CN104242642A - 带有双相降压转换器的电流平衡电路 - Google Patents
带有双相降压转换器的电流平衡电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，采用一个工作时间产生器进行工作，一方面可以消除若干工作时间产生器之间的相互匹配问题，以实现通道电流的平衡，另一方面该电路设计和系统框架设计较为简单，占据芯片的面积较小，设计成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种带有双相降压转换器的电流平衡电路。
背景技术
多相降压转换器是由多个切换式转换器并联组成，其中每一个单相切换式转换器定义为一个通道。
一方面为了提高瞬态响应和轻载功能，多相降压转换器会采用固定导通时间(Constant—On—Time，简称COT)控制方式，另一方面为了提高带载能力和减少输出电压(VOUT)纹波，均需要进行分相控制，且由于核(Core)电压和负载功耗的降低，目前来说多相降压转换器的应用中主要是采用双相降压转换器。
如图1所示的双相降压系统，该系统具体的包括：双相降压转换器(Dual—Phase—Buck—Converter)、第一相上臂功率管MU1、第一相下臂功率管ML1、第一相输出电感L1、第二相上臂功率管MU2、第二相下臂功率管ML2、第二相输出电感L2以及输出电容COUT；其中第一相上臂功率管MU1、第一相下臂功率管ML1均为相对互补设置，当对MU1施加一高电平时，MU1导通且ML1截止，输出电容COUT充电，当MU1施加一低电平时MU1和ML1均截止，因第一相输出电感L1具有存储电能特性，输出电容COUT继续充电。
对于双相降压转换器来说(将每一单相降压转换器定义为一个通道(Channel))，其功率级部分的功率开关以及电感的互不匹配(主要是寄生电容的不匹配)，会导致两通道的电流不平衡，即各相的热不平衡，电流不平衡会导致功率级器件的寿命和可靠度降低，因此需要电流平衡电路来维持各通道的电流状态。
台湾专利(TW201008122)公开了一种固定工作时间控制多相电源转换器的电流平衡装置及方法，其中涉及到电流平衡装置，其主要原理是：采样各相电感电流并取其平均值，之后计算出各相电感电流与平均电流的差值，并引入固定工作时间产生器调整各相的导通时间，从而平衡各相电感电流，如图2所示；该装置主要包括若干个工作时间产生器，并且需要侦测每一相的电感电流并进一步的计算平均值，一方面，其涉及到若干个工作时间产生器间的相互匹配问题，容易影响到若干通道的电流平衡，另一方面，较多的工作时间产生器的电路设计以及系统框架设计较为复杂，其占据芯片的面积较大且设计成本较高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，以解决现有技术中无法消除若干个工作时间产生器之间的相互匹配问题所导致若干通道的电流不平衡以及电路设计和系统框架设计较为复杂、占据芯片面积较大和设计成本较高的缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，所述电路包括：
控制第一通道和第二通道的逻辑控制单元；
脉宽比较器，将电路的输出电压的反馈电压输入至脉宽比较器的反相输入端，和将预设的基准电压输入至该脉宽比较器的正相输入端，产生脉宽调制信号；
分相电路，接收所述脉宽调制信号并将脉宽调制信号分相撷取的奇数周期用于控制第一通道，偶数周期用于控制第二通道，实现对所述脉宽调制信号的隔相控制；
所述逻辑控制单元，连接所述分相电路，接收隔相后的脉宽调制信号，接收奇数周期驱动第一通道和接收偶数周期驱动第二通道；
电流差值单元，侦测所述第一通道和所述第二通道的电流，计算并保存第一通道和第二通道的电流差值；
工作时间产生器，根据电流差值单元输出的电流差值，用以调节所述第一通道和第二通道的导通时间，以实现电流平衡。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，还包括：
所述第一通道和所述第二通道均通过串联一负载接地。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，所述电流差值单元包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一PMOS管以及第二PMOS管；
所述第二PMOS管对应连接所述第一PMOS管，所述第二NMOS管对应连接所述第一NMOS管，所述第二PMOS管串联所述第二NMOS管，且串联线路一节点处连接所述第三NMOS管以及与所述第三NMOS管对应连接的所述第四NMOS管；
所述第一NMOS管、所述第二NMOS管、所述第三NMOS管、所述第四NMOS管、所述第一PMOS管以及所述第二PMOS管构成一电流镜像结构。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，所述工作时间产生器包括：
电流产生电路，用于输出电流，连接一比较器的正相输入端；
阈值产生电路，输出阈值电压，连接所述比较器的反相输入端；
D触发器，所述D触发器R端连接所述比较器的输出端；
电容，所述电容一端连接所述比较器的正相输入端，另一端接地；
开关，所述开关并联于所述电容。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，断开开关，所述电流产生电路予以所述电容充电，产生一电容电压；闭合开关，所述开关短路所述电容并清零电容的电荷。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，所述电流产生电路采样所述电流差值信号，根据所述电流差值信号调节输出电流以调节第一通道和第二通道的导通时间，实现电流平衡。
较佳的，上述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中，所述阈值产生电路采样所述电流差值信号，根据所述电流差值信号调节输出电压以调节第一通道和第二通道的导通时间，实现电流平衡。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明公开了一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中涉及到脉宽比较器、分相电路、逻辑控制单元、第一通道和第二通道、工作时间产生器以及电流差值单元；电压反馈信号和内部基准电压通过脉宽比较器产生脉宽调制信号，脉宽调制信号通过分相电路实现隔相控制；电流差值单元侦测隔相的导通电流并计算保存电流差值；工作时间产生器采样电流差值信号，并微调导通时间实现电流平衡，本发明技术方案中采用一个工作时间产生器进行工作，一方面可以消除若干工作时间产生器之间的相互匹配问题，以实现通道电流的平衡，另一方面该电路设计和系统框架设计较为简单，占据芯片的面积较小，设计成本较低。
具体附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是现有技术中双相降压转换系统的原理示意图；
图2是现有技术中固定工作时间的电流平衡装置的原理示意图；
图3是本发明实施例中带有双相降压转换器的电流平衡电路的原理示意图；
图4是本发明实施例中电流差值单元的原理示意图；
图5a和图5b是本发明实施例中工作时间产生器的原理示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想是：将电压反馈信号和内部基准电压通过脉宽比较器产生脉宽调制信号，脉宽调制信号通过分相电路实现隔相控制；电流差值单元侦测隔相的电感电流并计算保存电流差值；工作时间产生器采样电流差值信号，并微调导通时间实现电流平衡。
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
如图3所示的带有双相降压转换器的电流平衡电路的原理示意图，其中该电路具体包括：脉宽比较器(CMP)，分相电路(PhaseDivide)，逻辑控制单元(Gate Control Logic)，第一通道和第二通道，工作时间产生器(TON_GEN)以及电流差值单元(△I_GEN)；该逻辑控制单元用于控制第一通道和第二通道。
在本发明的实施例中，将电路的输出电压(VOUT)的一个反馈电压(FB)输入至脉宽比较器的反相输入端，同时首先预设一个的基准电压，并输入至该脉宽比较器的正相输入端；该脉宽比较器用于产生脉宽调制信号。
同时该脉宽比较器与一分相电路进行连接，以达到脉宽调制信号通过该分相电路实现隔相控制，具体为：该分相电路接收脉宽调制信号并将脉宽调制信号分相撷取的奇数周期用于控制第一通道，偶数周期用于控制第二通道，以实现对脉宽调制信号的隔相控制。
该分相电路还连接于上述逻辑控制单元，用于接收脉宽调制信号的奇数周期并驱动第一通道以及脉宽调制信号的偶数周期并驱动第二通道。
在本发明的实施例中，上述电流差值单元均分别连接于该第一通道和第二通道，以侦测该第一通道的电感电流和第二通道的电感电流，同时进行两电感电流的计算并保存第一通道和第二通道的电流差值，如图4所示为实施例中电流差值单元的原理示意图，其中该电流差值单元包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第一PMOS管MP1以及第二PMOS管MP2。
第二PMOS管与第二NMOS管继续串联连接，同时第二PMOS管对应连接该第一PMOS管，第二NMOS管对应连接该第一NMOS管，第二PMOS管与第二NMOS管继续串联线路的一节点处还连接有第三NMOS管以及与该第三NMOS管对应连接的第四NMOS管；其中，上述各MOS管共同组成如图4所示的一电流镜像结构。
对于该电流差值单元的工作原理，在本发明的实施例中，电流差值单元侦测该第一通道的电感电流IL1和第二通道的电感电流IL2，且该电流分别流入第一PMOS管和第一NMOS管，并通过电流镜像分别得到电流IL1’和电流IL2’并根据基尔霍夫定律可以侦测出上述节点处的流出电路为IL3’＝IL1’-IL2’，然后再通过电流镜像得出IL3”，该IL3”即为上述电流差值信号，并保存于该电流差值单元中。
另外，工作时间产生器用于采样上述电流差值信号，并产生第一通道和第二通道的导通时间，同时可以根据该电流差值信号微调第一通道或着第二通道的导通时间以实现电流平衡，例如该工作时间产生器侦测到第一通道的电感电流大于第二通道的电感电流，则需要微调增大第二通道的导通时间，以实现电流平衡。
如图5a所示的为本发明实施例中，工作时间产生器的原理示意图，其中该工作时间产生器包括：电流产生电路(ITON_GEN)，该电流产生电路连接于一比较器的正相输入端；以及阈值产生电路(VTH_GEN)，其连接于该比较器的反相输入端；其中该比较器的正相输入端还连接有与一开关并联连接的电容(CTON)，该电容另一端则接地。
与比较器输出端连接的为一D触发器，具体的D触发器的R端连接该比较器的输出端。
在本发明的实施例中，仅电流产生电路采样上述电流差值信号，且D触发器的响应脉宽调制信号的上跳沿，当开关断开时，上述电流产生电路输出电流(I_TON)予以电容进行充电，并产生一电容电压(VTON)；具体的，电流产生电路采样电流差值信号时，并根据该电流差值信号的大小进行调节电流产生电路输出电流的大小，同时对电容进行充电，当电容电压大于阈值输出电压(VTH_TON)时，比较器输出端产生导通时间信号，并进一步的流入第一通道和第二通道实现对第一通道或者第二通道的导通时间的控制，以实现电流平衡。
在本发明的实施例中，不同的电流差值其所对应微调的输出电流不同，从而微调导通时间进而实现对第一通道或者第二通道的导通时间的控制，以实现电流平衡。
当开关闭合时，开关短路于该电容以实现对该电容电荷的清零，同时因D触发器的R端连接该比较器的输出端以实现对该工作时间产生器的重置功能，进而为下一个周期做准备，从而实现多次微调导通时间以实现电流平衡。
在本发明的另一实施例中，如图5b所示，仅阈值产生电路采样上述电流差值信号，同样可根据电流差值的大小进行微调阈值产生电路的输出电压，从而微调导通时间进而实现对第一通道或者第二通道的导通时间的控制，以实现电流平衡电流平衡，在此不予赘述。
综上所述，本发明公开的一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，其中涉及到脉宽比较器、分相电路、逻辑控制单元、第一通道和第二通道、工作时间产生器以及电流差值单元；电压反馈信号和内部基准电压通过脉宽比较器产生脉宽调制信号，脉宽调制信号通过分相电路实现隔相控制；电流差值单元侦测隔相的导通电流并计算保存电流差值；工作时间产生器采样电流差值信号，并微调导通时间实现电流平衡，本发明技术方案中采用一个工作时间产生器进行工作，一方面可以消除若干工作时间产生器之间的相互匹配问题，以实现通道的电流平衡，另一方面该电路设计和系统框架设计较为简单，占据芯片的面积较小，设计成本较低。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，所述电路包括：
控制第一通道和第二通道的逻辑控制单元；
脉宽比较器，将电路的输出电压的反馈电压输入至脉宽比较器的反相输入端，和将预设的基准电压输入至该脉宽比较器的正相输入端，产生脉宽调制信号；
分相电路，接收所述脉宽调制信号并将脉宽调制信号分相撷取的奇数周期用于控制第一通道，偶数周期用于控制第二通道，实现对所述脉宽调制信号的隔相控制；
所述逻辑控制单元，连接所述分相电路，接收隔相后的脉宽调制信号，接收奇数周期驱动第一通道和接收偶数周期驱动第二通道；
电流差值单元，侦测所述第一通道和所述第二通道的电流，计算并保存第一通道和第二通道的电流差值；
工作时间产生器，根据电流差值单元输出的电流差值，用以调节所述第一通道和第二通道的导通时间，以实现电流平衡。
2.如权利要求1所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，还包括：
所述第一通道和所述第二通道均通过串联一负载接地。
3.如权利要求1所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，所述电流差值单元包括：第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一PMOS管以及第二PMOS管；
所述第二PMOS管对应连接所述第一PMOS管，所述第二NMOS管对应连接所述第一NMOS管，所述第二PMOS管串联所述第二NMOS管，且串联线路一节点处连接所述第三NMOS管以及与所述第三NMOS管对应连接的所述第四NMOS管；
所述第一NMOS管、所述第二NMOS管、所述第三NMOS管、所述第四NMOS管、所述第一PMOS管以及所述第二PMOS管构成一电流镜像结构。
4.如权利要求1所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，所述工作时间产生器包括：
电流产生电路，用于输出电流，连接一比较器的正相输入端；
阈值产生电路，输出阈值电压，连接所述比较器的反相输入端；
D触发器，所述D触发器R端连接所述比较器的输出端；
电容，所述电容一端连接所述比较器的正相输入端，另一端接地；
开关，所述开关并联于所述电容。
5.如权利要求4所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，断开开关，所述电流产生电路予以所述电容充电，产生一电容电压；闭合开关，所述开关短路所述电容并清零电容的电荷。
6.如权利要求4所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，所述电流产生电路采样所述电流差值信号，根据所述电流差值信号调节输出电流以调节第一通道和第二通道的导通时间，实现电流平衡。
7.如权利要求4所述的带有双相降压转换器的电流平衡电路，其特征在于，所述阈值产生电路采样所述电流差值信号，根据所述电流差值信号调节输出电压以调节第一通道和第二通道的导通时间，实现电流平衡。
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