CN103944377B - 具电流平衡的多相电源转换控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具电流平衡的多相电源转换控制器，用以控制多个转换电路以共同提供一输出电压。多相电源转换控制器包含一反馈电路、一恒定导通时间电路以及一多相逻辑控制器。反馈电路检测输出电压，以产生一反馈控制信号。恒定导通时间电路根据反馈控制信号以产生一导通时间信号，其中导通时间信号的一脉冲宽度根据一单一计时电路来决定。多相逻辑控制器根据反馈控制信号的次序以选择多个转换电路中对应的转换电路并产生一相数信号，且根据导通时间信号控制对应的转换电路。其中，恒定导通时间电路根据多个转换电路的电流，并对应相数信号判断对应的转换电路的电流的一修正量，并据此修正对应的导通时间信号的脉冲宽度。

Description

具电流平衡的多相电源转换控制器

技术领域

本发明涉及一种多相电源转换控制器，尤其涉及一种具电流平衡的多相电源转换控制器

背景技术

随着制作过程技术的演进，集成电路越趋微小化。而集成电路的微小化会伴随着驱动电压的下降。然而有些领域的集成电路的耗电量并未随着驱动电压的下降而等比例的下降，使得集成电路的操作电流反向地增加。

集成电路的驱动电压源均以切换式电源电路为主。而切换式电源电路的切换操作，会造成输出端的电压纹波(Ripple)。这些电压纹波在低驱动电压的操作环境下会显得明显，甚至造成集成电路的逻辑错误。为了降低切换式电源电路的电压纹波，而发展出多相直流转直流转换控制器。通过多通道分时传送电力至直流转直流转换电路输出端的方式，可降低每次传送的电力大小，因而降低电压纹波的大小。

请参见图1，图1为传统多相电源转换电路的电路示意图。多相电源转换电路包含了一控制器10及三个通道12a～12c。每一个通道12a～12c包含两个晶体管开关串接在输入电压Vin及接地之间。各通道12a～12c内的驱动器各自接收来自控制器10的脉宽调制控制信号PWM1～PWM3，以据此切换对应的晶体管开关，以提供通道电流Io1～Io3。通道电流Io1～Io3结合而形成一输出电流Io对一输出电容Co充电而产生一输出电压Vout，以驱动一负载Load。控制器10通过管脚对CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3检测通道电流Io1～Io3并接收一电压检测信号FB，据以调制通道12a～12c中的晶体管开关的占空比。

由于各通道的晶体管开关及电感的不匹配，例如：寄生电阻不匹配，会导致各相电流不平衡，即各相的热不会平衡。电流的不平衡会影响组件的寿命和可靠度。控制器10为了使各通道12a～12c造成的电流纹波相近，因而根据管脚对CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3的检测信号来调整各通道电流Io1～Io3的大小，使其彼此一致。一般而言，控制器10会先以误差放大器来进行反馈控制，以得到各通道的占空比参考依据，然后再根据通道电流之间的差异的数据传送到各通道对应的脉宽控制电路以进行占空比的补偿修正。

误差放大器虽然对抑制噪声的效果不错，但相对的其瞬态响应的能力较差，无法对负载变动快速回应。再者，多个脉宽控制电路除了有电路比较复杂、面积大、成本高的问题外，多个脉宽控制电路之间也有匹配上的问题，而影响到各相电流平衡的精确度。

发明内容

现有技术中的多相电源转换电路有瞬态响应差、电路复杂成本高，而且电流平衡的精确度差的问题。本发明使用恒定导通时间控制技术，改善了电路的瞬态响应，而且利用单一的计时电路来决定各相电路的导通时间，降低了电路的复杂度及成本，也同时避免了电路不匹配影响电流平衡精确度的问题。

为达上述目的，本发明提供了一种具电流平衡的多相电源转换控制器，用以控制多个转换电路以共同提供一输出电压。多相电源转换控制器包含一反馈电路、一恒定导通时间电路以及一多相逻辑控制器。反馈电路检测输出电压，以产生一反馈控制信号。恒定导通时间电路根据反馈控制信号以产生一导通时间信号，其中导通时间信号的一脉冲宽度根据单一计时电路来决定。多相逻辑控制器，根据反馈控制信号的次序以选择多个转换电路中对应的转换电路并产生一相数信号，且根据导通时间信号控制对应的转换电路。其中，恒定导通时间电路根据多个转换电路的电流，并对应相数信号判断对应的转换电路的电流的一修正量，并据此修正对应的导通时间信号的脉冲宽度。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。

附图说明

图1为传统多相电源转换电路的电路示意图；

图2为根据本发明的一较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换电路的电路示意图；

图3为根据本发明的一第一较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图；

图4为根据本发明的一第二较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图；

图5为根据本发明的一第三较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图；

图6为根据本发明的一第一较佳实施例的计时电路的电路示意图；

图7为根据本发明的一第二较佳实施例的计时电路的电路示意图；

图8为根据本发明的一第一较佳实施例的误差电流产生电路的电路示意图；

图9为根据本发明的一第二较佳实施例的误差电流产生电路的电路示意图。

附图标记说明：

10：控制器；

12a、12b、12c：通道；

100：多相电源转换控制器；

110、210：反馈电路；

120、220：恒定导通时间电路

130、230：多相逻辑控制器；

150a～150c：转换电路；

152a～152c：电流检测电路；

212、3265：比较器；

222：误差电流产生电路；

223：数字误差电流产生电路；

224：模数转换电路；

226：计时电路；

227：数字计时电路；

232：相数判断电路；

234：多相驱动电路；

3221：电流和电路；

3222：平均电路；

3223：误差计算电路；

3224：放大电路；

3261：D型触发器；

3262：恒定电流源；

3263：电容；

3264：调整电流源；

3266：脉宽控制器；

3267：SR触发器；

3268：开关；

C、D、S：输入端；

Co：输出电容；

CSP1、CSN1、CSP2、CSN2、CSP3、CSN3：管脚；

ΔDI_s：数字调整电流信号；

DIse_1～n：数字电流检测信号；

FB：电压检测信号；

ΔI_s：调整电流信号；

Iavg：平均电流信号；

Io：输出电流；

Io1、Io2、Io3：通道电流；

Ise_1～Ise_3、Ise_1～n、Ise_s、Ise_s-1、Ise_s+1：电流检测信号；

IseX：电流放大信号；

Isum：电流和信号；

Load：负载；

Ph_s：相数信号；

Pon：反馈控制信号

PWM1、PWM2、PWM3：脉宽调制控制信号；

Q：输出端；

QN：倒相输出端；

R：重置端；

Ron：电阻；

Sa_1～Sa_3、Sb_1～Sb_3、Sa_s、Sb_s：控制信号；

Ton_s：导通时间信号；

Vin：输入电压；

Von：导通时间参考电压；

Vout：输出电压；

Vref：参考电压。

具体实施方式

请参见图2，为根据本发明的一较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换电路的电路示意图。多相电源转换控制器100控制多个转换电路150a～150c以共同提供一输出电压Vout。在本实施例，多个转换电路150a～150c为直流转直流降压转换电路。每一转换电路包含一上端晶体管、一下端晶体管以及一电感，上端晶体管耦接一输入电压Vin，并根据多相电源转换控制器100的控制，将输入电压Vin的电力传送至一输出电容Co储存。多相电源转换控制器100包含一反馈电路110、一恒定导通时间电路120以及一多相逻辑控制器130。反馈电路110耦接一输出电压Vout以检测输出电压Vout的高低，并接收代表输出电压Vout的一电压检测信号FB，以据此产生一反馈控制信号Pon。多相逻辑控制器130根据反馈控制信号Pon的次序以选择多个转换电路150a～150c中对应的转换电路，并产生一相数信号Ph_s。多个电流检测电路152a～152c检测多个转换电路150a～150c中电感的通道电流Io1～Io3，以产生代表通道电流Io1～Io3大小的电流检测信号Ise_1～Ise_3。恒定导通时间电路120根据反馈控制信号Pon以产生一导通时间信号Ton_s，其中导通时间信号Ton_s的一脉冲宽度根据单一计时电路来决定(请参见后续的实施例)。恒定导通时间电路120并接收电流检测信号Ise_1～Ise_3，以对应相数信号Ph_s来判断此次周期所欲控制的对应转换电路，并据此判断对应转换电路的电流的一修正量，并据此修正导通时间信号Ton_s的脉冲宽度。多相逻辑控制器130根据导通时间信号Ton_s决定此次周期的导通时间，并对应欲控制的对应转换电路，产生控制信号Sa_1～Sa_3、Sb_1～Sb_3对应的控制信号以控制对应转换电路，其中控制信号Sa_1～Sa_3用以控制对应的转换电路的上端晶体管，控制信号Sb_1～Sb_3用以控制对应的转换电路的下端晶体管。

由于本实施例的恒定导通时间电路120仅具有单一计时电路，故电路的复杂度及成本均较传统的电路为低，而且使用单一计时电路也避免多个电路间不匹配的问题。因此，各转换电路的电流更为一致之下，也可避免电流不均而影响组件使用寿命的问题。

请参见图3，图3为根据本发明的一第一较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图。多相电源转换控制器包含一反馈电路210、一恒定导通时间电路220以及一多相逻辑控制器230。反馈电路210包含一比较器212，比较器212的一不倒相输入端接收一参考电压Vref、一倒相输入端接收一电压检测信号FB，并根据比较结果输出一反馈控制信号Pon。当电压检测信号FB的一电平低于参考电压Vref时，反馈控制信号Pon为一高电平。多相逻辑控制器230包含一相数判断电路232及一多相驱动电路234。相数判断电路232接收并计数反馈控制信号Pon高电平的次数，以根据计数的结果决定此次周期预定控制哪一相的转换电路，并同时输出一相数信号Ph_s。恒定导通时间电路220包含一误差电流产生电路222以及一计时电路226。误差电流产生电路222接收代表各通道电流的电流检测信号Ise_1～n以决定一目标值。误差电流产生电路222同时也接收相数信号Ph_s，以判断此次周期所欲控制的转换电路对应的电流检测信号Ise_1～n与目标值的差异，并据此产生一调整电流信号ΔI_s。计时电路226接收反馈控制信号Pon，并据此启动计时程序以产生一导通时间信号Ton_s，并同时根据调整电流信号ΔI_s来调整导通时间信号Ton_s的一脉冲宽度。多相驱动电路234接收相数信号Ph_s及导通时间信号Ton_s，根据相数信号Ph_s对应欲控制的转换电路产生控制信号Sa_s、Sb_s，并根据导通时间信号Ton_s决定此次周期的导通时间(即控制信号Sa_s的脉冲宽度)。

根据上述说明，本发明的恒定导通时间电路220会对应此次周期预定控制的转换电路，并根据电流检测信号Ise_1～n来判断欲控制的转换电路的通道电流所需的调整量，在该次周期调整导通时间信号Ton_s的脉冲宽度。例如：该通道电流偏小，则对应的导通时间信号Ton_s的脉冲宽度则较长；该通道电流偏大，则对应的导通时间信号Ton_s的脉冲宽度则较短。当进入下一周期多相电源转换控制器欲控制下一个转换电路时，恒定导通时间电路220会再重新根据相数信号Ph_s及电流检测信号Ise_1～n来调整下一个转换电路的导通时间信号Ton_s的脉冲宽度。由于各相的转换电路的导通时间是错开、不重叠的，故恒定导通时间电路220可利用单一计时电路即可提供各相转换电路所需的导通时间的信息，因此也可以避免传统使用多个计时电路的电路不匹配问题。

请参见图4，图4为根据本发明的一第二较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图。相较于图3所示的实施例，本实施例的恒定导通时间电路220额外增加一模数转换电路224，用以将误差电流产生电路222所产生的调整电流信号ΔI_s转换成数字调整电流信号ΔDI_s，使一数字计时电路227得以数字方式来调整导通时间信号Ton_s的脉冲宽度。请参见图5，图5为根据本发明的一第三较佳实施例的具电流平衡的多相电源转换控制器的电路示意图。相较于图4所示的实施例，模数转换电路224的位置改至一数字误差电流产生电路223之前，以先接收电流检测信号Ise_1～n，并转换成数字电流检测信号DIse_1～n。数字误差电流产生电路223根据数字电流检测信号DIse_1～n及相数信号Ph_s而产生数字调整电流信号ΔDI_s，使数字计时电路227得以数字方式来调整导通时间信号Ton_s的脉冲宽度。

请参见图6，图6为根据本发明的一第一较佳实施例的计时电路的电路示意图。计时电路包含一D型触发器3261、一电流源、一电容3263、一脉宽控制器3266以及一开关3268。D型触发器3261的一输入端D接收“1”的逻辑信号、一输入端C接收反馈控制信号Pon、一重置端R耦接脉宽控制器3266。请同时参见图3，当电压检测信号FB的电平低于参考电压Vref时，反馈控制信号Pon为高电平。此时，D型触发器3261被触发，使一输出端Q与输入端D相同“1”的逻辑状态，而一倒相输出端QN为相反的逻辑状态(即“0”)。因此，开关3268被关断，使电流源开始对电容3263充电。电流源包含一恒定电流源3262及一调整电流源3264。恒定电流源3262提供一恒定的电流，而调整电流源3264根据上述实施例的调整电流信号ΔI_s或数字调整电流信号ΔDI_s来产生一调整电流。因此电流源所提供的一充电电流为恒定电流源3262及调整电流源3264所提供的电流之和，会根据相数信号Ph_s及多个转换电路的电流检测信号Ise_1～n来决定。脉宽控制器3266包含一比较器3265以及一SR触发器3267。SR触发器3267的一输入端S接收反馈控制信号Pon，当反馈控制信号Pon为高电平时，在一输出端Q输出高电平的导通时间信号Ton_s。也就是说，反馈控制信号Pon决定导通时间信号Ton_s的一起始时间点。此时，多相逻辑控制器230开始导通对应的转换电路，使电压检测信号FB的电平回升到高于参考电压Vref，反馈控制信号Pon转为低电平信号。比较器3265的一倒相端接收一导通时间参考电压Von，一不倒相端耦接电容3263。当电容3263的一电压高于导通时间参考电压Von时，比较器3265输出一高电平信号至SR触发器3267的一重置端R，使SR触发器3267停止输出导通时间信号Ton_s。也就是说，导通时间信号Ton_s的一结束时间点由导通时间参考电压Von及电容3263的电压来决定。此时，D型触发器3261同时被重置，使倒相输出端输出逻辑状态“1”的高电平信号。因此，开关3268被导通使电容3263的电压被归零以等待下一次周期(即反馈控制信号Pon又回到高电平)。

除了调整充电电流大小来调整导通时间信号Ton_s的脉冲宽度外，本发明也可以通过调整导通时间参考电压Von的电平来达到相同的作用。请参见图7，图7为根据本发明的一第二较佳实施例的计时电路的电路示意图。相较于图6所示的实施例，调整电流源3264通过一电阻Ron耦接导通时间参考电压Von，因此比较器3265的倒相端所接收的电压会随着电阻Ron的压降而不同，其中电阻Ron的压降为调整电流源3264的调整电流流经而造成的。

请参见图8，图8为根据本发明的一第一较佳实施例的误差电流产生电路的电路示意图。误差电流产生电路包含一电流和电路3221、一平均电路3222以及一误差计算电路3223。电流和电路3221接收各通道电流的电流检测信号Ise_1～n，以计算各通道电流的和并据此输出一电流和信号Isum。平均电路3222接收电流和信号Isum，并计算出一电流平均值及对应输出一平均电流信号Iavg作为一目标值。误差计算电路3223接收平均电流信号Iavg以及对应到此次周期欲控制的转换电路的一电流检测信号Ise_s，并以计算对应的转换电路的电流与多相电源转换电路的全部转换电路的平均电流的差异输出调整电流信号ΔI_s。当电流检测信号Ise_s高于平均电流信号Iavg时，调整电流信号ΔI_s控制上述实施例中的调整电流源3264，使调整电流源3264输出一正电流，以增加电流源的充电电流大小或调低比较器3265的倒相端接收的电压。如此，可以使对应转换电路的导通时间缩短而降低通道电流。相对地，当电流检测信号Ise_s低于平均电流信号Iavg时，调整电流信号ΔI_s控制上述实施例中的调整电流源3264，使调整电流源3264输出一负电流，以降低电流源的充电电流大小或调高比较器3265的倒相端接收的电压。如此，可以使对应转换电路的导通时间增长而提升通道电流。

请参见图9，图9为根据本发明的一第二较佳实施例的误差电流产生电路的电路示意图。误差电流产生电路包含一电流和电路3221、一放大电路3224以及一误差计算电路3223。电流和电路3221接收对应转换电路以外的各通道电流的电流检测信号Ise_1～s-1及Ise_s+1～n，以计算其他通道电流的和并据此输出一电流和信号Isum。放大电路3224接收对应到此次周期欲控制的转换电路的电流检测信号Ise_s，并放大(n-1)倍后输出一电流放大信号IseX，其中n为多相电源转换控制的总通道数。误差计算电路3223接收电流和信号Isum以及电流放大信号IseX，并据此输出调整电流信号ΔI_s。相较于图8的实施例的作法，本实施例可使调整电流信号ΔI_s更能反映出对应的通道电流与其他通道电流之间的差异。

综合上述实施例的说明，本发明的多相电源转换控制器使用恒定导通时间控制技术，改善了多相电源转换电路的瞬态响应。而且多相电源转换控制器利用单一计时电路来决定各相电路的导通时间，降低了电路的复杂度及成本，也同时避免了电路不匹配影响电流平衡精确度的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种具电流平衡的多相电源转换控制器，用以控制多个转换电路以共同提供一输出电压，其特征在于，该多相电源转换控制器包含：

一反馈电路，检测该输出电压，以产生一反馈控制信号；

一恒定导通时间电路，根据该反馈控制信号以产生一导通时间信号，其中该导通时间信号的一脉冲宽度根据一单一计时电路来决定；以及

一多相逻辑控制器，根据该反馈控制信号的一电平的次数以选择该多个转换电路中对应的转换电路并产生一相数信号，且根据该导通时间信号控制对应的该转换电路；

其中，该恒定导通时间电路根据该多个转换电路的电流，并对应该相数信号判断对应的转换电路的该电流的一修正量，并据此修正对应的导通时间信号的该脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该单一计时电路包含：

一电容；

一电流源，用以对该电容充电，该电流源根据该相数信号及该多个转换电路的电流的检测结果决定所提供的一充电电流；以及

一脉宽控制器，根据该反馈控制信号决定该充电电流对该电容充电及该导通时间信号的一起始时间点，并根据一导通时间参考电压及该电容的一电压决定该导通时间信号的一结束时间点。

3.根据权利要求2所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该电流源包含一恒定电流源及一调整电流源，该恒定电流源提供一恒定的电流，而该调整电流源根据对应的转换电路的该电流与该多个转换电路的电流的一平均电流的差异决定所提供的一调整电流的大小。

4.根据权利要求2所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该电流源包含一恒定电流源及一调整电流源，该恒定电流源提供一恒定的电流，而该调整电流源根据对应的转换电路的该电流经功率放大后的放大电流与该多个转换电路的其他转换电路的一电流和的差异决定所提供的一调整电流的大小。

5.根据权利要求1所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该恒定导通时间电路包含：

一电容；

一电流源，提供一恒定充电电流对该电容充电；以及

一脉宽控制器，根据该反馈控制信号决定该充电电流对该电容充电及该导通时间信号的一起始时间点，并根据一导通时间参考电压及该电容的一电压决定该导通时间信号的一结束时间点，其中该导通时间参考电压是根据该相数信号及该多个转换电路的电流的检测结果所决定。

6.根据权利要求5所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该导通时间参考电压为一恒定基本电压与一调整电压的一电压和，而该调整电压根据对应的转换电路的该电流与该多个转换电路的电流的一平均电流的差异所决定。

7.根据权利要求5所述的具电流平衡的多相电源转换控制器，其特征在于，该导通时间参考电压为一恒定基本电压与一调整电压的电压和，而该调整电压根据对应的转换电路的该电流经功率放大后的放大电流与该多个转换电路的其他转换电路的一电流和的差异所决定。