CN109586556B - 一种多相脉宽降压调节电路及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多相脉宽降压调节电路及其调节方法，所述电路包括一个脉宽调节降压控制器控制多相直流脉宽调节电路，所述多相直流脉宽调节电路的每一相分别包括一个输出电感和一个输出电容；其中第一相直流脉宽调节电路包括一对率场效应管，其它各相直流脉宽调节电路分别包括两对或两对以上的功率场效应管。本申请公开的方案，利用并联N‑MOSFET降低传输阻抗并利用小电感值的电感感抗小充放电迅速的特点，针对不同应用环境要求，脉宽降压调节电路能实时调整，在负载电流需求增大时可以及时对输出电路进行充电，确保输出电路工作稳定。
Description
技术领域
本发明涉及多相脉宽降压调节技术，尤指一种多相脉宽降压调节电路及其调节方法。
背景技术
现有的多相脉宽降压调节电路中，每一相都使用同样的N型功率场效应管N-MOSFET及输出电感配置，当面对输出端电流静态时较低而动态时电流上升斜率很大导致剧烈变化时，无法兼顾不同输出情况进行设计，具有设计针对性差，性能低下的缺点。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供了一种多相脉宽降压调节电路及其调节方法，在负载电流需求增大时可以及时对输出电路进行充电，确保输出电路工作稳定。
根据本申请的一个方面，提供了一种多相脉宽降压调节电路，包括：一个脉宽调节降压控制器控制多相直流脉宽调节电路，所述多相直流脉宽调节电路的每一相分别包括一个输出电感和一个输出电容；其中第一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管，其它各相直流脉宽调节电路分别包括两对或两对以上的功率场效应管。
可选地，其中第二相直流脉宽调节电路可以包括两对功率场效应管，第二相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值比所述第一相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值小第一预设比例。
可选地，其中第三相流脉宽调节电路可以包括三对功率场效应管，第三相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值比所述第二相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值小第二预设比例。
可选地，上述电路中：
当一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管时，所述一对功率场效应管包括：两个相同的N型MOSFET；
当一相直流脉宽调节电路包括两对功率场效应管时，所述两对功率场效应管包括：四个相同的N型MOSFET；
当一相直流脉宽调节电路包括三对功率场效应管时，所述三对功率场效应管包括：六个相同的N型MOSFET。
可选地，上述电路中：
第一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管Q1/Q2，其中Q1的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的高端，Q2的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的低端；所述Q1的源极连接所述Q2的漏极以及第一输出电感L1的第一端，所述L1的第二端连接第一输出电容C1的正极，所述C1的负极接地；所述Q1的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的正极，所述Q2的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的负极和接地端；
第二相直流脉宽调节电路包括两对功率场效应管Q3/Q4和Q5/Q6，其中，Q3和Q4组成第二对功率场效应管，Q5和Q6组成第三对功率场效应管，所述第二对和第三对功率场效应管并联连接；所述Q3和Q5的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的高端；所述Q4和Q6栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的低端；所述Q3和Q5的源极连接所述Q4和Q6的漏极以及第二输出电感L2的第一端，所述L2的第二端连接第二输出电容C2的正极，所述C2的负极接地；所述Q3和Q5的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的正极，所述Q4和Q6的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的负极和接地端。
可选地，上述电路中：
第三相直流脉宽调节电路包括三对功率场效应管Q7/Q8、Q9/Q10和Q11/Q12；其中，Q7和Q8组成第四对功率场效应管，Q9和Q10组成第五对功率场效应管，Q11和Q12组成第六对功率场效应管，所述第四对、第五对、第六对功率场效应管并联连接；Q7、Q9和Q11的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的高端；Q8、Q10和Q12的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的低端；Q7、Q9和Q11的源极连接Q8、Q10、和Q12的漏极以及第三输出电感L3的第一端，所述L3的第二端连接第二输出电容C3的正极，所述C3的负极接地；Q7、Q9和Q11的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的正极，Q8、Q10和Q12的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的负极和接地端。
可选地，上述电路中，
L2的电感值等于L1的电感值的30％～70％；
L3的电感值等于L2的电感值的30％～70％。
根据本申请的另一方面，还提供了一种多相脉宽降压调节方法，适用于上述的多相脉宽降压调节电路，包括：
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于低输出电流工作模式时，仅第一相直流脉宽调节电路工作；
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于高输出电流工作模式时，第一相和第二相直流脉宽调节电路协同工作；
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于突发高输出电流工作模式时，第一相、第二相和第三相直流脉宽调节电路协同工作。
本申请提供的多相脉宽降压调节电路及其调节方法，利用并联N-MOSFET降低传输阻抗并利用小电感值的电感感抗小充放电迅速的特点，在电流增大时可以及时对输出电路进行充电，确保输出电路工作稳定。本申请提供的方案，负载低电流模式下可以只有第一相工作；负载高电流模式下第一相和第二相电路协同工作，负载突发高电流模式下第一相、第二相和第三相电路全部协同工作，实现了不同应用环境要求下对应设计的目的，使得脉宽降压调节电路能实时调整、按需设计，输出电压性能稳定，可以满足各种需要使用多相脉宽调节降压调节电路的电子设备的需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为一种现有技术的多相脉宽降压调节电路示意图；
图2为本申请提供的一种多相脉宽降压调节电路示意图。
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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，现有的多相脉宽降压调节电路中，以三相为例，每一相都使用同样的N-MOSFET及输出电感配置，难以兼顾输出端电流静态时较低而动态时电流上升斜率很大导致剧烈变化的场景。输出端电流静态时较低时，要求每一相的输出电流都不大，但如果负载发生变化，例如负载突然增多或增大会导致电流上升斜率很大，由此导致输出电压剧烈波动，不容易稳定。
现有技术中为兼顾静态电流和动态电流的需要，一般设置脉宽调节降压控制器的控制时序，使三相脉宽调节电路按时序协调工作，以尽可能快速地响应负载的动态变化。这样，一方面可能导致不必要的功率损耗，例如负载电流比较小，变化也不大，但仍需三相脉宽调节电路按时序启动和延时关闭，导致不必要的开关功率损耗；另一方面，由于每一相的输出电流有限，如果负载变化较大，例如，突然启动或接通某个负载，动态电流上升斜率依然很大，导致输出电压剧烈变化。现有多相脉宽降压调节电路，无法很好满足服务器或其它对直流供电稳定性需求较高的场景。
针对上述缺陷，本申请提出了一种新的多相脉宽降压调节电路，以三相为例，如图2所示。脉宽调节降压控制器可以选用英飞凌的PXE1410或PXE1610，也可以使用其它相关的脉宽调节降压控制器，本申请对此不作限定。以PXE1410或PXE1610为例，该控制器至少包括第一驱动接口HDr1/LDr1、第一电流感测接口Is1+/Is1-,第二驱动接口HDr2/LDr2、第二电流感测接口Is2+1/Is2-,和第三驱动接口HDr3/LDr3、第三电流感测接口Is3+/Is3-等相关引脚。其中，HDr是High-side Driver的英文缩写，表示高端驱动；LDr是Low-side Driver的英文缩写，表示低端驱动；Is是Current Sense的英文缩写，表示电路感测。每一相驱动电路与感测电路呈对应关系，适用于N沟道增强型金属-氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)组成的直流脉宽调节电路的驱动和电流感测。例如，HDr1/LDr1可以用于第一相直流脉宽调节电路的驱动，相应地Is1+及Is1-利用电流在第一相的两个N-MOSFET对管上形成的压降来侦测电流第一相的输出电流；HDr2/LDr2可以用于第二相直流脉宽调节电路的驱动，相应地Is2+及Is2-利用电流在第二相的四个N-MOSFET对管上形成的压降来侦测第二相的输出电流；HDr3/LDr3可以用于第三相直流脉宽调节电路的驱动，相应地Is3+及Is3-利用电流在第三相的六个N-MOSFET对管上形成的压降来侦测第三相的输出电流。
如图2所示，第一相直流脉宽调节电路可以包括一对N-MOSFET功率场效应管Q1/Q2，Q1和Q2的型号相同。Q1的栅极连接脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的高端(HDr1)，Q2的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的低端(LDr1)；所述Q1的源极连接所述Q2的漏极以及第一输出电感L1的第一端，所述L1的第二端连接第一输出电容C1的正极，所述C1的负极接地；所述Q1的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的正极(Is1+)，所述Q2的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的负极(Is1-)和接地端。
第二相直流脉宽调节电路可以包括二对N-MOSFET功率场效应管Q3/Q4、Q5/Q6，四个N-MOSFET的型号相同。Q3和Q4组成第二对功率场效应管，Q5和Q6组成第三对功率场效应管，所述第二对和第三对功率场效应管并联连接；Q3和Q5的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的高端(HDr2)；Q4和Q6栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的低端(LDr2)；Q3和Q5的源极连接Q4和Q6的漏极以及第二输出电感L2的第一端，所述L2的第二端连接第二输出电容C2的正极，所述C2的负极接地；Q3和Q5的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的正极(Is2+)，所述Q4和Q6的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的负极(Is2-)和接地端。
第三相直流脉宽调节电路可以包括三对N-MOSFET功率场效应管Q7/Q8、Q9/Q10和Q11/Q12，六个N-MOSFET的型号相同。Q7和Q8组成第四对功率场效应管，Q9和Q10组成第五对功率场效应管，Q11和Q12组成第六对功率场效应管，所述第四对、第五对、第六对功率场效应管并联连接；Q7、Q9和Q11的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的高端(HDr3)；Q8、Q10和Q12的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的低端(LDr3)；Q7、Q9和Q11的源极连接Q8、Q10、和Q12的漏极以及第三输出电感L3的第一端，所述L3的第二端连接第二输出电容C3的正极，所述C3的负极接地；Q7、Q9和Q11的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的正极(Is3+)，Q8、Q10和Q12的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的负极(Is3-)和接地端。
本申请的实例中，第一相的两个N-MOSFET型号相同，组成一对MOSFET，通过输出电感L1和输出电容C1平滑直流脉宽调节电路输出的直流电流和电压；第二相的四个N-MOSFET型号相同，组成两对相互并联的MOSFET，通过输出电感L2和输出电容C2平滑直流脉宽调节电路输出的直流电流和电压；第三相的六个N-MOSFET型号相同，组成三对相互并联的MOSFET，通过输出电感L3和输出电容C3平滑直流脉宽调节电路输出的直流电流和电压。其中，第一相、第二相和第三相的N-MOSFET可以相同或不同。
L2的电感值可以选择为L1电感值的30％～70％左右，例如可以是L1电感值的一半；L3的电感值可以选择为L2的电感值的30％～70％左右，例如可以为L2电感值的一半。C1、C2、C3可以相同或不同。
如图2所示，第一相电路包括-一对N-MOSFET Q1/Q2及输出电感L1和输出电容C1。Q1和Q2分别导通，对电感L1进行充放电动作，由于只有一对N-MOSFET，因此导通阻抗最大，电感的感值也最大，适用于低电流工作模式，Is1+及Is1-利用电流在N-MOSFET上形成的压降侦测电流，低电流模式下，可以只有第一相工作。
第二相为增强电路，可以包括两对N-MOSFET Q3/Q4、Q5/Q6及输出电感L2。四个N-MOSFET的等效输出电阻约为第一相电路的等效输出电阻的一半，可选择L2的电感值等于L1的电感值的30％～70％，或选择L2＝1/2L1。Q3/Q5和Q4/Q6分别导通，对电感L2进行充放电动作。这样，一方面第二相直流脉宽调节电路的输出电流可以达到2倍于第一相直流脉宽调节电路的输出电流，另一方面RLC等效阻抗小于第一相的RLC等效阻抗。因此，不仅可以提供远比第一相的输出电流大的输出电流，还可以对电容C2快速充电，确保输出电路的电压稳定。
本申请的实施例，利用并联N-MOSFET降低传输阻抗并利用小电感值的电感感抗小充放电迅速的特点，在电流增大时可以及时对输出电路进行充电，确保输出电路工作稳定，适用于高电流工作模式。Is2+及Is2-利用电流在N-MOSFET上形成的压降侦测电流，高电流模式下第一相和第二相电路协同工作。
可选地，如图2所示，还可以包括第三相优化的直流脉宽调节电路，由三对N-MOSFET Q7/Q8、Q9/Q10、和Q11/Q12及最小电感值的输出电感L3组成。六个N-MOSFET的等效输出电阻约为第一相等效输出电阻的1/3，可选择L3的电感值等于L2的电感值的30％～70％，或选择L3＝1/2L2。这样，一方面第三相直流脉宽调节电路的输出电流可以达到3倍于第一相直流脉宽调节电路的输出电流，另一方面RLC等效阻抗比第一相的RLC等效阻抗更小，不仅可以提供比第二相的输出电流更大的输出电流，还可以对电容C3快速充电，确保输出电路的电压稳定。
本申请的实施例，利用并联N-MOSFET可以获得最优传输阻抗并利用最小电感值的电感感抗小充放电最快的特点，在电流突发急速变化时可以及时对输出电路进行充电，确保输出电路工作稳定，适用于突发高电流工作模式。Is3+及Is3-利用电流在N-MOSFET上形成的压降侦测电流，突发高电流模式下第一相、第二相和第三相电路全部协同工作。
本申请实施例，通过不同N-MOSFET及输出电感值的搭配组合，实现了不同应用环境要求下对应设计的目的，使得脉宽降压调节电路能实时调整，按需设计，并且输出电压性能稳定，可以满足各种需要使用多相脉宽调节降压调节电路的电子设备的需求。
虽然附图2示出了三相脉宽调节降压电路，容易理解，可以根据需要选择相应的脉宽调节降压控制器，扩展为四相或更多相的直流脉宽调节电路，例如，第四相直流脉宽调节电路可以包括四对N-MOSFET，相对应地，输出电感可选择为30％～70％L3，或选择为1/2L3，等等。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (7)
1.一种多相脉宽降压调节电路，其特征在于，包括：
一个脉宽调节降压控制器控制多相直流脉宽调节电路，所述多相直流脉宽调节电路的每一相分别包括一个输出电感和一个输出电容；其中第一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管，其它各相直流脉宽调节电路分别包括两对或两对以上的功率场效应管；
其中，当一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管时，所述一对功率场效应管包括：两个相同的N型MOSFET；
当一相直流脉宽调节电路包括两对功率场效应管时，所述两对功率场效应管包括：四个相同的N型MOSFET；
当一相直流脉宽调节电路包括三对功率场效应管时，所述三对功率场效应管包括：六个相同的N型MOSFET；
第一相直流脉宽调节电路包括一对功率场效应管Q1/Q2，其中Q1的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的高端，Q2的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第一驱动接口的低端；所述Q1的源极连接所述Q2的漏极以及第一输出电感L1的第一端，所述L1的第二端连接第一输出电容C1的正极，所述C1的负极接地；所述Q1的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的正极，所述Q2的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第一电流感测接口的负极和接地端；
第二相直流脉宽调节电路包括两对功率场效应管Q3/Q4和Q5/Q6，其中，Q3和Q4组成第二对功率场效应管，Q5和Q6组成第三对功率场效应管，所述第二对和第三对功率场效应管并联连接；所述Q3和Q5的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的高端；所述Q4和Q6栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第二驱动接口的低端；所述Q3和Q5的源极连接所述Q4和Q6的漏极以及第二输出电感L2的第一端，所述L2的第二端连接第二输出电容C2的正极，所述C2的负极接地；所述Q3和Q5的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的正极，所述Q4和Q6的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第二电流感测接口的负极和接地端。
2.根据权利要求1所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，其中，
第二相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值比所述第一相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值小第一预设比例。
3.根据权利要求1所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，其中，
第二相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值比所述第一相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值小第一预设比例；
第三相流脉宽调节电路包括三对功率场效应管，第三相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值比所述第二相直流脉宽调节电路的输出电感的电感值小第二预设比例。
4.根据权利要求1所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，还包括：
第三相直流脉宽调节电路包括三对功率场效应管Q7/Q8、Q9/Q10和Q11/Q12；其中，Q7和Q8组成第四对功率场效应管，Q9和Q10组成第五对功率场效应管，Q11和Q12组成第六对功率场效应管，所述第四对、第五对、第六对功率场效应管并联连接；Q7、Q9和Q11的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的高端；Q8、Q10和Q12的栅极连接所述脉宽调节降压控制器的第三驱动接口的低端；Q7、Q9和Q11的源极连接Q8、Q10、和Q12的漏极以及第三输出电感L3的第一端，所述L3的第二端连接第二输出电容C3的正极，所述C3的负极接地；Q7、Q9和Q11的源极还连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的正极，Q8、Q10和Q12的源极连接到所述脉宽调节降压控制器的第三电流感测接口的负极和接地端。
5.根据权利要求1所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，
L2的电感值等于L1的电感值的30％～70％。
6.根据权利要求4所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，
L2的电感值等于L1的电感值的30％～70％；
L3的电感值等于L2的电感值的30％～70％。
7.一种多相脉宽降压调节方法，适用于如权利要求1-6任一项所述的多相脉宽降压调节电路，其特征在于，包括：
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于低输出电流工作模式时，仅第一相直流脉宽调节电路工作；
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于高输出电流工作模式时，第一相和第二相直流脉宽调节电路协同工作；
当所述多相脉宽降压调节电路的输出端处于突发高输出电流工作模式时，第一相、第二相和第三相直流脉宽调节电路协同工作。
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