CN105896980A - 恒定导通时间控制的直流-直流变换器以及多相电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相功率电源，该功率电源包括多个COT控制的直流‑直流变换芯片，每一个COT控制的直流‑直流变换芯片为多相功率电源提供一相电路的输出电压。COT控制的直流‑直流变换芯片交错并联连接，并依次导通。其中一个COT控制的直流‑直流变换芯片在其管脚TAKE接收一个控制信号，用于导通其内部的输出开关，并在其管脚PASS输出另一个控制信号。其余COT控制的直流‑直流变换芯片将根据接收到的来自先前COT控制的直流‑直流变换芯片输出的控制信号导通各自内部输出开关。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路，更具体地说，本发明涉及但不仅限于直流-直流变换器和功率电源。
背景技术
直流-直流电压变换器常用于将一个输入电压变换为输出电压，当直流-直流电压变换器为BOOST拓扑结构时，输出电压高于输入电压；当该直流-直流电压变换器为BUCK拓扑结构时，输出电压低于输入电压。多个直流-直流变换器可以组成一个多相功率电源，每一个直流-直流变换器在不同的相电路提供输出电压。通常，需要一个专用的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制器同步该多个直流-直流变换器并产生一个交错并联的输出电压。但是，一个专用的控制器将增加多相功率电源的成本和复杂度。
因此，需要提出一种更简单、高效的直流-直流变换器和功率电源。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种多相功率电源，该多相功率电源包括：第一恒定导通时间(Constant On Time，COT)控制直流-直流变换集成电路(IC)，连接在多相功率电源的第一相电路；第一COT控制直流-直流变换IC具有第一管脚和第二管脚；第一COT控制直流-直流变换IC通过导通其内部的输出开关，将其接收的输入电压转换为多相功率电源的输出电压；并在其第二管脚产生第一指示信号；第二COT控制直流-直流变换IC，连接在多相功率电源的第二相电路；第二COT控制直流-直流变换IC具有第一管脚，耦接至第一COT控制直流-直流变换IC的第二管脚；当第二COT控制直流-直流变换IC的第一管脚接收到第一指示信号后，所述第二COT控制直流-直流变换IC导通其内部的输出开关，并将其接收的输入电压转换为多相功率电源的输出电压。
本发明进一步提供了一种COT控制的直流-直流变换IC，该COT控制的直流-直流变换IC包括：输出开关；第一管脚，接收第一控制信号；脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路，用于产生PWM信号，其中PWM信号与第一控制信号同步控制输出开关的导通和关断切换，PWM信号用于控制输出开关固定时间内导通；第二管脚；以及交错电路，用于当PWM信号控制输出开关导通时产生第二控制信号，并在第二管脚输出。
本发明进一步提供了一个多相功率电源，该多相功率电源包括：第一COT控制直流-直流变换IC，用于在多相功率电源的第一相电路产生多相功率电源的输出电压；并在其第一管脚产生第一控制信号；第二COT控制直流-直流变换IC，用于在多相功率电源的第二相电路产生多相功率电源的输出电压，其中，第二COT控制直流-直流变换IC在其第一管脚接收第一控制信号，并根据该第一控制信号同步控制其内部的一输出开关在固定时间内导通。
附图说明
附图作为说明书的一部分，对本发明实施例进行说明，并与实施例一起对本发明的原理进行解释。为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述。
图1所示为根据本发明一个实施例的多相功率电源100的电路示意图。
图2所示为根据本发明一个实施例的变换器101的电路原理图。
图3所示为根据本发明一实施例的变换器101中斜坡补偿相关的电路。
图4所示为根据本发明一个实施例图3所示电路的时序图。
图5所示为根据本发明一实施例的变换器101中多相交错初始化电路200的电路原理图。
图6所示为根据本发明一实施例的变换器101中多相交错逻辑电路250的电路原理图。
图7所示为根据本发明一个实施例的图1所示功率电源100的工作时序图。
图8所示为根据本发明一实施例的变换器101中涉及电流平衡的电路原理图。
图9所示为具有六相变换器101的功率电源在没有电流平衡电路时的工作波形图。
图10所示为根据本发明一个实施例的具有六相变换器101的功率电源具有电流平衡电路时的工作波形图。
图11所示为根据本发明一个实施例的单相变换器101的示意图。
图12所示为在变换器101启动时，其输出电感电流和输出电压的波形图。
图13示出了输出电感电流和输出电压在600微秒附近的波形放大图。
图14示出了输出电感电流和输出电压在700微秒附近的波形放大图。
图15所示为根据本发明一个实施例的多相功率电源500电路原理图。
图16所示为具有六相变换器101的多相功率电源500启动时，其输出电感电流和输出电压的波形图。
图17示出了输出电感电流和输出电压在500微秒附近的波形放大图。
图18示出了输出电感电流和输出电压在650微秒附近的波形放大图。
图19所示为根据本发明一实施例的变换器101中选择电路600的电路原理图。
图20所示为根据本发明一个实施例的一个多相功率电源700的电路原理图。
图21所示为根据本发明一个实施例的一变换器701的原理图。
图22所示为根据本发明一个实施例的一个多相功率电源800的原理图。
图23所示为根据本发明一个实施例的一个变换器801的电路原理图。
图24所示为根据本发明一实施例的主变换器产生置位信号SET的电路原理图。
图25所示为根据本发明一实施例的图22中多相功率电源800中各相变换器801的同步原理。
图26示出了根据本发明一个实施例的一个具有四相变换器的多相功率电源800的仿真波形。
具体实施方式
下面将根据多个实施例具体描述本申请的发明内容。虽然申请人详细列举了本发明的多个实施例，然而这并非用于限定本发明的范围。相反地，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化。因此，本申请所限定的范围应当以本申请的权利要求书所界定的范围为准，包括所有本申请相关的可替换实施例、修改实施例以及等同实施例等。此外，在本申请接下来具体的描述中，为了能更清晰明确的理解本发明的内容，申请人描述了大量细节。但是，对于本领域一般技术人员来讲，没有这些大量细节的描述，本申请公开的实施例依然能够施行。在另外的一些实施例中，为了不模糊本申请实施例的重要内容，一些总所周知的电路、材料以及方法均没有描述。
图1所示为根据本发明一个实施例的多相功率电源100的电路示意图。在图1所示实施例中，功率电源100包括多个恒定导通时间(Constant On Time，COT)控制的直流-直流变换集成电路(Integrated Circuits，IC)101，在图1所示实施例中，多个COT直流-直流变换IC 101被分别示意为101-1、101-2、…、101-n。在一个实施例中，每一个COT直流-直流变换IC 101包括恒定导通时间控制的BUCK变换器。当然，本领域一般技术人员需要明白，COT直流-直流变换器IC 101也可以包括一个恒定导通时间控制的BOOST变换器。在一个实施例中，COT直流-直流变换IC 101为具有多个管脚的单个芯片。为了便于讨论，接下来的描述中，将用“变换器101”代替“COT直流-直流变换IC 101”。
在图1所示实施例中，功率电源100没有控制器，每一个变换器101各自独立工作。这样设计的最大的优点是：功率电源100可以根据负载需求采用任意数量的相电路进行交错并联，而不受控制器的限制。因此，在更高的负载电流需求场合，功率电源100易于级联更多的变换器101。
在图1所示实施例中，变换器101-1在第一相电路中产生一输出电压，变换器101-2在第二相电路中产生一输出电压，以此类推。功率电源100具有多个交错并联的相电路，其数量和功率电源100包含的变换器101的数量相等。功率电源100在节点105的输出电压VOUT为交错并联的多个变换器101的输出电压。在一个实施例中，每一个变换器101内部具有一个恒定导通时间控制的控制环路，因此在一些实施例中，即使没有其他变换器101存在的情况下，每个变换器101均可独立工作。
变换器101包括管脚SW和管脚FB，其中，管脚SW耦接至功率级的输出节点；管脚FB用于接收反馈信号。在该实施例中，接收的反馈信号为一个代表功率电源100的输出电压VOUT的反馈电压信号。在图1所示实施例中，变换器101的功率级输出节点通过相应的输出电感耦接至功率电源100的节点105。更具体地，输出电感L1耦接在变换器101-1的管脚SW和节点105之间；输出电感L2耦接在变换器101-2的管脚SW和节点105之间，其他相电路中的变换器101的管脚SW以此类推。每一相电路的输出电感在节点105处耦接产生功率电源100的输出电压VOUT。反馈网络106用于产生代表功率电源100的输出电压VOUT的反馈电压信号。在图1所示实施例中，反馈网络106包括由电阻器RT和RB构成的分压器。每一个变换器101的管脚FB均耦接至反馈网络106接收一个相同的反馈电压信号。
在一个实施例中，变换器101进一步包括管脚TAKE用于接收指示信号GO，以及管脚PASS用于传输该指示信号GO。在一个实施例中，指示信号GO为一个正脉冲信号。在一个实施例中，只有管脚TAKE接收到指示信号GO后，该相变换器101启动。例如，变换器101需要在管脚TAKE等待一个正脉冲的上升沿到来后才启动工作。当变换器101启动后，其内部的输出开关(例如图2中的晶体管MN3)被导通，用于将一输入电压(例如图2中的VIN)连接至相应的输出电感(例如图2中的电感L8)。通常，该输出开关将与一个续流二极管或一个同步二极管(例如图2中的晶体管MN4)共同作用实现以上功能。输出开关因其将输入电压连接至输出电感因此也被称作“高侧开关”。由于是一个COT控制的直流-直流变换器，因此变换器101的导通时间是一个预设的固定时间。与此同时，变换器101将在管脚PASS处输出指示信号GO。指示信号GO可以为一个由单脉冲发生器(例如图2中的单脉冲发生器252)产生的具有一定脉冲宽度的脉冲信号。顺序连接的下一个变换器101将在该脉冲信号的下降沿到达时刻启动。因此，单脉冲发生器输出的脉冲信号的宽度将是下一个变换器101延时启动的延时时间。在图1所示实施例中，通过前一个变换器101的管脚PASS依次连接至后一个变换器101的管脚TAKE，从而实现多个变换器101的级联。
在功率电源100启动初始赋值的阶段，通过检查变换器101的管脚TAKE处是否具有一定的阻值来决定是否启动该变换器101(即导通变换器101中的输出开关)。在图1所示实施例中，只有当电阻R1连接至管脚TAKE，变换器101-1启动。因此，在功率电源100初始阶段，只有第一相电路中的变换器101-1启动，其他相电路中的变换器(101-1、101-2、…、101-n)只有在管脚TAKE处收到指示信号GO后才启动。
变换器101还包括管脚ISUM用于输出一个检测电流，该检测电流代表流过其输出电感的电流。在图1所示实施例中，每一个变换器101的管脚ISUM连接一起至电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接至地。因此，电阻R2上的电压可表征功率电源100中所有变换器101输出电感电流的和。变换器101将通过输出电感电流和的纹波以及指示信号GO共同用于同步多个变换器101。
图2所示为根据本发明一个实施例的变换器101的电路原理图。在图2中，示出了先前已经描述过的引脚FB，引脚TAKE、引脚SW、引脚ISUM以及引脚PASS。在图2所示实施例中，变换器101进一步包括用于接收输入电压VIN的引脚VIN、连接至地的引脚GND、用于接收误差参考(在图2所示实施例中，该误差参考信号为一个误差参考电压信号)的引脚REF/TRACKING以及用于接收电压采样信号的引脚CS。本领域技术人员可以理解，变换器101可以根据不同的应用场合决定各管脚是否需要。在其他实施例中，变换器101也可以包括比图2实施例少的或多的管脚。
在图2所示实施例中，驱动电路102接收一个控制信号PWM，该控制信号PWM用于控制变换器101中的输出开关MN3(例如一个功率场效应管)的导通和关断切换。驱动电路102将在控制信号PWM指示导通期间导通输出开关MN3，并在控制信号PWM指示关断期间关断输出开关MN3。在图2所示实施例中，因为变换器101为一个恒定导通时间控制的直流-直流变换器，因此控制信号PWM具有固定导通时间。变换器101进一步包括一个与输出开关MN3同步的开关MN4，即，当输出开关MN3导通时，开关MN4关断；当输出开关MN3关断时，开关MN4导通。在图2所示实施例中，开关模块的输出节点连接至管脚SW。因此，当变换器101启动，输出开关MN3导通，引脚VIN处的输入电压VIN将被连接至引脚SW处的输出电感L8的一端。输出电感L8的另一端连接至功率电路的输出端105。
在图2所示实施例中，电流采样电路153从管脚SW采样经输出电感L8流至输出端105的输出电感电流，并相应地在引脚ISUM输出一个检测电流信号IS2，以及在引脚CS输出一个采样电流信号IS1。在一个实施例中，虽然分别在两个不同的引脚提供电流，但是检测电流信号IS2和采样电流信号IS1可以相等。对于多个变换器101，每一个变换器101均包括一个采样引脚CS，分别连接至一个采样电阻。另一方面，每一个变换器101的ISUM引脚耦接至一个共同电阻(例如图1中的R2)。其中，电阻RISUM的值等于采样电阻RCS的值除以变换器101的个数。公式如下：
VCS＝IS1*R and VISUM＝(IS2*n)*(R/n)＝＞VCS＝VISUM
其中，VCS表示引脚CS上的电压、IS1表示引脚CS上的电流、R表示引脚CS上的采样电阻、VISUM表示引脚ISUM上的电压、n表示变换器101的数量、以及IS2表示引脚ISUM上的电流。
变换器101可以作为一个独立的变换器，也可以作为一个多相功率电源中多个变换器中的一个。在多相功率电源中，将由一个专用控制器控制多个变换器101。在一个实施例中，也可以采用一个通用的微处理器取代专用控制器控制该多个变换器101。在一个微处理器控制的功率电源中，每一个变换器101包括一个状态指示电路103用于产生各指示信号，例如，功率状态PGOOD用于指示输出电压VOUT是否位于一个可调节的范围内；错误指示信号xFAULT用于指示是否存在一个错误(例如，输出开关MN3是否短路)；温度信号VTEMP用于指示温度(例如，指示集成电路芯片的温度)或报告一个过温状态；以及其他状态指示信号。这些指示信号可以由集成在变换器101的内部的传统电路产生，并被送至微处理器用于控制变换器101。变换器101中的其他部件将从图3开始进一步描述。
图3所示为根据本发明一实施例的变换器101中斜坡补偿相关的电路。总的来说，斜坡补偿电路涉及对斜坡电压的补偿，用于决定输出开关MN3固定导通时间的起始时刻。如图3所示，变换器101包含电流采样电路153、斜波发生器151、比较器154、锁存器152、放大器GM1以及恒定导通时间产生器155。以上所述的这些模块同样被示意在图2中。
如图3所示，管脚FB接收一个代表功率电源100的输出电压VOUT的反馈电压信号FB，该反馈电压信号FB是由包含分压电阻RT和RB的反馈网络产生的。管脚REF/TRACK接收误差参考电压信号REF，用于设定功率电源100的输出电压VOUT的大小。一个外部电路(例如一个微处理器或分立器件组成的电路将耦接管脚REF/TRACK)用于产生该误差参考电压信号REF进而设定功率电源100的输出电压VOUT的大小。在其他一些实施例中，误差参考电压信号REF也可以由集成在变换器101内部的电路产生。当多个变换器101的管脚REF/TRACK耦接，则误差参考电压信号REF将由多个管脚REF/TRACK上的最高电压决定。
放大器GM1比较反馈电压信号FB和误差参考电压信号REF并输出一个补偿信号，在图3所示实施例中，该补偿信号为一个补偿电压信号COMP。应当理解，由于每一个变换器101均在管脚ISUM、管脚FB以及管脚REF/TRACK接收相同的信号，所以每个变换器101都具有相同的补偿电压信号COMP。
电流采样电路153提供一个代表输出电感电流的检测电流信号，该检测电流信号流过电阻R2产生一个直流电压信号。斜波发生器151将管脚ISUM上的直流电压变换为一个交流斜波电压信号RAMP。比较器154将斜波电压信号RAMP与反馈电压信号FB的和(RAMP+FB)与补偿电压信号COMP比较。当斜波电压信号RAMP与反馈电压信号FB的和(RAMP+FB)小于补偿信号COMP时，锁存器152被置位(即Q端输出的控制信号PWM＝1)，与此同时，恒定导通时间产生器155中的计时器开始计时。当计时器计时完成后，锁存器152被复位。控制信号PWM用于控制输出开关的导通和关断切换，例如控制图2中的输出开关MN3。在一个实施例中，当控制信号PWM为逻辑高(即PWM＝1)时，输出开关MN3导通；当控制信号PWM为逻辑低(即PWM＝0)时，输出开关MN3关断。因为恒定导通时间产生器155中的计时器具有一个恒定导通时间值，因此当变换器101启动后输出开关MN3将在一个固定时间段内导通。
图4所示为根据本发明一个实施例图3所示电路的时序图。图4示出了反馈电压信号FB、斜波电压信号RAMP、反馈电压信号FB与斜波电压信号RAMP的和(FB+RAMP)、补偿信号COMP以及控制信号PWM。如图4所示，当斜波电压信号RAMP与反馈电压信号FB的和(RAMP+FB)小于补偿信号COMP时，控制信号PWM变为逻辑高，并在一个固定时间段内保持逻辑高状态。
图5所示为根据本发明一实施例的变换器101中多相交错初始化电路200的电路原理图。如图5所示，多相交错初始化电路200包括单触发电路203、延时电路204、锁存器202以及延时电路201。类似地，这些电路模块同样已被示意在图2中。
在一个实施例中，多相交错初始化电路200用于决定在多个相电路中第一个导通的相电路。换句话说，当功率电源100被上电，多相交错初始化电路200用于确定第一个启动的变换器101(导通第一启动变换器101中的输出开关)。其他的变换器101将等待上一个变换器101输出的指示信号GO来决定是否导通。在图5所示实施例中，第一个导通的变换器101的管脚TAKE和管脚VCC之间连接有电阻(例如，图1中的变换器101-1，电阻R1连接在管脚TAKE和管脚VCC之间)。当管脚TAKE和管脚VCC之间连接有电阻的变换器101成为多相功率电源的第一相后，其也可以被称作“第一相变换器101”。
在图5所示实施例中，变换器101内部包含一个节点接收一个“准备信号”RDY，该准备信号RDY来自变换器101内部一个重置电路(未示出)。当变换器101使能且所有电压和电流偏置也都准确无语，准备信号RDY有效(例如准备信号RDY变为逻辑高，即RDY＝1)。当准备信号RDY为逻辑低时(RDY＝0)，锁存器202(在图5所示实施例中，锁存器202为一个D触发器)被重置，因此开关管MP1、MN1以及MN2均被关断。因为第一相变换器101的管脚TAKE和供电电源VCC之间有电阻连接，因此，第一相变换器101的管脚TAKE上的电压为正，而其他相变换器101(管脚TAKE和供电电源VCC之间没有连接电阻)因为其开关MN2关断，因此其管脚TAKE被电阻R5拉低到地电位。当准备信号RDY为逻辑高(RDY＝1)，经过延时电路204的第一延时(Delay 1)后，一个逻辑高状态从D触发器202的输入端D输入并在其输出端Q被锁定。在多相交错并联的功率电源100的多个变换器101中，只有第一相变换器101在其D触发器202的输出端Q锁定一个逻辑高信号，该逻辑高信号通过单触发电路203在一个短时间段内(Oneshot 1)导通开关MN2。因此，管脚TAKE将被短暂拉低后立刻变高，因此D触发器251使能。D触发器251的输出端Q的输出信号RUN也由低变高，使得第一相变换器101第一个启动。在此期间，其他相的变换器101的TAKE管脚保持低电平状态。经过延时电路201产生的第二延时(Delay 2)后，门电路X5和X6通过单触发电路252接收控制信号PWM。在一个实施例中，延时电路201产生的第二延时(Delay 2)长于延时电路204产生的第一延时(Delay 1)和单触发电路203产生的脉冲时间的和(Delay 1+Oneshot 1)。
在其他实施例中，用于确定第一变换器101的电阻也可以连接在管脚TAKE和地之间。在这种情况下，电阻R5的一端将不再连接至管脚TAKE，而是连接至供电电源VCC，D触发器202的D输入端也不再连接至管脚TAKE，而是连接至反相器X1的输出端。
图6所示为根据本发明一实施例的变换器101中多相交错逻辑电路250的电路原理图。如图6所示，多相交错逻辑电路250包括D触发器251、比较器154、锁存器152、单脉冲触发电路252、门电路X5、门电路X6、开关MP1以及开关MN1。类似地，这些电路模块同样已在图2中示出。
在一个实施例中，多相交错逻辑电路模块250用于为每一个变换器101提供一个交错逻辑。在多相功率电源100中，变换器101将逐个依次导通。一旦管脚TAKE收到指示信号GO，变换器101启动。在一个实施例中，指示信号GO为一个正脉冲信号，一旦检测到该正脉冲信号的上升沿，变换器101启动。每一相变换器101将管脚TAKE收到的正脉冲信号传送至其管脚PASS，而其管脚PASS连接至下一相变换器101的管脚TAKE，依次类推。
当信号RUN为逻辑高(RUN＝1)，锁存器152将被置位，因此控制信号PWM变为逻辑高(PWM＝1)，输出开关MN3被导通。当控制信号PWM变为逻辑高(PWM＝1)时，单脉冲触发电路252将产生一个正脉冲，该正脉冲信号将复位D触发器251，进而使得信号RUN变为逻辑低(RUN＝0)。与此同时，单脉冲触发器252产生的正脉冲信号同时被传送至门电路X5、门电路X6、开关MP1和开关MN1，进而驱动管脚PASS，其中该管脚PASS与下一相变换器101的管脚TAKE连接。紧接着，下一相变换器101的管脚TAKE通过一个反相器X1连接至D触发器251的时钟输入端CK，当上一相单脉冲触发器252产生的正脉冲信号的下降沿时刻来临时，下一相变换器中的信号RUN变为逻辑高(RUN＝1)进而置位锁存器152，导通该相变换器对应的输出开关。其余各相变换器101的工作原理以此类推。
图7所示为根据本发明一个实施例的图1所示功率电源100的工作时序图。在图7所示实施例中，示出了四相交错并联的功率电源100，即：该功率电源100包括4个变换器101。在图7所示实施例中，四相电路中的和信号FB+RAMP以及补偿电压信号COMP相同，其他信号分别用每相电位的数字进行区别。也就是说，信号RUN1表示第一相电路的信号RUN；信号PWM1表示第一相电路中的控制信号PWM；信号PASS1表示第一相电路管脚PASS处的信号；信号TAKE1表示第一相电路管脚TAKE处的信号。类似地，信号RUN2表示第二相电路的信号RUN；信号PWM2表示第二相电路中的控制信号PWM；信号PASS2表示第二相电路管脚PASS处的信号，信号TAKE2表示第二相电路管脚TAKE处的信号。信号PASS1/TAKE2表示第一相电路的管脚PASS处的信号，也即为第二相电路的管脚TAKE处的信号。
图8所示为根据本发明一实施例的变换器101中涉及电流平衡的电路原理图。在图8所示实施例中，将进一步描述图2中已经示意出的电流平衡电路302和恒定导通时间产生器155的原理图。在图8所示实施例中，连接在管脚ISUM处的电阻的阻值为R/n，其中R为连接在管脚CS处的电阻的阻值，n为功率电源100的相位数(例如，当有四个变换器101时，n等于4)。
在图8所示实施例中，电流平衡电路302调制导通时间，直到管脚CS的电压VCS和管脚ISUM的电压VISUM相等。管脚CS上的电压VCS代表变换器101的输出电感电流。ISUM管脚上的电压VISUM代表功率电源100中每一相变换器101输出电感电流的和。电流平衡电路302包括放大器Gm和一个将电压变换为电流的电压电流变换器(V to I)。一旦管脚CS上的电压VCS和管脚ISUM上的电压VISUM存在一定的差值，电流平衡电路302将产生一个电流信号ICOMP，并将该电流信号ICOMP送至恒定导通时间产生器155。恒定导通时间产生器155将其用于产生导通时间的斜波电流信号与电流信号ICOMP相加或相减后产生一个最终的充电电流信号。例如，当电压信号VCS大于电压信号VISUM，电流平衡电路302将减小恒定导通时间产生器155的充电电流进而减小变换器101的固定导通时间。一旦固定导通时间减小，输出电感电流降低，电压信号VCS降低。电流平衡电路302将不停地进行反馈矫正，直到电压信号VCS等于电压信号VISUM。
图9所示为具有六相变换器101的功率电源在没有电流平衡电路时的工作波形图。如图9所示，在没有电流平衡电路的情况下，每一相变换器101的输出电感电流具有一定差异。图10所示为根据本发明一个实施例的具有六相变换器101的功率电源具有电流平衡电路时的工作波形图。如图10所示，电流平衡电路调整每一相电路的输出电感电流的大小基本保持一致。
图11所示为根据本发明一个实施例的单相变换器101的示意图。在图11所示的实施例中，变换器101用于将一个输入电压VIN转换为一个输出电压VOUT。在图11所示实施例中，变换器101包括管脚EN接收一个使能信号ENABLE用于使能或不使能变换器101、管脚REF/TRACK接收一个误差参考信号REF/TRACK用于设定变换器101的调节电压、管脚PGOOD接收一个功率状态信号PGOOD、管脚xFLT接收错误指示信号xFAULT以及管脚VTEMP接收温度指示信号VTEMP。管脚ISUM输出的检测电流将作为一个检测电流信号IMON用于指示外部电路中的输出电感电流(例如图11中流过电感L的电流)。在图11所示实施例中，变换器101还包括电源管脚IN和接地管脚GND。
图12-14所示为根据本发明一个实施例的单相变换器101的工作波形图。图12所示为在变换器101启动时，其输出电感电流(位于图12的上方的波形)和输出电压VOUT(位于图12的下方的波形)的波形图。在图12所示实施例中，在600微秒时刻，系统增加了一个10A的负载，并在700微秒时刻将该10A负载移除。图13示出了输出电感电流和输出电压VOUT在600微秒附近的波形放大图。图14示出了输出电感电流和输出电压VOUT在700微秒附近的波形放大图。
图15所示为根据本发明一个实施例的多相功率电源500电路原理图。多相功率电源500包括多个变换器101(101-1、101-2、…、101-n)，每一个变换器101作为多相功率电源500的一相。该多个变换器通过将前一个变换器101的管脚PASS耦接后一个变换器101的管脚TAKE，进而依次导通。
在图15所示实施例中，变换器101将配合一般微处理器501共同工作。微处理器501可以为任何合适的商用可行的微处理器或其他具有集成数字或模拟输出或输入管脚、可配固件、数据采集和处理系统的单芯片微处理器。这里所指的一般微处理器501是指该微处理器并非特别为变换器101而设计，其包括通用的微处理器元件，例如处理器和寄存器。
在图15所示实施例中，微处理器501通过输出一个使能信号ENABLE至每一相变换器101的管脚EN来控制每一相变换器101的使能或不使能。同时，微处理器501还输出一个误差参考信号REF至每一相变换器101的REF/TRACK管脚。微处理器501接收每一相变换器101输出的功率状态PGOOD、错误信号xFAULT以及温度信号VTEMP以及电流检测信号IMON。微处理器501基于接收的这些状态信号控制多个变换器101。例如，一旦其中一相变换器101的错误信号xFAULT指示出现错误，微处理器501将每一相变换器101关闭不使能。
在一些实施例中，变换器101进一步包括管脚STANDBY(参见图19)接收一个备用信号STANDBY，用于当系统不需要该相变换器时对该相变化器进行备用，例如在一个休眠状态下，对部分相的变换器101进行备用。在这些实施例中，例如在轻载状态下，微处理器501输出单独的备用信号STANDBY至各相变换器101用于选择哪一相变换器作为备用。
图16-18所示为根据本发明一个实施例的多相功率电源500的工作波形图。图16所示为具有六相变换器101的多相功率电源500启动时，其输出电感电流(位于图16的上方的波形)和输出电压VOUT(位于图16的下方的波形)的波形图。在图16所示实施例中，在500微秒时刻，系统增加了一个90A的负载，并在650微秒时刻将该90A负载移除。图17示出了输出电感电流和输出电压VOUT在500微秒附近的波形放大图。图18示出了输出电感电流和输出电压VOUT在650微秒附近的波形放大图。
图19所示为根据本发明一实施例的变换器101中选择电路600的电路原理图。在图19所示实施例中，变换器101可以根据不同应用场合选择休眠模式、冗余模式或其他工作模式。选择电路600在工作过程中将根据系统需要选定或移除某相变换器101。
在图19所示实施例中，变换器101进一步包含管脚STANDBY接收备用信号STANDBY。当备用信号STANDBY有效时(例如备用信号STANDBY为逻辑高时)，变换器101被强行进入备用模式。备用信号STANDBY由外部电路产生，例如，当功率电源被检测到进入轻载状态，微处理器(如图15中的微处理器501)或者由分立元件搭建而成的外部电路将产生备用信号STANDBY。
将部分相的变换器101备用可以提高功率电源在轻载状态下的效率。在图19所示实施例中，选择电路600用以实现该相变换器101的备用功能。选择电路600包括门电路X9、反相器X10、门电路X11、门电路X12以及门电路X13。在轻载状态下，一旦功率电源进入休眠模式，一个或多个变换器101将被强行进入备用状态，其余的变换器101重新组建新的交错并联工作模式。在图19所示实施例中，当管脚STANDBY为逻辑高时，锁存器152被复位，控制信号PWM一直处于逻辑低状态，因此该相变换器101对应的输出开关将不会被导通，该相变换器101处于备用状态。一旦变换器101处于备用状态，指示信号GO从管脚TAKE通过选择电路600传递至管脚PASS，下一相变换器101按顺序导通。图19所示实施例中其他组件在先前的附图中已经描述，这里不再累述。
选择电路600同样可以实现变换器101的冗余管理。例如在一些临界工作模式下，多个变换器101将并联连接。因此，一旦其中一个出现错误，另一个与之并联的变换器101将被接入系统用于替换出错的变换器101。在图19所示实施例中，通过在门电路X9的输入端601接收一个错误状态信号实现冗余管理。例如，当变换器101发生错误(FAULT＝1)，输入端601的错误状态信号复位锁存器152，使得控制信号PWM一直处于逻辑低状态。指示信号GO将通过选择电路600从管脚TAKE传递至管脚PASS，使得下一相变换器101按顺序导通。
在一些特殊的场合，由于恒定导通时间控制的直流-直流变换芯片之间的不匹配，多相功率电源的交错并联的准确性将受到影响。例如，图1所示的多相功率电源100中，变换器101具有不同的参数(如主要的几个比较器具有不同的输入偏置电压，放大器具有不同的跨导函数等等)，当变换器101之间不匹配因数太大，这些不同的参数将导致各相变换器101在交错并联时相与相之间误差的出现。
图20所示为根据本发明一个实施例的一个多相功率电源700的电路原理图。与图1所示多相功率电源100相比，图20中所示的多相功率电源700用COT控制的直流-直流变换芯片701(701-1，701-2，…，701-n)替换了变换器101。
在一个实施例中，一个COT控制的直流-直流变换芯片701(以下简称变换器701)和变换器101的功能基本一样，除了变换器701增加了交错同步的功能。具体地，变换器701进一步包含管脚SET用于传送和接收置位信号SET使得各相变换器交错同步。简要地说，第一相变换器701-1(即第一个上电的变换器)作为主变换器，在管脚SET产生置位信号SET。在一个实施例中，第一相变换器701-1作为主变换器产生置位信号SET，其他变换器(701-2，…，701-n)作为从变换器接收置位信号SET。
在图20所示的实施例中，主变换器701-1产生的置位信号SET为一组信号，包括N个，其中N的值与变换器701的个数相对应。当各从变换器(701-2，…，701-n)的管脚TAKE接收到一个指示信号GO后，各从变换器(701-2，...，701-n)在管脚SET处同步接收各自的置位信号SET。变化器701依次导通，并根据置位信号SET和指示信号GO实现交错同步。在启动过程中，各从变换器(701-2，…，701-n)的比较模块不使能。
图21所示为根据本发明一个实施例的一变换器701的原理图。变换器701除增加交错同步电路710外，其余各模块与变换器101基本相同，其中，交错同步电路710用于补偿多个变换器701之间可能存在的不匹配的问题。
在图21所示实施例中，变换器701包括一个交错同步电路710。对于一个主变换器701(例如图20中的变换器701-1)，其包括放大器Gm1、比较器154、智能单脉冲触发器703以及缓冲器X34。主变换器701将在内部产生N相脉冲型置位信号SET，其中N-1相脉冲置位信号SET用于触发多相功率电源中的N-1相从变换器(例如图20中的变换器701-2，…，701-n)。在图21所示实施例中，斜波信号发生器151用于产生一个N*fs的频率，其中fs为多相功率变换器的相限切换频率。在一个实施例中，当系统处于稳态时，智能单脉冲发生器703为一个传统的单脉冲发生器；当比较器154的输出信号一直保持逻辑高的负载跳变期间，智能单脉冲发生器703将在一个最小关断时间Toffmin后启动，紧接着导通一个时间Toneshot3，然后复位继续保持一个最小关断时间Toffmin，以此重复。这个过程将不断重复，直到比较器154的输出信号逻辑高状态消失。这样，置位信号SET在瞬态期间为一组高频率脉冲信号，有利于提高系统的瞬态响应。
在图21所示的实施例中，智能单脉冲发生器703产生的N相脉冲型置位信号SET中的第一相置位信号将被送至乘法器704的第一输入端，乘法器704的第二输入端接收来自管脚SET处的剩余N-1相脉冲型置位信号SET中一相，乘法器选择输出其中一个输入端的输入信号。在一个实施例中，主变换器701(例如图20中的变换器701-1)中的乘法器704输出脉冲型置位信号SET中的第一相置位信号，从变换器(例如图20中的变换器701-2，…，701-n)中的乘法器704从管脚SET选择接收剩余N-1相脉冲型置位信号SET中的一相置位信号。乘法器将选择好的置位信号送至门电路39使之与D触发器251输出端Q输出的信号RUN同步，从而达到交错并联同步的目的。门电路39的输出信号代表D触发器152的输入信号，D触发器152用于产生控制信号PWM用于控制输出开关。图21中的其他元件在先前已经描述过，这里就不再累述。
图22所示为根据本发明一个实施例的一个多相功率电源800的原理图。与图1所示多相功率电源100相比，图22中所示的多相功率电源800用COT控制的直流-直流变换芯片801(801-1，801-2，…，801-n)替换了变换器101。
在图22所示实施例中，COT控制的直流-直流变换芯片801(下面简称变换器801)进一步包含一个管脚PH用于设定多相功率电源各变换器801的顺序。在一个实施例中，通过在每一相变换器801的管脚PH与地之间连接具有不同阻值的电阻Rph设定各相变换器801的导通顺序。在一个实施例中，各相变换器801的管脚PH处的电压最高者为主变换器，其余为从变换器。可以理解的是，这样的设置有利于多相功率电源800在需要更大电流的应用场合，通过简单地增加变换器801，并设置其管脚PH处的电压就可实现有序的级联。
在图22所示实施例中，变换器801-1被设置为主变换器。在一个实施例中，变换器801-1在管脚FB接收一个反馈信号，其中该反馈信号代表多相功率电源800在节点105处的输出电压VOUT。变换器801-1基于其内部产生的置位信号SET和反馈信号产生控制信号PWM，并连续产生N-1个脉冲型置位信号送至其他N-1相从变换器(801-2，…，801-n)的管脚SET。从变换器(801-2，…，801-n)基于收到的脉冲型置位信号在内部产生控制信号控制对应的内部开关。在图22所示实施例中，从变换器(801-2，…，801-n)不需要接收反馈信号。因此，仅需要将变换器801-1的管脚FB耦接至由电阻RT和RB产生的反馈网络，接收反馈信号。从变换器(801-2，…，801-n)的管脚FB空置。
图23所示为根据本发明一个实施例的一个变换器801的电路原理图。在图23所示的实施例中，变换器801包括电流源855用于提供电流至电阻Rph。电阻Rph上的压差信号被送至数模变换器854变换为一个数字信号，该数字信号进一步通过二进制解码器853解码后，其最高有效位将送至D触发器865的输入端D。作为主变换器801，其可通过选取一个阻值最大的电阻Rph来设定，其他从变换器相应地选择较小阻值的电阻Rph来设定。
在图23所示实施例中，数模变换器854的输出还可以用于选定乘法器852的多路输入，进而决定各相变换器的顺序。斜波信号发生器861用于产生一个N*fs的频率，其中fs为多相功率变换器的相限切换频率。状态机851用于产生N个状态，一个状态对应一相电路。因此，数模变换器854的输出可代表各相变换器801的顺序。当变换器801按顺序导通时，乘法器852的输出用于触发单脉冲触发器867。
在一个实施例中，变换器801被设置为主变换器，用于产生置位信号SET。在图23所示实施例中，主变换器801(例如图22中的801-1)的管脚FB接收一个反馈信号FB。放大器862基于反馈信号FB和参考电压信号REF产生一个误差信号COMP。与此同时，反馈信号FB将与斜波信号发生器861产生的斜波信号RAMP相加得到一个和电压信号FB+RAMP。比较器864将和电压信号FB+RAMP和误差信号COMP比较，产生一个泵激电压VPUMP(参见图24)用于触发智能单脉冲发生器866产生置位信号SET。
图24所示为根据本发明一实施例的主变换器产生置位信号SET的电路原理图。图24所示的实施例仅限于主变换器。在一个实施例中，置位信号SET为一组具有固定脉冲宽度(例如，20ns)的脉冲信号。从变换器801在管脚SET接收置位信号SET。在图24所示实施例中，比较器864将和电压信号FB+RAMP与误差信号COMP比较，产生一个泵激电压VPUMP。在图24所示实施例中，一旦和电压信号FB+RAMP小于误差信号COMP，比较器864产生泵激电压VPUMP的上升沿，单脉冲发生器866根据泵激电压VPUMP的上升沿产生具有一定导通时间的脉冲置位信号SET。
在一个实施例中，置位信号SET用于对N相变换器801的同步，并根据每一相变换801的导通顺序设定控制信号PWM。
图25所示为根据本发明一实施例的图22中多相功率电源800中各相变换器801的同步原理。主变换器和从变换器均适合图25所示的原理。
如图25所示，在脉冲置位信号SET的上升沿，每一相变换器801中的状态机851同时改变其状态。基于各相变换器801的导通顺序，每一次乘法器852只会通过一个置位信号SET用于启动一相变换器中的单脉冲触发器867和D触发器152以产生控制信号PWM。再回到图23，输出状态870接收控制信号PWM用于切换输出开关MN3的导通和关断。图26示出了根据本发明一个实施例的一个具有四相变换器的多相功率电源800的仿真波形。
如前所述，为了描述本发明，以上详细列举了本发明的多个实施例，然而这并非用于限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (20)
1.一种多相功率电源，包括：
第一恒定导通时间(Constant On Time，COT)控制直流-直流变换集成电路(IC)，连接在多相功率电源的第一相电路；第一COT控制直流-直流变换IC具有第一管脚和第二管脚；第一COT控制直流-直流变换IC通过导通其内部的输出开关，将其接收的输入电压转换为多相功率电源的输出电压；并在其第二管脚产生第一指示信号；
第二COT控制直流-直流变换IC，连接在多相功率电源的第二相电路；第二COT控制直流-直流变换IC具有第一管脚，耦接至第一COT控制直流-直流变换IC的第二管脚；当第二COT控制直流-直流变换IC的第一管脚接收到第一指示信号后，所述第二COT控制直流-直流变换IC导通其内部的输出开关，并将其接收的输入电压转换为多相功率电源的输出电压。
2.如权利要求1所述的多相功率电源，其中，第一指示信号包括一个脉冲信号；一旦第二COT控制直流-直流变换IC检测到该脉冲信号的上升沿，导通其内部的输出开关。
3.如权利要求1所述的多相功率电源，其中，当第一COT控制直流-直流变换IC的第一管脚接收到第二指示信号，第一COT控制直流-直流变换IC导通其内部的输出开关。
4.如权利要求1所述的多相功率电源，进一步包括连接在第一COT控制直流-直流变换IC第一管脚上的电阻，其中，当检测到所述电阻的一端具有电压值时，第一COT控制直流-直流变换IC导通其内部的输出开关。
5.如权利要求1所述的多相功率电源，其中，当第二COT控制直流-直流变换IC的第三管脚接收一个同步信号时，第二COT控制直流-直流变换IC同步导通其内部的输出开关。
6.如权利要求5所述的多相功率电源，其中，同步信号为一组脉冲信号，其脉冲信号的个数与多相功率电源包括的COT控制直流-直流变换IC个数相同。
7.如权利要求5所述的多相功率电源，其中，第一COT控制直流-直流变换IC的第三管脚与第二COT控制直流-直流变换IC的第三管脚耦接；第一COT控制直流-直流变换IC在其第三管脚输出同步信号。
8.如权利要求7所述的多相功率电源，进一步包括：
第三COT控制直流-直流变换IC，当其第一管脚接收到第一指示信号以及其第三管脚接收到同步信号时，同步导通其内部的输出开关。
9.如权利要求1所述的多相功率电源，进一步包括：
微处理器，用于使能或不使能该多相功率电源中每一个COT控制直流-直流变换IC。
10.如权利要求9所述的多相功率电源，其中，微处理器用于接收来自多相功率电源中每一个COT控制直流-直流变换IC输出的误差状态信号。
11.一种COT控制的直流-直流变换IC，包括：
输出开关；
第一管脚，接收第一控制信号；
脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路，用于产生PWM信号，其中PWM信号与第一控制信号同步控制输出开关的导通和关断切换，PWM信号用于控制输出开关固定时间内导通；
第二管脚；以及
交错电路，用于当PWM信号控制输出开关导通时产生第二控制信号，并在第二管脚输出。
12.如权利要求11所述的COT直流-直流变换IC，进一步包括：
启动电路，检测第一管脚是否具有一个电阻，进而决定在多相功率电源启动过程中第一个导通的COT直流-直流变换IC，其中该多相功率电源包括多个COT直流-直流变换IC。
13.如权利要求11所述的COT直流-直流变换IC，进一步包括：
第三管脚，用于接收第三控制信号，其中，第三控制信号与PWM信号和第一控制信号同步控制输出开关的导通和关断切换。
14.如权利要求11所述的COT直流-直流变换IC，其中，其第二管脚耦接另一个COT直流-直流变换IC的第一管脚；当另一个COT直流-直流变换IC接收到第二控制信号后，导通其内部的输出开关。
15.一个多相功率电源，包括：
第一COT控制直流-直流变换IC，用于在多相功率电源的第一相电路产生多相功率电源的输出电压；并在其第一管脚产生第一控制信号；
第二COT控制直流-直流变换IC，用于在多相功率电源的第二相电路产生多相功率电源的输出电压，其中，第二COT控制直流-直流变换IC在其第一管脚接收第一控制信号，并根据该第一控制信号同步控制其内部的一输出开关在固定时间内导通。
16.如权利要求15所述的多相功率电源，进一步包括：
第三COT控制直流-直流变换IC，用于从第二COT控制直流-直流变换IC的第二管脚接收一个第二控制信号，用于同步控制第三COT控制直流-直流变换IC内部的一输出开关在固定时间内导通。
17.如权利要求15所述的多相功率电源，进一步包括：
第三COT控制直流-直流变换IC，其第一管脚接收第一控制信号，用于同步控制第三COT控制直流-直流变换IC内部的一输出开关在固定时间内导通。
18.如权利要求15所述的多相功率电源，第一COT控制直流-直流变换IC的输出开关和第二COT控制直流-直流变换IC的输出开关的导通顺序是由连接在各自第二管脚的电阻的阻值决定的。
19.如权利要求18所述的多相功率电源，第一COT控制直流-直流变换IC根据其内部产生的第二控制信号，同步控制其内部的输出开关导通，并产生第一控制信号送至第二COT控制直流-直流变换IC。
20.如权利要求15所述的多相功率电源，第二COT控制直流-直流变换IC根据第一COT控制直流-直流变换IC产生的第一控制信号和同时产生的第二控制信号同步控制其输出开关导通。
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