CN103780091A - 用于多相转换器的相电流平衡 - Google Patents

用于多相转换器的相电流平衡 Download PDF

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CN103780091A CN201310505298.7A CN201310505298A CN103780091A CN 103780091 A CN103780091 A CN 103780091A CN 201310505298 A CN201310505298 A CN 201310505298A CN 103780091 A CN103780091 A CN 103780091A
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Abstract

本发明是用于多相转换器的相电流平衡。一种DC-DC转换器包含第一差动电压传感器，以通过感测所述DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压而检测第一电感器电流。第二差动电压传感器通过感测所述DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压而检测第二电感器电流。积分器级将来自所述第一电力级的所述第一差动电压与来自所述第二电力级的所述第二差动电压进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。

Description

用于多相转换器的相电流平衡
技术领域
本发明涉及用以提供用于多相DC-DC转换器的相电流平衡的系统和方法。
背景技术
例如DC-DC转换器等电压转换器有两种形式。当输入电压将被转换器电压步升时，提供升压或步升配置。当输入电压需要被转换器步降到较低电压时，提供降压转换器。因此，降压转换器是步降DC-DC转换器。其设计类似于步升升压转换器，且与升压转换器一样，其为使用开关(例如，晶体管和二极管)、电感器和电容器的切换模式电力供应器。用以减小DC供应器的电压的最直接的方式是使用线性调节器，但由于线性调节器是通过将多余电力耗散为热量而操作，所以其浪费能量。另一方面，例如降压转换器等切换转换器可非常高效(对于集成电路，95％或更高)，从而使得其可用于若干任务，例如将计算机中的主电压(例如，桌上型计算机中12V，膝上型计算机中12V到24V)下转换为处理器所需的0.8伏到1.8伏。
另一种类型的步降或降压转换器是用于解决高负载电流情形的多相转换器。通过并联使用两个电感器而非单个电感器来产生输出电压，设计者可以减少输入和输出波纹以及减轻电感器电力损耗，同时增加转换器的负载瞬时响应。当与单个电感器设计相对地使用两个电感器时，需要维持驱动电路内的两个并联路径，因此需要所述路径之间的某一类型的电流平衡。为了实现额外的电流平衡，必须提供用以测量流过每一电感器的电流的构件。然而，感测切换转换器中的电流并不实际，因为单个装置不可能监视连续的负载电流，且DC感测装置可在其上有效地操作。有时使用用于对复制品级功率FET上的电压进行取样以确定回路电流的方法，但此些技术不准确、噪声敏感且缓慢，因此限制了整个电流平衡回路的性能。
发明内容
在一个实例中，一种DC-DC转换器包含第一差动电压传感器，其用以通过感测DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压而检测第一电感器电流。第二差动电压传感器通过感测DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压而检测第二电感器电流。积分器级将来自所述第一电力级的第一差动电压与来自第二电力级的第二差动电压进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。
在另一实例中，一种方法包含基于来自驱动DC-DC转换器的第一电感器的第一电力级的第一差动电压而产生第一输出电流，其中所述第一差动电压表示流过所述第一电感器的电流。所述方法包含基于来自驱动DC-DC转换器的第二电感器的第二电力级的第二差动电压而产生第二输出电流，其中所述第二差动电压表示流过所述第二电感器的电流。所述方法还包含将所述第一输出电流和第二输出电流积分为补偿信号以调整所述DC-DC转换器中的电流平衡。
在又一实例中，一种用于DC-DC转换器的控制器包含第一差动电压传感器，其用以通过感测DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压而检测第一电感器电流。第一跨导放大器接收第一差动电压以作为输入，产生表示DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压的第一输出电流。第二差动电压传感器通过感测DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压而检测第二电感器电流。第二跨导放大器接收第二差动电压以作为输入，产生表示DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压的第二输出电流。积分器级将来自所述第一跨导放大器的第一输出电流与来自第二跨导放大器的第二输出电流进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。
附图说明
图1说明使用差动电压传感器以促进转换器中的电流平衡的多相DC-DC转换器的实例。
图2说明使用差动电压传感器以促进转换器中的电流平衡的实例DC/DC转换器电路。
图3说明实例信号图，其说明经取样以产生表示电感器回路电流的差动电压的信号。
图4说明用以促进多相DC/DC转换器的电流平衡的实例方法。
具体实施方式
图1说明使用差动电压传感器以促进转换器中的电流平衡的多相DC-DC转换器100的实例。DC-DC转换器100使用多相(例如，若干级被驱动离开不同时钟)以驱动输出级110。输出级110包含至少两个电感器(例如，第一和第二电感器)以产生由第一电力级120和第二电力级124切换的输出电压VOUT。为了促进DC-DC转换器100的所要的电路操作，应以可在驱动相应电感器的级与相位之间平衡电流的次序来感测穿过输出级110中的电感器的电流。过去的感测技术已依赖于复制对电感器中的电流进行建模的电力级中的晶体管。然而，此些技术是不准确的，且制造成本较高。直接感测电感器电流也不实际，因为连续的负载电流难以监视。
DC-DC转换器100使用检测电感器电流且最终校正电感器和/或驱动电感器的电路之间的电流不平衡的间接方法。所述方法是间接的，因为穿过电感器的电流未被直接监视，而是感测电力级120和124的输出处的电压来确定并产生此电流。可使用第一差动电压传感器130通过感测DC-DC转换器100的第一电力级120上的第一差动电压来检测第一电感器电流。可使用第二差动电压传感器134通过感测DC-DC转换器100的第二电力级上的第二差动电压来检测第二电感器电流。积分器级140(例如，积分电容器)将来自所述第一电力级120的第一差动电压与来自第二电力级124的第二差动电压进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。
如图所示，可将补偿信号施加到相位调整器150，相位调整器150调整第一时钟级160和第二时钟级164的时钟工作循环，其中每一级被不同时钟相位驱动(例如，与相位时钟相差180度)。通过调整时钟级160和164的时钟工作循环，可调整且平衡DC-DC转换器100中的电流平衡。使用来自时钟级160和164的输出来控制第一驱动级170和第二驱动级174。随后使用来自驱动级170和驱动级174的输出来分别驱动电力级120和124。
本文中所描述的表示多相转换器的电感器电流的间接差动电压感测可应用于使用多个电感器、电流平衡回路的实质上任何类型的DC-DC转换器，且用于将一个DC电压转换为另一DC值。因此，在一个实例中，DC-DC转换器100可被配置成步升转换器，或在另一实例中，DC-DC转换器可被配置成步降转换器。第一电力级120和第二电力级124可包含具有电阻漏极到源极(RDS)ON值的切换晶体管对，所述电阻漏极到源极(RDS)ON值用于感测第一电力级的第一差动电压和第二电力级的第二差动电压。可根据电压DeltaV来感测第一差动电压和第二差动电压，其中DeltaV约等于RDS ON平均值*Iload_phase。下文将关于图2来说明和描述用于感测DeltaV的电路位置。
可使用第一电力级120处的第一电阻器/电容器滤波器(下文在图2中说明)和第二电力级124的输出处的第二电阻器/电容器滤波器来对第一电力级的电压DeltaV和第二电力级的电压DeltaV进行滤波。具备第一差动电压传感器130的第一跨导放大器产生表示第一电力级120的电压DeltaV的第一输出电流，且具备第二差动电压传感器134的第二跨导放大器产生表示第二电力级124的电压DeltaV的第二输出电流。驱动级170可包含第一比较器以在到第一跨导放大器的输入处产生第一脉宽调制信号，其中可从施加到第一比较器的第一相位时钟和第一误差信号而产生所述第一脉宽调制信号。类似地，可使用第二比较器以在到第二跨导放大器的输入处产生第二脉宽调制信号，可从施加到第二比较器的第二相位时钟和第二误差信号而产生所述第二脉宽调制信号。
还可将额外的滤波应用于第一和第二脉宽调制信号。此可包含用以对第一脉宽调制信号进行滤波的第三电阻器/电容器滤波器以及用以对第二脉宽调制信号进行滤波的第四电阻器/电容器滤波器。可在积分级140中使用积分电容器以从第一跨导放大器和第二跨导放大器的组合输出产生补偿信号，其中所述补偿信号表示DC-DC转换器100的相位之间的电流不平衡。
可在相位调整器150中提供第三跨导放大器以从施加到第三跨导放大器的输入的补偿信号和参考电压产生相位调整信号，其中可使用所述相位调整信号通过调整时钟级160和164的时钟工作循环来调整DC-DC转换器100中的电流不平衡。下文将关于图2来说明和描述本文中针对相应级和传感器所描述的各种实例组件。应注意，可经由不同电路实施方案来提供本文中所描述的实例。举例来说，在一个实例中，可使用电阻器/电容器滤波器，或在另一实例中，可使用切换式电容器滤波器。类似地，在一些实例中，可使用跨导放大器，且在其它实例中，可使用电压受控运算放大器。在一些情况下，可使用场效应晶体管，且在其它情况下，使用结晶体管。可将一些控制组件用作离散实施方案，例如将参考电压与控制信号进行比较的比较器，且在其它实例中，可使用控制器来监视参考电压且在DC-DC转换器100内产生控制信号。
图2说明使用差动电压传感器以促进转换器中的电流平衡的实例DC/DC转换器电路200。将识别电路200的各级且使其与图1中所描绘的DC-DC转换器相关。电路200包含输出级201(类似于图1的输出级110)，所述输出级具有与电阻器203串联且驱动对VOUT进行滤波的输出电容器204的第一电感器202。也驱动输出电容器204的是与电阻器206串联的第二电感器205。输出级201是由驱动第一电感器202的第一电力级210(类似于图1的第一电力级120)以及驱动第二电感器205的第二电力级212(类似于图1的第二电力级124)来驱动。第一电力级210包含FET214和215，而第二电力级212包含FET216和217。
从第一驱动器级220(类似于图1的第一驱动器级170)驱动第一电力级210，且提供第二驱动器级221(类似于图1的第二驱动器级174)来驱动第二电力级212。出于简明起见，仅与第一驱动器级220相关联的那些组件被描述为镜射第一驱动器级的组件的与第二驱动器级相关联的组件。第一驱动器级220包含串联放大器222和223以驱动FET214和215，其中多个放大器符号表示多个放大器级。然而，应注意，可以在222和223处使用单个放大器。
从脉宽调制器(PWM)比较器224驱动放大器222和223，所述脉宽调制器比较器产生由电阻器225和电容器226滤波的输出PWM1。从来自第一时钟级227(类似于图1的第一时钟级160)的斜坡信号VRAMP驱动PWM比较器224的一个输入。如图所示，提供第二时钟级228(类似于图1的第二时钟级164)以驱动第二驱动器级221，所述第二驱动器级驱动第二电力级212。
分别从第一差动电压传感器230(类似于图1的第一差动电压传感器130)和第二差动电压传感器231(类似于图1的第二差动电压传感器134)感测来自电力级210和212中的每一者的输出。传感器230和231中的每一者可包含例如232和233处所示的电阻器和电容器滤波器，所述电阻器和电容器滤波器将来自电力级的所感测电压馈送到例如234处所示的跨导放大器，其中跨导放大器234的输出处的圆形符号表示电压-电流转换。来自第一传感器230和第二传感器232的跨导放大器的电流输出被馈送到由电容器236表示的积分级235。来自积分级235的补偿输出被馈送到作为相位调整器而操作的第三跨导放大器240，所述相位调整器如图1的相位调整器150所描述。来自跨导放大器240的输出用于分别调整到时钟级227和228的斜坡工作循环，其最终控制DC-DC转换器电路200中的电流平衡。如图所示，将参考电压VREF与来自积分级235的输出进行比较以产生对时钟级227和228的相位时钟调整。来自PWM比较器224的输出是从转换器误差信号以及从时钟级227产生的斜坡信号VRAMP中产生的。
电路200提供一种电流感测方法，所述电流感测方法不直接尝试感测相位电流负载，而是感测每一相位的电力级210和212上的平均差动电压。可将此差动电压视为服从以下等式的相位电流负载图像：DeltaV＝rdson_average*Iload_phase；其中DeltaV是相位电力级210或212上的平均差动电压，rdson_average是看向电力级的SW1或SW2中的电力级的时间平均阻抗，且Iload_phase是相位负载电流。因为rdson_average是一般是电路200中的最大装置中的一者的相位功率FET的接通电阻，其中这些不同rdson_average值之间的匹配是所述电路(例如，在晶片的类似区域中制造的具有匹配参数的FET)中可得到的合适匹配(参数在给定阈值内匹配)。
当所有相位的rdson_average匹配时，随后针对每一相位的deltaV电压提供平衡，以便匹配流过每一相位的电流。可针对每一相位对电力级之前的PWM信号(展示为PWM1和PWM2)进行RC滤波，从而产生被称为PWM1(相位1)和PWM2(相位2)的信号。还可针对每一相位对电力级之后的SW信号进行RC滤波，从而提供信号SW1(相位1)和SW2(相位2)。
可使用两个积分器(一个在级230中，且一个在级231中)对输入信号PWM1-SW1和SW2-PWM2进行积分。可将来自两个积分器的输出馈送到同一积分电容器236。电容器电压可被称作补偿信号VCOMP。可通过差动跨导放大器(OTA)240将VCOMP信号与被称为VREF的固定参考电压进行比较。差动OTA240的输出可被称作OUT1和OUT2。
输出电流OUT1修改第一相位的工作循环，且输出电流OUT2修改第二相位的工作循环。如果VCOMP＞VREF，那么OTA240的OUT1输出电流减小第一相位的工作循环，且因此减小流过第一相位的电流，直到达到均衡且电流平衡为止。如果VCOMP＜VREF，那么OTA的OUT2输出电流减小第二相位的工作循环，且因此减小流过第二相位的电流，直到达到均衡且电流平衡为止。
图3说明实例信号图300，其说明经取样以产生表示电感器回路电流的差动电压的信号。图300说明测量上文关于图1和2所描述的DeltaV信号。如图所示，电力级的输出处的SW1信号310被RC滤波，且被供应到跨导放大器320。到跨导放大器320的其它输入是来自上文所描述的驱动器级的经滤波PWM1信号。如图300中所示，例如330处所说明的DeltaV是出现在到跨导放大器320的输入上的电压，且提供在多相转换器的相应相位中流动的电流的间接测量。
鉴于上文所描述的前述结构性和功能性特征，将参考图4更好地了解实例方法。虽然出于阐释简单的目的将所述方法展示且描述为连续地执行，但应理解且了解，所述方法不受所说明的次序限制，因为所述方法的若干部分可以不同次序发生且/或与本文中所展示和描述的方法同时地发生。此方法可由例如在IC或控制器中配置的各种组件执行。
图4说明用以促进多相DC/DC转换器的电流平衡的实例方法400。在410处，方法400包含基于来自驱动DC-DC转换器的第一电感器的第一电力级(例如，图2的电力级210)的第一差动电压而产生第一输出电流(例如，经由图2的放大器234)，其中所述第一差动电压表示流过所述第一电感器的电流。在420处，所述方法400包含通过感测来自驱动DC-DC转换器的第二电感器的第二电力级(例如，图2的级212)的第二差动电压而产生第二输出电流，其中所述第二差动电压表示流过所述第二电感器的电流。在430处，方法400包含将所述第一输出电流和第二输出电流积分为补偿信号以调整所述DC-DC转换器中的电流平衡。
虽然未图示，但方法400还可包含提供具有RDS ON值的切换晶体管对，所述RDSON值用于感测第一电力级的第一差动电压和第二电力级的第二差动电压此包含根据电压DeltaV来感测第一差动电压和第二差动电压，其中DeltaV约等于RDS ON平均值*Iload_phase。方法400还可包含对第一电力级的输出和第二电力级的输出进行滤波，以对第一电力级的电压DeltaV和第二电力级的DeltaV进行滤波。此还可包含产生表示第一电力级的电压DeltaV的第一输出电流，和表示第二电力级的电压DeltaV的第二输出电流。
上文所描述的内容是实例。当然，不可能描述组件或方法的每个可想到的组合，但所属领域的技术人员将认识到，许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本发明意欲包含属于本申请案(包含所附权利要求书)的范围的所有此些更改、修改和变化。如本文中所使用，术语“包含(includes)”是指包含但不限于，术语“包括(including)”是指包括但不限于。术语“基于”是指至少部分基于。另外，在本发明或权利要求书叙述“一(a、an)”、“第一”或“另一”元件或其等效物的情况下，应理解为包含一个或一个以上此类元件，而不需要或不排除两个或两个以上此类元件。

Claims (20)

1.一种DC-DC转换器，其包括： 
第一差动电压传感器，其用以通过感测所述DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压而检测第一电感器电流； 
第二差动电压传感器，其用以通过感测所述DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压而检测第二电感器电流；以及 
积分器级，其用以将来自所述第一电力级的所述第一差动电压与来自所述第二电力级的所述第二差动电压进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。 
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中所述DC-DC转换器被配置为步升转换器或步降转换器。 
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中所述第一电力级和所述第二电力级包括具有RDS ON值的切换晶体管对，所述RDS ON值用于感测所述第一电力级的所述第一差动电压和所述第二电力级的所述第二差动电压。 
4.根据权利要求3所述的DC-DC转换器，其中所述第一差动电压或所述第二差动电压是根据电压DeltaV来感测，所述电压DeltaV约等于RDS ON平均值*Iload_phase，其中DeltaV是所述第一电力级或所述第二电力级上的平均差动电压，其中RDS ON平均值是所述第一电力级或所述第二电力级的时间平均阻抗，且Iload_phase是由所述第一电力级或所述第二电力级传递的负载电流。 
5.根据权利要求4所述的DC-DC转换器，其进一步包括所述第一电力级的输出处的第一滤波器和所述第二电力级的输出处的第二滤波器，以对所述第一电力级的所述电压DeltaV和所述第二电力级的DeltaV进行滤波。 
6.根据权利要求5所述的DC-DC转换器，其进一步包括产生表示所述第一电力级的所述电压DeltaV的第一输出电流的第一跨导放大器，和产生表示所述第二电力级的所述电压DeltaV的第二输出电流的第二跨导放大器。 
7.根据权利要求6所述的DC-DC转换器，其进一步包括：第一比较器，其用以在到所述第一跨导放大器的输入处产生第一脉宽调制信号，所述第一脉宽调制信号是从施加到所述第一比较器的第一相位时钟和第一误差信号中产生；以及第二比较器，其用以在到所述第二跨导放大器的输入处产生第二脉宽调制信号，所述第二脉宽调制信号是从施加到所述第二比较器的第二相位时钟和第二误差信号中产生。 
8.根据权利要求7所述的DC-DC转换器，其进一步包括：第三滤波器，其用以对所述第一脉宽调制信号进行滤波；以及第四滤波器，其用以对所述第二脉宽调制信号进行滤波。 
9.根据权利要求6所述的DC-DC转换器，其进一步包括积分电容器，所述积分电容器用以从所述第一跨导放大器和所述第二跨导放大器的组合输出中产生补偿信号，其中所述补偿信号表示所述DC-DC转换器的相位之间的电流不平衡。 
10.根据权利要求9所述的DC-DC转换器，其进一步包括第三跨导放大器，所述第三跨导放大器从施加到所述第三跨导放大器的输入的所述补偿信号和参考电压中产生相位调整信号，其中所述相位调整信号用于调整所述DC-DC转换器中的电流不平衡。 
11.一种方法，其包括： 
基于来自驱动DC-DC转换器的第一电感器的第一电力级的第一差动电压而产生第一输出电流，其中所述第一差动电压表示流过所述第一电感器的电流； 
基于来自驱动所述DC-DC转换器的第二电感器的第二电力级的第二差动电压而产生第二输出电流，其中所述第二差动电压表示流过所述第二电感器的电流；以及 
将所述第一输出电流和第二输出电流积分为补偿信号以调整所述DC-DC转换器中的电流平衡。 
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过监视所述第一和第二电力级中的切换晶体管的RDS ON值而感测所述第一电力级的所述第一差动电压和所述第二电力级的所述第二差动电压。 
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括根据电压DeltaV来感测所述第一差动电压或所述第二差动电压，所述电压DeltaV约等于RDS ON平均值*Iload_phase，其中DeltaV是所述第一电力级或所述第二电力级上的平均差动电压，其中RDS ON平均值是所述第一电力级或所述第二电力级的时间平均阻抗，且Iload_phase是由所述第一电力级或所述第二电力级传递的负载电流。 
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括对所述第一电力级的输出和所述第二电力级的输出进行滤波，以对所述第一电力级的所述电压DeltaV和所述第二电力级的DeltaV进行滤波。 
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括产生表示所述第一电力级的所述电压DeltaV的第一输出电流，和表示所述第二电力级的所述电压DeltaV的第二输出电流。 
16.一种DC-DC转换器，其包括： 
第一差动电压传感器，其用以通过感测所述DC-DC转换器的第一电力级上的第一差动电压而检测第一电感器电流； 
第一跨导放大器，其接收所述第一差动电压以作为输入，且产生表示所述DC-DC转换器的所述第一电力级上的所述第一差动电压的第一输出电流； 
第二差动电压传感器，其用以通过感测所述DC-DC转换器的第二电力级上的第二差动电压而检测第二电感器电流； 
第二跨导放大器，其接收所述第二差动电压以作为输入，且产生表示所述DC-DC转换器的所述第二电力级上的所述第二差动电压的第二输出电流；以及 
积分器级，其用以将来自所述第一跨导放大器的所述第一输出电流与来自所述第二跨导放大器的所述第二输出电流进行组合以产生补偿信号，以调整所述DC-DC转换器的电流平衡。 
17.根据权利要求16所述的DC-DC转换器，其中所述DC-DC转换器被配置为步升转换器或步降转换器。 
18.根据权利要求16所述的DC-DC转换器，其中所述第一电力级和所述第二电力级包括具有RDS ON值的切换晶体管对，所述RDS ON值用于感测所述第一电力级的所述第一差动电压和所述第二电力级的所述第二差动电压。 
19.根据权利要求18所述的DC-DC转换器，其中所述第一差动电压和所述第二差动电压是根据电压DeltaV来感测，其中DeltaV约等于RDS ON平均值*Iload_phase。 
20.根据权利要求19所述的DC-DC转换器，其进一步包括所述第一电力级的输出处的第一滤波器和所述第二电力级的输出处的第二滤波器，以对所述第一电力级的所述电压DeltaV和所述第二电力级的DeltaV进行滤波。 
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