CN104539155B - 一种具有自均流的多相并联变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自均流的多相并联变换器及其控制方法，通过在输出电压反馈信号上叠加斜坡注入信号，可大大加快反馈环路的响应速率，然后通过基准信号产生电路来调节每相的基准电压信号，可使得各相的输出电流一致，达到了自适应调节均流的效果。本发明的多相并联变换器具有响应快、精度高的有益效果。

Description

一种具有自均流的多相并联变换器及其控制方法
技术领域
本发明设计开关电源领域，更具体地说，涉及一种具有自均流的多相并联变换器及其控制方法。
背景技术
在开关电源技术中，为了减小降压变换器的输出滤波电感的尺寸，通常采用多相并联交错的方法，如图1所示为现有技术中的多相并联降压变换器的一种实现方式。在多相并联的变换器结构中，每一相变换器均有对应的功率开关，每组开关对应一个滤波电感，多相变换器的输出端均连接到一个输出滤波电容上。利用这样的多相并联结构，原来单相变换器所需要提供的电流大小就可以分摊至多相变换器来承担，每相变换器所需要承担的电流就可以大幅度减小。
但这种多相交错并联的变换器至少要满足两个要求：第一是要求每相承担的输出电流相等，使得各相电路控制均衡；第二是每相需要错相导通，即每相功率管导通的时间错开一个固定的相位差，这会使得输出电容上的电压纹波小。
例如，在图1所示的为现有技术的多相并联降压变换器中，输出电压的反馈信号VFB和基准电压VREF经误差放大补偿后，产生电流环的补偿控制信号VC，该补偿控制信号VC和每一相的功率级电路中的续流管的采样电流进行比较以产生导通功率管的信号，功率管的关断则是通过恒定导通时间电路来控制的，通过这种控制方式使得每相的谷值电流相同，进而使得每相输出电流均相等。但由于恒定导通时间的控制方法是一种频率不定的控制方法，所以不会自动实现错相的功能，需借助外加锁相环来实现错相的功能。
图1所示的方法通过多相共用一个电流环的补偿控制信号VC，比较容易实现均流的功能，但受电流环控制方法的限制，这种控制的动态响应不会快，且多相谷值的采样误差，每相比较器的失调电压引起的误差，都会对均流的精度产生影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种自均流的多相并联变换器，通过输出电压纹波控制的方式加快了反馈环路的响应速率，并且通过自均流的方式实现各相的输出电流相等，解决了现有技术中的响应慢和均流精度不高的问题。
依据本发明的一种具有自均流的多相并联变换器，所述多相并联变换器的每一相功率级电路包括有功率管、续流管和电感构成的降压型功率拓扑结构，所述多相并联变换器包括有多相开关控制电路和基准信号产生电路，其中，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，每相开关控制电路包括有加法器、比较器、导通时间控制电路和逻辑电路，
所述加法器接收斜坡注入信号和所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，进行加法处理后以获得反馈电压信号；
所述比较器接收所述反馈电压信号和每相的基准电压信号，产生输出信号；
所述逻辑电路接收所述比较器的输出信号和导通时间控制电路的输出信号以控制所述功率管的开关动作；
其中，每相的基准电压信号由所述基准信号产生电路提供，所述基准信号产生电路根据各相功率级电路的电感电流采样信号调节每相的基准电压信号，以使得各相的输出电流均相等。
进一步的，所述基准信号产生电路包括主通道基准信号产生电路和从通道基准信号产生电路，
所述主通道基准信号产生电路用以产生第一相的基准电压信号；
所述从通道基准信号产生电路用以产生除第一相之外的对应相的基准电压信号。
进一步的，所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器接收所述输出电压反馈信号和参考电压信号，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一相的基准电压信号；
每相从通道基准信号产生电路包括从通道跨导放大器和从通道加法器，所述从通道跨导放大器的第一输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号，第二输入端接收除第一相之外的某相功率级电路中的电感电流采样信号，输出端输出对应相的从通道跨导信号，所述从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和所述第一基准电压信号通过所述从通道加法器相加，相加后的信号作为对应相的基准电压信号。
优选的，所述逻辑电路接收所述比较器的输出信号后产生开关控制信号以控制所述功率管导通，
所述导通时间控制电路在所述功率管导通后开始计时，到达预设的时间值后，输出关断时钟信号，所述逻辑电路接收所述关断时钟信号后产生所述开关控制信号以控制所述功率管关断。
优选的，所述导通时间控制电路包括锁相环电路，所述锁相环电路接收某相的时钟信号，经锁相处理后输出所述关断时钟信号，并且所述关断时钟信号使得对应相的功率级电路的功率管的导通时间为恒定值，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角。
优选的，所述导通时间控制电路接收对应相的时钟信号，以输出所述关断时钟信号，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角。
依据本发明的一种应用于多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器的每一相功率级电路包括由有功率管、续流管和电感构成的降压型功率拓扑结构，包括以下步骤：
接收斜坡注入信号和所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，进行加法处理后以获得反馈电压信号；
接收所述反馈电压信号和每相的基准电压信号，产生输出信号；
接收所述比较器的输出信号和关断时钟信号以控制所述功率管的开关动作；
其中，每相的基准电压信号由所述基准信号产生电路提供，所述基准信号产生电路根据各相功率级电路的电感电流采样信号调节每相的基准电压信号，以使得各相的输出电流均相等。
进一步的，所述每相的基准电压信号产生的步骤具体包括：
利用主通道基准信号产生电路产生第一相的基准电压信号，所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器接收所述输出电压反馈信号和参考电压信号，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一相的基准电压信号；
利用从通道基准信号产生电路产生除第一相之外的其余各相的基准压信号，每相从通道基准信号产生电路包括从通道跨导放大器和从通道加法器，所述从通道跨导放大器的第一输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号，第二输入端接收除第一相之外的某相功率级电路中的电感电流采样信号，输出端输出对应相的从通道跨导信号，所述从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和所述第一基准电压信号通过加法器相加，相加后的信号作为对应相的基准电压信号。
综上所述，依据本发明的一种自均流的多相并联变换器及其控制方法，通过在输出电压反馈信号上叠加斜坡注入信号，可大大加快反馈环路的响应速率，然后通过基准信号产生电路来调节每相的基准电压信号，可使得从通道各相的输出电流与主通道的输出电流保持一致，达到了自适应调节均流的效果。本发明的多相并联变换器具有响应快、精度高的有益效果。
附图说明
图1所示为现有技术的一种多相并联降压变换器；
图2所示为依据本发明的自均流的多相并联变换器的电路框图；
图3所示为依据本发明的自均流的多相并联变换器的具体电路图；
图4所示为依据本发明的基准信号产生电路的一种实施方式；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2所示为依据本发明的自均流的多相并联变换器的电路框图；在本发明实施例中，所述多相并联变换器以三相并联的降压变换器为例，但本领域技术人员可以理解，其多相并联变换器的结构不限于此。图3为进一步的具体电路图；以下结合图2和图3阐述本发明的电路的工作结构和工作原理：
在图3所示的三相并联降压变换器中，设定第一相降压变换器为主通道，第二相降压变换器和第三相降压变换器为从通道，并且第二相和第三相的电路结构与第一相相同。这里以第一相为例阐述本发明实施例的电路结构：第一相包括功率管TG1、续流管BG1和电感L1，其构成一降压型功率拓扑结构，所述降压变换器还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括加法器、比较器、导通时间控制电路和逻辑电路，这里，所述逻辑电路为RS触发器，所述比较器为迟滞比较器。所述加法器接收所述降压变换器的输出电压反馈信号FB和斜坡注入信号Ramp1，以获得第一反馈电压信号，所述比较器的反向输入端接收所述第一反馈电压信号，正向输入端接收第一基准电压信号Ref1，当所述第一反馈电压信号小于所述第一基准电压信号时，所述比较器的输出信号set1为高，所述RS触发器接收所述比较器的输出信号后产生开关控制信号以控制功率管TG1导通。这里，所述开关控制信号经过驱动器驱动后控制功率管TG1导通，然后，所述导通时间控制电路1在功率管TG1导通一定的时间后产生一关断时钟信号TOFF1传输给RS触发器，所述RS触发器接收所述关断时钟信号后产生开关控制信号以控制功率管TG1关断，同时，续流管BG1导通。直至下一次所述比较器的输出信号再次为高开始下一个开关周期，如此反复。
这里，所述的斜坡注入信号可以由现有技术的斜坡产生电路产生，例如，可以产生如图2或图3所示的斜坡注入信号，导通时间控制电路可以为现有技术的计时电路，即从功率管TG1导通时开始计时，当计时到达预设的时间值时，产生所述关断时钟信号，容易理解，上述实施例中所述导通时间控制电路为非定频控制，但其也可以为定频控制方案。
以上是第一相降压变换器的反馈环路，在上述的反馈环路中，通过输出电压纹波控制方法可以使得电路动态响应速度快，比现有技术中的误差补偿技术响应速度大大提高，容易理解，其他两相的反馈环路的电路结构和控制方式均与第一相是相同的，并且，三相共用输出电压反馈信号FB，本发明实施例中三相叠加的斜坡注入信号也相同，但重要的是在本发明实施例中，为了实现自均流的功能，三相的比较器的正向输入端所接收的基准电压信号是不相同的，进一步的，在本发明实施例中，三相的基准电压信号是由基准信号产生电路提供的。
具体的，参考图4所示为依据本发明的基准信号产生电路的一种实施方式，所述基准信号产生电路包括主通道基准信号产生电路和从通道基准信号产生电路，具体的，所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器的负向输入端接收输出电压反馈信号FB，正向输入端接收参考电压信号Vref，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一基准电压信号Ref1；在本实施例中，所述从通道基准信号产生电路进一步包括第二从通道基准信号产生电路和第三从通道基准信号产生电路，所述第二从通道基准信号产生电路包括第二从通道跨导放大器、第二从通道加法器，所述第二从通道跨导放大器的负向输入端接收第二相功率级电路中的电感电流采样信号ISENSE2，正向输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号ISENSE1，输出端输出第二从通道跨导信号，所述第二从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和第一基准电压信号Ref1通过所述第二从通道加法器相加，相加后的信号作为所述第二基准电压信号Ref2；所述第三从通道基准信号产生电路包括第三从通道跨导放大器，所述第三从通道跨导放大器的负向输入端接收第三相功率级电路中的电感电流采样信号ISENSE3，正向输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号ISENSE1，输出端输出第三从通道跨导信号，所述第三从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和第一基准电压信号Ref1通过所述第三从通道加法器相加，相加后的信号作为所述第三基准电压信号Ref3。
结合图2和图4，上述的基准信号产生电路实现自均流的过程为：从上述的电路结构可以看出，由于第一相是主通道，所以第一相的基准电压信号Ref1不需要通过电流的采样信息进行调节，第二相的第二基准电压信号Ref2是受第一相和第二相的感测电流控制调节的，例如当电感电流采样信号ISENSE2大于电感电流采样信号ISENSE1，则第二基准电压信号Ref2会减小，从而使得第二相的输出电流减小，直到电感电流采样信号ISENSE2等于电感电流采样信号ISENSE1为最终的稳定状态，这样可使得第二相的输出电流与第一相的输出电流保持一致；同理，第三相的第三基准电压信号受第一相和第三相的感测电流控制的，直至第三相的输出电流与第一相的输出电流保持一致达到稳定状态。通过上述的基准信号产生电路就实现了自均流的过程，满足了各相并联变换器的输出电流达到一致的要求。
综合上述的电路结构，本发明实施例的多相并联降压变换器通过输出电压纹波控制的方式实现反馈环路的调节控制，可使得电路响应速度很快，另外通过自适应的均流方式，使得多相并联变换器的每相输出电流一致，均流精度高，效果好。
最后需要补充说明的是，由于多相并联降压变换器均对输出端提供电压，为了使输出电容的纹波小，各相的输出信号需要进行错相控制，在本发明实施例中，可通过两种方式进行错相控制，第一种方式为所述导通时间控制电路通过锁相环进行错相控制，例如，锁相环电路接收某相的时钟信号，经锁相处理后输出所述关断时钟信号，并且所述关断时钟信号使得对应相的功率级电路的功率管的导通时间为恒定值，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角；第二种方式为直接通过导通时间控制电路接收错位的时钟信号进行控制，例如导通时间控制电路接收某相的时钟信号，并以时钟信号作为所述关断时钟信号输出，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角。
最后，本发明还公开了一种应用于多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器的每一相功率级电路包括由有功率管、续流管和电感构成的降压型功率拓扑结构，包括以下步骤：
接收斜坡注入信号和所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，进行加法处理后以获得反馈电压信号；
接收所述反馈电压信号和每相的基准电压信号，产生输出信号；
接收所述比较器的输出信号和关断时钟信号以控制所述功率管的开关动作；
其中，每相的基准电压信号由所述基准信号产生电路提供，所述基准信号产生电路根据各相功率级电路的电感电流采样信号调节每相的基准电压信号，以使得各相的输出电流均相等。
进一步的，所述每相的基准电压信号产生的步骤具体包括：
利用主通道基准信号产生电路产生第一相的基准电压信号，所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器接收所述输出电压反馈信号和参考电压信号，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一相的基准电压信号；
利用从通道基准信号产生电路产生除第一相之外的其余各相的基准压信号，每相从通道基准信号产生电路包括从通道跨导放大器和从通道加法器，所述从通道跨导放大器的第一输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号，第二输入端接收除第一相之外的某相功率级电路中的电感电流采样信号，输出端输出对应相的从通道跨导信号，所述从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和所述第一基准电压信号通过加法器相加，相加后的信号作为对应相的基准电压信号。
综上所述，依据本发明的一种自均流的多相并联变换器及其控制方法，通过在输出电压反馈信号上叠加斜坡注入信号，可大大加快反馈环路的响应速率，然后通过基准信号产生电路来调节每相的基准电压信号，可使得从通道各相的输出电流与主通道的输出电流保持一致，达到了自适应调节均流的效果。本发明的多相并联变换器具有响应快、精度高的有益效果。
以上对依据本发明的优选实施例的一种具有自均流的多相并联变换器及其控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种具有自均流的多相并联变换器，所述多相并联变换器的每一相功率级电路包括有功率管、续流管和电感构成的降压型功率拓扑结构，其特征在于，所述多相并联变换器包括有多相开关控制电路和基准信号产生电路，其中，所述多相开关控制电路与所述多相功率级电路一一对应，
所述基准信号产生电路包括主通道基准信号产生电路和从通道基准信号产生电路；
所述主通道基准信号产生电路将所述多相并联变换器的输出电压反馈信号和一参考电压信号之间的误差进行补偿运算的结果作为第一基准电压信号；
所述从通道基准信号产生电路将所述输出电压反馈信号和所述参考电压信号之间的误差进行补偿运算的结果与主变换器的电感电流采样信号和当前从变换器的电感电流采样信号之间的误差进行补偿运算的结果之和作为所述从变换器的基准电压信号；
每相开关控制电路包括有加法器、比较器、导通时间控制电路和逻辑电路，
所述加法器接收斜坡注入信号和所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，进行加法处理后以获得反馈电压信号；
所述比较器接收所述反馈电压信号和对应相的所述从变换器的基准电压信号，产生输出信号；
所述逻辑电路接收所述比较器的输出信号和导通时间控制电路的输出信号以控制所述功率管的开关动作。
2.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，所述基准信号产生电路包括主通道基准信号产生电路和从通道基准信号产生电路，
所述主通道基准信号产生电路用以产生第一相的基准电压信号；
所述从通道基准信号产生电路用以产生除第一相之外的对应相的基准电压信号。
3.根据权利要求2所述的多相并联变换器，其特征在于，
所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器接收所述输出电压反馈信号和参考电压信号，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一相的基准电压信号；
从通道基准信号产生电路包括从通道跨导放大器和从通道加法器，所述从通道跨导放大器的第一输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号，第二输入端接收除第一相之外的某相功率级电路中的电感电流采样信号，输出端输出对应相的从通道跨导信号，所述从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和所述第一基准电压信号通过所述从通道加法器相加，相加后的信号作为对应相的基准电压信号。
4.根据权利要求1所述的多相并联变换器，其特征在于，所述逻辑电路接收所述比较器的输出信号后产生开关控制信号以控制所述功率管导通，
所述导通时间控制电路在所述功率管导通后开始计时，到达预设的时间值后，输出关断时钟信号，所述逻辑电路接收所述关断时钟信号后产生所述开关控制信号以控制所述功率管关断。
5.根据权利要求4所述的多相并联变换器，其特征在于，所述导通时间控制电路包括锁相环电路，所述锁相环电路接收某相的时钟信号，经锁相处理后输出所述关断时钟信号，并且所述关断时钟信号使得对应相的功率级电路的功率管的导通时间为恒定值，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角。
6.根据权利要求4所述的多相并联变换器，其特征在于，所述导通时间控制电路接收对应相的时钟信号，以输出所述关断时钟信号，其中，各相的时钟信号相差预定的相位角。
7.一种应用于多相并联变换器的控制方法，所述多相并联变换器的每一相功率级电路包括由功率管、续流管和电感构成的降压型功率拓扑结构，其特征在于，包括以下步骤：
将所述多相并联变换器的输出电压反馈信号和一参考电压信号之间的误差进行补偿运算以产生第一基准电压信号；
将所述输出电压反馈信号和所述参考电压信号之间的误差进行补偿运算的结果与主变换器的电感电流采样信号和当前从变换器的电感电流采样信号之间的误差进行补偿运算的结果相加以产生所述从变换器的基准电压信号；
接收斜坡注入信号和所述多相并联变换器的输出电压反馈信号，进行加法处理后以获得反馈电压信号；
接收所述反馈电压信号和对应相的所述从变换器的基准电压信号，并进行比较后,产生输出信号；
接收所述输出信号和导通时间控制电路的输出信号以控制所述功率管的开关动作。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，每相的基准电压信号产生的步骤具体包括：
利用主通道基准信号产生电路产生第一相的基准电压信号，所述主通道基准信号产生电路包括主通道跨导放大器，所述主通道跨导放大器接收所述输出电压反馈信号和参考电压信号，输出端输出主通道跨导信号，所述主通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号作为所述第一相的基准电压信号；
利用从通道基准信号产生电路产生除第一相之外的其余各相的基准压信号，每相从通道基准信号产生电路包括从通道跨导放大器和从通道加法器，所述从通道跨导放大器的第一输入端接收第一相功率级电路中的电感电流采样信号，第二输入端接收除第一相之外的某相功率级电路中的电感电流采样信号，输出端输出对应相的从通道跨导信号，所述从通道跨导信号经过补偿电路补偿后的信号和所述第一基准电压信号通过加法器相加，相加后的信号作为对应相的基准电压信号。
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