CN108173414B - 多相变换器及其负载电流瞬态上升检测方法 - Google Patents

多相变换器及其负载电流瞬态上升检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了多相变换器及其控制器、控制方法和负载电流瞬态上升检测方法。该控制方法包括：将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；基于负载电流决定进行功率运行的开关电路的数量；检测比较信号的周期；将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升；以及若检测到负载电流瞬态上升，使多个开关电路全都进入功率运行。

Description

多相变换器及其负载电流瞬态上升检测方法
技术领域
本发明涉及电子电路，更具体地说，涉及多相变换器及其控制器、控制方法和负载电流瞬态上升检测方法。
背景技术
在多相变换器中，为了优化效率，通常需要进行自动相位调整(auto-phaseshedding，也被称为切相)。在切相模式下，多相变换器根据负载电流的大小决定进行功率运行的相数。当负载电流较小时，多相变换器中仅部分开关电路进行功率运行。然而，若此时负载电流出现瞬态上升，由于负载电流采集中纹波过滤造成的时间延迟，多相变换器将不能及时响应负载的变化，导致输出电压上出现较大下冲。
发明内容
因此本发明的目的在于提出一种能快速响应负载瞬态上升情况的多相变换器及其控制器、控制方法和负载瞬态上升检测方法。
根据本发明的实施例，提出了一种多相变换器的控制方法，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该控制方法包括：将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；基于负载电流决定进行功率运行的开关电路的数量；检测比较信号的周期；将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升；以及若检测到负载电流瞬态上升，使多个开关电路全都进入功率运行。
根据本发明的实施例，还提出了一种多相变换器的控制器，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该控制器包括：比较单元，接收代表提供至负载的输出电压的反馈信号，并将反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；导通时间产生单元，产生导通时间阈值；负载电流比较单元，接收代表负载电流的负载电流采样信号，将负载电流采样信号分别与多个阈值电压进行比较，产生多个电流比较信号；周期检测单元，耦接至比较单元，检测比较信号的周期；瞬态检测单元，耦接至周期检测单元，将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升，产生瞬态检测信号；以及控制单元，耦接至比较单元、导通时间产生单元、负载电流比较单元和瞬态检测单元，基于比较信号、导通时间阈值、多个电流比较信号以及瞬态检测信号，产生控制信号以控制多个开关电路；其中当多相变换器工作于切相模式下，控制单元基于多个电流比较信号决定当前进行功率运行的开关电路的数量，使多个开关电路可以根据负载电流仅部分进行功率运行；当瞬态检测信号指示发生负载电流瞬态上升，多相变换器离开切相模式，控制单元使多个开关电路全部进入功率运行。
根据本发明的实施例，进一步提出了一种多相变换器，包括：多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路；以及如前所述的控制器。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于多相变换器的负载电流瞬态上升检测方法，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该检测方法包括：将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；检测比较信号的周期；产生多个时间阈值；根据当前进行功率运行的开关电路的数量，选择多个时间阈值中的一个；以及将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较，并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升。
根据本发明实施例的多相变换器将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号，并将检测到的比较信号的周期与时间阈值进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升。这样的检测方式简单、直接且高效，使多相变换器能在负载电流突然增大时迅速作出反应，为负载提供足够的能量。
附图说明
图1为根据本发明实施例的多相变换器100的电路结构示意图；
图2和3示出根据本发明实施例的多相变换器100在不同功率运行相数下的波形图；
图4示出根据本发明实施例的的控制单元106A的原理性示意图；
图5示出根据本发明实施例的子控制单元162_i的原理性示意图；
图6示出根据本发明实施例的的瞬态检测单元105A的原理性示意图；
图7示出根据本发明实施例的的瞬态检测单元105B的原理性示意图；
图8为根据本发明实施例的四相变换器100A的电路结构示意图；
图9为根据本发明实施例的多相变换器的控制方法的流程图。
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“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，多相变换器100包括N个开关电路(10-1、10-2、……、10-N)、比较单元101、导通时间产生单元102、负载电流比较单元103、周期检测单元104、瞬态检测单元105、控制单元106、反馈单元107以及电流采样单元108。开关电路(10-1、10-2、……、10-N)并联连接在输入电压Vin与负载之间，将输入电压Vin转换为输出电压Vout提供至负载。反馈单元107耦接至负载，产生代表输出电压Vout的反馈信号FB。电流采样单元108产生代表流过负载的电流Iout的负载电流采样信号ISEN。比较单元101耦接至反馈单元107，接收反馈信号FB，并将反馈信号FB与参考信号Vref进行比较，产生比较信号SET。
导通时间产生单元102产生导通时间阈值TON，以控制各开关电路在功率运行时内部相应晶体管的导通时间。导通时间阈值TON可被设置为恒定值，或与输入电压Vin和/或输出电压Vout有关的可变值。
负载电流比较单元103耦接至电流采样单元108，接收负载电流采样信号ISEN并将其分别与多个阈值电压(例如N个阈值电压Vth_1ph、Vth_2ph、……、Vth_Nph)进行比较，产生电流比较信号(LIS1、LIS2、……、LISN)。
周期检测单元104耦接至比较单元101，检测比较信号SET的周期Ts。瞬态检测单元105耦接至周期检测单元104，将检测到的比较信号的周期Ts与一时间阈值Tth进行比较，并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升，产生瞬态检测信号LTD。在一个实施例中，若Ts小于时间阈值Tth，则认为负载电流发生瞬态上升。
控制单元106耦接至比较单元101、导通时间产生单元102、负载电流比较单元103和瞬态检测单元105，基于比较信号SET、导通时间阈值TON、电流比较信号LIS1～LISN以及瞬态检测信号LTD，产生控制信号(PWM1、PWM2、……、PWMN)以分别控制各开关电路。
当多相变换器100工作于切相模式下，控制单元106基于电流比较信号LIS1～LISN决定当前进行功率运行的开关电路的数量，使N个开关电路可以根据负载电流的大小仅部分进行功率运行。若瞬态检测信号LTD指示负载电流瞬态上升，多相变换器100将离开切相模式，控制单元106使所有开关电路全都进入功率运行。
比较信号SET由代表输出电压的反馈信号FB决定，它的周期Ts被用作与时间阈值Tth进行比较，来判断是否发生负载电流瞬态上升。这样的检测方式简单、直接且高效，能够迅速反应出负载电流的瞬时变化，使多相变换器能及时脱离切相模式，让所有开关电路均进入功率运行，从而为负载提供足够的能量。
在一个实施例中，多相变换器100还包括具有多个输入端和一个输出端的多路选择单元109，其中多个输入端分别接收多个不同的时间阈值(Tth_1ph、Tth_2ph、……、Tth_Nph)，输出端耦接至瞬态检测单元以提供时间阈值Tth。该多路选择单元109基于当前进行功率运行的开关电路的数量(在图1中以PHNO表示)，选择性地将多个时间阈值中的一个提供至输出端。例如，在仅一个开关电路进行功率运行时选择Tth_1ph，在有两个开关电路进行功率运行时选择Tth_2ph，以此类推。
一般而言，在控制信号PWM1～PWMN的控制下，进入功率运行的开关电路会错相运行，其运行的相角为360度除以当前处于功率运行的相数(即PHNO)。图2和3示出根据本发明实施例的多相变换器100在不同功率运行相数(5相、3相)下的波形图。如图所示，比较信号SET的脉冲会被依次提供至进行功率运行的开关电路，用以导通其中对应的晶体管。该晶体管会在其导通时间达到导通时间阈值TON后关断。
图4示出根据本发明实施例的的控制单元106A的原理性示意图，包括由开关S1～SN组成的分频单元161、以及子控制单元(162_1、162_2、……、162_N)。开关S1～SN的第一端连接在一起以接收比较信号SET。子控制单元(162_1、162_2、……、162_N)均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端分别耦接至开关S1～SN中对应开关的第二端以接收信号SETi，第二输入端耦接至导通时间产生单元102以接收导通时间阈值TON，输出端耦接至对应开关电路以提供控制信号。
开关S1～SN的导通与关断受当前进行功率运行的开关电路的数量及时序决定。当某一开关导通，比较信号SET即被送入至对应子控制单元，以控制对应开关电路。
图5示出根据本发明实施例的子控制单元162_i的原理性示意图，包括导通时长控制单元1621、门单元1622、逻辑单元1623以及最小关断时长控制单元1624。导通时长控制单元1621产生控制对应开关电路中晶体管导通时长的导通时长控制信号COTi。最小关断时长控制单元1624产生控制该晶体管最小关断时长的最小关断时长控制信号OFFMINi。门单元1622耦接至分频单元161和最小关断时长控制单元1624以接收信号SETi和最小关断时长控制信号OFFMINi，并基于这两个信号产生逻辑输出信号。逻辑单元1623耦接至门单元1622和导通时长控制单元1621以接收逻辑输出信号和导通时长控制信号COTi，并基于这两个信号产生控制信号PWMi。在一个实施例中，门单元1622为与门，而逻辑单元1623为RS触发器。
图6示出根据本发明实施例的的瞬态检测单元105A的原理性示意图，包括时间比较单元151和计数单元152。时间比较单元151耦接至周期检测单元104，在比较信号SET的每个周期均将周期检测单元104检测到的Ts与时间阈值Tth进行比较，产生时间比较信号TCO。计数单元152耦接至时间比较单元151，基于时间比较信号TCO进行计数，并将计数值与预设值进行比较，产生瞬态检测信号LTD。若计数单元152的计数值达到预设值，则说明Ts在连续多个周期内均小于时间阈值Tth，此时瞬态检测信号LTD会指示负载瞬态上升情况发生。
图7示出根据本发明实施例的的瞬态检测单元105B的原理性示意图，包括数字滤波单元153和时间比较单元154。数字滤波单元153耦接至周期检测单元104，接收检测到的比较信号的周期Ts，对其进行数字滤波，并产生滤波后的周期信号Ts_F。时间比较单元154耦接至数字滤波单元153，将滤波后的周期信号Ts_F与时间阈值Tth进行比较，产生瞬态检测信号LTD。若滤波后的周期信号Ts_F小于时间阈值Tth，则瞬态检测信号LTD指示负载瞬态上升情况发生。
图6和图7所示实施例的方案可以有效降低噪声对瞬态检测单元造成的影响，确保检测的准确性。而且，图6和图7所示的实施例可以结合在一起，进一步加强检测的精确度。也就是说，可以通过数字滤波单元对检测到的比较信号的周期Ts先进行数字滤波，然后将滤波后的周期信号Ts_F与时间阈值Tth通过时间比较单元进行比较，产生时间比较信号TCO。随后，采用计数单元基于时间比较信号TCO进行计数，并将计数值与预设值进行比较，以产生瞬态检测信号LTD。
图8为根据本发明实施例的四相变换器100A的电路结构示意图。在图8所示的实施例中，开关电路10A_1～10A_4均采用同步降压拓扑，它们的输出电流被分别采样以形成输出电流采样信号CS1～CS4。比较单元101A、导通时间产生单元102A、负载电流比较单元103A、周期检测单元104、瞬态检测单元105、控制单元106、反馈单元107A、电流采样单元108A以及多路选择单元109均位于同一集成控制器内部。
比较单元101A包括比较器CMP。导通时间产生单元102A基于输入电压Vin与参考信号Vref产生导通时间阈值Ton，可以表示为：
Figure BDA0001531755260000101
其中fset代表预设的单相开关频率。
负载电流比较单元103A包括滞环比较器CMP1～CMP4，其连接如图所示。滞环比较器CMP1～CMP4分别将负载电流采样信号ISEN与阈值电压Vth_1ph、Vth_2ph、Vth_3ph、Vth_4ph进行比较，以决定四相变换器100A在切相模式下进行功率运行的相数。切相模式下的具体工作情况如下表所示，其中VHYS为滞环电压，CCM代表电流连续模式，DCM代表电流断续模式。
Figure BDA0001531755260000102
表1四相变换器切相模式工作情况列表
电流采样单元108A基于输出电流采样信号CS1～CS4产生代表负载电流的负载电流采样信号ISEN，例如对输出电流采样信号CS1～CS4进行加和、滤波和比例放大/缩小，从而获取负载电流采样信号ISEN。反馈单元107A包括差分放大器AMP、电阻器Rdroop以及电流源Idroop，差分放大器AMP的两个输入端分别耦接至负载两端，电阻器Rdroop一端耦接至差分放大器AMP的输出端，另一端耦接至电流源Idroop并提供反馈信号FB。其中电流源Idroop产生的电流与负载电流成比例。
需要注意的是，虽然图8所示实施例中开关电路采用了同步降压拓扑，但这并不用于限制本发明，其它合适的直流-直流变换拓扑结构也同样适用。
图9为根据本发明实施例的多相变换器的控制方法的流程图，该多相变换器包括多个并联连接的开关电路。该控制方法包括步骤S901～S905。
步骤S901：将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号。
步骤S902：基于负载电流决定进行功率运行的开关电路的数量，其中在负载电流较小时，多个开关电路中可以仅部分进行功率运行。
步骤S903：检测比较信号的周期。
步骤S904：将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升。若是，则进行至步骤S905，否则返回至步骤S902。
步骤S905：使所有开关电路全都进入功率运行。
在一个实施例中，步骤S904包括：产生多个时间阈值；根据当前进行功率运行的开关电路的数量，选择多个时间阈值中的一个与检测到的比较信号的周期进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升。
在一个实施例中，步骤S904还包括：将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较，产生时间比较信号；基于时间比较信号进行计数，将计数值与预设值进行比较，并在计数值达到预设值时以判断发生负载电流瞬态上升。
在另一个实施例中，步骤S904还包括：对检测到的比较信号的周期进行数字滤波，产生滤波后周期信号；将滤波后周期信号与选择的时间阈值进行比较，并在滤波后周期信号小于时间阈值时判断发生负载电流瞬态上升。
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 (15)

1.一种多相变换器的控制方法，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该控制方法包括：
将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；
基于负载电流决定进行功率运行的开关电路的数量；
检测比较信号的周期；
将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升；以及
若检测到负载电流瞬态上升，使多个开关电路全都进入功率运行。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中所述判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
产生多个时间阈值；
根据当前进行功率运行的开关电路的数量，选择多个时间阈值中的一个与检测到的比较信号的周期进行比较，以判断是否发生负载电流瞬态上升。
3.如权利要求1所述的控制方法，其中所述判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
将检测到的比较信号的周期与时间阈值进行比较，产生时间比较信号；
基于时间比较信号进行计数；以及
将计数值与预设值进行比较，并在计数值达到预设值时判断发生负载电流瞬态上升。
4.如权利要求1所述的控制方法，其中所述判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
对检测到的比较信号的周期进行数字滤波，产生滤波后周期信号；以及
将滤波后周期信号与时间阈值进行比较，并在滤波后周期信号小于该时间阈值时判断发生负载电流瞬态上升。
5.如权利要求1所述的控制方法，其中基于负载电流决定进行功率运行的开关电路的数量的步骤包括：
分别采样各个开关电路的输出电流，产生多个输出电流采样信号；
基于多个输出电流采样信号，产生代表流过负载电流的负载电流采样信号；以及
将负载电流采样信号分别与多个电流阈值信号进行比较，并根据比较结果决定进行功率运行的开关电路的数量。
6.如权利要求1所述的控制方法，还包括：
产生导通时间阈值；以及
基于比较信号和导通时间阈值，产生控制信号以控制当前进行功率运行的开关电路。
7.一种多相变换器的控制器，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该控制器包括：
比较单元，接收代表提供至负载的输出电压的反馈信号，并将反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；
导通时间产生单元，产生导通时间阈值；
负载电流比较单元，接收代表负载电流的负载电流采样信号，将负载电流采样信号分别与多个阈值电压进行比较，产生多个电流比较信号；
周期检测单元，耦接至比较单元，检测比较信号的周期；
瞬态检测单元，耦接至周期检测单元，将检测到的比较信号的周期与一时间阈值进行比较，并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升，产生瞬态检测信号；以及
控制单元，耦接至比较单元、导通时间产生单元、负载电流比较单元和瞬态检测单元，基于比较信号、导通时间阈值、多个电流比较信号以及瞬态检测信号，产生控制信号以控制多个开关电路；其中当多相变换器工作于切相模式下，控制单元基于多个电流比较信号决定当前进行功率运行的开关电路的数量，使多个开关电路可以根据负载电流仅部分进行功率运行；
当瞬态检测信号指示发生负载电流瞬态上升，多相变换器离开切相模式，控制单元使多个开关电路全部进入功率运行。
8.如权利要求7所述的控制器，还包括：
多路选择单元，具有多个输入端和一个输出端，其中多个输入端分别接收多个不同的时间阈值，输出端耦接瞬态检测单元，该多路选择单元根据当前进行功率运行的开关电路的数量，选择性地将多个时间阈值中的一个提供至输出端。
9.如权利要求8所述的控制器，其中所述瞬态检测单元包括：
时间比较单元，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周期检测单元以接收检测到的比较信号的周期，第二输入端耦接至多路选择单元的输出端，时间比较单元将比较信号的周期与多路选择单元选择输出的时间阈值进行比较，产生时间比较信号；以及
计数单元，耦接至时间比较单元的输出端，基于时间比较信号进行计数，并将计数值与预设值进行比较，产生瞬态检测信号。
10.如权利要求8所述的控制器，其中所述瞬态检测单元包括：
数字滤波单元，具有输入端和输出端，其中输入端接收检测到的比较信号的周期，输出端提供滤波后的周期信号；以及
时间比较单元，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数字滤波单元以接收滤波后的周期信号，第二输入端耦接至多路选择单元的输出端，时间比较单元将滤波后的周期信号与多路选择单元选择输出的时间阈值进行比较，产生瞬态检测信号。
11.一种多相变换器，包括：
多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路；以及
如权利要求7至10中任一项所述的控制器。
12.一种用于多相变换器的负载电流瞬态上升检测方法，该多相变换器包括多个并联连接在输入电压与负载之间的开关电路，该检测方法包括：
将代表提供至负载的输出电压的反馈信号与参考信号进行比较，产生比较信号；
检测比较信号的周期；
产生多个时间阈值；
根据当前进行功率运行的开关电路的数量，选择多个时间阈值中的一个；以及
将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较，并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升。
13.如权利要求12所述的检测方法，其中将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较，产生时间比较信号；
基于时间比较信号进行计数；以及
将计数值与预设值进行比较，并在计数值达到预设值时判断发生负载电流瞬态上升。
14.如权利要求12所述的检测方法，其中将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
对检测到的比较信号的周期进行数字滤波，产生滤波后周期信号；以及
将滤波后周期信号与选择的时间阈值进行比较，并在滤波后周期信号小于时间阈值时判断发生负载电流瞬态上升。
15.如权利要求12所述的检测方法，其中将检测到的比较信号的周期与选择的时间阈值进行比较并基于比较结果判断是否发生负载电流瞬态上升的步骤包括：
对检测到的比较信号的周期进行数字滤波，产生滤波后周期信号；
将滤波后周期信号与选择的时间阈值进行比较，产生时间比较信号；
基于时间比较信号进行计数；以及
将计数值与预设值进行比较，并在计数值达到预设值时判断发生负载电流瞬态上升。
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