CN109863678A - 具有相位交错的多相转换器 - Google Patents

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Abstract

一种多相功率转换器(200)包含并行布置以驱动所述功率转换器的输出的功率信道，和信道选择电路(118)。所述功率信道中的每一个包含驱动器(108)、耦合到所述驱动器(108)的输出的反馈控制电路(210)，和耦合到所述反馈控制电路(210)的比较器(208)。所述信道选择电路(118)耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路(210)。所述信道选择电路(118)经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道以在多个相中的每一个中激活，且将偏移电压引入到所述反馈控制电路(210)中的每一个中，除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路(210)外。所述反馈控制电路(210)经配置以施加偏移来使驱动器输出反馈电压远离阈值电压偏置，所述功率信道在所述阈值电压下激活。

Description

具有相位交错的多相转换器
技术领域
本公开涉及多相功率转换器。
背景技术
直流到直流转换器通常是将一个DC电压转换成另一DC电压的开关模式电力供应器。一些直流到直流转换器、升压转换器从较低输入电压产生较高电压，且其它直流到直流转换器、降压转换器从较高输入电压产生较低电压。一种类型的降压开关模式电力供应器被称为降压转换器。
开关电力供应器通常包含能量存储电感器，和调节系统，在所述调节系统中，例如晶体管开关的控制元件被快速接通和关断。用于接通或关断晶体管的脉冲可由振荡器/误差放大器/脉冲宽度调制器网络产生。当晶体管接通时，能量可被泵送到电感器中并存储在磁场中。当晶体管关断时，存储在电感器中的能量被导引到滤波器和负载中。可将滤波器输出提供到误差放大器，其控制用于接通和关断晶体管的脉冲的产生。
多相功率转换是对单相转换的改进。多相转换器包含驱动共用负载的数个平行功率级。通过将控制信号相移到转换器功率级，多相转换器提供优于单个功率级的若干优点，包含输入和输出电容器上的较低电流纹波、对负载阶跃的更快瞬态响应、改进的功率处理能力，和更高的系统效率。多相转换器分配功率和负载电流，从而在更少输入和输出电容的情况下产生更小且成本更低的晶体管。
发明内容
在一个实例中，一种多相功率转换器包含并行布置以驱动所述功率转换器的输出的功率信道，和信道选择电路。所述功率信道中的每一个包含驱动器、耦合到所述驱动器的输出的反馈控制电路，和耦合到所述反馈控制电路的比较器。所述信道选择电路耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路。所述信道选择电路经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道以在多个相中的每一个中激活，且将偏移电压引入到所述反馈控制电路中的每一个中，除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路外。所述反馈控制电路经配置以施加偏移来使驱动器输出反馈电压远离阈值电压偏置，所述功率信道在所述阈值电压下激活。
在另一实例中，一种多相功率转换器包含并行布置以依序激活来驱动所述功率转换器的输出的功率信道。所述功率信道中的每一个包含驱动器、比较器和延迟锁定回路(DLL)。所述驱动器耦合到所述功率转换器的所述输出。所述比较器耦合到所述驱动器。所述DLL耦合到所述比较器。所述DLL经配置以产生偏移以调整所述比较器的阈值；以及产生接下来待激活的所述功率信道中的一个的定时基准。
在另一实例中，一种多相功率转换器包含并行布置以驱动所述功率转换器的输出的功率信道，和信道选择电路。所述功率信道中的每一个包含驱动器、反馈控制电路、比较器和DLL。所述反馈控制电路耦合到所述驱动器的输出。所述比较器耦合到所述反馈控制电路。所述DLL经配置以：产生偏移以调整所述比较器的阈值；以及产生接下来待激活的所述功率信道中的一个的定时基准。所述信道选择电路耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路。所述信道选择电路经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道来在多个相中的每一个中激活；以及使除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路外的所述反馈控制电路中的每一个引入偏移电压以使驱动器输出反馈电压远离阈值电压偏置，所述功率信道在所述阈值电压下激活。
附图说明
图1展示根据各种实施例的多相功率转换器的框图。
图2展示根据各种实施例的多相功率转换器的示意图。
图3展示根据各种实施例的多相功率转换器的调制器中的相位控制的示意图。
图4展示根据各种实施例的用于多相功率转换器的调制器中的相位控制的单稳态电路的示意图。
图5展示根据各种实施例的多相功率转换器中的信号的图式，所述信号包含用以控制对功率转换器信道的选择的偏移。
图6展示根据各种实例的包含相位定时调整的多相转换器中的信号的图式。
具体实施方式
在此描述中，术语“耦合(couple、couples)”意指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可能是通过直接连接，或通过经由其它装置和连接的间接连接。此外，在此描述中，“基于”的叙述意指“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可基于Y及任何数目的其它因素。
多相功率转换器常常以脉冲调频(PFM)模式运行。在PFM模式中，脉冲由转换器的每一级或信道产生，由此将系统在PFM模式下运行的负载范围乘以相数，并在宽负载范围内实现平坦的效率特性。然而，在PFM模式中使用若干级需要调节级之间的相位关系，使得级的激活在时间上均等地扩展并且输出电压纹波不会增加。
在本文中所描述的多相功率转换器中，信道选择电路施加第一偏移电压来阻止除功率级中所选的一个功率级之外的所有功率级中的脉冲产生。功率级中的每一个包含延迟锁定回路(DLL)，其在功率级由信道选择电路启用以调节调制器输出的相位扩展时调整功率级调制器的偏移。
图1展示根据各种实施例的多相功率转换器100的框图。功率转换器100包含并行的功率级(或信道，也被称作相)104、输出滤波器114、误差放大器116，和信道选择器118。当在图1中所展示的功率转换器100的实施例中说明三个并行的功率级104时，功率转换器100的其它实施例可包含任何数目个并行的功率级104。功率级104耦合到输出滤波器114且向输出滤波器114提供电流。输出滤波器114是耦合到负载的低通滤波器。在一些实施例中，输出滤波器114可包含每一功率级104的电感器110以及电容器，以形成二阶低通滤波器。误差放大器116耦合到输出滤波器114。误差放大器116将由输出滤波器114提供到负载的电压与参考电压比较。
信道选择器118耦合到功率级104中的每一个。信道选择器118对功率级104中的每一个提供偏移调整，其有效地使功率级104中的每一个在每一PFM循环中产生一次输出电流。信道选择器118依序选择功率级104中的每一个来在PFM循环中产生输出电流。为了选择特定功率级104来产生电流，信道选择器118调整未经选择来产生输出电流的功率级104中的反馈电压(例如，施加对其的停用偏移)。通过调整(例如，减少)未经选择的功率级104中的反馈电压，信道选择器118有效地增加未经选择的功率级104输出电压，所述未经选择的功率级104在所述输出电压下激活以产生输出电流，由此降低未经选择的功率级104将激活以在施加偏移的时间期间产生输出电流的可能性。然而，由信道选择器118进行的反馈电压的调整不会阻止未经选择的功率级104的激活。举例来说，如果未经选择的功率级104的反馈电压由于负载电流的需求的突然增加而急剧下降，则可以激活未经选择的功率级104。
在一些实施例中，由信道选择器118提供的偏移调整信号可使单个所选功率级104的反馈电压朝向激活功率级104的电压移位，而使未经选择的功率级104默认地对降低未经选择的功率级104的激活的可能性的反馈电压施加不同偏移。替代地，由信道选择器118提供的偏移调整信号可使未经选择的功率级104的反馈电压朝向降低未经选择的功率级104的激活的可能性的电压移位，而所选功率级104默认地对更有可能激活功率级104的反馈电压施加偏移。
功率级104中的每一个包含调制器106、驱动器108和电感器110。驱动器108将电流切换到电感器110中。电感器110存储电流的能量作为磁场以递送给负载。调制器106产生控制驱动器108的切换的驱动信号120。信道选择器118可基于控制驱动器108的切换的调制器106的输出来计时或改变状态。举例来说，可以组合(例如，“进行或运算”)所有调制器106的输出120以产生供信道选择器118使用的时钟，例如，时钟的所选边缘使信道选择器118选择下一个功率级104以产生电流。
调制器106包含DLL 112。当由信道选择器118选择功率级104以产生电流时，DLL112调整调制器106中的偏移以调节调制器112的输出的相位扩展。DLL 112基于功率级104的切换控制信号产生接下来待激活的功率级104的定时基准。DLL 112额外产生频率比例电流以偏置DLL 112。DLL 112还调整调制器106的偏移以将下一功率级104锁定到由DLL 112产生的定时基准。本文中关于图3描述DLL 112的另外细节。
图2展示根据各种实施例的多相功率转换器200的示意图。功率转换器200是图1的功率转换器100的实施例，且包含关于功率转换器100所描述的各种组件。驱动器108包含堆叠晶体管。调制器106包含DLL 112、比较器208和反馈控制电路210。反馈控制电路210耦合到驱动器108的输出、信道选择器118的输出和比较器208的输入。反馈控制电路210在信道选择器118的控制下移位来自驱动器108的反馈电压以启用或停用功率级104。
在功率转换器200中，信道选择器118包含“或”逻辑206、计数器204和旋转器逻辑202。“或”逻辑206接收控制驱动器108的调制器106的输出信号120作为输入，且组合调制器输出信号120以产生时钟信号。由“或”逻辑206产生的时钟信号使计数器204递增。旋转器202对计数器204的输出进行解码(即，进行解复用)以产生依序启用功率级中的每一个的信号。在其它实施例中，信道选择器118可不同地实施。举例来说，实施例可包含移位器而非计数器204和旋转器202，所述移位器响应于“或”逻辑的输出而使单个位循环通过移位器的级。
如在功率转换器100中，每一调制器106包含DLL 112。DLL 112接收控制两个依序激活的功率级104中的每一个中的驱动器108的信号作为输入。因此，给定调制器106的DLL112接收由给定调制器106产生的驱动器控制信号120作为输入，且由调制器106产生的驱动器控制信号120将接下来在给定调制器106之后激活。DLL 112产生调整比较器208中的偏移的控制信号212。通过调整比较器208中的偏移，DLL 112可调整由比较器208产生的驱动器控制信号的定时，且因此，将由接下来激活的调制器106产生的驱动器控制信号120的定时锁定到DLL 112。
图3展示根据各种实施例的多相功率转换器100的调制器106中的DLL 112的示意图。图3中所展示的DLL标记为DLL i，其中i是功率级104的索引值(例如，i＝1...N，其中N是功率级104的总数目)。DLL 112包含电流控制的单稳态电路(脉冲发生器)302、第一相位检测器304、第一电荷泵322、第二相位检测器306和第二电荷泵324。第一电荷泵322包含开关308和310，以及电容器312。第二电荷泵324包含开关314和316，以及电容器324。在图3中，斜线符号334表示到电流镜(未展示)的连接且邻近于斜线符号的字母数字值(例如，1、1/N)指示镜像电流的电流的比率，其中N对应于转换器100中功率级104的数目。交叉斜线328表示二极管。单稳态电路302接收由调制器106产生的驱动器控制信号120作为输入。驱动器控制信号120的边缘(例如，前边缘)触发单稳态电路302以产生脉冲320(定时器)。脉冲320表示两个依序选择的功率级104之间的延迟。相位检测器304比较脉冲320的后边缘与触发单稳态电路302的驱动器控制信号120的前边缘(例如，上升沿)。相位检测器306基于比较的边缘的相对位置产生UP和DN信号。UP和DN信号驱动第一电荷泵的开关308和310以对电容器312充电。电容器312通过电流偏移，I偏移：
其中：I偏置是电荷泵偏置电流；以及N是功率转换器100中并行功率级104的数目。
电容器312的顶板电压驱动晶体管332的栅极以产生反馈给单稳态电路302的调制器控制电流326以控制脉冲320的长度。电阻器330设定用于电压电流转换的增益。由单稳态电路302、相位检测器304和电荷泵322形成的回路在以下情况下锁定：
T上升I偏置-T下降I偏置＝I偏移T
其中：T上升是相位检测器304断言PFM周期中UP信号的时间；T下降是相位检测器304断言PFM周期中DN信号的时间；T是PFM周期；且N是功率转换器100中并行功率级104的数目。
由于相位检测器304产生PFM周期中UP信号或DN信号中的仅一个，因此在以下情况下达到平衡：
由于T上升表示给定功率级104中脉冲320的下降沿与下一功率级104的激活之间的时间，因此电路将在当实现(N-1)/N个给定功率级104时触发下一功率级104的PFM脉冲(即，到驱动器108的控制信号120)的情况下锁定。因此，DLL 112产生时间基准，根据所述时间基准锁定下一个功率级104的定时。
第二相位检测器306接收由单稳态电路302产生的脉冲320作为输入并从接下来激活的功率级104接收控制信号120。相位检测器306的UP和DN输出相应地驱动电荷泵324的开关314和316以对电容器318充电。将电容器318的顶板上的电压提供到比较器208以调整功率级104的调制器偏移且由此将下一功率级104锁定到由单稳态电路302产生的脉冲320。
通过将每一功率级104的调制器106包含在DLL 112中，在功率转换器100的实施例中，将功率相104锁定到均等地扩展的相位角。此外，由于DLL 112是单极系统，因此只要DLL112的带宽小于功率转换器100的开关频率，它就是稳定的。由于PFM频率可在几十年内变化，因此实施例利用控制电流控制的单稳态电路302的频率比例电流自偏置DLL 112，以用开关频率调整DLL 112的带宽。
图4展示可用于DLL 112的单稳态电路302的实施例的示意图。单稳态302包含触发器402和触发器重设电路404。触发器402由信号120的边缘设定以产生脉冲320的前边缘。设定触发器402会激活触发器重设电路404以产生重设信号406来重设触发器402。在重设电路404中，当设定触发器402时，由DLL 112产生的调制器控制电流326对电容器408充电。当电容器408的顶板上的电压超出晶体管410的阈值电压时，断言重设信号406以重设触发器402并产生脉冲320的后边缘。更具体地说，重设定时可定义为：
其中：C是电容器408的电容；V参考是参考电压(例如，在单稳态电路302中提供电力的电源电压的1/2)；且I控制是单稳态电路控制电流326。
当重设触发器402时使电容器408放电。因此，单稳态电路302以一持续时间产生脉冲320，所述持续时间随单稳态电路控制电流326而变。
图5展示根据各种实施例的多相功率转换器100中的信号的图式，所述信号包含用以控制对功率转换器级104的选择的偏移。在图5中，说明三个经偏移调整的感测信号502、504和506。经偏移调整的感测信号502、504和506中的每一个对应于功率转换器100的功率级104中的一个，且通过将来自功率转换器100的驱动器108的反馈与由信道选择器118产生的偏移调整信号组合来产生。信道选择器118产生用于每一功率级104的单独且不同的偏移调整信号。在每一PFM相位中，由信道选择器118产生的偏移调整信号调整反馈信号，使得反馈信号有可能激活功率级104中的仅一个以产生输出电流。在图5中展示此操作，其中在给定时间处(即，在每一相位中)，仅一个功率级104将电流驱动到电感器110中。在508处，第一经偏移调整的感测信号502允许第一功率级104产生输出电流。在510处，第二经偏移调整的感测信号504允许第二功率级104产生输出电流。在512处，第三经偏移调整的感测信号506允许第三功率级104产生输出电流。虽然经偏移调整的感测信号502、504、506使得可能仅激活功率级104中的一个，但是如果功率转换器输出电压急剧下降，那么可以在相位中激活多于一个的功率级104。因此，功率转换器100的实施例提供多相PFM操作，同时允许每一功率级104自主地响应对增大电流的突然需要。
图6展示根据各种实施例的包含相位定时调整的多相转换器100中的信号的图式。在每一调制器106中，DLL 112产生提供给比较器208的偏移控制信号212。偏移控制信号212的电压的改变会改变功率级104的驱动器控制信号120的断言定时。在图6中，展示偏移控制信号212的三个不同电压值，且展示驱动器控制信号120的定时的对应改变。
在所描述的实施例中可能进行修改，且其它实施例在权利要求的范围内是可能的。

Claims (20)

1.一种多相功率转换器，其包括：
多个功率信道，其并行布置以驱动所述功率转换器的输出，所述功率信道中的每一个包括：驱动器；耦合到所述驱动器的输出的反馈控制电路；以及耦合到所述反馈控制电路的比较器；以及
信道选择电路，其耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路，所述信道选择电路经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道来在多个相中的每一个中激活；以及将第一偏移电压引入到所述反馈控制电路中的每一个中，除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路外；
所述反馈控制电路经配置以施加所述第一偏移电压来使驱动器输出反馈电压远离阈值电压偏置，所述功率信道在所述阈值电压下激活。
2.根据权利要求1所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第一偏移电压以使驱动器输出反馈电压偏置，使得相比于其它任何一个功率信道，所述功率信道中的所述特定一个功率信道在所述功率转换器的所述输出处以更高电压激活。
3.根据权利要求1所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第一偏移电压以使驱动器输出反馈电压偏置，使得所有所述功率信道响应于所述功率转换器的所述输出下降到低于预定电压而激活。
4.根据权利要求1所述的多相功率转换器，其中所述功率信道中的每一个包括耦合到所述比较器的延迟锁定回路DLL，所述DLL经配置以产生第二偏移电压来调整所述比较器的阈值，所述DLL包括第一级和第二级。
5.根据权利要求4所述的多相功率转换器，其中所述第一级经配置以产生由所述信道选择电路接下来选择的功率信道的定时基准和用以使所述DLL偏置的频率比例电流，所述第一级包括：
电流控制的单稳态电路，其由用于所述功率信道的驱动器控制脉冲触发；
相位检测器，其经配置以比较所述单稳态电路的输出的后边缘与用于所述功率信道的驱动器控制脉冲的前边缘；以及
电荷泵，其经配置以提供输出来控制所述单稳态电路。
6.根据权利要求5所述的多相功率转换器，其中所述第二级经配置以产生所述第二偏移电压来调整所述比较器的所述阈值，所述第二级包括：
相位检测器，其经配置以比较接下来激活的功率信道的所述定时基准与所述驱动器控制脉冲；以及
电荷泵，其经配置以提供所述第二偏移电压来调整所述阈值。
7.根据权利要求4所述的多相功率转换器，其中所述DLL中的每一个接收用于所述DLL的所述功率信道的驱动器控制脉冲和用于接下来待激活的功率信道的驱动器控制脉冲作为输入，且其中所述DLL协作以均等地扩展用于所有所述功率信道的所述驱动器控制脉冲。
8.一种多相功率转换器，其包括：
多个功率信道，其并行布置以依序激活，以驱动所述功率转换器的输出，所述功率信道中的每一个包括：耦合到所述功率转换器的所述输出的驱动器；耦合到所述驱动器的比较器；以及耦合到所述比较器的延迟锁定回路DLL；
所述DLL经配置以：产生第一偏移以调整所述比较器的阈值；以及产生接下来待激活的所述功率信道中的一个的定时基准。
9.根据权利要求8所述的多相功率转换器，其中所述DLL包括第一级和第二级，其中所述第一级经配置以产生所述定时基准，且所述第一级包括：
电流控制的单稳态电路，其由用于所述功率信道中的给定一个功率信道的驱动器控制脉冲触发；
相位检测器，其经配置以比较所述单稳态电路的输出的后边缘与用于所述功率信道中的给定一个功率信道的驱动器控制脉冲的前边缘；以及
电荷泵，其经配置以提供输出来控制所述单稳态电路。
10.根据权利要求9所述的多相功率转换器，其中所述第二级经配置以产生所述第一偏移，且所述第二级包括：
相位检测器，其经配置以比较接下来激活的所述功率信道中的一个的所述定时基准与所述驱动器控制脉冲；以及
电荷泵，其经配置以提供所述第二偏移电压来调整所述阈值。
11.根据权利要求8所述的多相功率转换器，其中所述DLL中的每一个接收用于所述DLL的所述功率信道的驱动器控制脉冲和用于接下来待激活的功率信道的驱动器控制脉冲作为输入，且其中所述DLL协作以均等地扩展用于所有所述功率信道的所述驱动器控制脉冲。
12.根据权利要求8所述的多相功率转换器，其中：
所述功率信道中的每一个包括耦合到所述驱动器的输出的反馈控制电路；
所述功率转换器进一步包括耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路的信道选择电路；以及
所述信道控制电路经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道来在多个相中的每一个中激活；以及将第二偏移引入到所述反馈控制电路中的每一个中，除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路外。
13.根据权利要求12所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第二偏移以使驱动器输出反馈电压偏置，使得相比于其它任何一个功率信道，所述功率信道中的所述特定一个功率信道在所述功率转换器的所述输出处以更高电压激活。
14.根据权利要求12所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第二偏移以使驱动器输出反馈电压偏置，使得所有所述功率信道响应于所述功率转换器的所述输出下降到低于预定电压而激活。
15.一种多相功率转换器，其包括：
多个功率信道，其并行布置以驱动所述功率转换器的输出，所述功率信道中的每一个包括：驱动器；耦合到所述驱动器的输出的反馈控制电路；耦合到所述反馈控制电路的比较器；以及延迟锁定回路DLL，其经配置以产生第一偏移来调整所述比较器的阈值，且产生接下来待激活的所述功率信道中的一个的定时基准；以及
信道选择电路，其耦合到所述功率信道中的每一个的所述反馈控制电路，所述信道选择电路经配置以：选择所述功率信道中的不同的特定一个功率信道以在多个相中的每一个中激活；以及使除所述功率信道中的所述特定一个功率信道的所述反馈控制电路外的所述反馈控制电路中的每一个引入第二偏移以使驱动器输出反馈电压远离阈值电压偏置，所述功率信道在所述阈值电压下激活。
16.根据权利要求15所述的多相功率转换器，其中所述DLL包括第一级和第二级，其中所述第一级经配置以产生所述定时信号，且所述第一级包括：
电流控制的单稳态电路，其由用于所述功率信道中的给定一个功率信道的驱动器控制脉冲触发；
相位检测器，其经配置以比较所述单稳态电路的输出的后边缘与用于所述功率信道中的给定一个功率信道的驱动器控制脉冲的前边缘；以及
电荷泵，其经配置以提供输出来控制所述单稳态电路。
17.根据权利要求16所述的多相功率转换器，其中所述第二级经配置以产生所述第一偏移，且所述第二级包括：
相位检测器，其经配置以比较接下来激活的所述功率信道中的一个的所述定时基准与所述驱动器控制脉冲；以及
电荷泵，其经配置以提供第二偏移电压来调整所述阈值。
18.根据权利要求15所述的多相功率转换器，其中所述DLL中的每一个接收用于所述DLL的所述功率信道的驱动器控制脉冲和用于接下来待激活的功率信道的驱动器控制脉冲作为输入，且其中所述DLL协作以均等地扩展用于所有所述功率信道的所述驱动器控制脉冲。
19.根据权利要求15所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第二偏移以使驱动器输出反馈电压偏置，使得相比于其它任何一个功率信道，所述功率信道中的所述特定一个功率信道在所述功率转换器的所述输出处以更高电压激活。
20.根据权利要求15所述的多相功率转换器，其中所述反馈控制电路经配置以施加所述第二偏移以使驱动器输出反馈电压偏置，使得所有所述功率信道响应于所述功率转换器的所述输出下降到低于预定电压而激活。
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