换器级提供的负载电流与多级DC-DC转换系统10中的平均转换器级负载电流之间的差；以及用校正电流Icor来偏移参考电流Irton，以提供电容器充电电流信号Iton。另外，所述方法涉及使用电容器充电电流Iton选择性地对电容C进行充电，以提供具有由给定DC-DC转换器级的电容器充电电流振幅确定的接通时间(Ton)的PWM输出信号(例如，上文的信号21)。

上述实例仅说明本发明的各种方面的若干可能实施例，其中所属领域的技术人员在阅读和理解本说明书和附图后将即刻想到等效更改和/或修改。另外，尽管已仅相对于多个实施方案中的一者揭示了本发明的特定特征，但此特征可与如对任一给定或特定应用来说可为需要且有利的其它实施例的一个或一个以上其它特征组合。并且，就术语“包含”、“具有”、“有”或其变体在具体描述中和/或所附权利要求书中使用来说，此些术语既定以类似于术语“包括”的方式为包含性的。

Claims (20)

1.一种用于提供多级DC-DC转换系统中的DC-DC转换器级的脉冲宽度调制控制的集成电路，所述集成电路包括：

平衡电路，其包含：

第一放大器电路，其具有接收表示转换器级输出电流的电压信号，所述第一放大器电路提供第一放大器电路输出，

电流镜电路，其包含：

第一晶体管，其基于所述第一放大器电路输出在第一电流镜输出节点处提供第一电流输出，所述第一电流镜输出节点连接到平衡电压输入端子以从所述多级DC-DC转换系统的至少一个其它转换器级接收电压信号，以及

第二晶体管，其基于所述第一放大器电路输出在第二电流镜输出节点处提供第二电流输出，

第一电阻器，其连接在所述第一电流镜节点与电路接地节点之间，

第二电阻器，其连接在所述第二电流镜节点与所述电路接地节点之间，以及

跨导放大器，其具有分别连接到第一和第二电流镜输出节点的第一和第二输入以及跨导放大器输出，其基于所述第一和第二电流镜节点处的电压之间的差来控制校正电流输出信号；

参考电路，其具有：参考电路输出，其基于接收到的输入电压且基于电阻器的值提供参考电流；以及校正输出，其基于所述接收到的输入电压、所述电阻器的所述值以及校正控制信号来提供所述校正电流；

内部节点，其连接到所述参考电路输出和所述校正输出；以及

脉冲产生器电路，其包含：

电容，其具有连接到所述内部节点的第一端子，以及连接到所述电路接地节点的第二端子，

开关电路，其在第一状态下操作以根据开关控制信号对所述电容进行放电，

比较器，其具有连接到所述内部节点的第一输入端子、连接到阈值电压的第二输入端子，以及比较器输出，其在所述电容上的电压大于所述阈值电压时，在第一电平下提供脉冲信号，且当所述电容上的所述电压小于所述阈值电压时，在第二电平下提供脉冲信号，以及

触发器，其具有连接到所述比较器输出的第一输入、接收用以开始新的脉冲宽度调制周期的触发信号的第二输入、提供用于控制所述DC-DC转换器级的脉冲宽度调制输出信号的第一输出，以及提供用以将所述开关电路置于所述第一状态以对所述电容进行放电以开始所述新的脉冲宽度调制周期的所述开关控制信号的互补第二输出。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其包括相位管理电路，所述相位管理电路基于系统时钟信号将所述触发信号提供给所述触发器。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述集成电路可配置为主装置或配置为从属装置，且其中如果所述集成电路配置为主装置，那么所述系统时钟信号是基于内部振荡器的参考时钟信号在内部产生，且其中如果所述集成电路配置为从属装置，那么所述系统时钟信号是从输入接收。

4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述内部节点直接连接到所述校正输出，以用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路可配置为主装置或配置为从属装置，所述集成电路包括：

振荡器电路，其在根据第二电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路包含第二参考电路输出，其基于所述接收到的输入电压、所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号，提供相位或频率校正电流输出信号；以及

第二切换电路，如果所述集成电路配置为主装置，那么所述第二切换电路在第一状态下操作，以将所述相位或频率校正电流输出信号连接到所述内部节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容进行充电，且如果所述集成电路配置为从属装置，那么所述第二切换电路在第二状态下操作，以将所述校正输出连接到所述内部节点，以用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容进行充电。

6.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述集成电路可配置为主装置或配置为从属装置，所述集成电路包括：

振荡器电路，其在根据第二电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路包含第二参考电路输出，其连接到所述内部节点且基于所述接收到的输入电压、所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号，将相位或频率校正电流输出信号提供给所述内部节点；以及

第三切换电路，其连接在所述校正输出与所述内部节点之间，所述第三切换电路在所述集成电路配置为从属装置的情况下操作，以将所述校正输出连接到所述内部节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号且用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流，以对所述电容进行充电。

7.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电流镜电路的所述第一和第二晶体管(M3、M4)大体上彼此匹配，且其中所述第一放大器电路的所述第一和第二电阻器具有大体上相等的电阻值。

8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述多级DC-DC转换系统包含整数数目N个DC-DC转换器级，且其中在所述第一电流镜输出节点处提供所述第一电流输出以及连接到所述平衡电压输入端子在所述第一电流镜输出节点处形成电压V_SHARE，其根据以下等式与所述多级DC-DC转换系统的输出负载电流成比例：

$V_{\mathrm{SHARE}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{IL}}_n\·\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R1}_n}{N},$

其中IL_n为第n个DC-DC转换器级的转换器级输出电流，且R1_n为第n个DC-DC转换器级的第一电阻器的电阻。

9.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多级DC-DC转换系统包含整数数目N个DC-DC转换器级，且其中在所述第一电流镜输出节点处提供所述第一电流输出以及连接到所述平衡电压输入端子在所述第一电流镜输出节点处形成电压V_SHARE，其根据以下等式与所述多级DC-DC转换系统的输出负载电流成比例：

$V_{\mathrm{SHARE}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{IL}}_n\·\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R1}_n}{N},$

其中IL_n为第n个DC-DC转换器级的转换器级输出电流，且RI_n为第n个DC-DC转换器级的第一电阻器的电阻。

10.一种脉冲宽度调制控制器，其包括：

参考电路，其基于输入电压且基于连接到所述参考电路的电阻器的值提供参考电流输出信号；以及

平衡电路，其控制表示由所连接的DC-DC转换器级提供的负载电流与多级DC-DC转换系统中的平均转换器级负载电流之间的差的校正电流输出信号；

求和电路，其与所述参考电路耦合，且经配置以用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流输出信号，以提供电容器充电电流信号；以及

脉冲产生器电路，其包含经切换电容器电路，所述经切换电容器电路操作以使用来自求和结的所述电容器充电电流来交替地对电容进行放电和充电，且提供具有由所述电容器充电电流的振幅确定的接通时间的脉冲宽度调制输出信号。

11.根据权利要求10所述的控制器，其中所述平衡电路包括：

放大器电路，其基于表示转换器级输出电流的电压输入信号来提供放大器输出；

电流镜电路，其基于所述放大器输出将第一电流信号提供给第一电阻器，且基于所述放大器输出将第二电流信号提供给第二电阻器，所述第一电阻器连接到输入端子，以接收表示其它DC-DC转换器级的平均转换器级负载电流的电压信号；以及

跨导放大器，其基于所述第一和第二电阻器上的电压之间的差控制所述校正电流输出信号。

12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述经切换电容器电路包括：

电容器，其具有连接到所述求和电路的第一端子，以及连接到所述电路接地节点的第二端子，

开关电路，其在第一状态下操作以根据开关控制信号对所述电容器进行放电；

比较器，其包含

非反相输入，其连接到所述求和电路，

反相输入，其连接到阈值电压，以及

比较器输出，其在所述电容器上的电压超过所述阈值电压时，在第一电平下提供脉冲信号，且在所述电容器上的所述电压小于所述阈值电压时，在第二电平下提供脉冲信号；以及

触发器，其具有连接到所述比较器输出的第一输入、接收用以开始新的脉冲宽度调制周期的触发信号的第二输入、提供所述脉冲宽度调制输出信号的第一输出，以及将所述开关控制信号提供给所述开关电路的互补第二输出。

13.根据权利要求12所述的控制器：

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号；且

其中所述求和电路节点经直接连接以接收所述校正电流输出信号，以提供所述电容器充电电流信号作为由所述校正电流输出信号偏移的所述参考电流输出信号。

14.根据权利要求12所述的控制器，其包括：

振荡器电路，其在根据连接到所述振荡器电路的电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；以及

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路基于所述输入电压、连接到所述参考电路的所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号来提供相位或频率校正电流输出信号；

其中所述控制器可配置以用作所述多级DC-DC转换系统中的主装置或从属装置；

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号；且

其中所述求和电路包括第二切换电路，如果所述控制器配置为主装置，那么所述第二切换电路在第一状态下操作，以将所述相位或频率校正电流输出信号连接到所述求和电路节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容器进行充电，且如果所述控制器配置为从属装置，那么所述第二切换电路在第二状态下操作，以将所述校正输出连接到所述求和电路节点，以用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容器进行充电。

15.根据权利要求12所述的控制器，其包括：

振荡器电路，其在根据连接到所述振荡器电路的电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；以及

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路基于所述输入电压、连接到所述参考电路的所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号来提供相位或频率校正电流输出信号；

其中所述控制器可配置以用作所述多级DC-DC转换系统中的主装置或从属装置；

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号以及所述相位或频率校正电流输出信号；且

其中所述求和电路包括连接在所述跨导放大器与所述求和电路节点之间的第三切换电路，所述第三切换电路在所述控制器配置为从属装置的情况下操作，以将所述校正电流输出信号连接到所述求和电路节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号且用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流，以对所述电容器进行充电，且所述第三切换电路在所述控制器配置为主装置的情况下操作，以使所述校正电流输出信号从所述求和电路节点断开。

16.根据权利要求10所述的控制器，其中所述经切换电容器电路包括：

电容器，其具有连接到所述求和电路的第一端子，以及连接到所述电路接地节点的第二端子，

开关电路，其在第一状态下操作以根据开关控制信号对所述电容器进行放电；

比较器，其包含

非反相输入，其连接到所述求和电路，

反相输入，其连接到阈值电压，以及

比较器输出，其在所述电容器上的电压超过所述阈值电压时，在第一电平下提供脉冲信号，且在所述电容器上的所述电压小于所述阈值电压时，在第二电平下提供脉冲信号；以及

触发器，其具有连接到所述比较器输出的第一输入、接收用以开始新的脉冲宽度调制周期的触发信号的第二输入、提供所述脉冲宽度调制输出信号的第一输出，以及将所述开关控制信号提供给所述开关电路的互补第二输出。

17.根据权利要求16所述的控制器：

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号；且

其中所述求和电路节点直接连接到所述校正电流输出信号，以提供所述电容器充电电流信号作为由所述校正电流输出信号偏移的所述参考电流输出信号。

18.根据权利要求16所述的控制器，其包括：

振荡器电路，其在根据连接到所述振荡器电路的电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；以及

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路基于所述输入电压、连接到所述参考电路的所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号来提供相位或频率校正电流输出信号；

其中所述控制器可配置以用作所述多级DC-DC转换系统中的主装置或从属装置；

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号；且

其中所述求和电路包括第二切换电路，如果所述控制器配置为主装置，那么所述第二切换电路在第一状态下操作，以将所述相位或频率校正电流输出信号连接到所述求和电路节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容器进行充电，且如果所述控制器配置为从属装置，那么所述第二切换电路在第二状态下操作，以将所述校正输出连接到所述求和电路节点，以用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流以对所述电容器进行充电。

19.根据权利要求16所述的控制器，其包括：

振荡器电路，其在根据连接到所述振荡器电路的电阻器的值设定的频率下产生参考时钟信号；以及

检测器电路，其产生表示所述参考时钟信号与来自所述脉冲产生器电路的经取样脉冲宽度调制输出信号之间的相位或频率差的相位或频率误差信号；

其中所述参考电路基于所述输入电压、连接到所述参考电路的所述电阻器的所述值以及来自所述检测器电路的所述相位或频率误差信号来提供相位或频率校正电流输出信号；

其中所述控制器可配置以用作所述多级DC-DC转换系统中的主装置或从属装置；

其中所述求和电路包含直接连接到所述比较器的所述非反相输入的求和电路节点；

其中所述求和电路节点直接连接到所述参考电路以接收所述参考电流输出信号以及所述相位或频率校正电流输出信号；且

其中所述求和电路包括连接在所述校正电流输出信号与所述求和电路节点之间的第三切换电路，所述第三切换电路在所述控制器配置为从属装置的情况下操作，以将所述校正电流输出信号连接到所述求和电路节点，以用所述相位或频率校正电流输出信号且用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流，以对所述电容器进行充电，且所述第三切换电路在所述控制器配置为主装置的情况下操作，以使所述校正电流输出信号从所述求和电路节点断开。

20.一种用于平衡由多级DC-DC转换系统中的多个DC-DC转换器级提供的负载电流的方法，所述方法包括：

基于输入电压且基于连接到给定DC-DC转换器级的电阻器的值在所述DC-DC转换器级中提供参考电流输出信号；以及

提供校正电流输出信号，其表示由所述给定DC-DC转换器级提供的负载电流与所述多级DC-DC转换系统中的平均转换器级负载电流之间的差；

用所述校正电流输出信号来偏移所述参考电流输出信号，以为所述给定DC-DC转换器级提供电容器充电电流信号；以及

使用所述电容器充电电流来选择性地为电容充电，以提供具有由用于所述给定DC-DC转换器级的所述电容器充电电流的振幅确定的接通时间的脉冲宽度调制输出信号。

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