CN110445381B - 含菊花链架构的多相开关变换器及其切相控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了含菊花链架构的多相开关变换器及其切相控制方法，其中多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路、以及连接为菊花链架构的多个控制电路。该切相控制方法包括：获取指示负载电流的电流指示信号；获取控制电路的序号信息；根据序号信息产生电流阈值；以及将电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式；其中在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使相位输出信号等于相位输入信号。

Description

含菊花链架构的多相开关变换器及其切相控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其涉及多相开关变换器。
背景技术
近年来，随着高性能CPU的出现，需要输出电压更小、输出电流更大的开关变换器，对开关变换器的热性能、EMI及负载瞬态响应的要求也不断提高。多相开关变换器以其优越的性能，被广泛应用于高性能CPU的电源解决方案。
对于采用单个控制器的多相开关变换器而言，如果负载电流需求增大，变换器的相数需随之增加，相应地，控制器的逻辑、电路、结构与尺寸也需随之进行调整，这无疑极大地增加了系统的开发难度与整体成本。
为此，具有良好的可扩展性的菊花链架构被引入多相开关变换器，其中设置有多个控制电路，每个控制电路用于驱动一相开关电路。在这种架构下，可以根据具体应用的需要轻松调节多相开关器的总相数，如果需要增加相数，只需在菊花链架构中加入新的控制电路及对应外部元件即可。
然而，在菊花链架构下，如何实现多相开关变换器的切相控制，使得变换器可以根据负载电流的大小调节进行功率运行的相数，成为了一项新的挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种用于多相开关变换器的控制电路，与其余控制电路连接在一起形成菊花链架构，多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路。该控制电路包括：第一端，与其余控制电路的第一端耦接在一起，以共享相位控制信号，其中相位控制信号包括多个用于依次触发各开关电路向负载提供功率输出的脉冲；第二端，耦接至菊花链架构中前一控制电路的第三端以接收相位输入信号；第三端，耦接至菊花链架构中后一控制电路的第二端以提供相位输出信号；其中控制电路基于相位控制信号和相位输入信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号；控制电路还根据自身序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式；其中在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
本发明的实施例还提供一种多相开关变换器，包括：多个并联耦接的开关电路，其中每个开关电路均具有耦接至输入电压的输入端和耦接至负载以提供输出电压的输出端；以及多个如前所述的控制电路，连接为菊花链架构。
本发明的实施例还提供一种多相开关变换器中控制电路的切相控制方法，其中多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路、以及连接为菊花链架构的多个控制电路，每个控制电路均具有第一端、第二端与第三端，其中第一端与其余控制电路的第一端耦接在一起以共享相位控制信号，第二端耦接至前一控制电路的第三端以接收相位输入信号，第三端耦接至后一控制电路的第二端以提供相位输出信号，其中相位控制信号包括多个用于依次触发多个开关电路向负载提供功率输出的脉冲，控制电路基于相位输入信号和相位控制信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号。该切相控制方法包括：获取指示负载电流的电流指示信号；获取控制电路的序号信息；根据序号信息产生电流阈值；以及将电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否使控制电路进入切相模式；其中在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
本发明的实施例还进一步提供一种用于多相开关变换器的切相控制方法，其中多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路、以及连接为菊花链架构的多个控制电路，每个控制电路均具有第一端、第二端与第三端，其中第一端与其余控制电路的第一端耦接在一起以共享相位控制信号，第二端耦接至前一控制电路的第三端以接收相位输入信号，第三端耦接至后一控制电路的第二端以提供相位输出信号，其中该相位控制信号包括多个用于依次触发多个开关电路向负载提供功率输出的脉冲，控制电路基于相位输入信号和相位控制信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号。该切相控制方法包括：将所述多个控制电路中的一个配置为主控制电路，以在其第一端提供相位控制信号；将其余控制电路配置为从控制电路，以在其第一端接收相位控制信号；使主控制电路对相位控制信号中多个脉冲进行调制，以使其包含各控制电路的序号信息；以及使从控制电路基于接收到的相位输入信号与相位控制信号，获取自身序号信息，根据序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式；其中在切相模式下，从控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
根据本发明实施例的多相开关变换器中，各控制电路分别获取自身序号信息，根据序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否使对应的开关电路停止功率输出。通过这样的方式，多相开关变换器可以实现切相控制，自动根据负载电流的大小调整进行功率运行的相数。
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100中控制电路的示意性框图；
图3为根据本发明实施例的图2所示控制电路的工作流程图；
图4A和4B为根据本发明实施例的四相开关变换器在切相模式下的工作波形图；
图5A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5B为根据本发明实施例的多相开关变换器200中序号分配方法的工作流程图；
图6A-6D为根据本发明实施例的多相开关变换器200在不同信号调制方式下的工作波形图；
图7A为根据本发明实施例的主控制电路201A的示意性框图；
图7B为根据本发明实施例的从控制电路202A的示意性框图；
图8为根据本发明实施例的多相开关变换器300的示意性框图；
图9为根据本发明实施例的用于多相开关变换器的控制芯片330A的示意性框图；
图10为根据本发明实施例的导通信号产生电路3031A的示意性框图；
图11为根据本发明实施例的信号调制电路3032的工作流程图；
图12A为根据本发明实施例的序号计算电路3034的工作流程图；
图12B为根据本发明实施例的序号计算电路3034在四相开关变换器中的工作波形图；
图13为根据本发明实施例的控制芯片330A中切相控制方法的工作流程图；
图14为根据本发明实施例的开关控制电路3033A的示意性框图；
图15为根据本发明实施例的四相开关变换器的工作波形图；
图16为根据本发明实施例的用于多相开关变换器的控制芯片330B的示意性框图；
图17为根据本发明实施例的多相开关变换器400的示意性框图；
图18为根据本发明实施例的多相开关变换器500的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合附图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，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。
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，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。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。此外，说明书中所指的相互同步或相等的信号，在实际应用中，由于信号处理造成的延时，彼此之间也许存在少许时差。
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，包括并联耦接的开关电路111～11N、以及连接为菊花链(daisy chain)架构的控制电路101～10N。其中每个开关电路均具有耦接至输入电压Vin的输入端和耦接至负载以提供输出电压Vout的输出端。控制电路101～10N分别耦接至开关电路111～11N，其中每个控制电路10i(i＝1，2，……，N)均具有第一端、第二端与第三端，其中第一端与其余控制电路的第一端耦接在一起以共享相位控制信号Set，第二端耦接至前一控制电路的第三端以接收相位输入信号Takei，第三端耦接至后一控制电路的第二端以提供相位输出信号Passi。控制电路10i基于相位输入信号Takei和相位控制信号Set，产生相位输出信号Passi以及控制对应开关电路11i的开关控制信号PWMi。在一些实施例中，开关电路11i为同步降压电路，包括上管HSi、下管LSi、电感器Li和输出电容器Coi。在开关控制信号PWMi为高电平时，上管HSi导通，下管LSi关断。在开关控制信号PWMi为低电平时，上管HSi关断，下管LSi导通。
相位控制信号Set通常包括多个用于依次触发各开关电路向负载提供功率输出的脉冲，例如脉冲1～N。一般地，开关控制信号PWM1～PWMN分别与该多个脉冲同步。例如，开关控制信号PWMi的上升沿与脉冲i的上升沿同步，从而在脉冲i的上升沿使上管HSi导通、下管LSi关断，触发对应开关电路11i向负载提供功率输出。在图1所示实施例中，相位控制信号Set可以由各控制电路中的某一个产生，也可以来自于独立的信号产生电路。
各控制电路分别根据自身的序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式。在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。此处所指序号信息，用于指示控制电路在菊花链架构中的序号。该序号是用以在菊花链架构中区分各控制电路的身份识别标记，在N相变换器中，通常表示为1、2、……、N。该序号可以与各控制电路在菊花链架构中的物理连接顺序相对应，以指示控制电路在菊花链架构中的物理位置，也可以与之独立而不相关。在一些实施例中，序号1、2、……、N分别对应于图1中的控制电路101、102、……、10N。在一些实施例中，控制电路在电流指示信号小于电流阈值时，进入切相模式。
通过这样的方式，多相开关变换器可以实现切相控制，自动根据负载电流的大小调整进行功率运行的相数。因此，在负载电流较小时，变换器中可以仅部分开关电路进行功率运行，从而降低开关损耗。
图2为根据本发明实施例的多相开关变换器100中控制电路的示意性框图，包括序号计算电路1011、阈值产生电路1012、切相控制电路1013和开关控制电路1014。开关控制电路1014基于相位控制信号Set与相位输入信号Take，产生开关控制信号PWM与相位输出信号Pass。序号计算电路1011，用于获取控制电路的序号信息Seq_No。阈值产生电路1012耦接至序号计算电路1011以接收序号信息Seq_No，并根据序号信息Seq_No产生电流阈值I_th。切相控制电路1013耦接至阈值产生电路1012与开关控制电路1014，将代表负载电流的电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较，产生切相控制信号Ph_Sh以控制开关控制电路1014。通常，在电流指示信号I_load小于电流阈值I_th时，开关控制电路1014使对应开关电路停止功率输出，并使相位输出信号Pass等于相位输入信号Take。
图3为根据本发明实施例的图2所示控制电路的工作流程图，包括步骤S121～S125。
在步骤S121，获取代表负载电流的电流指示信号I_load。获取电流指示信号I_load的方式有很多，例如，可以通过电流采样电路(例如采样电阻器、电流互感器等)对多相开关变换器的输出电流Iout进行采样来获取，此时的电流指示信号I_load代表实时负载电流。在一些实施例中，I_load也可以是直接来自上位控制器或负载，指示负载电流的期望值。
在步骤S122，获取控制电路的序号信息。获取序号信息的方式也多种多样。在一些实施例中，可以通过检测特定引脚上的电特性(例如电压、电流或电阻)，并基于检测所得值通过计算或查表等方法解析得出序号信息。在另一些实施例中，相位控制信号中的多个脉冲被调制以包含各控制电路的序号信息，控制电路基于接收到的相位输入信号与相位控制信号，获取自身序号信息。
在步骤S123，根据序号信息Seq_No产生电流阈值I_th。基于序号信息Seq_No，可以通过计算、查表、信号转换等方法来获得电流阈值I_th。一般来说，Seq_No越大，电流阈值I_th越大。在一些实施例中，电流阈值I_th＝Seq_No*I_phase，其中I_phase的值可以预设，也可以由用户根据需要进行调节。
在步骤S124，将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较。若电流指示信号I_load大于或等于电流阈值I_th，则进入步骤S125，控制电路正常工作。基于相位输入信号Take，开关控制电路在相位输入信号Set中对应脉冲来临时，触发对应开关电路向负载提供功率输出。开关控制电路还提供相位输出信号Pass至下一个控制电路，使其可以在相位输入信号Set的下一个脉冲来临时，触发下一相开关电路向负载提供功率输出。
若电流指示信号I_load小于电流阈值I_th，则进入步骤S126，控制电路进入切相模式，使对应开关电路停止功率输出。同时，相位输出信号Pass被设置为等于相位输入信号Take。
图4A为根据本发明实施例的四相开关变换器在切相模式下的工作波形图，其中PWM1～PWM4为各相开关控制信号，I_th2、I_th3和I_th4分别为Seq_No为2、3、4的控制电路(例如图1中的102～104)所对应的电流阈值。如图4A所示，当电流指示信号I_load在t1时刻下降至小于I_th4，控制电路104进入切相模式，开关控制信号PWM4变为高阻态，对应的开关电路114停止功率输出，上管HS4与下管LS4均关断。同理，当电流指示信号I_load在t2时刻下降至小于I_th3，控制电路103进入切相模式，开关控制信号PWM3变为高阻态，对应的开关电路113停止功率输出。当电流指示信号I_load在t3时刻下降至小于I_th2，控制电路102进入切相模式，开关控制信号PWM2变为高阻态，对应的开关电路112停止功率输出。在t4时刻，电流指示信号I_load增大至大于I_th2、I_th3和I_th4(忽略滞环影响)，因而各相控制电路均恢复正常工作。在图4A所示示例中，开关控制信号PWM2～PWM4在t4时刻由高阻态变为低电平。
在一些实施例中，为了防止输出电压Vout上出现下冲，如图4B所示，在t4时刻之后，开关控制信号PWM2～PWM4仍维持高阻态，直至按控制时序需要变为高电平，使对应开关电路输出功率为止。
图5A为根据本发明实施例的多相开关变换器200的示意性框图，其连接结构与图1所示实施例雷同。在控制电路201～20N中，201为主控制电路，在其第一端提供相位控制信号Set，202～20N为从控制电路，在其第一端接收相位控制信号Set。图5B为根据本发明实施例的多相开关变换器200中序号分配方法的工作流程图，包括步骤S221～S222。
在步骤S221，主控制电路201产生相位控制信号Set，该相位控制信号Set包括多个用于依次触发各开关电路向负载提供功率输出的脉冲，例如脉冲1～N。主控制电路对脉冲1～N进行进一步调制，以使其包含各控制电路的序号信息。
在步骤S222，从控制电路接收相位控制信号Set，基于相位控制信号Set和相应的相位输入信号，获取自身序号信息。根据序号信息，从控制电路产生电流阈值I_th，并将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较，以判断是否进入切相模式。
图6A～6D为根据本发明实施例的多相开关变换器200在不同信号调制方式下的工作波形图。在图6A所示实施例中，相位控制信号Set中的脉冲1～N具有互不相同的脉冲宽度，该脉冲宽度可以表示为
tset_on＝TSET+j＊TOFFSET (1)
其中TSET为预设脉冲宽度，TOFFSET为偏置值，j＝1，2，……，N。从控制电路202～20N分别基于其相位输入信号(Take2/Take3/…/TakeN)对相位控制信号Set进行采样，并根据采样所得脉冲的脉冲宽度获取自身序号信息。例如，对于从控制电路202而言，其基于相位输入信号Take2对相位控制信号Set进行采样，得到脉冲1，然后基于脉冲1的脉冲宽度(TSET+TOFFSET)与等式(1)，推出此时j＝1，进而得到自身序号信息，例如数字“2”，代表从控制电路202位于菊花链架构中的第二相。
虽然图6A所示实施例中，脉冲1～N的脉冲宽度依据等式(1)产生，呈等差增大趋势。本领域技术人员可以理解，这并不用于限制本发明。各脉冲的脉冲宽度可以采用其它方式决定，只要其各不相同，且从控制电路可以根据预设对应关系据之解析出相应的序号信息即可。
图6B示出了根据另一实施例的信号调制方式。其中相位控制信号Set中的脉冲1被调制为具有与其余脉冲所不同的脉冲宽度。例如脉冲1的脉冲宽度被设置为(TSET+TOFFSET)，而脉冲2～N的脉冲宽度被设置为TSET。从控制电路202～20N对相位控制信号Set进行监测。当检测到相位控制信号中的脉冲1时，从控制电路202～20N开始基于相位控制信号Set进行计数，并分别根据其相位输入信号(Take2/Take3/…/TakeN)和计数所得值获取自身序号信息。以从控制电路103为例，在一个实施例中，从控制电路203对相位控制信号Set中各脉冲的脉冲宽度均进行检测，判断其是否大于TSET。当在脉冲1的下降沿发现其脉冲宽度大于TSFT，则开始进行计数。在脉冲1的下降沿，计数值为0；在脉冲2的上升沿，计数值变为1。在脉冲3的上升沿，计数值变为2。从控制电路203基于其相位输入信号Take3，例如在脉冲3的上升沿，对计数值进行采样，得到计数值2，进而基于该计数值得到自身序号信息，例如数字“3”，代表从控制电路103位于菊花链架构中的第三相。
虽然图6B所示实施例中，脉冲1的脉冲宽度小于其余脉冲，但本领域技术人员可以理解，这并不用于限制本发明。脉冲1的脉冲宽度也可以大于其余脉冲，只要从控制电路可以据之自各脉冲中识别出脉冲1即可。
除了脉冲宽度，本发明也可以对脉冲幅值进行调制。例如，如图6C所示，使相位控制信号Set中的脉冲1～N具有互不相同的脉冲幅值，从控制电路基于其相位输入信号对相位控制信号Set进行采样，并根据采样所得脉冲的脉冲幅值获取自身序号信息。或者如图6D所示，将相位控制信号Set中的脉冲1调制为具有与其余脉冲所不同的脉冲幅值，使从控制电路能基于脉冲幅值对其加以识别。
此外，需要注意的是，虽然在图6A～6D的实施例中，信号Take2与脉冲1同步，信号Take3与脉冲2同步，……但这并非用于限制本发明。根据各控制电路采取的内部逻辑，也可以将信号Take1～TakeN设置为分别与脉冲1～N同步，或者呈其它的预设相位关系。在这种情况下，从控制电路依然可以采用类似图6A～6D所示的方式自相位控制信号Set中解析出自身序号信息。这些变形均为本领域技术人员所容易理解，因而并未超出本发明的保护范围。
虽然图6A～6D所述实施例中，主控制电路对相位控制信号的调制，以及从控制电路基于相位控制信号的序号解析，均可以持续不断地循环进行，但这并非必需。在一些实施例中，多相开关变换器具有正常工作模式和地址分配模式。在正常工作模式下，主控制电路所输出相位控制信号中的脉冲具有相同的脉冲宽度(例如图6A和6B中所述的预设脉冲宽度TSFT)和脉冲幅值。在地址分配模式下，主控制电路对相位控制信号中多个脉冲的脉冲宽度或脉冲幅值进行调制，使其包含各控制电路的序号信息。多相开关变换器可以在刚启动或其它必要的时候，进入地址分配模式。
图7A为根据本发明实施例的主控制电路201A的示意性框图，包括导通信号产生电路2011、信号调制电路2012以及开关控制电路2013。导通信号产生电路2011产生导通控制信号Set_ana。信号调制电路2012耦接至导通信号产生电路2012，基于导通控制信号Set_ana，产生相位控制信号Set。开关控制电路2013耦接至信号调制电路2012，基于相位控制信号Set与相位输入信号Take1，产生开关控制信号PWM1与相位输出信号Pass1。导通控制信号Set_ana可以基于多相开关变换器的输出电压Vout与参考信号比较所产生，也可以是由振荡器输出的时钟信号。
图7B为根据本发明实施例的从控制电路202A的示意性框图，包括序号计算电路2021、阈值产生电路2022、切相控制电路2023和开关控制电路2024。序号计算电路2021基于相位控制信号Set与相位输入信号Take2，获取序号信息Seq_No。阈值产生电路2022基于序号信息Seq_No，产生电流阈值I_th。
开关控制电路2024基于相位控制信号Set与相位输入信号Take2，产生开关控制信号PWM2与相位输出信号Pass2。切相控制电路2023耦接至阈值产生电路2022与开关控制电路2024，将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较，产生切相信号Ph_Sh以控制开关控制电路2024。
图8为根据本发明实施例的多相开关变换器300的示意性框图，其中包括具有相同结构的控制芯片331～33N。每个控制芯片内均集成了主控制电路、从控制电路与功率电路，根据需求，可以选择性地使能其中的主控制电路或从控制电路。例如，在图8所示示例中，控制芯片331被设置为主控芯片，其内部的主控制电路被使能(enabled)，从控制电路被去使能(disabled)。相应地，控制芯片332～33N被设置为从控芯片，内部的从控制电路被使能，主控制电路被去使能。控制芯片中的功率电路可以包含如图5A所示实施例中的晶体管及其对应的驱动电路。
图8中芯片内的主控制电路和从控制电路可以分别具有和图7A、图7B所示电路相似的结构。但为了节省电路面积、简化电路结构，也可以将主控制电路和从控制电路中的功能相同的电路进行复用，例如，主控制电路和从控制电路可以共享开关控制电路。此外，将控制芯片配置为主控制电路或从控制电路的方法也多种多样，例如，可以通过调节某些引脚的电压、电流或者电阻值来实现。
图9为根据本发明实施例的用于多相开关变换器的控制芯片330A的示意性框图。控制芯片330A包括主控单元、从控单元、功率单元、主从判断电路3030、开关控制电路3033以及多个引脚。引脚SET用于共享相位控制信号Set，引脚TAKE用于接收相位输入信号Take，引脚PASS用于提供相位输出信号Pass，引脚VIN用于接收输入电压Vin，引脚PGND用于耦接至功率地，引脚SW通过外部元件耦接至负载。
主控单元用于产生相位控制信号Set，并对相位控制信号中的多个脉冲进行调制，以使其包含各控制电路的序号信息。从控单元基于相位输入信号Take和相位控制信号Set，获取序号信息Seq_No。然后，根据序号信息Seq_No产生电流阈值I_th，并将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较，以提供相位控制信号Ph_Sh至开关控制电路3033。功率单元包括晶体管HS和LS以及驱动电路3040，晶体管HS和LS串联耦接在引脚VIN与PGND之间，晶体管HS和LS的连接点耦接至引脚SW。开关控制电路3033基于相位控制信号Set、相位输入信号Take与切相控制信号Ph_Sh，产生开关控制信号PWM与相位输出信号Pass。主从判断电路3030判断控制芯片被设置为主控芯片还是从控芯片，产生主从判断信号MS以控制主控单元和从控单元。
在一个实施例中，主控单元包括导通信号产生电路3031、信号调制电路3032以及开关S1。导通信号产生电路3031产生导通控制信号Set_ana。信号调制电路3032耦接至导通信号产生电路3031，基于导通控制信号Set_ana产生预处理信号Set_out。开关S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至信号调制电路3032以接收预处理信号Set_out，第二端耦接至引脚SET以提供相位控制信号Set，控制端耦接至主从判断电路3030以接收主从判断信号MS。
从控单元包括序号计算电路3034、阈值产生电路3035和切相控制电路3036。序号计算电路3034耦接至引脚TAKE和SET以接收相位输入信号Take和相位控制信号Set，并基于该两个信号获取序号信息Seq_No。阈值产生电路3035基于序号信息Seq_No产生电流阈值I_th。切相控制电路3036耦接至阈值产生电路3035与开关控制电路3033，将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较，产生切相信号Ph_Sh。
在一个实施例中，控制芯片330A还包括耦接在引脚PASS与参考地之间的下拉电阻器R1。在菊花链架构下，通过将引脚TAKE经外接上拉电阻器连接至供电电压Vcc，即可将控制芯片330A设置为主控芯片。反之，若引脚TAKE没有外接上拉电阻器，则控制芯片330A被设置为从控芯片。控制芯片230A在刚启动的时候，会在一段时间内将引脚PASS设为高阻态，此时主从判断电路3030可以基于引脚TAKE上的电压，来判断控制芯片是被设置为主控芯片还是从控芯片。若检测引脚TAKE上的电压为高，则判断控制芯片被设置为主控芯片；若检测到引脚TAKE上的电压为低，则判断控制芯片被设置为从控芯片。
在一些实施例中，控制芯片330A还包括总相数计算电路3037、输出电流计算电路3038、电流检测电路3039以及引脚ISUM。总相数计算电路3036基于相位输入信号Take与相位控制信号Set，判断多相开关变换器的总相数Total_No。例如，可以通过计算相位输入信号Take的一个周期中，相位控制信号Set上出现的脉冲的个数来判断总相数Total_No。电流检测电路3039耦接至引脚SW，用于检测流过引脚SW的电流，并产生检测电流Ics。该检测电流Ics被提供至引脚ISUM。电阻器R2耦接于引脚ISUM与参考地之间。
菊花链内各控制芯片的ISUM引脚被耦接在一起，以在其上得到代表多相开关变换器平均输出电流的平均电流采样信号Vsum。
Figure BDA0002145249380000121
总电流计算电路3038耦接至总相数计算电路3037和引脚ISUM，根据总相数Total_No和平均电流采样信号Vsum，产生电流指示信号I_load。该电流指示信号I_load代表了多相开关变换器的输出电流Iout，也代表了此时流过负载的电流。它可以表示为：
l_load＝Total_No＊Vsum (3)
在一些实施例中，控制芯片330A还包括通信电路3041和寄存器电路3042。通信电路3041耦接至通信总线，例如I2C、SPI、SCI、UART、CAN等常用总线。当采用I2C总线时，可以选用PMBUS或SMBUS协议。在一个实施例中，该通信总线为采用PMBUS协议的I2C总线，控制芯片330A具有用于数据通信的引脚SCL、SDA、ALT，以及用于设置控制芯片330A通信地址的引脚ADDR。寄存器电路3042用于存储控制芯片330A中的信息数据，例如来自上位控制器的指令、数字计算的中间和最终数据、以及地址等。
图10为根据本发明实施例的导通信号产生电路3031A的示意性框图，包括斜坡产生电路3311、误差比例积分电路3312以及比较电路3313。斜坡产生电路3311提供斜坡信号RAMP。误差比例积分电路3312接收参考信号REF和代表多相开关变换器输出电压的反馈信号FB，并基于该两个信号产生补偿信号COMP。比较电路3313接收反馈信号FB、参考信号REF、斜坡信号RAMP以及补偿信号COMP，产生导通控制信号Set_ana。
图11为根据本发明实施例的信号调制电路3032的工作流程图，包括步骤S3321～S3325。在步骤S3321，等待导通控制信号Set_ana的上升沿，并在检测到上升沿后进入步骤S3322。在步骤S3322，判断控制芯片被设置为主控芯片还是从控芯片。若控制芯片为主控芯片，则进入步骤S3323，基于导通控制信号Set_ana进行脉冲宽度调节(例如以图6B中所示的方式)，然后在步骤S3325将经脉冲宽度调节后产生的信号作为预处理信号Set_out输出。若控制芯片为从控芯片，则进入步骤S3324，维持脉冲宽度不变，然后在步骤S3325输出预处理信号Set_out。
图12A为根据本发明实施例的序号计算电路3034的工作流程图，包括步骤S3341～S3345。在步骤S3341，等待相位控制信号Set中的脉冲1出现，在检测到该脉冲1后，进入步骤S3342。在步骤S3342，判断控制芯片被设置为主控芯片还是从控芯片。若控制芯片为主控芯片，则进入步骤S3343，将Seq_No设为1。若控制芯片为从控芯片，则进入步骤S3344，根据相位控制信号Set进行计数。随后，在步骤S3345基于相位输入信号Take和计数值获得Seq_No。
图12B为根据本发明实施例的序号计算电路3038在四相开关变换器中的工作波形图，其中控制芯片在菊花链架构中被用作第三相控制，对应序号为3。由图12B可以看到，通过基于相位控制信号Set进行计数，不仅可以获得序号信息，即使是从控芯片，也可以获得开关控制电路的总相数Total_No。
图13为根据本发明实施例的控制芯片330A中切相控制方法的工作流程图，包括步骤S3361～S3368。在步骤S3361，获取平均电流采样信号Vsum。在步骤S3362，基于相位控制信号Set和相位输入信号Take计算总相数Total_No。在步骤S3363，根据等式(3)计算出电流指示信号I_load。在步骤3364，基于相位控制信号Set和相位输入信号Take获取序号信息Seq_No。在步骤S3365，根据序号信息Seq_No产生电流阈值I_th。在步骤S3366，将电流指示信号I_load与电流阈值I_th进行比较。若电流指示信号I_load大于或等于电流阈值I_th，则进入步骤S3367，控制芯片正常工作。若电流指示信号I_load小于电流阈值I_th，则进入步骤S3368，控制芯片进入切相模式。
在一些实施例中，为了保证多相开关变换器的运行，主控芯片的切相功能被屏蔽，即无论何种情况，主控芯片均不会进入切相模式。
图14为根据本发明实施例的开关控制电路3033A的示意性框图，其中包括或门3330、RS触发器3331、3333、与门电路3332、导通时间控制电路3334、单触发电路3335、开关控制产生电路3336以及相位输出产生电路3337，其具体连接如图所示。在该实施例中，采用了恒定导通时间控制方式(constant on-time control method)。正常工作状态下，在相位输入信号Take的下降沿，触发器3331被置位，其输出的信号RUN变为高电平。随后，当相位控制信号Set由低电平变为高电平，触发器3333被置位，使信号PWM_Normal变为高电平，同时信号Pass_Normal也变为高电平。单触发电路3335在固定时间后会使信号Pass_Normal恢复至低电平。而在导通时间控制电路3334的作用下，触发器3333也将在一段时间TON后被复位，使信号PWM_Normal变为低电平。这段时间TON通常由多相开关变换器的输入电压Vin和输出电压Vout决定。
开关控制产生电路3336基于信号PWM_Normal与切相控制信号Ph_Sh产生开关控制信号PWM。在正常工作状态下，开关控制信号PWM与信号PWM_Normal相等。在切相模式下，开关控制信号PWM被设置为高阻态，以使上管HS和下管LS均关断。
相位输出产生电路3337基于信号Pass_Normal、相位输入信号Take与切相控制信号Ph_Sh，产生相位输出信号Pass。在正常工作状态下，相位输出信号Pass与信号Pass_Normal相等。在切相模式下，相位输出信号Pass与相位输入信号Take相等。图15为根据本发明实施例的四相开关变换器的工作波形图，其中示出了各控制芯片内逻辑信号的相互关系，以及它们在切相模式下的变化。
虽然前述实施例中，开关变换器中的开关电路均以同步降压电路为例，但本领域技术人员可以理解，开关电路也可以采用其它拓扑，例如非同步降压电路、升压电路、升降压电路等。其中的开关管除了MOSFET，也可以采用其它合适的可控半导体开关器件。这些开关管可以和相应控制电路、驱动电路集成在一起，也可以彼此分立。在一些应用中，开关电路中的电感器和电容器也可以被集成入芯片内。而且，除了恒定导通时间控制，本发明中开关控制电路也可以采用其他合适的控制方式。这些变形均为本领域技术人员所容易理解，并未超出本发明的保护范围。
此外，为了叙述方便，前述实施例中多以功能框图的方式对控制电路进行了划分和介绍，但这并不用于限制本发明。控制电路中的某些电路可能由分立的器件或者芯片实现，例如，图7A所示实施例中，导通信号产生电路2011和导通信号处理电路2012可以位于独立于其他电路的芯片之中。而控制电路中的某些电路可能被部分整合在一起，例如由数字信号处理电路，或可编程器件(例如PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA等)实现。图16为根据本发明实施例的用于多相开关变换器的控制芯片330B的示意性框图。与图9所示实施例相比，图14中的可编程器件集中实现了主从判断电路、信号调制电路、开关控制电路、序号计算电路、阈值产生电路、切相控制电路、总相数计算电路、输出电流计算电路、通信电路和寄存器电路的功能。
虽然前述实施例中，详细描述了主控制电路对相位控制信号调制，然后从控制电路基于相位控制信号进行解析来获取序号信息Seq_No的方案，但这并不用于限制本发明，其它合适的序号信息获取方式也同样适用于本发明。例如，在图17所示实施例中，每个控制电路均包括电阻器，这些电阻器的阻值相同，串联连接于供电电压Vcc与参考地之间。控制电路基于该内部电阻器上端的电压VH和下端的电压VL，即可计算出自身的序号信息：
Figure BDA0002145249380000151
图18为根据本发明实施例的多相开关变换器500的示意性框图，其中每个控制电路均具有专用于序号设置的引脚和提供电流至该引脚的电流源。具有不同阻值的电阻器Rs1～Rsn被分别耦接在这些引脚与参考地之间。控制电路根据该引脚上的电压，可通过计算、查表或者其它的方式获取自身序号信息。
本领域技术人员还可以理解，在实际应用中，电流指示信号I_load与电流阈值I_th之间的比较通常采用滞环比较，基于电流阈值I_th产生增相阈值Ith_add和减相阈值Ith_shed。若电流指示信号I_load小于Ith_shed，则开关控制电路进入切相模式；若电流指示信号I_load大于或等于Ith_add，则开关控制电路进入正常工作；若电流指示信号I_load处于Ith_shed与Ith_add之间，则开关控制电路维持原有工作模式不变。
在一些实施例中，Ith_add＝I_th+I_hys，Ith_shed＝I_th-I_hys，其中I_hys为滞环值。在另一些实施例中，Ith_add＝I_th，Ith_shed＝I_th-I_hys。在又一些实施例中，Ith_add＝I_th+I_hys，Ith_shed＝I_th。
此外，为了防止误触发，可以在电流指示信号I_load小于Ith_shed且该状态持续一段时间后，开关控制电路方进入切相模式。
在前述的一些实施例中，在切相模式下，开关控制信号变为高阻态，驱动电路在接收到该高阻态的开关控制信号后，使对应开关电路中的晶体管均关断，以停止功率输出。然而，这并非用于限制本发明，本领域技术人员可以根据实际需要，选择其他合适的方式，来使对应开关电路停止功率输出。而且，在需要停止功率输出时，开关电路中的晶体管也并非必需同时关断，对于同步降压电路而言，可以先关断上管，然后在检测到电感电流过零时，再关断下管。
在一些实施例中，处于阈值电压Vth1(例如2V)至供电电压(例如3.3V)之间的电平被认为是高电平(“1”)，处于0V至Vth2(例如1V)之间的电平被认为是低电平(“0”)，处于阈值电压Vth2与Vth1之间的电平被认为是中间电平。高阻态指的是数字电路的一种输出状态，它既不是高电平也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路的话，对下一级电路无任何影响。如果用仪器检测的话，高阻态有可能呈现出高电平、低电平或中间电平，由下一级电路决定。
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 (18)

1.一种用于多相开关变换器的控制电路，与其余控制电路连接在一起形成菊花链架构，多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路，该控制电路包括：
第一端，与其余控制电路的第一端耦接在一起，以共享相位控制信号，其中相位控制信号包括多个用于依次触发各开关电路向负载提供功率输出的脉冲；
第二端，耦接至菊花链架构中前一控制电路的第三端以接收相位输入信号；
第三端，耦接至菊花链架构中后一控制电路的第二端以提供相位输出信号；其中
控制电路基于相位控制信号和相位输入信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号；
控制电路还根据自身序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式；其中
在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
2.如权利要求1所述的控制电路，基于电流阈值产生增相阈值和减相阈值，并将电流指示信号与增相阈值和减相阈值进行比较，其中在电流指示信号小于减相阈值时，进入切相模式，在电流指示信号大于增相阈值时，使对应开关电路恢复正常工作。
3.如权利要求1所述的控制电路，包括：
序号计算电路，获取控制电路的序号信息；
阈值产生电路，耦接至序号计算电路以接收序号信息，并根据序号信息产生电流阈值；
切相控制电路，耦接至阈值产生电路，将电流指示信号与电流阈值进行比较，产生切相控制信号；以及
开关控制电路，耦接至切相控制电路，基于相位控制信号、相位输入信号与切相控制信号，产生开关控制信号与相位输出信号。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中相位控制信号中的多个脉冲被调制以包含各控制电路的序号信息，控制电路基于接收到的相位输入信号与相位控制信号，获取自身序号信息。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中相位控制信号中的多个脉冲被调制为具有互不相同的脉冲宽度或脉冲幅值，控制电路基于其相位输入信号对相位控制信号进行采样，并根据采样所得脉冲的脉冲宽度或脉冲幅值获取自身序号信息。
6.如权利要求4所述的控制电路，其中相位控制信号被调制为包括第一脉冲，该第一脉冲具有与多个脉冲中其余脉冲所不同的脉冲宽度或脉冲幅值，控制电路对相位控制信号进行监测，在检测到相位控制信号中的第一脉冲时，开始基于相位控制信号进行计数，并根据其相位输入信号和计数所得值获取自身序号信息。
7.如权利要求1所述的控制电路，包括
主控单元，产生相位控制信号；
从控单元，基于相位输入信号和相位控制信号，获取控制电路的序号信息，根据序号信息产生电流阈值，并将电流指示信号与电流阈值进行比较，产生切相控制信号；
主从判断电路，判断控制电路被设置为主控制电路还是从控制电路，产生主从判断信号以控制主控单元和从控单元；以及
开关控制电路，耦接至从控单元，基于相位控制信号、相位输入信号与切相控制信号，产生开关控制信号与相位输出信号。
8.如权利要求7所述的控制电路，其中主控单元包括：
导通信号产生电路，产生导通控制信号；
信号调制电路，耦接至导通信号产生电路，基于导通控制信号，产生预处理信号；以及
开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至信号调制电路以接收预处理信号，第二端耦接至控制电路的第一端，控制端耦接至主从判断电路以接收主从判断信号。
9.如权利要求7所述的控制电路，其中从控单元包括：
序号计算电路，基于相位控制信号与相位输入信号，获取控制电路的序号信息；
阈值产生电路，耦接至序号计算电路以接收序号信息，并根据序号信息产生电流阈值；以及
切相控制电路，耦接至阈值产生电路，将电流指示信号与电流阈值进行比较，产生切相控制信号。
10.一种多相开关变换器，包括：
多个并联耦接的开关电路，其中每个开关电路均具有耦接至输入电压的输入端和耦接至负载以提供输出电压的输出端；以及
多个如权利要求1至9中任一项所述的控制电路，连接为菊花链架构。
11.一种多相开关变换器中控制电路的切相控制方法，其中多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路、以及连接为菊花链架构的多个控制电路，每个控制电路均具有第一端、第二端与第三端，其中第一端与其余控制电路的第一端耦接在一起以共享相位控制信号，第二端耦接至前一控制电路的第三端以接收相位输入信号，第三端耦接至后一控制电路的第二端以提供相位输出信号，其中相位控制信号包括多个用于依次触发多个开关电路向负载提供功率输出的脉冲，控制电路基于相位输入信号和相位控制信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号，该切相控制方法包括：
获取指示负载电流的电流指示信号；
获取控制电路的序号信息；
根据序号信息产生电流阈值；以及
将电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否使控制电路进入切相模式；其中
在切相模式下，控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
12.如权利要求11所述的切相控制方法，其中将电流指示信号与电流阈值进行比较的步骤包括：
基于电流阈值产生增相阈值和减相阈值；
将电流指示信号与增相阈值和减相阈值进行比较；
在电流指示信号小于减相阈值时，进入切相模式；以及
在电流指示信号大于增相阈值时，使对应开关电路恢复正常工作。
13.如权利要求11所述的切相控制方法，其中相位控制信号中的多个脉冲被调制以包含各控制电路的序号信息，控制电路基于接收到的相位输入信号与相位控制信号，获取自身序号信息。
14.如权利要求13所述的切相控制方法，其中相位控制信号中的多个脉冲被调制为具有互不相同的脉冲宽度或脉冲幅值，控制电路基于其相位输入信号对相位控制信号进行采样，并根据采样所得脉冲的脉冲宽度或脉冲幅值获取自身序号信息。
15.如权利要求13所述的切相控制方法，其中相位控制信号被调制为包括第一脉冲，该第一脉冲具有与多个脉冲中其余脉冲所不同的脉冲宽度或脉冲幅值，控制电路对相位控制信号进行监测，并在检测到相位控制信号中的第一脉冲时，开始基于相位控制信号进行计数，并根据其相位输入信号和计数所得值获取自身序号信息。
16.一种用于多相开关变换器的切相控制方法，其中多相开关变换器包括多个并联耦接的开关电路、以及连接为菊花链架构的多个控制电路，每个控制电路均具有第一端、第二端与第三端，其中第一端与其余控制电路的第一端耦接在一起以共享相位控制信号，第二端耦接至前一控制电路的第三端以接收相位输入信号，第三端耦接至后一控制电路的第二端以提供相位输出信号，其中该相位控制信号包括多个用于依次触发多个开关电路向负载提供功率输出的脉冲，控制电路基于相位输入信号和相位控制信号，产生相位输出信号以及控制对应开关电路的开关控制信号，该切相控制方法包括：
将所述多个控制电路中的一个配置为主控制电路，以在其第一端提供相位控制信号；
将其余控制电路配置为从控制电路，以在其第一端接收相位控制信号；
使主控制电路对相位控制信号中多个脉冲进行调制，以使其包含各控制电路的序号信息；以及
使从控制电路基于接收到的相位输入信号与相位控制信号，获取自身序号信息，根据序号信息产生电流阈值，并将代表负载电流的电流指示信号与电流阈值进行比较，以判断是否进入切相模式；其中
在切相模式下，从控制电路使对应开关电路停止功率输出，并使其相位输出信号等于相位输入信号。
17.如权利要求16所述的切相控制方法，其中相位控制信号中的多个脉冲被调制为具有互不相同的脉冲宽度或脉冲幅值，从控制电路基于其相位输入信号对相位控制信号进行采样，并根据采样所得脉冲的脉冲宽度或脉冲幅值获取自身序号信息。
18.如权利要求16所述的切相控制方法，其中相位控制信号被调制为包括第一脉冲，该第一脉冲具有与多个脉冲中其余脉冲所不同的脉冲宽度或脉冲幅值，从控制电路对相位控制信号进行监测，并在检测到相位控制信号中的第一脉冲时，开始基于相位控制信号进行计数，并根据其相位输入信号和计数所得值获取自身序号信息。
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