CN108923650A - 一种多相变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

一种多相变换器及其控制电路和控制方法 Download PDF

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Abstract

公开了多相变换器及其控制电路和控制方法。多相变换器包括并联连接在输入电压和负载之间的多个开关电路，控制电路根据负载电流的大小控制进入功率运行的开关电路的个数，并根据输出电压、参考信号和非线性控制信号产生置位信号以控制进入功率运行的开关电路依次导通，其中当判断进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号等于预设幅值，而后以预设斜率下降至等于初始值。非线性控制信号的引入可以大幅减小因进入功率运行的开关电路的个数减少所引起的输出电压的下冲。

Description

一种多相变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种电子电路，更具体地说，尤其涉及一种多相变换器、及其控制电路和控制方法。
背景技术
多相变换器包括多个并联耦接的开关电路，可以满足较大的输出电流的需求。在多相变换器中，为了优化效率，通常需要根据多相变换器的负载电流的大小调整进入功率运行的开关电路的个数。当负载电流较小时，多相变换器中仅部分开关电路进入功率运行。然而，当进入功率运行的开关电路的个数减少时，由于控制环路的延迟，多相变换器的输出电压将会出现较大幅度的下冲(undershoot)。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多相变换器及其控制电路和控制方法。
根据本发明的实施例，提出了一种多相变换器，接收输入电压，并为负载提供输出电压和负载电流，所述多相变换器包括：并联连接在输入电压和负载之间的多个开关电路，所述多相变换器根据负载电流的大小控制进入功率运行的开关电路的个数；以及控制电路，根据输出电压、参考信号以及非线性控制信号产生置位信号，以控制进入功率运行的开关电路依次导通，其中当进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号从初始值增加至预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值，以及当进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，非线性控制信号保持初始值。
根据本发明的实施例，还提出了一种多相变换器的控制方法，其中该多相变换器包括并联连接在输入电压和负载之间的多个开关电路，该控制方法包括：根据多相变换器的负载电流的大小控制进入功率运行的开关电路的个数；根据进入功率运行的开关电路的个数的变化提供非线性控制信号；以及根据多相变换器的输出电压、参考信号以及非线性控制信号产生置位信号以控制进入功率运行的开关电路依次导通，其中非线性控制信号具有一初始值；其中当进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号等于预设幅值，而后以预设斜率下降至等于初始值。
根据本发明的实施例，还提出了一种多相变换器的控制电路，其中该多相变换器包括多个并联连接在输入电压和负载之间的开关电路，所述控制电路包括：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以控制进入功率运行的开关电路的个数；非线性控制信号产生单元，提供非线性控制信号，其中当进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号从初始值增加至预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值；比较单元，接收代表提供至负载的输出电压的反馈信号，并比较反馈信号和参考信号与非线性控制信号之和，产生置位信号以控制进入功率运行的开关电路依次导通；以及逻辑控制单元，耦接至负载电流比较单元、比较单元，并根据多个电流比较信号、以及置位信号，产生多个控制信号以分别控制多个开关电路。
根据本发明实施例提供的多相变换器及其控制电路和控制方法，引入了随进入功率运行的开关电路的个数减少而变化的非线性控制信号，可以大幅减少进入功率运行的开关电路的个数减少时的输出电压的下冲。
附图说明
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示出了根据本发明一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相应的控制信号的波形图；
图4示出了根据本发明一实施例的比较单元103的电路结构图；
图5示出了根据本发明一实施例的产生非线性控制信号Vnl的示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的非线性控制信号产生单元106的电路结构示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的产生数字控制信号Dnl的示意图；
图8示出了根据本发明一实施例的三相变换器100A的电路结构示意图；
图9示出了根据本发明一实施例的图8所示逻辑控制单元104A的电路结构图；
图10示出了根据本发明一实施例的多相变换器100的控制方法流程图800；以及
图11A～11B示出了根据本发明实施例的多相变换器100的波形图。
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。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示出了根据本发明一实施例的多相变换器100的电路结构示意图。在图1所示的实施例中，多相变换器100接收输入电压Vin，并为负载提供输出电压Vo和负载电流Io，多相变换器100包括：并联连接在输入电压Vin和负载之间的多个开关电路(10-1、10-2、……、10-n)、控制电路11、电压反馈单元107、电流反馈单元108、以及耦接在多相变换器100的输出端和参考地之间的输出电容105。电压反馈单元107耦接至负载，产生代表输出电压Vo的反馈信号Vfb。电流反馈单元108产生代表流过负载的电流Io的负载电流采样信号Isen。控制电路11包括：导通时长产生单元101、负载电流比较单元102、比较单元103、逻辑控制单元104、以及非线性控制信号产生单元106。多相变换器100根据负载电流Io的大小控制进入功率运行的开关电路的个数。控制电路11根据输出电压Vo、参考信号Vref、以及非线性控制信号Vnl产生置位信号Set，以控制进入功率运行的开关电路依次导通。在一个实施例中，当进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号Vnl从初始值增加至预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值；当进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，非线性控制信号Vnl保持初始值。在一个实施例中，非线性控制信号Vnl的初始值为零。在一个实施例中，预设幅值和/或预设斜率可以预先调节。
导通时长产生单元101产生导通时长阈值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长。导通时长阈值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102耦接至电流反馈单元108，接收负载电流采样信号Isen，负载电流比较单元102根据负载电流采样信号Isen控制进入功率运行的开关电路的个数。在一个实施例中，负载电流比较单元102将负载电流采样信号Isen分别与多个阈值电压(例如阈值电压Vth_1、Vth_2、……、Vth_n-1)进行比较，产生电流比较信号(Ph1、Ph2、……、Phn-1)，以控制进入功率运行的开关电路的个数。
比较单元103，接收代表了输出电压的反馈信号Vfb、参考信号Vref、以及非线性控制信号Vnl，并通过比较反馈信号Vfb和参考信号Vref与非线性控制信号Vnl之和(Vref+Vnl)，提供置位信号Set。其中当参考信号Vref与非线性控制信号Vnl之和(Vref+Vnl)大于反馈信号Vfb时，置位信号Set控制进入功率运行的当前开关电路导通。
逻辑控制单元104耦接至导通时长产生单元101、负载电流比较单元102、以及比较单元103，并基于置位信号Set、导通时长阈值TON、以及电流比较信号Ph1～Phn-1，产生控制信号(PWM1、PWM2、……、PWMn)以分别控制各开关电路(10-1、10-2、……、10-n)。
在一个实施例中，逻辑控制单元104根据电流比较信号Ph1～Phn-1决定进入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Io的大小全部进入功率运行或仅部分进入功率运行。一般而言，在控制信号PWM1～PWMn的控制下，进入功率运行的多个开关电路会错相导通。图2和图3示出了根据本发明实施例的多相变换器100在分别在不同功率运行相数(4相、2相)下相应的控制信号(PWM1～PWM4、PWM1～PWM2)的波形图。未进入功率运行的开关电路维持关闭或高阻状态。如图2～3所示，置位信号Set的脉冲会被依次提供至进入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长达到导通时长阈值TON后关断。
逻辑控制单元104进一步根据电流比较信号Ph1～Phn-1产生功率运行指示信号Cdrop，以指示进入功率运行的开关电路个数的变化。
非线性控制信号产生单元106，耦接至逻辑控制单元104以接收功率运行指示信号Cdrop，并提供非线性控制信号Vnl。当功率运行指示信号Cdrop指示进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号Vnl从初始值增加至预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值；当功率运行指示信号Cdrop指示进入功率运行的电路个数不变或增加时时，非线性控制信号Vnl保持初始值。
图4示出了根据本发明一实施例的比较单元103的电路结构图。在图4所示的实施例中，比较单元103包括运算电路21、以及比较器22。运算电路21接收参考信号Vref、非线性控制信号Vnl，并根据参考信号Vref与非线性控制信号Vnl之和(Vref+Vnl)产生运算信号Vref2。比较器22具有接收运算信号Vref2的同相输入端、接收反馈信号Vfb的反相输入端、以及输出端。比较器22的输出端根据反馈信号Vfb与参考信号Vref和非线性控制信号Vnl之和(Vref+Vnl)相比较的比较结果，提供置位信号Set。
图5示出了根据本发明一实施例的产生非线性控制信号Vnl的示意图。如图5所示，功率运行指示信号Cdrop以脉冲信号指示进入功率运行的开关电路的个数减少，例如从6相运行减少为5相运行、从5相运行减少为3相运行等等。如图5所示。非线性控制信号Vnl的初始值为零，当功率运行指示信号Cdrop指示进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号Vnl从初始值增加至幅值Vpk，而后以斜率Vslew下降至等于初始值。当进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，例如从3相运行增加至4相运行等，功率运行指示信号Cdrop保持不变，非线性控制信号Vnl保持初始值。
图6示出了根据本发明一实施例的非线性控制信号产生单元106的电路结构示意图。在图6所示的实施例中，非线性控制信号产生单元106包括数字控制单元41、以及数模转换单元42。数字控制单元41提供数字控制信号Dnl，数字控制信号Dnl具有数字初始值D0。其中当进入功率运行的开关电路的个数减少时，数字控制信号Dnl等于数字值Dpk，而后数字控制单元41通过多个步骤减小数字控制信号Dnl，直至数字控制信号Dnl等于数字初始值D0。数模转换单元42通过数模转换，将数字控制信号Dnl转换为非线性控制信号Vnl。
图7示出了根据本发明一实施例的产生数字控制信号Dnl的示意图。如图7所示，数字控制信号Dnl具有数字初始值D0，多相变换器100进入功率运行的开关电路个数减少时，功率运行指示信号Cdrop输出一个脉冲信号，数字控制信号Dnl等于数字值Dpk，而后通过多个步骤减小数字控制信号Dnl，直至数字控制信号Dnl等于数字初始值D0。通过多个步骤减小数字控制信号Dnl包括：每过一预设时间长度T1，数字控制信号Dnl减小一个预设步长Step1，也就是Dnl＝Dnl-Step1。其中，预设时间长度T1或预设步长Step1可调，或预设时间长度T1及预设步长Step1均可调。数字控制信号Dnl的下降斜率由预设时间长度T1和预设步长Step1共同决定。
图8示出了根据本发明一实施例的三相变换器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-3均采用同步降压拓扑。本领域技术人员可知，虽然图8所示的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，其它合适的拓扑结构也同样适用。导通时长产生单元101、负载电流比较单元102A、比较单元103、逻辑控制单元104A、以及非线性控制信号产生单元106集成于控制电路11A中。导通时长产生单元101、比较单元103、及非线性控制信号产生单元106如前所述，为简明起见此处不再详述。
如图8所示，负载电流比较单元102A包括比较器81～83。比较器81～83分别将负载电流采样信号Isen与阈值电压Vth_1、Vth_2进行比较，以决定三相变换器100A进入功率运行的开关电路的个数，也就是进入功率运行的相数。在一个实施例中，阈值电压Vth_1大于阈值电压Vth_2(Vth_1>Vth_2)。当负载电流采样信号Isen大于阈值电压Vth_1时(Isen>Vth_1>Vth_2)，电流比较信号Ph1＝1，Ph2＝1，控制三相变换器100A进入功率运行的相数为3相，也就是控制开关电路10A-1、10A-2、10A-3均进入功率运行。当负载电流采样信号Isen小于阈值电压Vth_1且大于阈值电压Vth_2时(Vth_1>Isen>Vth_2)，电流比较信号Ph1＝0，Ph2＝1，控制三相变换器100A进入功率运行的相数为2相，例如控制开关电路10A-1、10A-2进入功率运行，开关电路10A-3不进入功率运行，其晶体管保持高阻状态。当负载电流采样信号Isen小于阈值电压Vth_2时(Vth_1>Vth_2>Isen)，电流比较信号Ph1＝0，Ph2＝0，控制三相变换器100A进入功率运行的相数为1相，例如控制开关电路10A-1进入功率运行，开关电路10A-2、10A-3不进入功率运行，其晶体管保持高阻状态。本领域技术人员可知，多相变换器100的负载电流比较单元102的结构和工作原理可以参照负载电流比较单元102A，由三相变换器拓展到大于三相的多相变换器。
图9示出了根据本发明一实施例的图8所示逻辑控制单元104A的电路结构图。本领域技术人员可知，多相变换器100的逻辑控制单元104的结构和工作原理可以参照逻辑控制单元104A，由三相变换器拓展到大于三相的多相变换器。图9所示的实施例中，逻辑控制单元104A包括分频单元161、多个子控制单元162_1～162_3、以及减相判断单元163。
分频单元161接收置位信号Set、以及电流比较信号Ph1、Ph2，并根据电流比较信号Ph1、Ph2，将置位信号Set的脉冲分配至置位信号SET1～SET3。在一个实施例中，当电流比较信号Ph1、Ph2指示需要控制三相变换器100A进入功率运行的相数为3相时，分频单元162将置位信号Set的脉冲依次分配至置位信号SET1～SET3，以控制开关电路10A-1～10A-3依次导通；当电流比较信号Ph1、Ph2指示需要控制三相变换器100A进入功率运行的相数为2相时，分频单元162将置位信号Set的脉冲依次分配至置位信号SET1～SET3中的两个，以控制开关电路10A-1～10A-3中的两个依次导通，例如将置位信号Set的脉冲依次分配至置位信号SET1、SET2，以控制开关电路10A-1、10A-2依次导通；当电流比较信号Ph1、Ph2指示需要控制三相变换器100A进入功率运行的相数为1相时，分频单元162将置位信号Set的脉冲分配至置位信号SET1～SET3中的一个，以控制开关电路10A-1～10A-3中的一个导通，例如将置位信号Set的脉冲分配至置位信号SET1，以控制开关电路10A-1的导通。
多个子控制单元162_1～162_3均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端均耦接至分频单元161并分别接收置位信号SET1～SET3，第二输入端耦接至导通时长产生单元101以接收导通时长阈值TON，输出端耦接至对应的开关电路以提供控制信号。在一个实施例中，子控制单元162_1～162_3包括SR触发电路。以子控制单元162_1为例，其SR触发电路的置位端S接收置位信号SET1，复位端R接收导通时长阈值TON，输出端Q提供控制信号PWM1。
减相判断单元163根据电流比较信号Ph1、Ph2产生功率运行指示信号Cdrop。例如，电流比较信号Ph1、Ph2指示需要控制三相变换器100A进入功率运行的相数减少时，在功率运行指示信号Cdrop上输出一个脉冲信号。在图9所示的实施例中，减相判断单元163包括延迟单元91～92，比较单元93～94，以及或门95。延迟单元91接收电流比较信号Ph1，并将电流比较信号Ph1延迟一定时长后输出延迟信号Dl1。比较单元93将电流比较信号Ph1和延迟信号Dl1相比较，输出比较信号Cm1。延迟单元92接收电流比较信号Ph2，并将电流比较信号Ph2延迟一定时长后输出延迟信号Dl2。比较单元94将电流比较信号Ph2和延迟信号Dl2相比较，输出比较信号Cm2。或门95接收比较信号Cm1、Cm2，并对比较信号Cm1、Cm2做或运算，将或运算的结果经过脉冲发生电路96，得到功率运行指示信号Cdrop。
图10示出了根据本发明一实施例的多相变换器100的控制方法流程图800，包括步骤S81～S84。
在步骤S81，根据多相变换器100的负载电流Io的大小控制进入功率运行的开关电路的个数。
在步骤S82，根据进入功率运行的开关电路的个数的变化提供非线性控制信号Vnl。
在步骤S83，根据多相变换器100的输出电压Vo、参考信号Vref、以及非线性控制信号Vnl产生置位信号Set以控制进入功率运行的开关电路依次导通。
在步骤S84，根据导通时长阈值TON控制当前导通的开关电路的导通时长。
图11A～11B示出了根据本发明实施例的多相变换器100的波形图。以多相变换器100中的多个开关电路10-1、10-2、……、10-n从三相运行减少为两相运行为例，其中PWM1为第一相开关电路10-1的控制信号，PWM2为第二相开关电路10-2的控制信号，PWM3为第三相开关电路10-3的控制信号，图11A示出了未引入非线性控制信号Vnl时的多相变换器100的输出电压Vo，图11B示出了引入非线性控制信号Vnl后的多相变换器100的输出电压Vo。对比图11A和图11B可见，多相变换器100中的多个开关电路10-1、10-2、……、10-n从三相运行减少为两相运行时，在引入非线性控制信号Vnl的情况下，输出电压Vo的下冲幅度大幅减小。
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 (14)

1.一种多相变换器，接收输入电压，并为负载提供输出电压和负载电流，所述多相变换器包括：
并联连接在输入电压和负载之间的多个开关电路，所述多相变换器根据负载电流的大小控制进入功率运行的开关电路的个数；以及
控制电路，根据输出电压、参考信号以及非线性控制信号产生置位信号，以控制进入功率运行的开关电路依次导通，其中非线性控制信号具有一初始值，当判断进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号等于预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值，以及当判断进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，非线性控制信号保持初始值。
2.如权利要求1所述的多相变换器，其中控制电路还包括：
数字控制单元，提供数字控制信号，所述数字控制信号的初始值等于第一数字值，其中当判断进入功率运行的开关电路的个数减少时，数字控制信号等于第二数字值，而后数字控制单元通过多个步骤减小数字控制信号，直至数字控制信号等于第一数字值；以及
数模转换单元，通过数模转换将数字控制信号转换为非线性控制信号。
3.如权利要求1所述的多相变换器，其中控制电路还包括：
比较单元，接收代表了输出电压的反馈信号、参考信号、以及非线性控制信号，并通过将反馈信号和参考信号与非线性控制信号之和相比较，提供置位信号。
4.如权利要求3所述的多相变换器，其中当参考信号与非线性控制信号之和大于代表了输出电压的反馈信号时，置位信号控制相应的开关电路导通。
5.如权利要求1所述的多相变换器，其中所述非线性控制信号的初始值等于零。
6.如权利要求1所述的多相变换器，其中所述预设幅值和所述预设斜率可调节。
7.一种多相变换器的控制方法，其中该多相变换器包括并联连接在输入电压和负载之间的多个开关电路，该控制方法包括：
根据多相变换器的负载电流的大小控制进入功率运行的开关电路的个数；
根据进入功率运行的开关电路的个数的变化提供非线性控制信号；以及
根据多相变换器的输出电压、参考信号以及非线性控制信号产生置位信号以控制进入功率运行的开关电路依次导通，其中非线性控制信号具有一初始值；其中
当进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号等于预设幅值，而后以预设斜率下降至等于初始值。
8.如权利要求7所述的控制方法，其中当进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，非线性控制信号保持初始值。
9.如权利要求7所述的控制方法，其中根据进入功率运行的开关电路的个数的变化提供非线性控制信号进一步包括：
提供数字控制信号，所述数字控制信号的初始值等于第一数字值，其中当进入功率运行的开关电路的个数减少时，数字控制信号等于第二数字值，而后通过多个步骤减小数字控制信号，直至数字控制信号等于第一数字值；以及
通过数模转换，将数字控制信号转换为非线性控制信号。
10.如权利要求9所述的控制方法，其中通过多个步骤减小数字控制信号包括：
每过一预设时间长度，数字控制信号减小一个预设步长；其中
所述预设时间长度和所述预设步长至少一个可调。
11.如权利要求7所述的控制方法，其中当参考信号与非线性控制信号之和大于代表了输出电压的反馈信号时，置位信号控制进入功率运行的当前开关电路导通。
12.一种多相变换器的控制电路，其中该多相变换器包括多个并联连接在输入电压和负载之间的开关电路，所述控制电路包括：
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以控制进入功率运行的开关电路的个数；
非线性控制信号产生单元，提供非线性控制信号，其中当判断进入功率运行的开关电路的个数减少时，非线性控制信号从初始值增加至预设幅值，而后以预设斜率下降至初始值；
比较单元，接收代表提供至负载的输出电压的反馈信号，并比较反馈信号和参考信号与非线性控制信号之和，产生置位信号以控制进入功率运行的开关电路依次导通；以及
逻辑控制单元，耦接至负载电流比较单元、比较单元，并根据多个电流比较信号、以及置位信号，产生多个控制信号以分别控制多个开关电路。
13.如权利要求12所述的控制电路，其中非线性控制信号产生单元进一步包括：
数字控制单元，提供数字控制信号，所述数字控制信号的初始值等于第一数字值，其中当判断进入功率运行的开关电路的个数减少时，数字控制信号等于第二数字值，而后数字控制单元通过多个步骤减小数字控制信号，直至数字控制信号等于第一数字值；以及
数模转换单元，通过数模转换将数字控制信号转换为非线性控制信号。
14.如权利要求12所述的控制电路，其中当判断进入功率运行的开关电路的个数增加或保持不变时，非线性控制信号保持初始值。
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