CN106992672B - 具有改进的瞬态响应的控制结构 - Google Patents

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Abstract

电源接口装置包括主开关变换器、辅助开关变换器、反馈感测电路、误差放大器、高通滤波器、瞬态检测电路和辅助控制电路。瞬态检测电路配置为接收瞬态信号的高频分量，并当所述瞬态信号的高频分量超出由第一阈值和第二阈值限定的运行窗口范围时输出使能信号，以及当所述瞬态信号的高频分量保持在所述运行窗口范围内时输出非使能信号。辅助控制电路配置为根据所述使能信号激活所述辅助开关变换器，并根据所述非使能信号使所述辅助开关变换器失效。

Description

具有改进的瞬态响应的控制结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月20日提交的、美国临时申请序列号为62/280,897、名称为“具有改进的瞬态响应的控制结构”的优先权的权益；2016年1月20日提交的、美国临时申请序列号为62/280,878、名称为“具有分离的高频和低频路径信号的快速瞬态电源”的优先权的权益；和2016年6月30日提交的、美国申请序列号为15/199693、名称为“具有改进的瞬态响应的控制结构”的优先权的权益，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
供电系统包括电源、负载器件、以及将电源连接到负载器件的电源接口装置。电源可包括电池、电网、太阳能光伏电池、交流(AC)发电机、和/或前端功率变换器的输出。电源接口装置可配置为升高或降低电源的电压，以给负载器件提供合适的电压。电源接口装置可为升压变换器或降压变换器或者任何其它变换器。负载器件可包括电阻性负载、磁性负载、电容性负载、发热器件。在一种实施方式中，该负载器件可例如为低电压但高电流的负载器件，例如，计算机中央处理单元(CPU)。这种类型的负载器件可具有多种负载瞬态工况(transient condition)。
在负载瞬态工况期间，负载器件的电流可在很短的时间内大幅变化。例如，瞬态工况期间，负载器件的电流可在短于一微秒内从0A增加到100A或者从100A减小到0A。这些电流突变能够在负载器件处产生大的电压波动，并能够使输出电压摆动超出负载器件的稳定运行窗口。
为使瞬态变化最小化，在一种实施方式中，供电系统的输出端可添加大功率电容器。该电容器可在瞬态工况期间提供或吸收必要的电流，从而减小负载瞬变引起的电压波动。为此，输出端电容器有助于补充电感器的缓慢上升的电流，以满足负载器件对电流需求的增加。类似地，输出端电容器有助于吸收电流，以满足负载器件的电流的突然降低。然而，电容器昂贵并因此可能会增加系统的成本和尺寸。
在另一实施方式中，变换器可被推动为在较高带宽下运行，以快速地响应负载瞬变。然而，开关式变换器带宽受限于它的开关频率。因此，为推动变换器在较高带宽下运行，该变换器不得不在较高的开关频率下运行。这意味着更多的功率损耗，因为每次开关接通/断开，都具有功率损耗。如此，供电系统还受限于置于电源与负载器件之间的功率变换器的功率损耗。
因此，需要一种供电系统，该供电系统能够对负载器件的瞬态工况提供快速响应，同时能够提高能效并降低成本和尺寸。
发明内容
在一总体方面，本申请描述了一种电源接口装置，该电源接口装置包括：主开关变换器，所述主开关变换器耦合到输入端子和输出端子，并配置为以第一开关频率运行，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子；辅助开关变换器，所述辅助开关变换器耦合到所述输入端子和所述输出端子，并配置为以高于所述第一开关频率的第二开关频率运行，以将所述电流从所述输入端子供应到所述输出端子；反馈感测电路，所述反馈感测电路配置为感测所述输出端子处的输出电压。所述电源接口装置还包括：误差放大器，所述误差放大器配置为接收感测到的输出电压和基准电压，并基于感测到的输出电压和所述基准电压输出瞬态信号；高通滤波器，所述高通滤波器配置为接收所述瞬态信号并输出所述瞬态信号的高频分量。所述电源接口装置还包括瞬态检测电路，所述瞬态检测电路配置为接收所述瞬态信号的高频分量，并当所述瞬态信号的高频分量超出由第一阈值和第二阈值限定的运行窗口时输出使能信号，以及当所述瞬态信号的高频分量保持在运行窗口范围内时输出非使能信号；和辅助控制电路，所述辅助控制电路配置为在瞬态期间根据所述使能信号激活所述辅助开关变换器，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子，并配置为根据所述非使能信号使所述辅助开关变换器失效。
上述总体方面可包括以下特征中的一个或多个。例如，所述瞬态检测电路可包括：第一比较器，所述第一比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第一阈值进行比较，如果所述高频分量低于所述第一阈值则输出第一使能信号；第二比较器，所述第二比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第二阈值进行比较，如果所述高频分量高于所述第二阈值则输出第二使能信号；和逻辑门，所述逻辑门配置为根据接收的所述第一使能信号或者所述第二使能信号输出所述使能信号。
所述第一阈值可低于所述第二阈值。所述第一比较器可配置为，如果所述高频分量高于所述第二阈值则输出第一非使能信号。所述第二比较器可配置为，如果所述高频分量低于所述第二阈值则输出第二非使能信号。所述逻辑门可配置为根据接收的所述第一非使能信号和所述第二非使能信号输出所述非使能信号。
所述辅助控制电路可包括：第三比较器，所述第三比较器配置为将峰值电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并在确定所述感测到的电感器电压对应于所述峰值电压时输出复位信号；第四比较器，所述第四比较器配置为将底部电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并在确定所述感测到的电感器电压对应于所述底部电压时输出设置信号；和第二逻辑电路，所述第二逻辑电路配置为接收所述设置信号、所述复位信号和使能信号，并且作为响应，产生用于驱动辅助开关变换器的脉宽调制信号。
所述脉宽调制信号可包括激活信号和失效信号，所述激活信号可响应于所述使能信号和所述设置信号而产生，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子。所述失效信号可响应于所述使能信号和所述复位信号而产生，以将电流从所述输出端子吸收到接地端子。
所述电源接口装置还可包括：缓冲器，所述缓冲器配置为提供从所述反馈感测电路到所述辅助控制电路的电阻抗变换；低通滤波器，所述低通滤波器配置为输出所述瞬态信号的低频分量；和增益放大器，所述增益放大器配置为接收所述瞬态信号和所述瞬态信号的低频分量，并输出所述瞬态信号的高频分量。所述辅助控制电路可包括电流模式控制电路。所述主开关变换器和所述辅助开关变换器可包括电流模式开关稳压器。
所述主开关变换器和所述辅助开关变换器可包括降压电流模式开关稳压器，所述降压电流模式开关稳压器配置为将所述输入端子的高输入电压转换为低电压，所述低电压为所述输出电压。所述主开关变换器可包括：第一主开关，第二主开关和主电感器。所述第一主开关的一端可耦合至所述输入端子，另一端耦合至主节点。所述第二主开关的一端可耦合至所述主节点，另一端耦合至接地端子。所述主电感器的一端可耦合至所述主节点，另一端耦合至所述输出端子。
辅助开关变换器可包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器。所述第一辅助开关的一端可耦合至所述输入端子，另一端可耦合至辅助节点。所述第二辅助开关的一端可耦合至所述辅助节点，另一端可耦合至所述输入端子。所述辅助电感器的一端可耦合至所述辅助节点，另一端可耦合至所述输出端子。
所述辅助开关变换器可配置为在负载器件处检测到的瞬变的期间提供快速瞬态高频电流，并在所述瞬变之外，提供快速瞬态高频电流以及大体上为零的低频电流。所述瞬变可包括负载电流的突然增加或者突然减少。
第一主开关和第二主开关以及第一辅助开关和第二辅助开关均可包括场效应晶体管(FET)开关。所述反馈感测电路可包括配置为感测所述输出电压并产生反馈电压的多个电阻和电容。误差放大器可配置为接收所述反馈电压和所述基准电压，并当所述反馈电压与所述基准电压大体上彼此不相等时产生瞬态信号。
所述电源接口装置还可包括：低通滤波器，所述低通滤波器配置为接收所述瞬态信号并输出所述瞬态信号的低频分量；和主控制电路，所述主控制电路配置为基于所述瞬态信号的低频分量控制所述主开关变换器。所述主控制电路可包括：主比较器电路，所述主比较器电路配置为将所述瞬态信号的低频分量与所述主开关变换器提供的低频电感器电压进行比较，并产生用于驱动所述主开关变换器的主脉宽信号。所述主脉宽信号可使所述主开关变换器能够将追踪所述瞬态信号的低频分量的低频电流供应到所述输出端子。
所述第二逻辑电路可配置为，响应于接收来自瞬态检测电路的非使能信号，关闭所述辅助开关变换器。所述瞬态检测电路还可包括噪声滤波器，所述噪声滤波器配置为将噪声从所述瞬态信号的高频分量中滤除。
在另一总体方面中，本申请描述了一种供电系统。该供电系统包括：电源；负载器件，所述负载器件配置为从所述电源接收功率；和电源接口装置，所述电源接口装置配置为将所述电源连接至所述负载器件，并将所述电源提供的第一电压变换为用于运行所述负载器件的第二电压。
所述电源接口装置包括：主开关变换器，所述主开关变换器耦合至所述电源和所述负载器件，并配置为以第一开关频率运行，以将电流从所述电源供应至所述负载器件；辅助开关变换器，所述辅助开关变换器耦合到所述电源和所述负载器件，与所述主开关变换器并联，并配置为以高于第一开关频率的第二开关频率运行，以将电流从所述电源供应到所述负载器件；反馈感测电路，所述反馈感测电路配置为感测所述负载器件处的输出电压；误差放大器，所述误差放大器配置为接收感测到的输出电压和基准电压，并基于感测到的输出电压和所述基准电压输出瞬态信号；高通滤波器，所述高通滤波器配置为接收所述瞬态信号并输出所述瞬态信号的高频分量；瞬态检测电路，所述瞬态检测电路配置为接收所述瞬态信号的高频分量，并当所述瞬态信号的高频分量超过阈值时输出使能信号，以及当所述瞬态信号的高频分量未超过所述阈值时输出非使能信号；和辅助控制电路，所述辅助控制电路配置为在瞬态期间根据所述使能信号激活所述辅助开关变换器，以将电流从所述电源供应到所述负载器件，并根据所述非使能信号关闭所述辅助开关变换器。
上述总体方面可包括以下特征中的一个或多个。所述瞬态检测电路可包括：第一比较器，所述第一比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第一阈值进行比较，如果所述高频分量低于所述第一阈值则输出第一使能信号；第二比较器，所述第二比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第二阈值进行比较，如果所述高频分量高于所述第二阈值则输出第二使能信号；和逻辑门，所述逻辑门配置为根据接收的所第一使能信号或者所述第二使能信号输出所述使能信号。
所述第一阈值和所述第二阈值可配置为提供运行窗口，使得当所述瞬态信号的高频分量超出所述运行窗口时，要么产生所述第一使能信号要么产生所述第二使能信号。所述第一阈值可低于所述第二阈值。所述第一比较器可配置为当所述高频分量高于所述第一阈值时输出第一非使能信号。所述第二比较器可配置为当所述高频分量低于所述第二阈值时输出第二非使能信号。所述逻辑门可配置为根据接收的所述第一非使能信号和所述第二非使能信号输出所述非使能信号。
所述辅助控制电路可包括：第三比较器，所述第三比较器配置为将峰值电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并在确定所述感测到的电感器电压对应于所述峰值电压时输出复位信号；第四比较器，所述第四比较器配置为将底部电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并在确定所述感测到的电感器电压对应于所述底部电压时输出设置信号；和第二逻辑电路，所述第二逻辑电路配置为接收所述设置信号、所述复位信号和所述使能信号，并且作为响应，产生用于驱动辅助开关变换器的脉宽调制信号。
附图说明
附图仅通过示例的方式而非限制的方式示出了一个或多个符合本教导的实施方式。附图中，相同的参考标记指代相同或相似的元件。
图1示出了具有快速瞬态响应的示例性供电系统，该供电系统包括主开关变换器和辅助开关变换器；
图2示出了包括两个独立控制信号的示例性供电系统，该两个独立控制信号用于驱动主开关变换器和辅助开关变换器；
图3示出了图2所示的具有快速瞬态响应的供电系统的示例性电路实现；
图4示出了图3所示的第一供电系统与第二供电系统之间的环路增益比较，第一供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第二供电系统仅具有四个主开关变换器；
图5比较了图3所示的第一供电系统与第二供电系统对于25A的电流负载阶跃的输出电压峰值，第一供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第二供电系统仅具有四个主开关变换器；
图6示出了配置为提供快速瞬态响应的另一示例性供电系统；
图7示出图6所示的具有快速瞬态响应的供电系统的示例性电路实现；
图8示出了图7所示的示例性第一阈值Vth1和第二阈值Vth2；
图9示出了图7所示的辅助控制电路的示例性电路实现；
图10示出了图9所示的限定运行窗口的Vpeak和Vbottom，感测到的电感电压可在该运行窗口内振荡；
图11A和图11B示出了(i)第一供电系统、(ii)图3所示的第二供电系统和(iii)图7所示的第三供电系统之间响应于1微秒内25A负载电流阶跃的示例性负载瞬态仿真波形比较，第一供电系统具有四个主开关变换器，第二供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第三供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器；和
图12A和图12B示出了(i)第一供电系统、(ii)图3所示的第二供电系统和(iii)图7所示的第三供电系统之间响应于5微秒内10％的电压阶跃的示例性电压阶跃仿真波形比较，第一供电系统具有四个主开关变换器，第二供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第三供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器。
具体实施方式
在以下详细描述中，通过举例的方式阐述各具体细节，以便提供相关教导的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显然本教导可在没有这些细节的情况下实施。在其它示例中，在相对高的水平下，已描述了众所周知的方法、步骤、组件和/或电路，而没有描述细节，以避免非必要地模糊本教导的各方面。
对供电系统进行了持续地研究，该供电系统对负载器件的瞬态工况具有快速响应，提高了能效、同时降低了方案尺寸和成本并增加了电源密度(supply power density)。负载器件可具有不同的功率需求。这自然意味着供电系统可需要尽可能高效地运行，以减小尺寸以及降低输入功率，以节约能量并提高能效。为此，供电系统可包括彼此并联运行的主开关变换器和辅助开关变换器。主开关变换器可以以第一开关频率运行，辅助开关变换器可以以第二开关频率运行。第二开关频率可高于第一开关频率。因此，主开关变换器可具有比辅助开关变换器高的功效(例如，功率开关损耗更少)。然而，对于响应于负载器件的瞬变，辅助开关变换器可具有比主开关变换器更好的瞬态性能(例如，更快的瞬态响应)。由于辅助开关变换器可具有比主开关变换器更高的开关损耗，因此辅助开关变换器不能在稳态运行期间用于向负载器件提供低频电流。而是，辅助开关变换器可仅用于处理瞬态，以随负载电流的突然增加或突然减少而吸收或提供额外的电流。
在一个实施方式中，如图1-图5所讨论的，辅助开关变换器可在瞬态期间和瞬态之外运行。在瞬态期间，辅助开关变换器可以提供或吸收高频电流，以响应负载电流的突然增加或突然减少。稳态工况期间，辅助开关变换器可提供或吸收高频电流以及零平均或低频电流，以减少与辅助开关变换器相关的功率损耗。以这种方式，在稳态工况中，减少或消除了辅助开关变换器中与低频电流相关的功率损耗，从而使辅助开关变换器中的总功率损耗最小化。但是，由于辅助开关变换器开关在稳态工况中的切换，其可能仍然具有开关功率损耗。
在另一实施方式中，如图6-图12B所讨论的，为进一步减少与辅助开关变换器相关的功率损耗，辅助开关变换器可以仅在瞬态期间运行以节约稳态功率。在该实施方式中，辅助开关变换器可在稳态工况期间关闭，从而可基本上消除辅助开关变换器在稳态运行期间与高开关频率相关的功率损耗。
图1示出了具有快速瞬态响应的示例性供电系统100，该供电系统100包括主开关变换器和辅助开关变换器。供电系统100包括电源110、负载器件112和电源接口装置114，电源接口装置114将电源110连接到负载器件112。
电源110配置为输出特定标准电压。电源110可以是电插座。世界上大部分的单相交流电插座供应210-240V或者100-120V的功率。替换地，电源110可包括其它类型的电源，例如，一个或多个电池、太阳能光伏、或者交流(AC)发电机。不管电源110的类型如何，电源110通常都提供与负载器件112所需电压不同的电压。所提供的电压可能高于或低于负载器件112所需的电压。为使电源电压与负载电压相匹配，供电系统100包括电源接口装置114。电源接口装置114配置为使电源110的电压与负载器件112的电压兼容。
如上所述，对于负载器件112合适的电压可能高于或低于电源110的电压。在一个实施方式中，对于负载器件112合适的电压低于电源110的电压。在一个具体示例中，电源接口装置114配置为将电源110的电压从12V降到负载器件112的0.85V。电源接口装置114的输出电流可以是100A。
负载器件112可包括电阻性负载、磁性负载、电容性负载、发热器件、或者其它电气或电子器件。大多数电子器件需要1.5V和24V之间的直流(DC)。这些器件可以要么通过电池要么通过电源运行。在任一情况下，电源接口装置114可用于使这些电子器件的电压需求与电源110所提供的电压相匹配。电源接口装置114可位于负载器件112的内部或者可位于负载器件112的外部。类似地，电源接口装置114可位于电源110的内部或者位于电源110的外部。在另一实施方式中，电源接口装置114可以是独立的集成电路。
电源接口装置114可包括变压器、整流器、或开关式电源。开关式电源已经广泛应用，其比一般的通用变压变换器更小且更轻，并通常设计成通过交流电源在100V与250V之间的任何电压下运行。此外，由于开关式电源通常被整流为在直流电压下运行，因此开关式电源受电源频率(50Hz对60Hz)的影响很小。以上描述假定电源接口装置114包括开关式电源，然而如上文所述，电源接口装置114可包括开关式电源之外的电路。
电源接口装置114包括主开关变换器116和辅助开关变换器118。主开关变换器116包括四个彼此并联连接的单相开关稳压器，该四个单相开关稳压器将电源110连接到负载器件112。虽然具体示例示出了四个单相开关稳压器，但是电源接口装置114可以包括比四个更多或者更少的单相开关稳压器。电源接口装置114可配置为以至少两种运行模式运行：高到中负载电流下的正常模式和低负载电流下的低功率模式。正常模式下，主开关变换器116中的四个开关稳压器电路均接通，通过四个开关稳压器电路各自的电感器将电流提供到负载器件112。每阶段(phase)可将类似的低频电流提供到负载器件112。在低功率模式下，主开关变换器116中的三个开关稳压器电路可断开且一个开关稳压器电路可接通，提供电源接口装置114的100％的输出电流。低功率模式可提高电源接口装置114在轻负载电流下的能效。这是由于低功率模式下接通的开关稳压器电路比正常模式下接通的开关稳压器电路少，因而低功率模式下的开关损耗更小。
主开关变换器116中的各单相开关稳压器可包括第一开关116a、第二开关116b和电感器116c。第一开关116a和第二开关116b可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。该MOSFET开关可以是n沟道MOSFET开关或p沟道MOSFET开关。第一开关116a可一端连接到Vin且另一端连接到第一节点120。第二开关116b可一端连接到第一节点120且另一端连接到接地端子。电感器216c可一端连接到第一节点120且另一端连接到输出端子122。输出端子122可连接到输出端电容器Co和负载电阻RL。
辅助开关变换器118与主开关变换器116并联连接。辅助开关变换器118可包括第一开关118a、第二开关118b和电感器118c。第一开关118a和第二开关118b可以是MOSFET开关。该MOSFET开关可以是n沟道MOSFET开关或p沟道MOSFET开关。第一开关118a可一端连接到Vin且另一端连接到第一节点124。第二开关118b可一端连接到第一节点124且另一端连接到接地端子。电感器118c可一端连接到第一节点124且另一端连接到输出端子122。
电源接口装置114配置为在稳定电压Vout下将输出电流供应到耦合到输出端子122的负载。为此，主开关变换器116中第一开关116a和第二开关116b中的每个均通过第一驱动电路接通和断开。开关116a和开关116b可关于彼此异相驱动，以将电流供应到耦合到输出端子122的负载。类似地，辅助开关变换器118中的第一开关118a和第二开关118b通过第二驱动电路接通或者断开。开关118a和开关118b可关于彼此异相驱动，以将电流供应到耦合到输出端子122的负载。开关116a和开关116b可配置为以第一开关频率运行。开关118a和开关118b可配置为以第二开关频率运行。
第二开关频率可快于第一开关频率。为此，与主开关变换器116相比，辅助开关变换器118可具有更高的带宽并对负载器件112的瞬变具有更快的瞬态响应。由于辅助开关变换器118具有比主开关变换器116更高或更快的开关频率，因此辅助开关变换器118自然具有更大的功率损耗。第一开关频率和第二开关频率可对应于预设固定频率。
为了提高能效，电源接口装置114可配置为在瞬态期间以不同于稳态工况期间的方式控制辅助开关变换器118。在瞬态期间，电源接口装置114可配置为控制辅助开关变换器118，以将高频电流提供到输出端子122或从输出端子吸收高频电流，以响应负载电流的突然增加或突然减少，其中平均提供电流或平均吸收电流不为零。在稳态工况期间，电源接口装置114可配置为控制辅助开关变换器118，以将高频电流提供到输出端子122或从输出端子吸收高频电流，其中平均提供电流或平均吸收电流为零。以这种方式，可使稳态期间与辅助开关变换器118相关的功率损耗最小化。
为实现这种控制，电源接口装置114可包括两个独立的控制反馈机构。第一控制反馈机构可配置为基于感测到的输出电压或电流输出来控制主开关变换器116。第二控制反馈机构可配置为基于感测到的输出电压或电流输出来控制辅助开关变换器118。第二控制反馈机构可配置为检测瞬变，生成相应的瞬态信号，并将瞬态信号中的高频分量从瞬态信号的低频分量中分离。则第二控制反馈机构可在瞬态期间使用瞬态信号的高频分量驱动辅助开关变换器118。作为响应，辅助开关变换器118可向输出端子122提供高频电流或从输出端子122吸收高频电流。在瞬态之外，第二控制反馈机构可驱动辅助开关变换器118，使得由辅助开关变换器118的稳态纹波(ripple)提供的平均低频(或直流)电流为零。
瞬变可包括一场景，该场景中负载电流或电压突然增加或突然减小。为描述一个示例，输出端处25A电流负载阶跃期间，瞬变可对应负载阶跃的起点，该起点处负载电流在达到第一稳态水平之前具有25A增加水平的突然增加。类似地，瞬变可对应负载阶跃的终点，该终点处负载电流在达到第二稳态水平前具有突然减小。第二稳态可对应于25A电流负载阶跃之前的状态或者对应于高于或低于25A电流负载阶跃之前的状态的新状态。
图2示出了包括两个独立控制信号的示例性供电系统200，该两个独立控制信号用于驱动主开关变换器和辅助开关变换器。供电系统200包括电源210、负载器件212和电源接口装置214，电源接口装置将电源210连接到负载器件212。电源210和负载器件212与电源110和负载器件112相类似。因此，为了描述清晰简洁，上述器件未详细描述。电源接口装置214包括主开关变换器216、辅助开关变换器218、反馈和补偿电路230、主控制电路232和辅助控制电路234。
主开关变换器216与辅助开关变换器218并联连接。主开关变换器216可配置为提供或吸收低频电流。为此，主开关变换器216可以以低频切换，以维持主开关变换器216的高能效。辅助开关变换器218可配置为提供或吸收高频电流。为此，辅助开关变换器218可以以高频切换，以获得高环路带宽并追踪高频瞬态。如上所述，与主开关变换器216相比，辅助开关变换器218具有更多的与其相关的功率损耗，这是由于辅助开关变换器的较高开关频率。为减少与辅助开关变换器218相关的功率损耗，在稳态运行中，辅助开关变换器218可被运行为提供或吸收接近零的低频(或直流)电流。如此，在稳态运行期间，辅助开关变换器218的功率损耗受限于开关损耗和与高频(或交流)稳态电感器电流纹波相关的损耗。
电源接口装置214还包括反馈和补偿电路230。反馈和补偿电路230的一端连接到输出端子222，另一端连接到主控制电路232和辅助控制电路234。反馈和补偿电路230配置为检测负载器件212处的瞬变并生成瞬态信号。该瞬态信号包括低频分量和高频分量。为将瞬态信号的低频分量从瞬态信号的高频分量中分离，在一个实施方式中，电源接口装置214可包括低通滤波器(“LPF”)和高通滤波器(“HPF”)。低通滤波器的一端可连接到反馈和补偿电路230，另一端可连接到主控制电路232。高通滤波器的一端可连接到反馈和补偿电路230，另一端可连接到辅助控制电路234。在另一实施方式中，低通滤波器可被省略，且反馈和补偿电路230的补偿网络可用于滤除或衰减瞬态信号的高频分量。
主控制电路232配置为基于瞬态信号的低频分量驱动主开关变换器216，以响应瞬态工况。辅助控制电路234配置为基于瞬态信号的高频分量驱动辅助开关变换器218，以响应瞬态工况。以这种方式，主开关变换器216和辅助开关变换器218均可被控制为在瞬态期间尽可能快地在输出端子222处提供稳定的Vout。
为描述一个具体示例，如果负载电流由于正电流负载阶跃而突然增加(例如从75A增加至100A)，则辅助控制电路234可以以增加的占空比运行辅助开关变换器218，以使从电源210提供到输出端子222的高频电流增加，直至总输出电流达到100A的期望水平。由于辅助开关变换器218的高开关频率和高环路带宽，辅助开关变换器218可比主开关变换器216更快地将电流从电源210提供到输出端子222。辅助开关变换器218提供的电流可追踪瞬态信号的高频分量。一旦输出端子222的电流达到期望水平(例如100A)且负载器件212达到稳态工况，则辅助开关变换器218可继续基于其初始占空比运行，并可提供零低频(或直流)电流输出。为此，稳态运行中，辅助开关变换器218可设置有电流或电压阈值水平，使得辅助开关变换器218的与高频电流纹波相关的平均低频(或直流)电流为零。如此，辅助开关变换器218的平均供应电流在瞬态期间可为非零，并在瞬态之外在稳态运行期间大体上为零。也就是说，一旦瞬态结束(例如，达到100A的新电流阈值)，则辅助开关变换器218可提供大体上为零的低频(或直流)电流。
继续前述示例，主控制电路232还可以以增加的占空比运行主开关变换器216，以增加提供到输出端子222的低频电流，直到总输出电流达到100A的期望水平。主开关变换器216提供的电流可追踪瞬态信号的低频分量。一旦瞬态结束(例如，达到100A的新电流阈值)，则主开关变换器216继续根据其固定开关频率和其初始占空比提供和/或吸收电流，以维持Vout的稳定性。该占空比可根据以下公式1定义：
D＝Vout/Vin(公式1)
为描述另一具体示例，如果负载电流由于负电流负载阶跃而突然降低(例如，从100A降低至75A)，则辅助控制电路234可以减少的占空比运行辅助开关变换器218，以增加从输出端子222吸收的电流。具体地，辅助控制电路234可向辅助开关变换器218发出控制信号，以将电流从输出端子222吸收到接地端子，直到总输出电流达到75A的期望水平。如上所述，由于辅助开关变换器218的高开关频率和高环路带宽，其可比主开关变换器216更快地将电流从输出端子222吸收到接地端子。由辅助开关变换器218吸收的电流可追踪瞬态信号的高频分量。一旦输出端子222处的电流达到期望水平(例如，75A)，辅助开关变换器218可以继续根据其初始占空比吸收或提供高频电流，并可提供零平均低频(或直流)电流输出。这样，辅助开关变换器218的平均吸收电流在瞬态期间可为非零，而在瞬态之外在稳态运行期间大体上为零。也就是说，一旦瞬态结束(例如，达到75A的新电流阈值)，则辅助开关变换器218可吸收大体上为零的低频(或直流)电流。
继续前述示例，主控制电路232还可以以降低的占空比运行主开关变换器216，以增加从输出端子222吸收到接地端子的电流。由主开关变换器216吸收的电流可追踪瞬态信号的低频分量。一旦瞬态结束(例如，达到25A的新电流阈值)，主开关变换器216根据其固定开关频率和初始占空比继续供应低频电流，以维持Vout的稳定性。
图3示出了图2所示的具有快速瞬态响应的供电系统200的示例性电路实现300。如图所示，电路实现300包括电源310、负载器件312和电源接口装置314，该电源接口装置将电源310连接到负载器件312。电源接口装置314包括多个主开关变换器316和辅助开关变换器318，该多个主开关变换器和辅助开关变换器彼此并联连接。电源接口装置314还包括反馈和补偿电路330、主控制电路332、辅助控制电路334和高通滤波器336。
主开关变换器316和辅助开关变换器318可被归类为脉宽调制(PWM)类型，生成具有固定频率和可变脉宽的脉冲序列。主开关变换器316配置为以比辅助开关变换器318低的开关频率fsw运行。辅助开关变换器318配置为以比主开关变换器316高的频率运行，以快速响应负载器件312处的瞬变。虽然具体示例示出了四个主开关变换器316和一个辅助开关变换器318，但是电源接口装置300可包括多于或少于四个的主开关变换器316和一个以上的辅助开关变换器318。任何数量的这种变换器均可以彼此并联连接。
开关变换器316和开关变换器318可以是包括电感器的电流模式开关稳压器。开关变换器316和开关变换器318可以是同步开关稳压器，但它们也可以是非同步开关稳压器。在一具体示例中，开关变换器316和开关变换器318可以是降压电流模式开关稳压器，在该稳压器内输入电压Vin大于输出电压Vout。
每个主开关变换器316可包括第一开关316a、第二开关316b和电感器316c。第一开关316a和第二开关316b可以是功率场效应晶体管(FET)开关。该功率FET开关可以是n沟道FET开关或p沟道FET开关。类似地，辅助开关变换器318可包括第一开关318a、第二开关318b和电感器318c。第一开关318a和第二开关318b可以是功率FET开关。该功率FET开关可以是n沟道FET开关或p沟道FET开关。虽然以上描述了FET型开关，但是也可使用其它合适的技术。
在主开关变换器316中，第一开关316a可一端连接到Vin，另一端连接到节点320。第二开关316b可一端连接到节点320，另一端连接到接地端子。电感器316c可一端连接到节点320，另一端连接到输出端子322。输出端子322可连接到输出端电容器Co和负载电阻RL。
在辅助开关稳压器318中，第一开关318a可一端连接到Vin，另一端连接到节点324。第二开关318b可一端连接到节点324，另一端连接到接地端子。电感器318c可一端连接到节点324，另一端连接到输出端子322。
电源接口装置314可配置为在稳定电压Vout下向负载器件312提供输出电流或者从负载器件312吸收输出电流，该负载器件312耦合到输出端子322。为此，主开关变换器316中的第一开关316a和第二开关316b通过主控制电路332接通和断开。开关316a和开关316b可关于彼此反相驱动，以向负载器件312提供电流或从负载器件312吸收电流，该负载器件312耦合到输出端子322。类似地，辅助开关变换器318中的第一开关318a和第二开关318b通过辅助控制电路334接通和断开。开关318a和开关318b可关于彼此反向驱动，以向负载器件312提供电流或从负载器件312吸收电流，该负载器件312耦合到输出端子322。
开关316a和开关316b配置为以第一开关频率运行。开关318a和开关318b配置为以第二开关频率运行。第二开关频率可高于第一开关频率，以更快地响应输出端子322处的瞬变。也就是说，由于更快的开关频率，辅助开关变换器318配置为比主开关变换器316更快地向输出端子322提供电流，或者更快地从输出端子322吸收电流。由于较高的频率，辅助开关变换器318具有比主开关变换器316更多的功率损耗。为减少与辅助开关变换器318相关的功率损耗，如上所述，可以控制辅助开关变换器318的运行，使得稳态运行中，辅助开关变换器318向输出端子322提供大致上为零的低频(或直流)电流。
虽然未示出，但是电源接口装置300可添加有其它电路，以在一个开关晶体管断开时刻与另一个开关晶体管接通时刻之间提供短暂的死区时间(dead-time)或消隐期(blanking interval)。当开关316a和开关318a接通且开关316b和开关318b断开时，电流从Vin通过各开关变换器316和318中的电感器316c和318c流到输出端子322。在这种情况下，电感器316c和318c电流随时间变化的速率可等于(Vin-Vout)/L。当开关316a和开关318a断开且开关316b和开关318b接通时，电流从接地端子通过电感器316c和电感器318c流到输出端子322。在这种情况下，电感器316c和318c电流随时间变化的速率可等于-Vout/L。在上述任一情况下，输出端子322处的总电流可以是通过电感器316c和电感器318c的累加电感电流。
电源接口装置314还包括反馈和补偿电路330。反馈和补偿电路330一端连接到输出端子322，另一端连接到主控制电路332和辅助控制电路334。在一实施方式中，如图2所示，反馈和补偿电路330与主控制电路332之间可连接有低通滤波器。低通滤波器配置为滤除瞬态信号ITH的高频分量，并为主控电路332仅提供瞬态信号的低频分量。在另一实施方式中，可选择补偿电路的组件，使得瞬态信号ITH具有衰减的高频分量，以便该瞬态信号可被直接供应到如图3所示的主控制电路332。
反馈和补偿电路330包括反馈感测电路330a、误差放大器330b和补偿电路330c。反馈感测电路330a配置为通过电阻器R1和R2的网络感测Vout。电阻器R1和R2的网络形成电阻分压器并按比例划分信号Vout，以使该信号与Vref呈比例。在一个实施方式中，电阻器R1等于4.16千欧姆，电阻器R2等于10千欧姆。
虽然未示出，但是反馈感测电路330a还可包括电容器C1和C2的网络。可选电容器C1和C2可设置为使电阻分压器频率相关。该频率相关划分的Vout可称为反馈电压Vfb。反馈电压Vfb和基准电压Vref作为误差放大器gm(示出为跨导(gm)放大器)330b的输入。在一个实施方式中，基准电压Vref等于0.6伏特。误差放大器330b可以是电流输出型跨导放大器或者电压输出型放大器。
误差放大器330b在其反相输入端监测与Vout成比例的反馈电压Vfb，并在其非反向相输入端监测基准电压Vref。反馈电压Vfb应大体上等于基准电压Vref。当这两个电压不相等时，放大器330b可在其输出端提供瞬态电压控制信号ITH。放大器330b的输出电压可对应于实际输出电压与预期输出电压之差。放大器330b的输出电压与反馈电压Vfb成反比。随着反馈电压Vfb减小，放大器330b的输出电压增加。随着反馈电压Vfb增加，放大器330b的输出电压减小。频率补偿电路330c包括电容器Cth、电容器Cthp和电阻器Rth，以为反馈环路提供频率补偿。在一个实施方式中，Cth等于1.5nF，Cthp等于100pF，电阻器Rth等于10千欧姆。在电流模式供应系统而非电压模式供应系统中，放大器330b可在其输出端提供瞬态电流控制信号。在任一情况下，瞬态控制信号(电流或电压)用于控制变换器316和变换器318的总输出电流。
主控制电路332包括电阻器332a和比较器332b。主控制电路332还可包括缓冲器。该缓冲器可配置为提供从反馈和补偿电路330到主控制电路332的电阻抗变换。缓冲器可以是电压缓冲器或电流缓冲器。比较器332c配置为在其非反相输入端接收要么瞬态信号ITH要么瞬态信号的低频分量ITHDC，并将瞬态信号或者瞬态信号的低频分量与感测到的电压iL*Ri(电感器316c的低频电流乘以电阻Ri)进行比较，以生成功率FET 316a和316b的脉宽调制(PWM)信号。电阻器Ri设置为感测电感器316c电流，并生成相应的用于与瞬态信号ITH的低频分量ITHDC进行比较的电压。
如果低频分量ITHDC大于感测到的电感器电压信号，则比较器332b可输出第一PWM信号。第一PWM信号可以是高信号。该高信号可提供给高开关316a，以将该高开关接通并使主开关变换器316向输出端子322提供额外的电流，增加负载电流。该高信号还可提供给连接到低开关316b的逆变器，以将低开关316b断开。在时钟周期的起点，开关316a可接通，增加占空比，直到达到由于瞬态的新电流阈值。在开关316a接通期间，低频电流从电源Vin通过开关316a和电感器316c流到输出端子322。结果是，低频电流在电感器316c中朝新电流阈值斜升。
以这种方式，主开关变换器316提供追踪低频分量ITHDC的低频电流，以达到通过瞬态设定的新电流阈值。在一个实施方式中，瞬态期间，开关316a可保持接通且开关316b可保持断开，直至达到通过瞬态设定的新电流阈值。在另一实施方式中，瞬态期间，主开关变换器316可以以增加的占空比运行，以增加提供到输出端子322的低频电流。在占空比增加并响应于高PWM信号期间，开关316a和316b可以交替地接通与断开，以增加提供到输出端子322的低频电流。增加的占空比可对应于PWM信号的占空比。例如如果开关316a的接通时间长于周期时间T，则主开关变换器316的固定开关频率可能不会在瞬态期间保持。
在一个实施方式中，主控制电路332可仅激活一个主开关变换器316，以向输出端子322提供所需电流。在另一个实施方式中，主控制电路332可激活一个以上主开关变换器316，以向输出端子322提供所需电流。
如果低频分量ITHDC小于感测到的电感器信号，则比较器332b可输出第二PWM信号。第二PWM信号是低信号。该低信号可提供给高开关316a，以将该高开关断开。该低信号还可提供给连接到低开关316b的逆变器，以接通低开关316b并使主开关变换器316从输出端子322吸收额外的电流，降低负载电流。在时钟周期起点，开关316a可断开占空比增加，且开关316b可接通，直到达到由于瞬态的新电流阈值。在开关316b接通期间，低频电流从输出端子322通过电感器316c流到接地端子。结果是，低频电流在电感器316c中朝新电流阈值斜降。
以这种方式，主开关变换器316吸收追踪低频分量ITHDC的低频电流，以达到通过瞬态设定的新电流阈值。在一个实施方式中，瞬态期间，开关316a可保持断开且开关316b可保持接通，直至达到通过瞬态设定的新电流阈值。在另一实施方式中，瞬态期间，主开关变换器316可以以降低的占空比运行，以增加从输出端子322吸收的低频电流。在占空比降低并响应于低PWM信号期间，开关316a和开关316b可交替地接通和断开，以增加从输出端子322吸收的低频电流。在任一种情况下，例如如果开关316b的接通时间长于周期时间T，则主开关变换器316的固定开关频率在瞬态期间可能不会保持。
一旦瞬态结束(例如，达到新电流阈值)，主开关变换器316继续根据其固定开关频率和占空比提供或吸收电流，以保持Vout的稳定性。开关316a和316b的接通时间和断开时间基于该占空比确定。在一个具体示例中，该占空比可对应于瞬态之前设定的占空比。为此，主开关变换器316配置为在瞬态期间和稳态运行期间均提供和/或吸收电流。
如上所述，反馈和补偿电路330输出的总输出瞬态控制信号ITH还可经由高通滤波器336输送到辅助控制电路334。该高通滤波器336包括缓冲器336a、低通滤波器336b、电阻器336c和电阻器336d、偏移电压336e、电阻器336f、放大器336g和电阻器336h。缓冲器336a配置为将辅助控制电路334与反馈和补偿电路330的阻抗相隔离。缓冲器336a的输出通过电阻器336d供应到放大器336g的非反相端子。缓冲器的输出还通过低通滤波器336b和电阻器336c供应到放大器336g的反相端子。低通滤波器336b包括电阻器Rf和电容器Cf，并配置为滤除瞬态信号ITH的高频分量ITHAC，且使瞬态信号ITH的低频分量ITHDC通过并经由电阻器316c到达放大器336g的反相端子。在一个具体示例中，电阻器Rf的电阻等于1千欧姆，电容器Cf的电容等于1nF。
低频分量ITHDC被从瞬态信号ITH(同时具有高频分量ITHAC和低频分量ITHDC)中去除，且差值被放大K倍。如此，放大器336g的输出可对应于瞬态信号ITH的高频分量ITHAC。放大后的高频分量ITHAC被供应到辅助控制电路334。
在一个实施方式中，组合在一起的电阻器336c、336d、336f和336h为瞬态信号ITH的高频分量ITHAC提供增益因子。在一具体示例中，电阻器336c、336d、336f和336h的电阻等于10千欧姆。因子K可等于30。
可提供有Voffset 336e，使得在稳态运行期间，辅助开关变换器318的低频(或直流)电流大体上为零。为此，该Voffset 336e可设定为与高频(或交流)电流的一半纹波相对应的值，以便在稳态运行期间平均纹波交流电流大体上等于零。在一具体示例中，Voffset 336e设定为100毫伏。
辅助控制电路334包括电阻器334a和比较器334b。电阻器334a设置为感测电感器318c电流并提供感测到的电感器318c电压。比较器334b配置为在其非反相端子处接收放大后的高频分量ITHAC，并在其反相端子处接收感测到的电感器318c电压。比较器334b将高频分量ITHAC与感测到的电感器318c电压进行比较。
如果高频分量ITHAC大于感测到的电感器信号，则比较器334b可输出第一PWM信号。第一PWM信号可以是高信号。该高信号可提供给高开关318a，以将该高开关接通并使辅助开关变换器318向输出端子322提供额外的电流，增加负载电流。该高信号还可提供给连接到低开关318b的逆变器，以将低开关318b断开。在时钟周期起点，开关318可接通，占空比增加，直到达到由于瞬态的新电流阈值。开关318a接通期间，高频电流从电源Vin通过开关318a和电感器318c流到输出端子322。结果是，高频电流在电感器318c中朝新电流阈值斜升。
以这种方式，辅助开关变换器318提供追踪高频分量ITHAC的高频电流，以达到通过瞬态设定的新电流阈值。在一个实施方式中，瞬态期间，开关318a可保持接通且开关318b可保持断开，直至达到通过瞬态设定的新电流阈值。在另一实施方式中，瞬态期间，辅助开关变换器318可以以增加的占空比运行，以增加提供到输出端子322的高频电流。在占空比增加并响应于高PWM信号期间，开关318a和318b可交替地接通和断开，以增加提供到输出端子322的高频电流。增加后的占空比可对应于PWM信号的占空比。例如如果开关318a的接通时间长于周期时间T，则辅助开关变换器318的固定开关频率可能不会保持不变。一旦达到稳态，辅助开关变换器318可向负载器件312提供高频电流和大致上为零的平均低频(或直流)电流，或者吸收来自负载器件312的高频电流和大致上为零的平均低频(或直流)电流。
如果高频分量ITHAC小于感测到的电感器电流信号，则比较器334b可输出第二PWM信号。该第二PWM信号是低信号。该低信号可提供给高开关318a，以将该高开关断开。该低信号还可提供给连接到低开关318b的逆变器，以接通该低开关318b并使辅助开关变换器318从输出端子322吸收额外的电流，增加负载电流。在时钟周期起点，开关318a可断开占空比减少，且开关318b可接通，直到达到由于瞬态的新电流阈值。开关318b接通期间，高频电流从输出端子322通过电感器318流到接地端子。结果是，高频电流在电感器318c中朝新电流阈值斜降。
以这种方式，辅助开关变换器318吸收追踪高频分量ITHAC的高频电流，以达到通过瞬态设定的新电流阈值。在一个实施方式中，瞬态期间，开关318a可保持断开且开关318b可保持接通，直至达到通过瞬态设定的新电流阈值。在另一实施方式中，瞬态期间，辅助开关变换器318可以以减小的占空比运行，以增加从输出端子322吸收的高频电流。在占空比减小并响应于低PWM信号期间，开关318a和开关318b可交替地接通和断开，以增加从输出端子322吸收的高频电流。在任一情况下，例如如果开关318b的接通时间长于周期时间T，则辅助开关变换器318的固定开关频率在瞬态期间可能不会保持不变。
来自主控制电路332和辅助控制电路334的PWM信号可分别提供到位于主开关变换器316和辅助开关变换器318内部的控制电路。该控制电路使用电路332的PWM信号以及系统时钟信号控制主开关变换器316中开关316a和316b的状态。类似地，该控制电路使用电路334的PWM信号以及系统时钟信号控制辅助开关变换器318的开关318a和318b的状态。
如果主开关变换器316是峰值电流模式稳压器，则通过内部时钟，首先该稳压器的低侧开关316b可断开接着该稳压器的高侧开关316a可接通，从而增加电感器316c的电流。类似地，如果辅助开关变换器318是峰值电流模式稳压器，则通过内部时钟，首先该稳压器的低侧开关318b可断开接着该稳压器的高侧开关318a可接通，从而增加电感器318c的电流。
如果主开关变换器316是谷值电流模式稳压器，则通过内部时钟或计时器，首先高侧开关316a断开接着低侧开关316b接通，从而减小电感器316c的电流。类似地，如果辅助开关变换器318是谷值电流模式稳压器，则通过内部时钟或计时器，首先高侧开关318a断开接着低侧开关318b接通，从而减小电感器318c的电流。
在一个具体示例中，供电系统300可配置为满足以下条件：
电源Vin＝12V
输出电压Vout＝0.85V
主开关变换器的数量＝4
辅助开关变换器的数量＝1
主开关变换器的开关频率FSW-DC＝500kHz
辅助开关变换器的开关频率FSW-AC＝2MHz
主开关变换器的电感＝220nH(每相)
辅助开关变换器的电感＝50nH
输出电容Co＝16*220μF
图4示出了图3所示的第一供电系统与第二供电系统之间的环路增益对比，第一供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第二供电系统仅具有四个主开关变换器。可以看出，通过辅助开关变换器的添加，第一供电系统的带宽可从88kHz增加到400kHz。这就是更快瞬态是可能的的原因。通常当相位裕度大于零时供电系统是稳定的。在一实施方式中，可期望具有40～45度的相位。可以看出，仅使用主开关变换器的第二供电系统88kHz时的相位裕度大约是45度。然而，使用并联的主开关变换器和辅助开关变换器的第一供电系统的相位裕度相当高，超过60度。
图5比较了图3所示的第一供电系统与第二供电系统在25A的负载电流阶跃下的输出电压峰值，第一供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第二供电系统仅具有四个主开关变换器。如图所示，第二供电系统响应于25A的负载阶跃的输出电压峰值512明显大于第一供电系统响应于相同负载阶跃的输出电压峰值514。在一个示例中，第一供电系统的峰值可以比第二供电系统的峰值低大约70％。在另一示例中，第一供电系统的峰值可以比第二供电系统的峰值低大约50％。这不需要复杂的控制方法或在输出端使用额外的交流电容器即可实现，该输出端位于输出端子与辅助开关变换器的控制环路之间。该交流电容器配置为防止直流或低频电流进入辅助开关变换器的控制环路。该交流电容器可增加供电系统的成本和尺寸。替代地，参照图3所述的即时应用(instant application)的供电系统通过高通滤波器防止直流或低频电流进入辅助开关变换器。
在上述实施方式中，辅助开关变换器可以仅在瞬态期间提供或吸收高频电流、以及平均低频(或直流)电流。瞬态之外，稳态运行中，辅助开关变换器提供或吸收高频电流、以及大体上为零的低频(或直流)电流，以使与辅助开关变换器的高开关频率相关的功率损耗最小化。在另一实施方式中，为进一步降低与辅助开关变换器相关的功率损耗，可在稳态运行期间关闭辅助开关变换器。在该实施方式中，瞬态检测电路可用于确定何时开启/关闭辅助开关变换器。
图6示出了配置为提供快速瞬态响应的另一示例性供电系统600。该供电系统600与图2所示供电系统200相类似，但具有改进的辅助控制电路634和额外的瞬态检测电路640。为此，供电系统600包括电源610、负载器件612和电源接口装置614，电源接口装置614将电源610连接到输出端子622处的负载器件612。电源接口装置614包括主开关变换器616、辅助开关变换器618、反馈和补偿电路630、主控制电路632、辅助控制电路634、低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)和瞬态检测电路640。主开关变换器616、辅助开关变换器618、反馈和补偿电路630、主控制电路632、低通滤波器和高通滤波器分别类似于图2所示的主开关变换器216、辅助开关变换器218、反馈和补偿电路230、主控制电路232、低通滤波器和高通滤波器。因此，为了描述简洁，上述器件未详细描述。
瞬态检测电路640配置为确定何时使辅助控制电路634控制辅助开关变换器618，以向输出端子622提供高频电流或者从输出端子622吸收高频电流。在一个实施方式中，瞬态检测电路640配置为从高通滤波器接收瞬态信号ITH的高频分量ITHAC，并当瞬态信号ITH的高频分量ITHAC落在由两个阈值确定的窗口之外时输出使能信号，以及当瞬态信号ITH的高频分量ITHAC位于窗口内时输出非使能信号。
辅助控制电路634可包括电流模式控制电路，该电流模式控制电路配置为生成用于辅助开关变换器618的PWM信号。辅助控制电路634配置为根据使能信号激活辅助开关变换器618，以在瞬态期间向输出端子622提供电流或者从输出端子622吸收电流。辅助控制电路634配置为根据非使能信号使辅助开关变换器618失效。当失效时，辅助开关变换器618关闭且开关断开。
图7示出了图6所示的具有快速瞬态响应的供电系统600的示例性电路实现700。如图所示，该电路实现700的电源接口包括电源710、负载器件712和将电源710连接到负载器件712的电源接口装置714。电源接口装置714包括多个主开关变换器716以及辅助开关变换器718，多个主开关变换器716和辅助开关变换器718彼此并联连接。电源接口装置714还包括反馈和补偿电路730、主控制电路732、辅助控制电路734、以及高通滤波器736和瞬态检测电路740。
主开关变换器716、辅助开关变换器718、反馈和补偿电路730、主控制电路732和高通滤波器736分别类似于主开关变换器316、辅助开关变换器318、反馈和补偿电路330、主控制电路332、高通滤波器336。因此，为了描述简洁，上述器件未详细描述。
瞬态检测电路740一端连接到高通滤波器736的输出端，另一端连接到辅助控制电路734。瞬态检测电路740包括噪声滤波器742、第一比较器744、第二比较器746和逻辑电路748。噪声滤波器742包括电阻器Rf2和电容器Cf2。在一个实施方式中，电阻器Rf2具有1千欧姆的电阻，电容器Cf2为有1nF的电容。噪声滤波器742配置为将噪声从瞬态信号ITH的高频分量ITHAC中滤除。该噪声可具有比瞬态信号ITH的高频分量ITHAC高的频率。
第一比较器744配置为：将瞬态信号ITH的高频分量ITHAC与第一阈值Vth1进行比较，如果高频分量ITHAC小于第一阈值Vth1，则输出第一使能信号。第二比较器746配置为：将瞬态信号ITH的高频分量ITHAC与第二阈值Vth2进行比较，如果高频分量ITHAC大于第二阈值Vth2，则输出第二使能信号。
图8示出了图7所示的示例性第一阈值Vth1和第二阈值Vth2。如图所示，第一阈值Vth1和第二阈值Vth2配置为提供运行窗口810，使得当瞬态信号ITH的高频分量ITHAC落在运行窗口810之外时，要么生成第一使能信号812要么生成第二使能信号814。如图所示，第一阈值Vth1低于第二阈值Vth2。第一比较器744配置为：如果高频分量ITHAC高于第一阈值Vth1，则输出第一非使能信号。第二比较器746配置为：如果高频分量ITHAC低于第二阈值Vth2，则输出第二非使能信号。
再次参见图7，逻辑门748可以是或(OR)逻辑门，并可配置为根据接收的第一使能信号或第二使能信号输出使能信号。此外，逻辑门748可配置为根据接收的第一非使能信号和第二非使能信号输出非使能信号。使能信号和非使能信号被输出到辅助控制电路734。根据接收的使能信号，辅助控制电路734使辅助开关变换器718通过追踪瞬态信号ITH的高频分量ITHAC，向输出端子722提供电流或从输出端子722吸收电流。根据接收的非使能信号，辅助控制电路734使辅助开关变换器718失效。在非使能模式下，开关718a和718b均可断开，且辅助开关变换器718可不提供或吸收电流。
图9示出了图7所示的辅助控制电路734的示例性电路实现900。电路900包括偏移电压源910、偏移电压源912、第一比较器914、第二比较器916和逻辑电路918。电路900接收来自瞬态检测电路740的瞬态信号ITH的高频分量ITHAC。然后该高频分量ITHAC被偏移电压910、912偏移，以产生Vpeak和Vbottom。在一个具体示例中，偏移电压可对应4毫伏。
还参见图10，Vbottom和Vpeak限定运行窗口1010，感测到的电感器718c电压1012可在该运行窗口内振荡。峰值电压Vpeak输入到第一比较器914的反相端子。第一比较器914在其非反相端子处接收辅助电感器718c的感测到的电压。第一比较器914可配置为将峰值电压Vpeak与辅助开关变换器718的感测到的电感器718c电压进行比较，并在确定感测到的电感器718c电压1012对应于峰值电压Vpeak时输出复位信号。第二比较器916可配置为将底部电压Vbottom与辅助开关变换器718的感测到的电感器718c电压进行比较，并在确定感测到的电感器718c电压1012对应于底部电压Vbottom时输出设置信号。
逻辑电路918配置为分别接收来自比较器916和比较器918的设置信号和复位信号，以及来自瞬态检测电路740的使能信号。作为响应，逻辑电路918可产生用于驱动辅助开关变换器718的脉宽调制信号1014。脉宽调制信号1014可包括高信号1014a和低信号1014b。高信号1014a可响应于使能信号和设置信号而产生，以接通开关718a并断开开关718b，以将电流从电源710提供到输出端子722。设置信号可在逻辑电路918的输出端被评估(asserted)，直至该复位信号被第一比较器914激活。类似地，复位信号可在逻辑电路918的输出端被评估，直至设置信号被第二比较器916激活。低信号1014b可响应于使能信号和复位信号而产生，以断开开关718a并接通开关718b，以将电流从输出端子722吸收到接地端子。
以这种方式，瞬态期间，当瞬态检测电路740发出使能信号时，辅助控制电路734产生PWM信号1014。PWM信号1014使辅助开关变换器718产生电感器电压1012，电感器电压1012在Vpeak和Vbottom之间振荡。然而，当瞬态检测电路740发出非使能信号时，辅助控制电路734不发出PWM信号1014。结果是，辅助开关变换器718保持关闭。为此，供电系统700辅助控制电路734的控制调制不同于供电系统300辅助控制电路334的控制调制。辅助控制电路334的控制调制使用峰值电流控制辅助开关变换器。顶部开关318a可在时钟周期的起点接通，占空比增加直到达到峰值电流。一旦达到峰值电流，顶部开关318a断开且辅助开关变换器318基于其初始占空比继续运行。在辅助控制电路734的控制调制中，顶部开关718a的接通和断开均通过Vpeak和Vbottom的使用而控制。以这种方式，可以减少或消除辅助控制电路734中与辅助控制电路334的控制调制相关的时钟延迟。
上述实施方式中，瞬态期间仅辅助开关变换器起作用。因此，在不牺牲本方案瞬态性能的条件下使稳态中与辅助开关变换器信道相关的功率损耗最小化。在本实施方式中，稳态纹波可不受辅助开关变换器信道的影响。由于功率损耗降低，因此辅助开关变换器信道的大小可进一步减小，以节约成本并减少方案尺寸。空心电感器由于电感小而可用于辅助开关变换器。
在一个具体示例中，供电系统300可配置为满足以下条件：
电源Vin＝12V
输出电压Vout＝0.85V
主开关变换器的数量＝4
辅助开关变换器的数量＝1
主开关变换器的开关频率FSW-DC＝500kHz
辅助开关变换器的开关频率FSW-AC＝2MHz
主开关变换器的电感＝220nH(每相)
辅助开关变换器的电感＝50nH
输出电容Co＝16*220μF。
图11A和图11B示出了(i)第一供电系统、(ii)图3所示的第二供电系统300和(iii)图7所示的第三供电系统700之间响应于1微秒内25A负载电流阶跃的示例性负载瞬态仿真波形的对比，第一供电系统具有四个主开关变换器，第二供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第三供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器。图11A比较了第一供电系统、第二供电系统300、以及第三供电系统700的输出电压峰值。如图所示，第一供电系统的输出电压峰值大体上高于第二和第三供电系统的输出电压峰值。第二和第三供电系统的输出电压峰值大体上相同。如此，供电系统700可获得与供电系统300相同的瞬态改进，但具有更高的能效，这是由于供电系统700在瞬态期间仅运行辅助开关变换器718以节约稳态功率。另外，可以实现辅助开关变换器718的开/关期间的平滑过渡。
图11B比较了供电系统300与供电系统700中瞬态期间的高频电感器电流。该高频电流由辅助开关变换器318和718响应于高频分量ITHAC而产生。该高频电流追踪高频分量ITHAC。为此，辅助开关变换器318和718可仅在瞬态期间提供或吸收电流(例如，响应于负载阶跃的上升沿而提供电流，响应于负载阶跃的下降沿而吸收电流)。如图所示，由辅助开关变换器318和718提供的高频电流波形大体上相同。
图12A和图12B示出了(i)第一供电系统、(ii)图3所示的第二供电系统和(iii)图7所示的第三供电系统响应于5微秒内10％的电压阶跃的示例性电压阶跃仿真波形之间的对比，第一供电系统具有四个主开关变换器，第二供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器，第三供电系统具有四个主开关变换器和一个辅助开关变换器。如图12A所示，供电系统300和700的电压过冲和电压下冲均被最小化。如图12B所示，供电系统300和700的高频电流大体上相同。
虽然前面已经描述了认定的最佳实施方式和/或其它示例，应当理解，可以在其中做出各种修改，并且本文公开的主题可以以各种形式和示例来实施，并且教导可被应用到许多应用中，其中只有一些已在本文中描述。所附权利要求旨在要求落在本教导的真正范围内的任何和所有应用、修改和变化。
除非另有说明，在该说明书所陈述的以及包含在所附权利要求中的所有的测量、值、率、位置、量级、尺寸和其他说明都是大概的，而不是精确的。它们旨在具有与功能一致的合理的范围，所述功能与它们相关并符合所属领域中的习惯。
保护范围仅由所附的权利要求限定。当根据说明书和随后的起诉解释时，该范围旨在并且应当被解释为尽可能的宽且与权利要求中所使用的语言的普通含义一致，除非已经阐述了特定含义，且旨在并应当被解释为包含所有的结构和功能等价物。所有的权利要求都不旨在涵盖不满足专利法101、102或103章节所要求的主题，也不应当以这种方式来解释。这些主题的任何非故意涵盖在此澄清。
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应当理解，在本文中所使用的术语和表述具有通常的含义，就像与相关的各个研究和学习领域一致的这些术语和表述的含义，除非在此特别说明。相关术语例如“第一”和“第二”等可仅用于从一个实体或功能中区分另一个，而不一定要求或暗示这些实体或功能任何这种实际的关系或顺序。术语“包含”、“包括”，或其任何其他变化均旨在涵盖非排他性的包括，使得包含的要素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素，而是可以包括这些过程、方法、物品或装置中未明确列出的或固有的元素。由“一”或“一个”(“a”或“an”)开始的要素，没有进一步的限制，不应该排除包含该要素的过程、方法、物品或装置中的其他额外的相同要素的存在。
本公开的摘要被提供以允许读者快速地确定本技术公开的本质。它被提交为不会被用于解释或限制权利要求的范围或含义的理解。另外，在前面的详细说明书中，可以看出，在各种实施例中各种特征组合在一起的目的是使本公开流畅。这种公开方法不应当被解释为反映以下意图：权利要求要求比每个权利要求里明确陈述的特征更多的特征。而是，如所附的权利要求所反映的，发明主题在于减少单个公开示例的所有特征。因此，所附权利要求由此被合并到详细说明书中，每项权利要求自身作为单独要求保护的主题。

Claims (22)

1.一种电源接口装置，其特征在于，所述电源接口装置包括：
主开关变换器，所述主开关变换器耦合到输入端子和输出端子并配置为以第一开关频率运行，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子；
辅助开关变换器，所述辅助开关变换器耦合到所述输入端子和所述输出端子，与所述主开关变换器并联，并配置为以高于所述第一开关频率的第二开关频率运行，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子；
反馈电路，所述反馈电路配置为感测所述输出端子处的输出电压，并基于感测到的输出电压和基准电压输出瞬态信号；
瞬态检测电路，所述瞬态检测电路配置为检测所述瞬态信号的高频分量何时超出一运行窗口；和
辅助控制电路，所述辅助控制电路可操作地耦合到所述瞬态检测电路，并配置为在所述输出端子处检测到的负载瞬变的期间，在所述瞬态信号的高频分量超出所述运行窗口时，激活所述辅助开关变换器，以将电流从所述输入端子供应到所述输出端子，并配置为在所述高频分量未超出所述运行窗口时，使所述辅助开关变换器失效。
2.根据权利要求1所述的电源接口装置，其特征在于，所述瞬态检测电路包括：
第一比较器，所述第一比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第一阈值进行比较，如果所述高频分量低于所述第一阈值则输出第一使能信号；
第二比较器，所述第二比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第二阈值进行比较，如果所述高频分量高于所述第二阈值则输出第二使能信号；以及
逻辑门，所述逻辑门配置为一旦接收到所述第一使能信号或者所述第二使能信号，向所述辅助控制电路发送信号以激活所述辅助开关变换器。
3.根据权利要求2所述的电源接口装置，其特征在于，
所述第一阈值低于所述第二阈值，
所述第一比较器配置为，如果所述高频分量高于所述第一阈值则输出第一非使能信号，
所述第二比较器配置为，如果所述高频分量低于所述第二阈值则输出第二非使能信号，以及
所述逻辑门配置为，一旦接收到所述第一非使能信号和所述第二非使能信号，向所述辅助控制电路发送信号，以使所述辅助开关变换器失效。
4.根据权利要求2或3所述的电源接口装置，其特征在于，所述辅助控制电路包括：
第三比较器，所述第三比较器配置为将峰值电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并且一旦确定所述感测到的电感器电压对应于所述峰值电压，就输出复位信号；
第四比较器，所述第四比较器配置为将底部电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并且一旦确定所述感测到的电感器电压对应于所述底部电压，就输出设置信号；和
第二逻辑电路，所述第二逻辑电路配置为接收所述设置信号、所述复位信号、所述第一使能信号和所述第二使能信号，并且作为响应，产生用于驱动所述辅助开关变换器的脉宽调制信号。
5.根据权利要求4所述的电源接口装置，其特征在于，
所述脉宽调制信号包括激活信号和失效信号，
所述激活信号使得所述辅助开关变换器将电流从所述输入端子供应到所述输出端子，以及
所述失效信号使得所述辅助开关变换器将电流从所述输出端子吸收到接地端子。
6.根据权利要求4所述的电源接口装置，其特征在于，所述电源接口装置还包括：
缓冲器，所述缓冲器配置为提供从所述反馈电路到所述辅助控制电路的电阻抗变换；
低通滤波器，所述低通滤波器配置为输出所述瞬态信号的低频分量；和
增益放大器，所述增益放大器配置为接收所述瞬态信号和所述瞬态信号的低频分量，并输出所述瞬态信号的高频分量。
7.根据权利要求4所述的电源接口装置，其特征在于，所述辅助控制电路包括电流模式控制电路。
8.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，所述主开关变换器和所述辅助开关变换器包括电流模式开关稳压器。
9.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，所述主开关变换器和所述辅助开关变换器包括降压电流模式开关稳压器，所述降压电流模式开关稳压器配置为将所述输入端子的高输入电压转换为低电压，所述低电压为所述输出电压。
10.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，
所述主开关变换器包括第一主开关、第二主开关和主电感器，
所述第一主开关的一端耦合至所述输入端子，另一端耦合至主节点，
所述第二主开关的一端耦合至所述主节点，另一端耦合至接地端子，以及
所述主电感器的一端耦合至所述主节点，另一端耦合至所述输出端子。
11.根据权利要求10所述的电源接口装置，其特征在于，
所述辅助开关变换器包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器，
所述第一辅助开关的一端耦合至所述输入端子，另一端耦合至辅助节点，
所述第二辅助开关的一端耦合至所述辅助节点，另一端耦合至所述接地端子，以及
所述辅助电感器的一端耦合至所述辅助节点，另一端耦合至所述输出端子。
12.根据权利要求11所述的电源接口装置，其特征在于，
所述辅助开关变换器配置为在所述输出端子处检测到的负载瞬变的期间提供快速瞬态高频电流，并在所述负载瞬变之外，提供快速瞬态高频电流以及大体上为零的低频电流，以及
所述负载瞬变包括负载电流的突然增加或者突然减少。
13.根据权利要求11所述的电源接口装置，其特征在于，所述第一主开关和第二主开关以及所述第一辅助开关和第二辅助开关均包括场效应晶体管FET开关。
14.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，
所述反馈电路包括配置为感测所述输出电压并产生反馈电压的多个电阻和电容，以及
所述反馈电路包括误差放大器，所述误差放大器配置为接收所述反馈电压和所述基准电压，并当所述反馈电压与所述基准电压大体上彼此不相等时产生瞬态信号。
15.根据权利要求14所述的电源接口装置，其特征在于，所述电源接口装置还包括：
低通滤波器，所述低通滤波器配置为接收所述瞬态信号并输出所述瞬态信号的低频分量；和
主控制电路，所述主控制电路配置为基于所述瞬态信号的低频分量控制所述主开关变换器。
16.根据权利要求15所述的电源接口装置，其特征在于，
所述主控制电路包括主比较器电路，所述主比较器电路配置为将所述瞬态信号的低频分量与所述主开关变换器提供的感测到的低频电感器电压进行比较，并产生用于驱动所述主开关变换器的主脉宽信号，以及
所述主脉宽信号使所述主开关变换器能够将追踪所述瞬态信号的低频分量的低频电流供应到所述输出端子。
17.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，检测所述瞬态信号的高频分量何时超出一运行窗口包括：所述瞬态检测电路将所述高频分量与由第一阈值和第二阈值限定的运行窗口范围进行比较，并且当所述瞬态信号的高频分量超出所述运行窗口范围时，使所述辅助控制电路激活所述辅助开关变换器，并在所述瞬态信号的高频分量保持在所述运行窗口范围之内时，使所述辅助控制电路使所述辅助开关变换器失效。
18.根据权利要求1-3任一项所述的电源接口装置，其特征在于，所述电源接口装置还包括：
一个或多个滤波器电路，所述一个或多个滤波器电路配置为将所述瞬态信号分离为高频分量和低频分量，
其中，所述瞬态检测电路检测所述瞬态信号的高频分量何时超出一运行窗口包括：检测所述瞬态信号的高频分量何时超过所述运行窗口，以及
其中，所述瞬态检测电路还包括噪声滤波器，所述噪声滤波器配置为将噪声从所述瞬态信号的高频分量中滤除。
19.一种供电系统，其特征在于，所述供电系统包括：
电源端子，所述电源端子配置为连接到一电源；
负载端子，所述负载端子配置为连接到一负载器件，且配置为从所述电源接收功率；和
电源接口装置，所述电源接口装置配置为可操作地将所述电源连接至所述负载器件，并将所述电源在所述电源端子处提供的第一电压变换为用于运行所述负载器件的第二电压，其中，所述电源接口装置包括：
主开关变换器，所述主开关变换器耦合至所述电源端子和所述负载端子，并配置为以第一开关频率运行，以将电流从所述电源供应至所述负载器件；
辅助开关变换器，所述辅助开关变换器耦合到所述电源端子和所述负载端子，与所述主开关变换器并联，并配置为以高于所述第一开关频率的第二开关频率运行，以将电流从所述电源供应到所述负载器件；
反馈电路，所述反馈电路配置为感测所述负载端子处的输出电压，并基于所感测的输出电压和基准电压输出瞬态信号；
瞬态检测电路，所述瞬态检测电路配置为检测所述瞬态信号的高频分量何时超过一运行窗口；和
辅助控制电路，所述辅助控制电路可操作地耦合到所述瞬态检测电路，并配置为在所述负载端子处检测到的负载瞬变的期间，在所述瞬态信号的高频分量超出所述运行窗口时，激活所述辅助开关变换器，以将电流从所述电源端子供应到所述负载端子，并配置为在所述高频分量未超出所述运行窗口时，使所述辅助开关变换器失效。
20.根据权利要求19所述的供电系统，其特征在于，所述瞬态检测电路包括：
第一比较器，所述第一比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第一阈值进行比较，如果所述高频分量低于所述第一阈值则输出第一使能信号；
第二比较器，所述第二比较器配置为将所述瞬态信号的高频分量与第二阈值进行比较，如果所述高频分量高于所述第二阈值则输出第二使能信号；和
逻辑门，所述逻辑门配置为一旦接收到所述第一使能信号或者所述第二使能信号，则使所述辅助控制电路使所述辅助开关变换器失效。
21.根据权利要求20所述的供电系统，其特征在于，
所述第一阈值和所述第二阈值配置为提供运行窗口，使得当所述瞬态信号的高频分量超出所述运行窗口时产生所述第一使能信号或者所述第二使能信号，
所述第一阈值低于所述第二阈值，
所述第一比较器配置为，如果所述高频分量高于所述第一阈值则输出第一非使能信号，
所述第二比较器配置为，如果所述高频分量低于所述第二阈值则输出第二非使能信号，以及
所述逻辑门配置为，一旦接收到所述第一非使能信号和所述第二非使能信号，则使所述辅助控制电路使所述辅助开关变换器失效。
22.根据权利要求21所述的供电系统，其特征在于，所述辅助控制电路包括：
第三比较器，所述第三比较器配置为将峰值电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并且一旦确定所述感测到的电感器电压对应于所述峰值电压，就输出复位信号；
第四比较器，所述第四比较器配置为将底部电压与所述辅助开关变换器的感测到的电感器电压进行比较，并且一旦确定所述感测到的电感器电压对应于所述底部电压，就输出设置信号；和
第二逻辑电路，所述第二逻辑电路配置为接收所述设置信号、所述复位信号、所述第一使能信号和所述第二使能信号，并且作为响应，产生用于驱动所述辅助开关变换器的脉宽调制信号。
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