CN111727553B - 用于多相恒定导通时间降压转换器中的相位电流平衡的方法和装置 - Google Patents

用于多相恒定导通时间降压转换器中的相位电流平衡的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种多相DC‑DC降压转换器，所述多相DC‑DC降压转换器用于通过在多个DC‑DC降压转换器单元(11)之间分流负载电流来接收输入电压(VIN)并且将输出电压(VOUT)递送至负载。所述转换器包括：多个电流感测电路(101)，所述多个电流感测电路(101)用于感测相应转换器单元(11)中的电流，所述电流感测电路(101)中的每一个电流感测电路被配置为生成相应电流感测信号(VCS1,…,VCSN)；平均电路(102)，所述平均电路(102)用于接收所述相应电流感测信号中的每一个电流感测信号并生成平均信号(VCS(AV))；多个不平衡检测器电路(105)，所述多个不平衡检测器电路(105)用于将相应的电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应的电流不平衡信号(ΔVCS1,…,ΔVCSN)；以及多个导通时间发生器(107)，所述多个导通时间发生器(107)用于在预定时间间隔内激活转换器单元(11)并且根据相应的电流不平衡信号(ΔVCS1,…,ΔVCSN)的时间积分来改变所述预定时间间隔。

Description

用于多相恒定导通时间降压转换器中的相位电流平衡的方法 和装置
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2018年2月19日提交的美国临时专利申请号62/632,230的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及恒定导通时间转换器，并且更具体地涉及用于实现相位之间的输出电流平衡的方法和装置。
背景技术
在多相DC-DC电源转换器中，需要考虑所有相位中的电流之间的平衡。相位之间的输出电流的不平衡可导致不均匀的热分布，这不利地影响电源转换器的性能、功率效率和尺寸。必须认识到，被配置为共享公共负载的多个连续导通模式(CCM)电源转换器的脉冲宽度调制(PWM)控制将不一定实现在这些转换器之间相等地共享输出电流。应考虑控制方法以实现相位之间的电流平衡。
基于纹波的恒定导通时间(COT)转换器因其对负载瞬变的异常快速响应、固有的控制简单性和稳定性而受欢迎。已经提出了许多方案来通过与相位的电流和所有相位的平均值的偏差成比例地改变相位的导通时间来实现相位之间的输出电流平衡。图1示出了此类现有技术的COT转换器的示例，其中N个转换器单元11中的每个转换器单元的电感器电流IL1～ILN由电流感测电路101监测，并且由不平衡检测器电路105与在通过低通滤波器103之后由平均电路102导出的所有N个相位的平均电流进行比较。从求和节点106处的导通时间发生器107的斜坡阈值电压VO(est)中减去所得的不平衡电压ΔVCS1～ΔVCSN。无论是实际的还是估计的，阈值电压VO(est)通常与输出电压VO成比例地生成，并且斜坡电流与电源转换器的输入电压VIN成比例地生成，以在所有操作条件下保持恒定切换周期TS。
另一种方案包括与不平衡信号成比例地改变每个单独相位中的TON信号。
由于电感器电流中存在显著的切换纹波分量，因此需要低通滤波器103来实现电流平衡。这些滤波器影响电流平衡回路动力学，并因此降低负载瞬态响应。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载。所述转换器包括多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每一个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号；平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应电流感测信号中的每一个相应电流感测信号并生成平均信号；多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应电流感测信号与所述平均信号进行比较并生成相应电流不平衡信号；以及多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内启动所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元，并且根据相应电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
在该方面的一个实施方案中，多个导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括预定电流源；定时电容器，该定时电容器被配置为对预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并生成斜坡电压；以及比较器，所述比较器用于在所述斜坡电压超过阈值时终止所述改变的预定时间间隔。在另一个实施方案中，预定电流与输入电压基本上成比例。在另一个实施方案中，阈值与输出电压基本上成比例。
在另一个实施方案中，转换器还包括多个跨导体电路，其中该多个跨导体电路中的每一个跨导体电路被配置为将相应的电流不平衡信号转换为电流。在另一个实施方案中，该转换器还包括多个乘除器电路，其中所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述输入电压和所述输出电压的比率，并且生成归一化电流不平衡信号，其中所述多个导通时间发生器中的相应一个导通时间发生器根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
在另一个实施方案中，该转换器还包括多个乘法器电路，其中所述多个乘法器电路中的每一个乘法器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比，并且生成归一化的电流不平衡信号，其中所述多个导通时间发生器中的相应一个导通时间发生器根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。在另一个实施方案中，所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路包括对应的跨导体电路，其中每个对应的跨导体电路被配置为将相应电流不平衡信号转换为电流。
根据本公开的另一方面，提供了一种在多相DC-DC降压转换器中的方法，所述方法用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载。所述方法包括感测所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元中的电流并生成相应的电流感测信号，接收所述相应的电流感测信号中的每一个电流感测信号并生成平均信号，将相应的电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应的电流不平衡信号，以及在预定时间间隔内激活所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元并且根据相应的电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
在该方面的一个实施方案中，该方法还包括对预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并生成斜坡电压，并且在斜坡电压超过阈值时终止改变的预定时间间隔。在另一个实施方案中，预定电流与输入电压基本上成比例。在另一个实施方案中，阈值与输出电压基本上成比例。
在另一个实施方案中，该方法还包括将相应的电流不平衡信号转换为电流。在另一个实施方案中，该方法还包括将相应的电流不平衡信号乘以输入电压和输出电压的比率，生成归一化电流不平衡信号，以及根据相应的归一化电流不平衡信号的时间积分来改变预定时间间隔。
在另一个实施方案中，该方法还包括将相应的电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比，生成归一化电流不平衡信号，以及根据相应的归一化电流不平衡信号的时间积分来改变预定时间间隔。
根据本公开的另一个方面，提供了一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载。所述转换器包括：多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号；平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应的电流感测信号中的每一个相应的电流感测信号并生成平均信号；多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应的电流感测信号与所述平均信号进行比较并生成相应的电流不平衡信号；多个跨导体电路，其中所述多个跨导体电路中的每一个被配置为将相应的电流不平衡信号转换为电流；多个乘除器电路，其中所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路被配置为将相应的电流不平衡信号乘以所述输入电压和所述输出电压的比率，并且生成归一化电流不平衡信号；以及多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内激活所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元，并且根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括预定电流源、定时电容器和比较器，该定时电容器被配置为对预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并生成斜坡电压，该比较器用于在斜坡电压超过阈值时终止改变的预定时间间隔。
根据本公开的另一个方面，提供了一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载。所述转换器包括：多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号；平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应的电流感测信号中的每一个相应的电流感测信号并生成平均信号；多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应的电流感测信号与所述平均信号进行比较并生成相应的电流不平衡信号；多个跨导体电路，其中所述多个跨导体电路中的每一个跨导体电路被配置为将相应的电流不平衡信号转换为电流；多个乘法器电路，其中所述多个乘法器电路中的每一个多个乘法器电路被配置为将相应的电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比，并且生成归一化电流不平衡信号；以及多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内激活所述多个转换器单元中的相应一个转换器单元，并且根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括预定电流源、定时电容器和比较器，该定时电容器被配置为对预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并生成斜坡电压，该比较器用于在斜坡电压超过阈值时终止改变的预定时间间隔。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易理解本发明实施方案及其伴随的优点和特征的更完整的理解，其中：
图1为现有技术的多相DC-DC降压转换器的电路图；
图2为根据本公开的原理的多相DC-DC降压转换器的电路图；
图3为本公开的COT控制器，该COT控制器包括被配置为归一化多相降压转换器的电流平衡回路增益的乘除器电路；
图4为本公开的被配置为归一化多相降压转换器的电流平衡回路增益的乘除器电路的另选实施方案；并且
图5为本公开的另一个实施方案，其中乘法器电路被配置为归一化多相降压转换器的电流平衡回路增益。
具体实施方式
图2示出了本公开的多相DC-DC COT降压转换器的示例性实施方案。图2的降压转换器被配置为通过在多个DC-DC降压转换器单元11之间分流负载电流来接收输入电压VIN并向负载12递送输出电压VO。在该实施方案中，降压转换器包括多相COT控制器10。COT控制器10包括电流感测电路101，每个电流感测电路监测N个转换器单元11中的每一个的电感器电流IL1～ILN。电流感测电路101中的每一个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号VCS1～VCSN。COT控制器10还包括平均电路102，该平均电路被配置为接收电流感测信号VCS1～VCSN并生成平均信号VCS(AV)。COT控制器10还包括电流不平衡检测器电路105，每个电流不平衡检测器电路被配置为将相应的电流感测信号VCS1～VCSN与平均信号VCS(AV)进行比较并且生成相应的电流不平衡信号ΔVCS1～ΔVCSN。
COT控制器10还包括导通时间发生器107，每个导通时间发生器被配置为激活转换器单元11中的相应一个转换器单元并持续固定的导通时间，并且根据相应的电流不平衡信号ΔVCS1～ΔVCSN的时间积分来改变固定的导通时间。在一个实施方案中，每个导通时间发生器107包括固定电流源；定时电容器CT，该定时电容器被配置为对固定电流和相应电流不平衡信号ΔVCS1～ΔVCSN的总和进行求积分并生成PWM斜坡电压；以及比较器109，该比较器用于在斜坡电压超过给定阈值电压(例如，VO(est))时终止改变的固定导通时间。在一个实施方案中，固定电流与输入电压VIN基本上成比例。在另一个实施方案中，阈值与输出电压VO基本上成比例。
在一个实施方案中，如图2所示，作为对图1的现有技术COT转换器的改进，使用跨导体电路108将电流不平衡信号ΔVCS1～ΔVCSN转换为电流Ierr1～IerrN，并且在其定时电容器CT处与导通时间发生器107的固定电流求和。有利的是，电流Ierr1～IerrN的积分消除了纹波电流分量的影响，并且可以消除图1的现有技术转换器中所示的滤波器103，从而得到改善的负载瞬态响应。
电流不平衡信号ΔVCS1～ΔVCSN仅在导通时间间隔内在电容器CT处积分，而不是在整个切换周期内积分。因此，在一个实施方案中，图2所示的转换器的电流平衡回路可能需要回路增益相对于VIN和VO的归一化。
图3示出了根据该要求的本公开的COT控制器10的示例性实施方案。图3所示的COT控制器10还包括对多相DC-DC COT降压转换器的电流平衡回路增益进行归一化的乘除器电路100。电流平衡回路的所得增益相对于VIN和VO不变。
因此，在该实施方案中，本公开的COT控制器10可包括乘除器电路100，其中乘除器电路100中的每一个乘除器电路被配置为将相应的电流不平衡信号即ΔVCS1～ΔVCSN乘以输入电压和输出电压的比率，并且生成归一化的电流不平衡信号。因此，导通时间发生器107中的每个导通时间发生器根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变固定导通时间。
在图4中，示出了图3的乘除器电路100的另选实施方案。在该实施方案中，乘除器电路100和跨导体108组合成一个元件，即可变增益跨导体110。
在图5中，在另一个实施方案中，乘法器电路120被配置为将相应的电流不平衡信号乘以相应的DC-DC降压转换器单元11的占空比，并且生成归一化的电流不平衡信号。因此，每个导通时间发生器107根据乘法器电路120所生成的相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变预定时间间隔。如在图4相对于乘除器电路110所示的实施方案中，乘法器电路120是可变增益跨导体。
本文已结合以上描述和附图公开了许多不同的实施方案。应当理解，照字面意义描述和示出这些实施方案的每种组合和子组合将是不当地重复的。因此，所有实施方案可以任何方式和/或组合进行组合，并且本说明书(包括附图)应被解释为构成对本文所述实施方案的所有组合和子组合以及制备和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持对任何此类组合或子组合的要求。
本领域的技术人员应当理解，本文所述的实施方案不限于上文具体示出和描述的内容。此外，除非上文提及相反的情况，否则应当指出的是，所有附图均未按比例绘制。按照上述教导内容，多种修改形式和变型形式是可能的。

Claims (17)

1.一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载，所述转换器包括：
多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每一个电流感测电路被配置为生成相应电流感测信号；
平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应电流感测信号中的每一个相应电流感测信号并且生成平均信号；
多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应电流不平衡信号；以及
多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内启动所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元，并且根据相应电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述多个导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括：
预定电流的源；
定时电容器，所述定时电容器被配置为对所述预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并且生成斜坡电压；以及
比较器，所述比较器用于在所述斜坡电压超过阈值时终止所改变的预定时间间隔。
3.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述预定电流与所述输入电压基本上成比例。
4.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述阈值与所述输出电压基本上成比例。
5.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，还包括多个跨导体电路，其中所述多个跨导体电路中的每一个跨导体电路被配置为将相应电流不平衡信号转换为电流。
6.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，还包括：
多个乘除器电路，其中所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述输入电压和所述输出电压的比率，并且生成归一化电流不平衡信号，其中所述多个导通时间发生器中的相应一个导通时间发生器根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
7.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，还包括：
多个乘法器电路，其中所述多个乘法器电路中的每一个乘法器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比，并且生成归一化的电流不平衡信号，其中所述多个导通时间发生器中的相应一个导通时间发生器根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
8.根据权利要求6所述的转换器，其特征在于，所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路包括对应的跨导体电路，其中每个对应的跨导体电路被配置为将相应电流不平衡信号转换为电流。
9.一种多相DC-DC降压转换器中的方法，其特征在于，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载，所述方法包括：
感测所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元中的电流并且生成相应电流感测信号；
接收所述相应电流感测信号中的每一个相应电流感测信号并且生成平均信号；
将相应电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应电流不平衡信号；以及
在预定时间间隔内启动所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元，并且根据相应电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
对预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并且生成斜坡电压；以及
在所述斜坡电压超过阈值时终止所改变的预定时间间隔。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预定电流与所述输入电压基本上成比例。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述阈值与所述输出电压基本上成比例。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括将相应电流不平衡信号转换为电流。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
将相应电流不平衡信号乘以所述输入电压和所述输出电压的比率以生成归一化电流不平衡信号；以及
根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
将相应电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比以生成归一化电流不平衡信号；以及
根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔。
16.一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载，所述转换器包括：
多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每一个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号；
平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应电流感测信号中的每一个相应电流感测信号并且生成平均信号；
多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应电流不平衡信号；
多个跨导体电路，其中所述多个跨导体电路中的每一个跨导体电路被配置为将相应电流不平衡信号转换为电流；
多个乘除器电路，其中所述多个乘除器电路中的每一个乘除器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述输入电压和所述输出电压的比率，并且生成归一化电流不平衡信号；以及
多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内启动所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元，并且根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔；所述导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括：
预定电流的源；
定时电容器，所述定时电容器被配置为对所述预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并且生成斜坡电压；以及
比较器，所述比较器用于在所述斜坡电压超过阈值时终止所述改变的预定时间间隔。
17.一种多相DC-DC降压转换器，所述多相DC-DC降压转换器用于通过在多个DC-DC降压转换器单元之间分流负载电流来接收输入电压并且将输出电压递送至负载，所述转换器包括：
多个电流感测电路，所述多个电流感测电路各自被配置为感测所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元中的电流，所述多个电流感测电路中的每一个电流感测电路被配置为生成相应的电流感测信号；
平均电路，所述平均电路被配置为接收所述相应电流感测信号中的每一个相应电流感测信号并且生成平均信号；
多个不平衡检测器电路，所述多个不平衡检测器电路各自被配置为将相应电流感测信号与所述平均信号进行比较并且生成相应电流不平衡信号；
多个跨导体电路，其中所述多个跨导体电路中的每一个跨导体电路被配置为将相应电流不平衡信号转换为电流；
多个乘法器电路，其中所述多个乘法器电路中的每一个乘法器电路被配置为将相应电流不平衡信号乘以所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元的占空比，并且生成归一化电流不平衡信号；以及
多个导通时间发生器，所述多个导通时间发生器各自被配置为在预定时间间隔内启动所述多个DC-DC降压转换器单元中的相应一个DC-DC降压转换器单元，并且根据相应归一化电流不平衡信号的时间积分来改变所述预定时间间隔；所述导通时间发生器中的每一个导通时间发生器包括：
预定电流的源；
定时电容器，所述定时电容器被配置为对所述预定电流和相应电流不平衡信号的总和进行求积分并且生成斜坡电压；以及
比较器，所述比较器用于在所述斜坡电压超过阈值时终止所述改变的预定时间间隔。
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