CN106911323B

CN106911323B - 三角波生成系统

Info

Publication number: CN106911323B
Application number: CN201510975561.8A
Authority: CN
Inventors: 肖子剑
Original assignee: Chen Core Technology Co ltd; Datang Semiconductor Design Co Ltd
Current assignee: Chen Core Technology Co ltd; Chenxin Technology Co ltd
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: CN106911323A

Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，公开了一种三角波生成系统。本发明中，三角波生成系统包含电流镜单元、第一比较器、第二比较器、逻辑单元与电容单元；第一比较器用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值；第二比较器用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值；逻辑单元用于根据预设的逻辑规则从各比较器的比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；电流镜单元用于根据控制信号生成电流信号；其中电流信号携带三角波的相位信息；电容单元根据电流信号生成三角波。这样，使得三角波的频率免于受限于运算放大器的带宽，消除了运算放大器带来了时延，进而消除了三角波之间的相位误差。

Description

三角波生成系统

技术领域

本发明涉及电子电路技术，特别涉及一种三角波生成系统。

背景技术

目前，用于控制多相DC-DC转换器(相位个数大于等于3)的三角波，一般使用运算放大器与RC电路产生三角波积分器来生成，但是，该三角波积分器生成的三角波的频率特性与积分器的频率响应有关，当三角波频率需要增大时，相应的运算放大器的带宽也需要增加，然而，运算放大器的带宽限制会引起延时，从而导致产生的三角波彼此之间产生相位误差。

另外，由于运算放大器的offset(偏移)差异化，将导致各相三角波之间的对称性变差。

另外，当多相DC-DC的相位个数上升后，三角波积分器中相应的运算放大器使用个数增加，芯片面积会随之增大，不利于电路集成化。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种三角波生成系统，使得三角波的频率免于受限于运算放大器的带宽，消除了运算放大器带来了时延，进而消除了三角波之间的相位误差。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种三角波生成系统，应用于多相直流DC-DC转换器，所述三角波生成系统包含一个主三角波发生器、N-1个从三角波发生器、检测模块以及控制模块；其中，N大于或者等于3；所述主三角波发生器与所述从三角波发生器的数目等于所述多相直流DC-DC转换器的相位的数目；所述多相直流DC-DC转换器的相位根据三角波发生器的总数目N调整；

主三角波发生器包括：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、逻辑单元以及电容单元；所述比较器与所述逻辑单元连接，所述逻辑单元与所述电流镜单元连接；所述电流镜单元与所述电容单元相连；所述第一比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第二比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；所述逻辑规则包含所述比较结果的优先级信息；所述控制信号包含三角波的相位信息；所述电流镜单元，用于根据所述控制信号生成电流信号；其中，所述电流信号携带三角波的相位信息；所述电容单元，根据所述电流信号生成三角波；

从三角波发生器包括：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、第三比较器、逻辑单元以及电容单元；所述比较器与所述逻辑单元连接，所述逻辑单元与所述电流镜单元连接；所述电流镜单元与所述电容单元相连；所述第一比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第二比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第三比较器，用于比较所述三角波的电压与第一预设三角波的电压、第二预设三角波的电压，并将比较结果输出至所述逻辑单元；其中，所述第一预设三角波的相位超前所述三角波的相位，所述第二预设三角波的相位落后所述三角波的相位；所述逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；所述逻辑规则包含各个比较结果的优先级信息；所述控制信号包含三角波的相位信息；所述电流镜单元，用于根据所述控制信号生成电流信号；其中，所述电流信号携带三角波的相位信息；所述电容单元，根据所述电流信号生成三角波；

所述检测模块，用于检测所述三角波生成系统的运行状态；所述运行状态包含三角波发生器是否发生故障以及三角波发生器的总数目是否增加；

所述控制模块，用于根据所述检测模块的检测结果调整各个三角波发生器的生成的三角波的相位；其中，如果所述检测模块检测到三角波发生器发生故障，则触发所述控制模块将发生故障的三角波发生器短路。

本发明实施方式相对于现有技术而言，由于采用电流镜单元，使得三角波的频率免于受限于运算放大器的带宽，消除了运算放大器带来了时延，进而消除了三角波之间的相位误差。而且，可以根据检测到的三角波生成系统的运行状态，自适应地增减三角波生成系统中的三角波发生器的数目，进而根据系统的运行状态自适应地改变生成的三角波的数目以及相位，使系统具备可扩展性，增加了系统的实用性，而且，可以保证系统的连续工作特性，增加了系统的可靠性。

另外，当所述多相直流DC-DC转换器为四相直流DC-DC转换器时，所述三角波生成系统包含4个三角波发生器：第一三角波发生器、第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器；其中，所述第一三角波发生器为所述主三角波发生器，所述第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器均为所述从三角波发生器；所述第一三角波发生器、所述第二三角波发生器、所述第三三角波发生器与所述第四三角波发生器之间依次串联为闭合回路；所述第一三角波发生器，用于生成第一三角波；其中，第一三角波为预设相位的三角波；所述第二三角波发生器，用于生成第二三角波，并根据所述第一三角波与第三三角波，调整所述第二三角波的相位；其中，所述第二三角波为所述第一三角波的后一相位的三角波；所述第三三角波为所述第二三角波的后一相位的三角波；所述第三三角波发生器，用于生成所述第三三角波，并根据所述第二三角波与第四三角波，调整所述第三三角波的相位；其中，所述第四三角波为所述第三三角波的后一相位的三角波；所述第四三角波发生器，用于生成所述第四三角波，并根据所述第一三角波与第三三角波，调整所述第四三角波的相位；所述第四三角波为所述第一三角波的前一相位的三角波。

另外，所述检测模块用于在检测到所述第一三角波发生器、所述第二三角波发生器、所述第三三角波发生器或所述第四三角波发生器发生故障时，触发所述控制模块；所述控制模块，用于将发生故障的三角波发生器短路，并调整其余的三角波发生器产生的三角波的相位，使所述三角波生成系统保持闭合环路状态。

另外，如果所述检测模块检测到所述第二三角波发生器发生故障，则所述控制模块在所述第一三角波或者所述第三三角波的幅值达到最大值的时刻，将所述第二三角波发生器短路，取消所述第二三角波。这样，可以减小系统动态调整时间。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的三角波生成系统结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的三角波生成系统结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的三角波生成系统结构示意图；

图4是根据本发明第一实施方式的三相对称三角波信号的示意图；

图5是根据本发明第一实施方式中的三角波信号上升过程示意图；

图6是根据本发明第一实施方式中的三角波信号下降过程示意图；

图7是根据本发明第一实施方式中的Master三角波发生器的结构示意图；

图8是根据本发明第一实施方式中的Slave三角波发生器的结构示意图；

图9是根据本发明第一实施方式中的vcharge2信号生成电路的结构示意图；

图10是根据本发明第一实施方式中的vstay2信号生成电路的结构示意图；

图11～12是根据本发明第一实施方式中的三相三角波的启动状态示意图；

图13是根据本发明第一实施方式中的相位个数大于3时三角波的状态正确启动时序示意图；

图14是根据本发明第一实施方式中的5相位三角波的启动状态仿真图；

图15是图14中的5相位三角波之和的仿真图；

图16是图14中的三角波放大后的正确相位差状态的仿真图；

图17(a)～(d)是本发明第一实施方式中的三角波由5相位到4相位变换的动态调整仿真图；

图18(a)～(d)是本发明第一实施方式中的三角波由4相位到5相位变换的动态调整仿真图；

图19是根据本发明第一实施方式中的三角波发生器的改道电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种三角波生成系统，应用于多相直流DC-DC转换器(相位数可以大于或者等于3)，具体结构如图1所示，三角波生成系统包含1个主三角波发生器与N-1个从三角波发生器(第一三角波发生器、第二三角波发生器、......、第N三角波发生器)、检测模块(未示出)以及控制模块(未示出)；其中，Vtri代表相应模块的三角波信号，N为大于或者等于3的自然数。

其中，第一三角波发生器可以是Master三角波发生器(主三角波发生器)，该主三角波发生器可以产生一个任意三角波，其相位不受相邻相位三角波的影响。每一个Slave三角波发生器(从三角波发生器)为了能够自动的生成预设相位差，其三角波需要与其相邻相位三角波进行比较，进而产生控制信号来调整相位。N个三角波发生器的具体连接方式为：每一个Slave三角波发生器向其三角波发生器发送三角波发生器的三角波信号(Vtri)，并接受前一相位与后一相位的三角波信号。如果每一个三角波发生器进行同样的操作，该系统将构成一个闭合环路。

需要说明的是，在实际应用中，第二三角波发生器、......或第N三角波发生器也可以是Master三角波发生器。

三角波发生器的数目等于多相直流DC-DC转换器的相位的数目，多相直流DC-DC转换器的相位根据三角波发生器的数目调整，相邻三角波的相位差为2π/N，比如，第一三角波发生器输出的三角波1的相位可以为0，第二三角波发生器输出的三角波的相位可以为

第N-1三角波发生器输出的三角波的相位可以为

检测模块用于检测三角波生成系统的运行状态；运行状态包含三角波发生器是否发生故障以及三角波发生器的数目是否增加；控制模块用于根据检测模块的检测结果调整三角波发生器的生成的三角波的相位；其中，如果检测模块检测到三角波发生器发生故障，则触发控制模块将发生故障的三角波发生器短路。

这样，可以根据检测到的三角波生成系统的运行状态，自适应地增减三角波生成系统中的三角波发生器的数目，进而根据系统的运行状态自适应地改变生成的三角波的数目以及相位，使系统具备可扩展性，增加了系统的实用性，而且，可以保证系统的连续工作特性，增加了系统的可靠性。

在本实施方式中，当多相直流DC-DC转换器为四相直流DC-DC转换器时，三角波生成系统，具体如图2所示，包含4个三角波发生器：第一三角波发生器、第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器。其中，第一三角波发生器为主三角波发生器，第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器均为从三角波发生器；第一三角波发生器、第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器之间依次串联为闭合回路；第一三角波发生器，用于生成第一三角波(Vtri1)；其中，第一三角波为预设相位的三角波；第二三角波发生器，用于生成第二三角波(Vtri2)，并根据第一三角波与第三三角波(Vtri3)，调整第二三角波的相位；其中，第二三角波为第一三角波的后一相位的三角波；第三三角波为第二三角波的后一相位的三角波；第三三角波发生器，用于生成第三三角波，并根据第二三角波与第四三角波(Vtri4)，调整第三三角波的相位；其中，第四三角波为第三三角波的后一相位的三角波；第四三角波发生器，用于生成第四三角波，并根据第一三角波与第三三角波，调整第四三角波的相位；第四三角波为第一三角波的前一相位的三角波。

检测模块在检测到第一三角波发生器、第二三角波发生器、第三三角波发生器或第四三角波发生器发生故障时，触发控制模块将发生故障的三角波发生器短路，并调整其余的三角波发生器产生的三角波的相位，使三角波生成系统保持闭合环路状态。比如，如果检测模块检测到第二三角波发生器发生故障，则控制模块将第二三角波发生器短路，取消第二三角波，具体如图3所示。具体是，可以在第一三角波或者第三三角波的幅值达到最大值的时刻，将第二三角波发生器短路，取消第二三角波。这样，可以减小系统动态调整时间。

当多相直流DC-DC转换器为三相直流DC-DC转换器时，三角波生成系统包含3个三角波发生器：第一三角波发生器、第二三角波发生器与第三三角波发生器；其中，第一三角波发生器为主三角波发生器，第二三角波发生器与第三三角波发生器均为从三角波发生器；第一三角波发生器、第二三角波发生器与第三三角波发生器之间依次串联为闭合回路；第一三角波发生器，用于生成第一三角波；其中，第一三角波为预设相位的三角波；第二三角波发生器，用于生成第二三角波，并根据第一三角波与第三三角波，调整第二三角波的相位；第二三角波为第一三角波的后一相位的三角波，第三三角波为第一三角波的前一相位的三角波；第三三角波发生器，用于生成第三三角波，并根据第一三角波与第二三角波，调整第三三角波的相位。

在此种情况下，如果检测模块在检测到第四三角波发生器接入三角波生成系统时，触发控制模块；控制模块控制三角波生成系统保持闭合环路状态，调整第一三角波、第二三角波与第三三角波的相位，并控制第四三角波发生器生成第四三角波；如果第四三角波发生器串联在第一三角波发生器与第三三角波发生器之间，则第四三角波的相位位于第一三角波的相位与第三三角波的相位之间。

如果检测模块检测到第四三角波发生器接入第一三角波发生器与第三三角波发生器之间，则控制模块在第一三角波与第二三角波的幅值相等的时刻，或者在第二三角波与所述第三三角波的幅值相等的时刻，启动第四三角波发生器生成第四三角波。这样，可以减小系统动态调整时间。

总之，在系统需要变换支路的时候，可以任意的短路其中的一个三角波发生器(Master三角波发生器除外)，把其相邻的三角波发生器连接起来，使系统始终保持闭合环路状态，由N相位变为N-1相位。在此情况下系统将自动的调整相位差由

变为

反之亦然，在系统需要加入一个三角波发生器的时候，可以在不中断工作状态的前提下，实现相位的自动增加。

为了实现上述的工作状态，下面详细介绍三角波发生器的内部功能与相位调整原理：

图4给出了在稳定状态下的一个三相对称三角波信号的示意图，其中401为交叉点，Vh代表三角波的最高电压值；Vl代表三角波的最低电压值，ΔV为三角波的最高电压值与三角波的最低电压值的差。正确的相邻三角波的相位差为

三角波信号在每次遇到相邻相位的两个三角波交叉时，将发生斜率的改变。当一个相位的三角波信号Vtri的前一个相位三角波(Vtrip)大于Vtri的后一个相位三角波(Vtrin)时，即Vtrip>Vtrin时，Vtri信号将处于上升状态；当Vtrip<Vtrin时，Vtri信号将处于下降状态。在此仅是用三相对称三角波举例，当相位扩展到N个(N大于3)时，依然能够保证三角波信号的电压峰值(三角波的最高电压值)和电压谷值(三角波的最低电压值)，对应着其相邻相位三角波的交叉时刻。应用此特征，可以作为多相三角波的一个稳定状态判据。

为了能够限定三角波的高低阈值(高阈值即三角波的最高电压值，低阈值为三角波的最低电压值)，Vtri信号还必须满足以下两个条件：当Vtri>Vh时，Vtri信号下降；当Vtri<Vl时，Vtri信号上升。

综上所述，系统的稳定性判据可由以下四个条件确定：

(1)Vtrip>Vtrin Vtri信号上升

(2)Vtrip<Vtrin Vtri信号下降

(3)Vtri>Vh Vtri信号下降

(4)Vtri<Vl Vtri信号上升

根据系统的收敛性研究，可以证明：如果每一相位的三角波信号都根据自身状态，向稳定性判据趋近，在若干周期之后，多相位三角波系统将达到具有正确相位差的稳定状态。为了能够满足系统的四个稳定性条件，下面将介绍三角波在非稳定状态时的相位调节过程。

图5给出了在上升过程中，即Vtrip>Vtrin阶段，Vtri信号的相位调整过程，其中，V为电压，t为时间。Vtri(1)信号在上升过程中遇到了三角波的最高电压值Vh，但又没有遇到相邻三角波的交叉状态，所以Vtri(1)信号不能改变为下降状态。但是为了限定其阈值，因此让信号Vtri(1)保持在这个电压阈值水平。在等待过程中，一旦检测到相邻三角波交叉，将令Vtri(1)下降。从而把Vtri(1)的相位落后调整到正确相位状态。另一种情况是相位超前状态，Vtri(2)信号在上升状态中遇到了相邻三角波的交叉时刻，但还没有上升到Vh电压阈值，将即刻让Vtri(2)下降。

图6给出了在下降过程中，即Vtrip<Vtrin阶段，Vtri信号的相位调整过程。法方与上升阶段类似：Vtri(1)在下降过程中遇到了低位阈值Vl，将在此阈值等待，直到遇到下一个相邻三角波的交叉时刻，改变为上升状态。Vtri(2)信号在下降过程中遇到了相邻三角波的交叉时刻，但还没有触及Vl阈值，Vtri(2)信号将立即由下降状态改变为上升状态。

为了实现上述功能，可以使用比较器翻译三角波的相位状态。比如，可以采用第一比较器，输入端输入Vtri与Vh，输出端输出vh_th信号，该vh_th信号携带Vtri与Vh的比较结果信息，其中，如果Vtri>Vh，则vh_th＝1，若Vtri<Vh，则vh_th＝0；采用第二比较器，输入端输入Vtri与Vl，输出端输出vl_th信号，该vl_th信号携带Vtri与Vl的比较结果信息，其中，Vl>Vtri，则vl_th＝1，如果Vl<Vtri，则vl_th＝0；采用第三比较器，输入端输入Vtrip、Vtrin，输出端输出vcrossing(交叉)信号，该vcrossing(交叉)信号携带Vtri的前一相位三角波信号Vtrip与Vtrip的后一相位三角波信号Vtrin的比较结果的信息。其中，若Vtrip>Vtrin，则vcrossing＝1，若Vtrip<Vtrin，则vcrossing＝0。该信号可以给出Vtri信号的上升与下降的判定依据。综上所述，根据vh_th信号与vl_th信号可以判定Vtri信号与高阈值Vh和低阈值Vl的位置关系，根据vcrossing信号可以判定Vtri信号的上升或下降状态。

对上述比较器的输出信号进行逻辑组合，可以达到图5与图6的相位调整目的，具体如表1所示，比较器输出的逻辑组合给出了三角波的运行状态。

表1

其中，Slave三角波发生器输出的三角波在相位调整上以Master三角波发生器输出的三角波为基准。下面，依次介绍由电流镜单元组成的Master三角波发生器与Slave三角波发生器。

图7给出了Master三角波发生器的结构，其中，701为电流镜单元，702为逻辑单元，具体地，可以采用SR触发器(设置-复位触发器)；703为电容单元；comp1为第一比较器，comp2为第二比较器，C1、C2与C3均为电容；且电流镜单元由17个MOS管(M1～M17)组成，startb为start(启动信号)经放大后的信号，vchargeb为vcharge(充放电控制信号)经放大后的信号。所有比较器均与逻辑单元702连接，逻辑单元702与电流镜单元701连接；第一比较器comp1比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至逻辑单元702；第二比较器comp2比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至逻辑单元702；逻辑单元702根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；逻辑规则包含比较结果的优先级信息；其中，vh_th信号与vl_th信号的优先级相同；控制信号包含三角波的相位信息；电流镜单元根据控制信号生成电流信号；其中，电流信号携带三角波的相位信息；电容单元根据电流信号生成三角波。

三角波的产生由电流对电容的充放电实现。输入电流ifreq的大小与电容C1、C2和C3决定了生成的三角波的频率。三个电容分别与三个控制信号(freq_sel(2:0))串联连接，通过改变控制信号的使能关系，可以改变三个电容的并联值，从而改变三角波频率。电流镜单元采用共源共栅结构，即充放电电流的生成采用cascode的电流镜结构，充放电电流按比例复制ifreq电流，使充放电电流大小一致，产生对称的三角波。充放电电流的数值的对称性决定了三角波的对称性。三角波的高低阈值分别由vh与vl信号控制。当三角波信号大于vh阈值时，比如vcharge1＝1(控制信号后的数字代表三角波相对应的支路，比如vcharge1代表Vtri1相对应的第一三角波发生器的控制信号),电流将对电容进行放电；当Vtri1小于vl阈值时，vcharge1＝0，电流将对电容进行充电；start信号(启动信号)控制三角波信号的起始时刻。Start_lev1信号给出了Vtri1的启动电平位置。Master三角波发生器并没有参与相位控制。

图8给出了Slave三角波发生器的结构，其中，801为Slave三角波发生器中电流镜单元，该电流镜单元由4个MOS管(M18～M21)组成共源共栅结构；vcharge为对电容的充放电控制信号，由图9中的电路输出，vchargeb为vcharge经放大后的信号，vstay为三角波的充放电控制信号，由图10中的电路输出。在Slave三角波发生器中，充放电电流复制Master三角波发生器中的电流镜单元的最右边一列的电流镜，且每一个MOS管的偏置电压都分别与Master三角波发生器中的相同，从而达到一个更优化的电流匹配效果。

Slave三角波发生器还包含第三比较器Comp3；第三比较器与逻辑单元连接，用于比较三角波的电压与第一预设三角波的电压、第二预设三角波的电压，并将比较结果输出至逻辑单元；其中，第一预设三角波的相位超前三角波的相位，第二预设三角波的相位落后三角波的相位；在本实施方式中，第一预设三角波可以是前一相位的三角波Vtrip，第二预设三角波可以是后一相位的三角波Vtrin。

图9、10中的三个比较器第一比较器Comp1、第二比较器Comp2与第三比较器Comp3给出Slave三角波发生器生成的三角波与高低阈值和前后相位三角波Vtrip和Vtrin的相对位置关系，其中，901为放大器，902为与门,1001为非门。vcharge2信号与vstay2信号(控制信号后的数字代表三角波相对应的支路，vcharge2信号与vstay2信号对应于第二三角波发生器)将由比较器输出信号的逻辑组合产生，从而控制三角波Vtri2的充放电时刻以及保持状态，以达到相位调整的目的。当vcharge2＝1时,电流将对电容进行放电。当vcharge2＝0时，电流将对电容进行充电。当vstay2＝0时，三角波将处于保持状态。当vstay2＝1时，三角波将处于正常充放电状态。start信号控制三角波信号的起始时刻。Start_lev2信号给出了三角波Vtri2的启动电平位置。具体的电路逻辑实现方法将在下面详述。

其中，表1中的三角波的各种运动状态可以由表2中的开关控制信号所代替：

表2

表2的逻辑变量经卡诺图化简可得表达式：

vh_control信号与vl_control信号互为反信号，因此可由SR触发器合并生成图8-10中的vcharge2信号。vstay信号在与start信号经过与逻辑后生成vstay2信号。三角波频率f_sw可由下式计算：

上述的解决方案，给出了自适应三角波相位调整的理论与电路实现。但是由于电路中使用了比较器来比较相邻相位的三角波，用来确定Vtri信号的上升或下降状态。在系统的启动阶段，为了防止比较器由于输入相等，而带来的输出不确定性，系统需要给出多相三角波一个明确的电压启动位置，这也是在电路中为什么要加入Start_lev电平的原因。

图11、12给出了一个三相三角波的启动状态：纵轴表示了三角波在启动时的电平位置，V+代表高电压阈值，可以为芯片中的最大供电电压；V-代表低电压阈值，可以为芯片中的最低电压；Vref代表三角波的电压平均值。横轴表示了相应的相位，电平位置上的箭头代表了三角波的运行状态。

在图11中，第一个相位和第二个相位的三角波在启动状态时处于Vref电平位置，第三相位三角波位于V+电平位置。根据上述的三角波调整理论，第一相位三角波将上升(处于Vtrip>Vtrin阶段)，第二相位三角波将下降(处于Vtrip<Vtrin阶段)。但是第三相位三角波拥有相同电平位置的相邻三角波，因此其处于不确定状态。为了解决此问题，安排第一三角波、第二三角波与第三三角波的启动电压依次为：三角波的电压平均值、三角波的最高电压值、三角波的最低电压值，具体如图12所示，每一个三角波位于不同的电压启动位置，根据图中的电平位置安排，三个三角波将分别按以下状态启动：下降、保持、上升。

当系统中的相位个数上升时，为了避免产生与相位数目相等的启动电压位置，将始终利用上述的三个电平位置。因此必须提出一种合理的电压启动时序，保证每一相位的三角波都有正确的启动状态，并确保启动状态处于动态调整过程，即有相邻三角波的交叉趋势。

当多相直流DC-DC转换器的相位数目大于3时，第一三角波、第二三角波的启动电压均为三角波的电压平均值，从第三三角波开始，以每4个三角波为重复单元，重复以下启动电压：重复单元中前2个三角波的启动电压为三角波的最高电压值，重复单元中后2个三角波的启动电压为三角波的最低电压值。

图13给出了一种相位个数大于3时的状态正确启动时序。第一相位与第二相位的三角波在启动时位于Vref电平。从第三相位开始，三角波以每四个相位为单位，重复以下启动位置：前两个相位处于V+电压阈值，后两个相位位于V-电压阈值。此启动时序保证了，当相位个数大于3时，每一个相位的三角波都有正确的启动状态，并保证会有相邻三角波的交叉状态。第一个相位的三角波存在两种启动状态，这取决于最后一个相位三角波的电平位置。

图14给出了一个5相位三角波的启动状态仿真图，T0为启动时刻。5个相位的三角波在系统启动前分别处于图13理论上的各电压位置：Vtri1与Vtri2位于Vref电平，Vtri3与Vtri4位于V+电平，Vtri5位于V-电平。系统启动后，Vtri1，Vtri2与Vtri3将下降，Vtri4保持在V+电平，Vtri5将上升。图中的圆圈表明了相邻相位三角波的交叉时刻(Cx,y表示第x相位三角波与第y相位三角波的交叉时刻)，每一次相邻相位三角波的交叉，将改变其中间相位三角波的运行状态。根据电路的逻辑控制，各个相位三角波将不断调整，并被限制在给定的峰峰值之间(此例为1V到4V)。

在20个开关周期调整后，5相三角波达到稳定状态。为了确定系统处于正确的相位差状态，图15给出了三角波信号之和：在稳态下，奇数个三角波的和为一个稳定的三角波输出信号，其频率为三角波频率乘以三角波的个数。偶数个三角波的和在稳态下为一个稳定的直流值。从放大后的正确相位差状态的仿真图(图16)，可以看到：每一个三角波都是在遇到相邻三角波的交叉状态时，改变其斜率。并且改变斜率的时刻恰好为三角波信号遇到高低电压阈值的时刻。仿真得到的相邻三角波的相位差与理论值一致，为

图17与图18展示了本发明的另一个突出优点，可以在系统工作状态时，任意的加入或减去三角波，从而改变相位差及相位个数。在系统调整相位过程中，无论是加入或者减去三角波，其余相位的三角波在变换过程中始终保持连续输出，因此可以保证多相DC-DC系统中产生连续的方波信号，保证能量转换的连续性。由于三角波在动态变换时，稳定过程持续长短与插入或短路节点有关。为了缩短稳定过程，需要在特定的时刻加入或减去三角波信号。

首先，介绍减去一个三角波发生器：当三角波减去第N相位时，使其在第N+1相位三角波达到最高点时取消，或者使其在第N-1相位三角波达到最高点时取消。在此方案下，相邻三角波迅速进入高阈值或低阈值等待状态，保证了三角波的峰峰值，从而缩短了多相三角波的调整过程。

在图17(a)、17(b)、17(c)、17(d)中给出了5相三角波到4相三角波的变换过程；其中。T1为Vtri3减去时刻，T2为第一调整时间。三角波Vtri3为动态调整信号。Vtri3取消时刻位于三角波Vtri2或者Vtri1的最高点；第一调整时间约为2个开关周期。

接着，介绍加入一个三角波发生器。当三角波加入在第N相位时，使其在第N+1相与N+2相三角波交叉时启动，或者使其在第N-1相与N-2相三角波交叉时启动。在此方案下，第N相三角波在调整相位初期，可迅速达到一定的电压阈值，增大了其峰峰值，从而减小了动态调整时间。

在图18(a)、18(b)、18(c)、18(d)中给出了系统由4相三角波到5相三角波的调整过程；其中，T3为Vtri4加入时刻，T4为第二调整时间。三角波Vtri3为动态调整信号，其加入时刻为Vtri4信号与Vtri5信号的交叉时刻，或者Vtri1信号与Vtri2信号的交叉时刻。第二调整时间约为4个开关周期。

调整过程使能信号的实现方法：

由于各个三角波信号的交叉时刻与最高点时刻，均有比较器给出判断信号(vcrossing和vh_th)，因此可使其分别与使能信号En(图19所示)进行逻辑运算，来实现确定时刻的插入节点与短路节点。图19为每一个三角波发生器的改道电路示意图。三角波信号Vtri的发送由一位使能信号En控制。当En＝1时，Vtri信号将发送本三角波发生器的三角波信号到相邻相位的三角波发生器中；当En＝0时，此三角波发生器的三角波信号将在系统中被短路，其相邻三角波发生器将被连接起来。

与现有技术相比，由于采用电流镜单元，使得三角波的频率免于受限于运算放大器的带宽，消除了运算放大器带来了时延，进而消除了三角波之间的相位误差。而且，可以根据检测到的三角波生成系统的运行状态，自适应地增减三角波生成系统中的三角波发生器的数目，进而根据系统的运行状态自适应地改变生成的三角波的数目以及相位，使系统具备可扩展性，增加了系统的实用性，而且，可以保证系统的连续工作特性，增加了系统的可靠性。

本发明第二实施方式涉及一种三角波发生器，具体地为主三角波发生器，如图7所示，包含：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、逻辑单元以及电容单元。

比较器与逻辑单元连接，逻辑单元与电流镜单元连接；电流镜单元与电容单元相连。

第一比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至逻辑单元。

第二比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至逻辑单元。

逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；逻辑规则包含比较结果的优先级信息；控制信号包含三角波的相位信息。

电流镜单元，用于根据控制信号生成电流信号；其中，电流信号携带三角波的相位信息。

电容单元，根据电流信号生成三角波。

在本实施方式中，电流镜单元采用共源共栅结构。

在三角波发生器为主三角波发生器时，三角波发生器仅包含第一比较器、第二比较器，且两个比较器的比较结果的优先级相同。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第三实施方式涉及一种三角波发生器，具体地为从三角波发生器，如图8-10所示，包含：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、第三比较器、逻辑单元以及电容单元。

第三比较器，用于比较三角波的电压与第一预设三角波的电压、第二预设三角波的电压，并将比较结果输出至逻辑单元；其中，第一预设三角波的相位超前三角波的相位，第二预设三角波的相位落后三角波的相位。

逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；逻辑规则包含各个比较结果的优先级信息；控制信号包含三角波的相位信息。

电容单元，根据电流信号生成三角波。

在本实施方式中，电流镜单元采用共源共栅结构。

在三角波发生器为从三角波发生器时，三角波发生器还包含第三比较器，其中，第一比较器、第二比较器的比较结果的优先级相同，均次于第三比较器的比较结果的优先级。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种三角波生成系统，应用于多相直流DC-DC转换器，其特征在于，所述三角波生成系统包含：

一个主三角波发生器，所述主三角波发生器包括：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、逻辑单元以及电容单元；所述比较器与所述逻辑单元连接，所述逻辑单元与所述电流镜单元连接；所述电流镜单元与所述电容单元相连；所述第一比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第二比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；所述逻辑规则包含所述比较结果的优先级信息；所述控制信号包含三角波的相位信息；所述电流镜单元，用于根据所述控制信号生成电流信号；其中，所述电流信号携带三角波的相位信息；所述电容单元，根据所述电流信号生成三角波；

N-1个从三角波发生器，所述从三角波发生器包括：电流镜单元、第一比较器、第二比较器、第三比较器、逻辑单元以及电容单元；所述比较器与所述逻辑单元连接，所述逻辑单元与所述电流镜单元连接；所述电流镜单元与所述电容单元相连；所述第一比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最大阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第二比较器，用于比较三角波的电压与三角波的最低阈值，并将比较结果输出至所述逻辑单元；所述第三比较器，用于比较所述三角波的电压与第一预设三角波的电压、第二预设三角波的电压，并将比较结果输出至所述逻辑单元；其中，所述第一预设三角波的相位超前所述三角波的相位，所述第二预设三角波的相位落后所述三角波的相位；所述逻辑单元，用于根据预设的逻辑规则从接收的各比较结果中选择优先级最高的比较结果，并根据选择的比较结果生成控制信号；所述逻辑规则包含各个比较结果的优先级信息；所述控制信号包含三角波的相位信息；所述电流镜单元，用于根据所述控制信号生成电流信号；其中，所述电流信号携带三角波的相位信息；所述电容单元，根据所述电流信号生成三角波；

检测模块以及控制模块；

其中，N大于或者等于3；所述主三角波发生器与所述从三角波发生器的数目等于所述多相直流DC-DC转换器的相位的数目；所述多相直流DC-DC转换器的相位根据三角波发生器的总数目N调整；

2.根据权利要求1所述的三角波生成系统，其特征在于，当所述多相直流DC-DC转换器为三相直流DC-DC转换器时，所述三角波生成系统包含3个三角波发生器：第一三角波发生器、第二三角波发生器与第三三角波发生器；其中，所述第一三角波发生器为所述主三角波发生器，所述第二三角波发生器与所述第三三角波发生器均为所述从三角波发生器；

所述第一三角波发生器、所述第二三角波发生器与所述第三三角波发生器之间依次串联为闭合回路；

所述第一三角波发生器，用于生成第一三角波；其中，第一三角波为预设相位的三角波；

所述第二三角波发生器，用于生成第二三角波，并根据所述第一三角波与第三三角波，调整所述第二三角波的相位；所述第二三角波为所述第一三角波的后一相位的三角波，所述第三三角波为所述第一三角波的前一相位的三角波；

所述第三三角波发生器，用于生成所述第三三角波，并根据所述第一三角波与第二三角波，调整所述第三三角波的相位。

3.根据权利要求2所述的三角波生成系统，其特征在于，所述检测模块，用于在检测到第四三角波发生器接入所述三角波生成系统时，触发所述控制模块；

所述控制模块，用于控制所述三角波生成系统保持闭合环路状态，调整所述第一三角波、所述第二三角波与所述第三三角波的相位，并控制所述第四三角波发生器生成第四三角波；

如果所述第四三角波发生器串联在所述第一三角波发生器与所述第三三角波发生器之间，则所述第四三角波的相位位于所述第一三角波的相位与所述第三三角波的相位之间。

4.根据权利要求3所述的三角波生成系统，其特征在于，如果所述检测模块检测到所述第四三角波发生器接入所述第一三角波发生器与所述第三三角波发生器之间，则所述控制模块在所述第一三角波与所述第二三角波的幅值相等的时刻，或者在所述第二三角波与所述第三三角波的幅值相等的时刻，启动所述第四三角波发生器生成所述第四三角波。

5.根据权利要求1所述的三角波生成系统，其特征在于，当所述多相直流DC-DC转换器为四相直流DC-DC转换器时，所述三角波生成系统包含4个三角波发生器：第一三角波发生器、第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器；其中，所述第一三角波发生器为所述主三角波发生器，所述第二三角波发生器、第三三角波发生器与第四三角波发生器均为所述从三角波发生器；

所述第一三角波发生器、所述第二三角波发生器、所述第三三角波发生器与所述第四三角波发生器之间依次串联为闭合回路；

所述第二三角波发生器，用于生成第二三角波，并根据所述第一三角波与第三三角波，调整所述第二三角波的相位；其中，所述第二三角波为所述第一三角波的后一相位的三角波；所述第三三角波为所述第二三角波的后一相位的三角波；

所述第三三角波发生器，用于生成所述第三三角波，并根据所述第二三角波与第四三角波，调整所述第三三角波的相位；其中，所述第四三角波为所述第三三角波的后一相位的三角波；

所述第四三角波发生器，用于生成所述第四三角波，并根据所述第一三角波与第三三角波，调整所述第四三角波的相位；所述第四三角波为所述第一三角波的前一相位的三角波。

6.根据权利要求5所述的三角波生成系统，其特征在于，所述检测模块用于在检测到所述第一三角波发生器、所述第二三角波发生器、所述第三三角波发生器或所述第四三角波发生器发生故障时，触发所述控制模块；

所述控制模块，用于将发生故障的三角波发生器短路，并调整其余的三角波发生器产生的三角波的相位，使所述三角波生成系统保持闭合环路状态。

7.根据权利要求6所述的三角波生成系统，其特征在于，如果所述检测模块检测到所述第二三角波发生器发生故障，则所述控制模块在所述第一三角波或者所述第三三角波的幅值达到最大值的时刻，将所述第二三角波发生器短路，取消所述第二三角波。

8.根据权利要求2所述的三角波生成系统，其特征在于，所述第一三角波、所述第二三角波与所述第三三角波的启动电压依次为：三角波的电压平均值、三角波的最高电压值、三角波的最低电压值。

9.根据权利要求2所述的三角波生成系统，其特征在于，当所述多相直流DC-DC转换器的相位数目大于3时，所述第一三角波、所述第二三角波的启动电压均为三角波的电压平均值，从第三三角波开始，以每4个三角波为重复单元，重复以下启动电压：所述重复单元中前2个三角波的启动电压为三角波的最高电压值，所述重复单元中后2个三角波的启动电压为三角波的最低电压值。