CN107482914A - 多相开关变换器及其控制电路和均流方法 - Google Patents
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Abstract
公开了多相开关变换器及其控制电路和均流方法。该均流方法包括：基于反馈电压信号和参考电压信号产生误差放大信号；产生分别代表第一和第二开关电路输出电流的第一电压信号和第二电压信号，并产生代表两者平均值的平均电压信号；基于平均电压信号和第一电压信号产生第一调节电压信号；以及将误差放大信号与第一调节电压信号之和与代表流过第一开关电路中晶体管的电流的第一电流采样信号进行比较，并根据比较结果控制第一开关电路中的晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其涉及多相开关变换器及其控制电路和均流方法。
背景技术
开关电源系统中，由于多相开关变换器可以提供更大的电流，且可以降低输出电流纹波、减小输出电容体积、优化热和功率分布，因此被广泛运用在中大功率场合。但是，由于每一相电路的负载特性以及控制参数上存在的偏差，各相电路的输出电流存在不同，这会影响输出电流纹波，同时也不利于系统的稳定运行。因此，常常需要对各相电路进行均流控制。
发明内容
本发明申请的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种用于多相开关变换器的控制电路，其中多相开关变换器包括并联连接的第一开关电路和第二开关电路。该控制电路包括：误差放大电路，基于参考电压信号和代表开关变换器输出电压的反馈电压信号产生误差放大信号；第一电流采样电路，耦接至第一开关电路，产生代表第一开关电路输出电流的第一电压信号；第一电流平均电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一电流采样电路以接收第一电压信号；第二电流采样电路，耦接至第二开关电路，产生代表第二开关电路输出电流的第二电压信号；第二电流平均电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电流采样电路以接收第二电压信号，输出端耦接至第一电流平均电路的输出端，以产生代表第一电压信号与第二电压信号平均值的平均电压信号；第一放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电流平均电路和第二电流平均电路的输出端以接收平均电压信号，第二输入端耦接至第一电流采样电路以接收第一电压信号，输出端通过第一电阻器耦接至误差放大信号；第一比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一放大器的输出端，第二输入端接收代表流过第一开关电路中晶体管电流的第一电流采样信号，输出端提供第一比较信号；以及第一逻辑电路，耦接至第一比较电路的输出端，基于第一比较信号产生第一控制信号，以控制第一开关电路中的晶体管。
本发明还提出一种多相开关变换器，包括：输入端口，接收输入电压；输出端口，提供输出电压；第一开关电路和第二开关电路，并联耦接在输入端口与输出端口之间，其中第一开关电路和第二开关电路均包括晶体管；反馈电路，耦接至输出端口，产生代表输出电压的反馈电压信号；以及如前所述的控制电路。
根据本发明实施例的一种多相开关变换器的均流方法，其中多相开关变换器包括并联耦接的第一开关电路和第二开关电路，该均流方法包括：产生代表开关变换器输出电压的反馈电压信号；基于反馈电压信号和参考电压信号，产生误差放大信号；产生代表第一开关电路输出电流的第一电压信号；产生代表第二开关电路输出电流的第二电压信号；产生代表第一电压信号与第二电压信号平均值的平均电压信号；基于平均电压信号和第一电压信号，产生第一调节电压信号；将误差放大信号与第一调节电压信号之和同代表流过第一开关电路中晶体管电流的第一电流采样信号进行比较，产生第一比较信号；以及基于第一比较信号产生第一控制信号，以控制第一开关电路中的晶体管。
本发明的实施例根据代表各相电路输出电流的输出电流采样信号产生平均电压信号，并分别基于各输出电流采样信号与平均电压信号之间的差值调整各相电路的控制信号，最终达到均流的目的。
附图说明
图1为根据本发明实施例的多相开关变换器100的示意性框图；
图2为根据本发明实施例的多相开关变换器100A的电路原理图；
图3为根据本发明实施例的多相开关变换器100B的电路原理图；
图4为根据本发明实施例的多相开关变换器100C的示意性框图；
图5为根据本发明实施例的多相开关变换器200的示意性框图；
图6为根据本发明实施例的多相开关变换器的均流方法的工作流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的多相开关变换器100的示意性框图。该开关变换器100包括用于接收输入电压VIN的输入端口、用于提供输出电压VOUT的输出端口、并联耦接在输入端口与输出端口之间的第一开关电路101和第二开关电路102、以及其它用于控制第一开关电路101和第二开关电路102的控制电路。第一开关电路101和第二开关电路102具有相同的电路结构，可以采用BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、FLYBACK、FORWARD等直流/直流变换器拓扑，其中的晶体管一般为诸如MOSFET之类的可控半导体晶体管。
反馈电路103耦接至输出端口，产生代表输出电压VOUT的反馈电压信号VFB。误差放大电路104耦接至反馈电路103，基于反馈电压信号VFB和参考电压信号VREF产生误差放大信号EAO。误差放大电路104可以包括普通运算放大器或者跨导运算放大器。
第一电流采样电路105耦接至第一开关电路101，产生代表第一开关电路输出电流Io1的输出电流采样信号，即电压信号V1。第一电流平均电路106具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一电流采样电路105以接收电压信号V1。第二电流采样电路108耦接至第二开关电路102，产生代表第二开关电路输出电流Io2的输出电流采样信号，即电压信号V2。第二电流平均电路107具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电流采样电路108以接收电压信号V2，输出端耦接至第一电流平均电路106的输出端，以产生代表电压信号V1与V2的平均值的平均电压信号VAVG。电流采样电路105和108可以通过采样电阻器、电流放大器、电流镜等分别对输出电流Io1、Io2进行直接或者间接的采样。电流平均电路106和107可以包括大阻值(例如几十千欧)的电阻器，或者由电阻器和电容器组成的滤波器。
放大器GM1具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电流平均电路106和第二电流平均电路107的输出端以接收平均电压信号VAVG，第二输入端耦接至第一电流采样电路105以接收电压信号V1，输出端通过电阻器R1耦接至误差放大信号EAO。第一比较电路110具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至放大器GM1的输出端，第二输入端接收代表流过第一开关电路101中晶体管电流的第一电流采样信号VCS1，输出端提供第一比较信号CO1。第一逻辑电路109耦接至第一比较电路110的输出端，基于第一比较信号CO1产生第一控制信号CTRL1，以控制第一开关电路101中的晶体管。
放大器GM2具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电流平均电路106和第二电流平均电路107的输出端以接收平均电压信号VAVG，第二输入端耦接至第二电流采样电路108以接收电压信号V2，输出端通过电阻器R2耦接至误差放大信号EAO。第二比较电路111具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至放大器GM2的输出端，第二输入端接收代表流过第二开关电路102中晶体管电流的第二电流采样信号VCS2，输出端提供第二比较信号CO2。第二逻辑电路112耦接至第二比较电路111的输出端，基于第二比较信号CO2产生第二控制信号CTRL2，以控制第二开关电路102中的晶体管。
放大器GM1和GM2可以为具有相同增益的跨导运算放大器，分别将输入差分电压转换为输出电流。假设前述增益为gm，则放大器GM1的输出电流Ia1可以表示为：
Ia1＝(VAVG-V1)*gm
则放大器GM1输出端的电压，即提供至第一比较电路110第一输入端的电压EAO1可以表示为：
EAO1＝EAO+Ia1*R1＝EAO+(VAVG-V1)*gm*R1
同理，提供至第二比较电路111第一输入端的电压EAO2可以表示为：
EAO2＝EAO+(VAVG-V2)*gm*R2
图1所述系统根据电压信号V1、V2与VAVG之间的差值分别产生调节电压信号(VAVG-V1)*gm*R1和(VAVG-V2)*gm*R2，在误差放大信号EAO的基础上进行微调，从而调整控制信号CTRL1和CTRL2，并最终改变第一开关电路101和第二开关电路102的输出电流。举例而言，若电压信号V1大于平均电压信号VAVG，则信号EAO1减小，导致控制信号CTRL1的频率或占空比减小，最终使得第一开关电路101的输出电流Io1降低。在放大器GM1和GM2和相关电路的作用下，电压信号V1和V2最终会被调节至与平均电压信号VAVG相等，从而使输出电流Io1与Io2相等，实现开关电路101和102的均流。
图2为根据本发明实施例的多相开关变换器100A的电路原理图，其中开关电路101A和102A采用同步BUCK结构。开关电路101A包括晶体管S1、S2和电感器L1，开关电路102A包括晶体管S3、S4和电感器L2。反馈电路103A由电阻分压器组成，误差放大电路104A包括误差放大器EA、由电阻器和电容器组成的阻抗网络以及耦接至误差放大器EA输出端的缓冲器，其连接如图所示。
第一电流采样电路105A包括运算放大器OP1和第一采样保持电路151。运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端分别耦接至晶体管S2两端，输出端提供代表流过晶体管S2电流的电流采样信号VCS1。第一采样保持电路151耦接至运算放大器OP1的输出端，根据控制信号CTRL1在晶体管S2导通时间的中点对电流采样信号VCS1进行采样和保持，产生电压信号V1。第一电流平均电路106A包括电阻器R3。第一比较电路110A包括比较器COM1，其中比较器COM1的同相输入端耦接至放大器GM1的输出端，反相输入端接收电流采样信号VCS1与斜坡补偿信号RAMP1之和。第一逻辑电路109A包括第一导通时间控制电路191和RS触发器FF1。第一导通时间控制电路191产生决定晶体管S1导通时间的第一导通时间控制信号COT1。触发器FF1的置位端S耦接至比较器COM1的输出端，复位端R耦接至第一导通时间控制电路191以接收第一导通时间控制信号COT1，输出端提供控制信号CTRL1。一般而言，在不考虑死区时间的情况下，当电流采样信号VCS1与斜坡补偿信号RAMP1之和小于信号EAO1时，晶体管S1导通，晶体管S2关断。当晶体管S1的导通时间达到第一导通时间控制电路191设置的时间阈值时，晶体管S1关断，而晶体管S2导通。若电压信号V1大于平均电压信号VAVG，则信号EAO1减小，晶体管S1的关断时间将变长，从而导致控制信号CTRL1的频率和占空比均减小，使第一开关电路101A的输出电流Io1降低。电压信号V1最终会被调节至与平均电压信号VAVG相等。
同样地，第二电流采样电路108A包括运算放大器OP2和第二采样保持电路181。第二电流平均电路107A包括电阻器R4。第二比较电路111A包括比较器COM2，第二逻辑电路112A包括第二导通时间控制电路1121和RS触发器FF2。其连接与功能与前述对应电路基本一致，在此不予赘述。
在一些实施例中，为了实现相位交错，多相开关变换器还包括分频电路113，该分频电路113根据时钟信号CLK产生分频信号CLK1和CLK2。对于双相电路而言，信号CLK1和CLK2具有180度的相位差。第一逻辑电路109A还包括第一锁相环(PLL,phase lock loop)电路192。该锁相环电路192具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收控制信号CTRL1，第二输入端接收分频信号CLK1，输出端耦接至第一导通时间控制电路191，产生时间调节信号TA1以调节第一导通时间控制信号COT1。通过调节第一导通时间控制电路191设置的时间阈值，第一锁相环电路192使控制信号CTRL1与分频信号CLK1保持基本相同的相位。同样地，第二逻辑电路112A也进一步包括第二锁相环电路1122，通过调节第二导通时间控制电路1121设置的时间阈值，使控制信号CTRL2与分频信号CLK2保持基本相同的相位。
图3为根据本发明实施例的多相开关变换器100B的电路原理图，与图2所示变换器100A相比，图3中的开关电路101B和102B采用了同步BOOST结构。开关电路101B包括晶体管S5、S6和电感器L3，开关电路102B包括晶体管S7、S8和电感器L4。第一电流采样电路105B包括运算放大器OP3和第一滤波电路152，运算放大器OP3的同相输入端和反相输入端分别耦接至晶体管S6两端，输出端提供代表流过晶体管S6电流的电流采样信号VCS1。第一滤波电路152对电流采样信号VCS1进行滤波，并将滤波后的信号作为电压信号V1提供至第一电流平均电路。同样地，第二电流采样电路108B包括运算放大器OP4和第二滤波电路182。运算放大器OP4的同相输入端和反相输入端分别耦接至晶体管S8两端，输出端提供代表流过晶体管S8电流的电流采样信号VCS2，该电流采样信号VCS2被进一步滤波，然后作为电压信号V2提供至第二电流平均电路。第一导通时间控制电路191和第二导通时间控制电路分别决定晶体管S5和S7的导通时间。
以第一开关电路101B为例，在不考虑死区时间的情况下，当电流采样信号VCS1与斜坡补偿信号RAMP1之和小于信号EAO1时，晶体管S5导通，晶体管S6关断。当晶体管S5的导通时间达到第一导通时间控制电路191设置的时间阈值时，晶体管S5关断，晶体管S6导通。在放大器GM1的作用下，电压信号V1最终会被调节至与平均电压信号VAVG相等。
图4为根据本发明实施例的多相开关变换器100C的示意性框图，与图2所示变换器100A相比，图4中的第一比较电路110C包括比较器COM3，第一逻辑电路109C包括RS触发器FF3。比较器COM3的同相输入端接收电流采样信号VCS1与斜坡补偿信号RAMP1之和，其中电流采样信号VCS1代表流过晶体管S1的电流。比较器COM3的反相输入端耦接至放大器GM1的输出端以接收信号EAO1，输出端提供第一比较信号CO1。触发器FF3的置位端S耦接至分频电路113以接收分频信号CLK1，复位端R耦接至比较器COM3的输出端，输出端提供控制信号CTRL1。在分频信号CLK1的上升沿或者下降沿，晶体管S1导通，晶体管S2关断。当电流采样信号VCS1与斜坡补偿信号RAMP1之和大于信号EAO1时，晶体管S1关断，晶体管S2导通。
同样地，第二比较电路111C包括比较器COM4，第二逻辑电路112C包括RS触发器FF4，其连接如图所示。图中，电流采样信号VCS2代表流过晶体管S3的电流。
尽管前述实施例均以双相开关变换器为例，但本领域技术人员可以理解，本发明也可以被用于包含三相或更多相的开关变换器中。此外，图2-4实施例中采用的谷值电流控制方式和定频峰值电流控制方式也并不用于限制本发明，其他合适的控制方式也同样适用。
前述实施例中，各相电路均将其输出电流采样信号与平均电压信号进行比较，以调节其控制信号，然而本领域技术人员可以理解，在多相开关变换器中，并非每相电路均需如此。可以将某相电路作为主开关电路，而其它相电路作为从开关电路。在这种情况下，仅仅从开关电路需要采用前述均流方法，使其输出电流对主开关电路的输出电流加以跟随。如图5所示，第二开关电路102为主开关电路，而第一开关电路101为从开关电路。与图1所示实施例相比，图5中放大器GM2与电阻器R2被省略，第二比较电路111的第一输入端耦接至误差放大电路104以接收误差放大信号EAO。
图6为根据本发明实施例的多相开关变换器的均流方法的工作流程图，包括步骤S601-S608。
在步骤S601，产生代表开关变换器输出电压的反馈电压信号。
在步骤S602，基于反馈电压信号和参考电压信号，产生误差放大信号。
在步骤S603，产生代表第一开关电路输出电流的第一电压信号。
在步骤S604，产生代表第二开关电路输出电流的第二电压信号。
在步骤S605，产生代表第一电压信号与第二电压信号的平均值的平均电压信号。
在步骤S606，基于平均电压信号和第一电压信号，产生第一调节电压信号。
在步骤S607，将误差放大信号与第一调节电压信号之和同第一电流采样信号进行比较，产生第一比较信号。其中，第一电流采样信号代表流过第一开关电路中晶体管的电流。
在步骤S608，基于第一比较信号产生第一控制信号，以控制第一开关电路中的晶体管。
在一些实施例中，前述均流方法还包括步骤S609-S611。在步骤S609，基于平均电压信号和第二电压信号，产生第二调节电压信号。
在步骤S610，将误差放大信号与第二调节电压信号之和同第二电流采样信号进行比较，产生第二比较信号。其中，第二电流采样信号代表流过第二开关电路中晶体管的电流。
在步骤S611，基于第二比较信号产生第二控制信号，以控制第二开关电路中的晶体管。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种用于多相开关变换器的控制电路，其中多相开关变换器包括并联连接的第一开关电路和第二开关电路，该控制电路包括：
误差放大电路，基于参考电压信号和代表开关变换器输出电压的反馈电压信号产生误差放大信号；
第一电流采样电路，耦接至第一开关电路，产生代表第一开关电路输出电流的第一电压信号；
第一电流平均电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一电流采样电路以接收第一电压信号；
第二电流采样电路，耦接至第二开关电路，产生代表第二开关电路输出电流的第二电压信号；
第二电流平均电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电流采样电路以接收第二电压信号，输出端耦接至第一电流平均电路的输出端，以产生代表第一电压信号与第二电压信号平均值的平均电压信号；
第一放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电流平均电路和第二电流平均电路的输出端以接收平均电压信号，第二输入端耦接至第一电流采样电路以接收第一电压信号，输出端通过第一电阻器耦接至误差放大信号；
第一比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一放大器的输出端，第二输入端接收代表流过第一开关电路中晶体管电流的第一电流采样信号，输出端提供第一比较信号；以及
第一逻辑电路，耦接至第一比较电路的输出端，基于第一比较信号产生第一控制信号，以控制第一开关电路中的晶体管。
2.如权利要求1所述的控制电路，还包括：
第二放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一电流平均电路和第二电流平均电路的输出端以接收平均电压信号，第二输入端耦接至第二电流采样电路以接收第二电压信号，输出端通过第二电阻器耦接至误差放大信号；
第二比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第二放大器的输出端，第二输入端接收代表流过第二开关电路中晶体管电流的第二电流采样信号，输出端提供第二比较信号；以及
第二逻辑电路，耦接至第二比较电路的输出端，基于第二比较信号产生第二控制信号，以控制第二开关电路中的晶体管。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中第一逻辑电路包括：
第一导通时间控制电路，产生决定第一开关电路中晶体管导通时间的第一导通时间控制信号；
第一触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一比较电路的输出端，第二输入端耦接至第一导通时间控制电路以接收第一导通时间控制信号，第一触发器基于第一比较信号和第一导通时间控制信号，在输出端产生第一控制信号；以及
第一锁相环电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一触发器的输出端，第二输入端接收第一分频信号，输出端耦接至第一导通时间控制电路，第一锁相环电路基于第一控制信号和第一分频信号，对第一导通时间控制信号进行调节。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中第一电流采样电路包括：
第一运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端和第二输入端分别耦接至第一开关电路中晶体管的两端，输出端提供第一电流采样信号；以及
第一采样保持电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一运算放大器的输出端，第二输入端耦接至第一逻辑电路，第一采样保持电路基于第一控制信号对第一电流采样信号进行采样和保持，在输出端提供第一电压信号。
5.如权利要求1所述的控制电路，其中第一电流采样电路包括：
第一运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端和第二输入端分别耦接至第一开关电路中晶体管的两端，输出端提供第一电流采样信号；以及
第一滤波电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第一运算放大器的输出端，第一滤波电路对第一电流采样信号进行滤波，在输出端提供第一电压信号。
6.如权利要求1所述的控制电路，其中误差放大电路包括：
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈电路以接收反馈电压信号，第二输入端接收参考电压信号；
阻抗网络，耦接在误差放大器输出端与参考地之间；以及
缓冲器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至误差放大器的输出端，输出端提供误差放大信号。
7.一种多相开关变换器，包括：
输入端口，接收输入电压；
输出端口，提供输出电压；
第一开关电路和第二开关电路，并联耦接在输入端口与输出端口之间，其中第一开关电路和第二开关电路均包括晶体管；
反馈电路，耦接至输出端口，产生代表输出电压的反馈电压信号；以及
如权利要求1至6中任一项所述的控制电路。
8.一种多相开关变换器的均流方法，其中多相开关变换器包括并联耦接的第一开关电路和第二开关电路，该均流方法包括：
产生代表开关变换器输出电压的反馈电压信号；
基于反馈电压信号和参考电压信号，产生误差放大信号；
产生代表第一开关电路输出电流的第一电压信号；
产生代表第二开关电路输出电流的第二电压信号；
产生代表第一电压信号与第二电压信号平均值的平均电压信号；
基于平均电压信号和第一电压信号，产生第一调节电压信号；
将误差放大信号与第一调节电压信号之和同代表流过第一开关电路中晶体管电流的第一电流采样信号进行比较，产生第一比较信号；以及
基于第一比较信号产生第一控制信号，以控制第一开关电路中的晶体管。
9.如权利要求8所述的均流方法，还包括：
基于平均电压信号和第二电压信号，产生第二调节电压信号；
将误差放大信号与第二调节电压信号之和同代表流过第二开关电路中晶体管电流的第二电流采样信号进行比较，产生第二比较信号；以及
基于第二比较信号产生第二控制信号，以控制第二开关电路中的晶体管。
10.如权利要求8所述的均流方法，还包括：
将误差放大信号与代表流过第二开关电路中晶体管电流的第二电流采样信号进行比较，产生第二比较信号；以及
基于第二比较信号产生第二控制信号，以控制第二开关电路中的晶体管。
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