CN112039339A - 用于多相dc-dc转换器的电流模式控制中的电流共享方案 - Google Patents

用于多相dc-dc转换器的电流模式控制中的电流共享方案 Download PDF

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CN112039339A CN202010496933.XA CN202010496933A CN112039339A CN 112039339 A CN112039339 A CN 112039339A CN 202010496933 A CN202010496933 A CN 202010496933A CN 112039339 A CN112039339 A CN 112039339A
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Abstract

本公开的实施例涉及用于多相DC‑DC转换器的电流模式控制中的电流共享方案。公开了用于在以多相配置的并行转换器之间提供电流共享的方案。在某些实施例中，基于并行转换器之间的电流共享误差，提供了对补偿信号偏移的逐周期的即时校正，以使得实现改进的即时电流共享性能。

Description

用于多相DC-DC转换器的电流模式控制中的电流共享方案
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月4日提交的美国临时专利申请号62/857,175的优先权，其内容以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本实施例通常涉及DC-DC转换器，并且更特别地涉及用于在以多相配置的并行转换器之间提供电流共享的方案。
背景技术
在常规技术中，通过将并行转换器的电压环路误差放大器输出连接在一起来尝试在多相DC-DC转换器配置中共享电流。换句话说，并行转换器的峰值电流环路参考是连结在一起的。然而，固有的组件偏移、斜率补偿偏移和不匹配的斜坡转换速率(ramp slewrates)会导致并行转换器之间的电流共享误差。因此，需要针对这些和其他问题的解决方案。
发明内容
本实施例通常涉及DC-DC转换器，并且更特别地涉及用于在以多相配置的并行转换器之间提供电流共享的方案。在某些实施例中，基于并行转换器之间的电流共享误差，提供了对补偿信号偏移的逐周期的即时校正，以使得实现改进的即时电流共享性能。
附图说明
通过结合附图阅读以下的具体实施例的描述，本实施例的这些和其他方面和特征对于本领域普通技术人员将是明显的，其中：
图1是图示了峰值电流模式控制中的传统电流共享的示意图。
图2是图示了峰值电流模式控制中的传统电流共享的问题的时序图。
图3是图示了根据本实施例的即时有源(active)电流电路的示例方法的示意图。
图4A是图示了根据本实施例设计的并且在无负载情况下操作的电路的仿真操作条件的时序图。
图4B是图示了根据本实施例设计的并且10A负载的电路的仿真操作条件的时序图。
图5A是图示了包括诸如图3中所示的电路的本实施例的突发模式的仿真操作条件的时序图。
图5B是图示了包括诸如图3中所示的电路的本实施例的突发模式的仿真操作条件的另一时序图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本实施例，这些附图被提供作为实施例的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实践实施例和对本领域技术人员而言显而易见的备选方案。值得注意的是，下文的附图和示例并不意味着将本实施例的范围限制为单个实施例，而是通过互换所描述或图示的元件中的某些或全部元件的方式的其他实施例是可能的。此外，在可以使用已知组件部分地或完全实现本实施例的某些元件的情况下，将仅描述对于理解本实施例所必需的这些已知组件的那些部分，并且将省略对这些已知组件的其他部分的详细描述，以使得不混淆本实施例。被描述为以软件实现的实施例不应被限制于此，而是可以包括以硬件或软件和硬件的组合来实现的实施例，除非本文另外指明，如对本领域技术人员明显的，反之亦然。在本说明书中，示出单个组件的实施例不应被认为是限制性的；相反，除非本文另外明确指出，否则本公开旨在涵盖包括多个相同组件的其他实施例，反之亦然。此外，除非明确阐述，否则申请人不旨在将说明书或权利要求书中的任何术语归于不常见或特殊的含义。此外，本实施例涵盖了通过图示的方式在本文中提及的已知组件的当前和将来的已知等同物。
图1是图示在常规多相配置中进行电流共享的方法的示意图。应当注意的是，当如图1所示向负载提供电流时，将以多相配置的并行转换器布置成共享电流输出具有若干个优点。首先，共享的电流减小了转换器上的压力，并增加了组件的寿命。附加地，并行转换器提供故障保护；如果一个模块在两相示例中发生故障，则另一模块可以快速地将其电流输出从提供电流的50％增加到提供电流的100％，从而最小化停机或负载中断。
图1描绘了以多相配置连接在一起的两个相应相的两个转换器100-1和100-2。每个转换器或相中的回路101是电流回路，而回路106是电压回路。在电流回路101中，电流103IL代表电感器102中的电流。电感器电流103由电流感测运算放大器104感测，该电流感测运算放大器104产生去往比较器105的输入中的一个输入。电流感测运算放大器104测量电流，并且输出可以乘以增益的电压作为电流感测信号110。在电压环路106中，电阻分压器感测输出电压，并使用误差放大器108将该输出电压与参考电压进行比较。误差放大器108的输出为信号Vcomp 109。
电流感测信号110被添加到来自斜坡发生器116的斜坡信号111，并且由比较器105将110和111之和与补偿信号Vcomp 109相比较。来自比较器105的输出信号用作触发器112的复位，触发器112由时钟信号设置，从而导致具有由时钟信号确定的频率的脉宽调制器信号(PWM)。由触发器112的输出生成的PWM信号的脉冲宽度由比较器105的输出控制。输出PWM信号驱动用于控制供应到电感器102的电压的高/低开关对113(例如，功率MOSFET)，高/低开关对113随后调制电感器电流103。
比较器105的输出由此调制对电感器电流进行控制的PWM信号的占空比。如果负载要求更大的电流或电压，则占空比将较高(即，PWM信号将被控制为相对于其关断的时间更多地接通)。相反，如果负载要求更小的电流或电压，则占空比将减少(即，PWM信号接通的时间将被控制为相对于其关断的时间减少)。传统上，如图1的示例中所示，可以通过将两个转换器100-1和100-2的Vcomp信号109连接在一起，而在两个并行转换器之间共享电流。
从理论上讲，将跨两个并行转换器的Vcomp信号连接在一起可以实现根据上述PWM信号调制方案在相之间共享相等电流的目标。然而，实际上，组件公差导致致使不相等的电流共享的问题。由于组件公差，即使所有组件设计为相同，并行转换器的许多操作特性也将彼此不同。例如，由于组件公差，转换器的输出电压将不完全相同。如公知的功率方程“电流＝功率/电压”中的反比的电流-电压关系所指示的，电压中的微小差异会导致电流中的较大差异。因此，较小的组件失配会导致严重的问题，并且相之间的转换器可能会不均等地生成电流。
当一个转换器比另一转换器产生更多去往负载的电流时，可能会发生若干个问题。例如，提供更多电流的转换器可能会遭受更高的压力并降低可靠性。这可能会减少转换器的寿命。附加地，从一个转换器汲取的大量电流可能会触发该转换器的过流保护，从而关闭该转换器。此外，从一个转换器而不是从另一转换器汲取的多数电流会产生热点。最后，如果并行转换器不成比例地向负载提供电流，并且供应多数电流的转换器发生故障，则供应最少电流(例如电流的5％)的电流必须将其电流输出从5％急剧提高到100％。与上文讨论的其中两个转换器均等地提供电流并最小化对负载的任何扰乱的电流共享方案相反，在这种情况下，负载可能会经历由转换器需要补偿电流产生中的变化而导致的性能下降。
图2是图示了在诸如图1中所示的多相配置中的传统电流共享技术的问题的时序图。参考图1，来自斜坡发生器116的输出信号111在图2中被示出为标记为Vslope_comp的信号。该信号和电感器电流信号110之和在图2中被示出为标记为Vslope_comp+VIL的信号201。如上文所阐述的，比较器105将该信号201与补偿信号Vcomp109进行比较。此外，如图2所示，与电流感测信号110相比，求和信号201的幅度主要取决于斜坡信号111。
尽管图1中所示的常规技术导致图2中所示的Vcomp信号109在每个相中相同，但是仍然会发生电流共享问题。例如，每个转换器中的每个组件(例如，斜坡发生器116)具有其自己的设备和性能特性。这些差异影响了偏移202和斜率203，并因此确定信号111的总体特性。在相之间匹配每个比较器、组件和/或IC的操作特性即使不是不可能的，也是非常有挑战性的。因此，每个比较器、组件和/或IC具有不匹配的特性，并且因此每个相都具有不匹配的组件，该组件用于在每个相中生成PWM信号的过程中执行与Vcomp信号的比较。如上所述，这些不匹配的特性可能会导致在转换器共享分配到负载的电流的方式上产生实质性差异。因此，并行转换器将不会均等地共享电流。
图3是图示了根据本实施例的有源(active)电流共享的示例方法的电路图。将结合示例峰值电流模式控制配置来描述本实施例；然而，这不是限制性的，并且备选实施例可以被包括在其他控制方案中，诸如在谷值电流模式控制配置中。此外，应当注意，尽管结合示例性两相配置描述了本实施例，但是本实施例不限于该示例，并且实施例可以被包括在诸如三相、四相等的其他多相配置中。
图3描绘了以两相配置连接在一起的两个转换器300-1和300-2。为了根据本实施例实现电流共享，转换器进一步以经由补偿信号109和经由共享总线301的两种方式连结在一起。如下文将变得更加明显的，共享总线301创建了附加的闭合回路，该闭合回路允许转换器与传统方法相比更均等地共享电流。共享总线301上的信号代表并行转换器中的所有转换器的平均电流。这种电流共享技术被设计为使输出电流与平均电流匹配。使用该图进行电路分析有助于说明电路如何分配电压和电流，以及如何调整输出电流以匹配平均电流。RIMON 302是外部电阻器。
如在图3的示例中进一步示出的，为了促进包括经由共享总线301的平均电流信息，转换器300各自在共享总线301、电流感测放大器104和比较器105之间的路径中包括若干个新组件。这些组件分别包括缓冲器330、具有增益GISH的第一偏移放大器332、具有增益GERR的第二偏移放大器334、电流感测控制对336以及第一偏移电流源338、第二偏移电流源340和第三偏移电流源341。在通常操作中，添加的新组件形成即时有源电流共享反馈回路，以迫使并行转换器的电感器电流遵循由共享总线301设置的平均电流。
使用公知的电路分析技术，可以如等式1根据图3中所示的组件和值来描述并行转换器之间的共享总线301上的电压值VISH。
Figure BDA0002523245000000061
接下来，假设IOFFSET1＝IOFFSET2＝IOFFSET3＝0(例如，通过设计和/或控制图3中的组件)。使用该假设以及如等式1中阐述的并行转换器之间共享的电压VISH，并代入IAVG和VISH，可以计算出电感器的电流感测信号的值。针对电感器1的电流感测信号的电压(即VIL1)如下式(2)所示。
Figure BDA0002523245000000062
Figure BDA0002523245000000063
为了进一步简化，假设
Figure BDA0002523245000000064
(例如，通过设计和/或控制图3中的组件)。关于图3中的电路元件的VIL1的简化等式在下文的等式3中示出。
VIL1＝RCS×GCS×(IL1+GERR×(IL1-IAVG)) 等式3
考虑到上文的等式3，明显的是，如果在任何时候IL1>IAVG，这将导致VIL1与IL1和IAVG之间的差成比例(即与上文等式3中的IL1-IAVG的值成比例)增加。在没有出现共享总线301和本发明的电路的情况下，VIL1的增加大于否则将在VIL1中反映的增加。在这种情况下，如以上结合图1所描述的，转换器将导致馈送到开关113的PWM信号的占空比减小，使得IIL1减小以更接近于IAVG。备选地，如果IL1<IAVG，则VIL1减少此附加的量，并且占空比随后增加以使得IIL1增加以更接近IAVG。以此方式，每个转换器将独立地旨在在每个PWM周期期间提供相同量的电流IAVG，从而实现在相之间逐周期的“有源(active)”和/或“即时”电流共享。
可以使用包括电阻器304和电容器303的小型滤波器来稀释在计算IL1-IAVG时可能出现的高频纹波。
在备选实施例中，除了输入电压、输出电压和反馈电压连接在一起之外，通过将以多相配置的所有并行转换器的补偿信号109和共享总线301连结在一起，可以将本电流共享方案扩展到多相应用。
在下文的表1中再现了根据本实施例的电流共享技术的仿真结果。下表1将根据本实施例设计的电路的仿真结果与根据传统电流共享方法设计的电路的仿真结果进行了比较。表中的值代表由IL1-IL2计算得出的电流误差。如相应的行中所指示的，针对RIMON和输出电流的各种值获得了电流误差值。在所有情况下，电流误差值都是在两个转换器的VCOMP偏移之间的差值为300mV、以及两个转换器中的斜坡发生器之间的转换速率的充电电流差为100nA的条件下获得的。第一列中的值是针对具有根据本实施例的电流共享电路的转换器的电流误差值的仿真结果，并且第二列中的值是针对具有常规的电流共享电路的转换器的电流误差值的仿真结果。
表1
Figure BDA0002523245000000071
Figure BDA0002523245000000081
可以看出，在常规方法中，两个转换器之间的电流误差非常大，而与外部电阻器RIMON无关。具体地，当RIMON分别为19.2k和18k时，电流误差为16.5A。附加地，无论输出20A还是0A，电流分享误差均相同，为16.5A。相反，在实现本实施例的电路被仿真时，在5次仿真中的每一次仿真期间，电流误差保持为很小的1.9A。不管调整RIMON还是调整输出电流，电流误差均控制在+/-5％内。
图4A是示出了根据本实施例设计的并且在无负载的情况下操作的电路的仿真操作条件的时序图。如图4A中所示，转换器一起操作以共同提供由波形401代表的经调节的电压输出。根据实施例的方面，在这些条件期间，由两个转换器提供的电流基本相同，尽管在无负载条件期间电流相当小(在此示例中，每相中约为41mA)。在图4A中，波形402-1代表由一个转换器(例如300-1)输出的电流，并且波形402-2代表由另一转换器(例如300-2)输出的电流。波形403代表第一相中的PWM信号。还明显的是，转换器300-1和300-2实现相位交错。
图4B是示出了根据本实施例设计的并且在满负载的情况下操作的电路的仿真操作条件的时序图。如图4B中所示，并且在先前的示例中，转换器一起操作以共同提供由波形405代表的经调节的电压输出。还根据实施例的方面，在这些条件期间，由两个转换器提供的电流组合以提供本示例中为10A的满负载电流。在图4B中，波形406-1代表由一个转换器(例如300-1)输出的电流，并且波形406-2代表由另一转换器(例如300-2)输出的电流。还明显的是，并且根据实施例的电流共享方面，由转换器300-1和300-2提供的电流基本相等(例如，在+/-1％内)。
图5A和图5B是示出了本发明实施例在突发模式下的仿真操作结果的时序图。特别地，图5B是图5A的放大版本，从而关注于突发模式的相对短的持续时间。
当存在较轻的负载、高输入电压和较小的占空比时，可以使用突发模式。在某些情况下，当存在高输入电压时，很难产生和维持较小的占空比。在关闭模式(bust off mode)期间，开关和晶体管可以空闲，从而导致输出电压下降。当输出电压达到某个阈值时，开关和晶体管导通，以允许输出电压再次达到其预期值。以这种空闲-突发的方式，减少了导电损耗和开关损耗。
如图5A和图5B中所示，即使在突发模式下，并且根据本实施例的“即时”和“有源”电流共享特征，根据本实施例设计的电路性能良好并且均等地共享电流。如图5A中所示，在突发模式期间，由波形501代表的输出电压在非常短的持续时间中跳变，在此期间产生由波形502代表的大量电流。还如图5B中所示，即使在这些突发模式条件下，由并行转换器中的每个并行转换器产生的相对电流(由波形502-1和502-2所示)也基本相同并且交错。为了完整性，将与波形502-1相对应的用于第一相的PWM信号提供为波形503。
尽管已经参考本实施例的优选示例特别地描述了本实施例，但是对于本领域普通技术人员来说，应当显而易见的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行改变和修改。意图的是，所附权利要求涵盖这样的改变和修改。
本文描述的技术方案有时图示了包含在不同的其他组件内或与不同的其他组件连接的不同组件。应当理解，这样描绘的架构是说明性的，并且实际上可以实施实现相同功能的许多其他架构。从概念上讲，实现相同功能的组件的任何布置有效地“被关联”，以使得实现期望的功能。因此，本文中被组合以实现特定功能的任何两个组件可以被视为彼此“关联”以使得实现期望的功能，而与架构或中间组件无关。同样地，如此关联的任何两个组件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现期望的功能，并且能够如此关联的任何两个组件也可以被视为彼此“能够可操作地耦合”以实现期望的功能。能够可操作地耦合的具体示例包括但不限于物理上可配合和/或物理上相互作用的组件和/或无线上可交互和/或无线相互作用的组件和/或逻辑上可相互作用的和/或逻辑上可交互的组件。
关于本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适合于上下文和/或应用将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清楚起见，本文可以明确地阐述各种单数/复数置换。
本领域技术人员将理解，通常，本文中，特别是在所附权利要求中使用的术语(例如，所附权利要求的主体)通常旨在用作“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等)。
尽管附图和描述可以图示方法步骤的特定顺序，但是除非上文不同地指定，否则这些步骤的顺序可以与所描绘和描述的顺序不同。另外，除非上文不同地指定，否则可以同时或部分同时执行两个或更多步骤。这样的变化可以例如取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，可以利用具有基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成所描述方法的软件实现，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。
本领域技术人员还将理解，如果旨在特定数目的引入的权利要求描述，则将在权利要求中明确地陈述这种意图，并且在没有这种陈述的情况下，不存在这种意图。例如，为了帮助理解，下面的所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求的描述。然而，这样的短语的使用不应解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求描述将包含这样的引入的权利要求描述的任何特定权利要求限制为仅包含一个这样的描述的发明，即使在同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”通常应解释为“至少一个”或“一个或多个”)；使用用于引入权利要求描述的定冠词也是如此。附加地，即使明确描述了特定数目的引入的权利要求描述，本领域技术人员也将认识到，这样的描述通常应解释为至少意味着所描述的数目(例如，“两个描述”的裸露描述，在没有其他修饰符的情况下通常意味着至少两个描述、或两个或更多描述)。
此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常这样的造句旨在以本领域技术人员将可以理解该约定的含义(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常这样的造句旨在以本领域技术人员将可以理解该约定的含义(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、一起具有A和B、一起具有A和C、一起具有B和C和/或一起具有A、B和C等的系统)。本领域技术人员还将理解，实际上，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，呈现两个或更多备选术语的任何分离词和/或短语都应理解为考虑了包括术语之一、两个术语中的任一个或两个的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，除非另外说明，否则词语“大约”、“约”、“约为”、“基本”等的使用意味着正负百分之十。
为了说明和描述的目的，已经呈现了说明性实施例的前述说明。相对于所公开的精确形式，并不旨在是详尽的或限制性的，并且鉴于以上教导，修改和变化是可能的，或者可以从所公开的实施例的实践中获得。意图在于，本发明的范围由所附的权利要求书及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
第一电压调节器，所述第一电压调节器包括第一相；以及
第二电压调节器，所述第二电压调节器包括第二相，所述第一电压调节器和所述第二电压调节器被配置为基于电流共享配置来实现电流共享，所述电流共享配置基于使输出电流与平均电流匹配。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电流共享配置基于对针对多个电感器中的第一电感器的电流感测信号的电压进行调整，所述电流感测信号的所述电压基于平均电流与第一电感器电流的比较而被调整，其中所述第一电感器电流由脉冲宽度调制信号来确定。
3.根据权利要求2所述的设备，其中对针对所述第一电感器的所述电流感测信号的所述电压进行的所述调整在脉冲宽度调制周期期间被完成。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述电流共享配置还包括：
第一电连接，所述第一电连接经由补偿信号连接所述第一电压调节器和所述第二电压调节器；以及
第二电连接，所述第二电连接经由共享总线连接所述第一电压调节器和所述第二电压调节器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述共享总线传输平均电流，所述共享总线上的所述平均电流使用缓冲器、一个或多个偏移放大器、一个或多个电流源以及电流感测控制对来确定。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述补偿信号是来自误差放大器的输出信号，所述误差放大器输出测量参考电压与系统输出电压之间的误差的所述输出信号，所述系统输出电压由电阻分压器配置来感测。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一相由第一电感器来配置，来自所述第一电感器的电流对峰值电流模式进行控制。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二相由第二电感器来配置，来自所述第二电感器的电流对峰值电流模式进行控制。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一相由第一电感器来配置，来自所述第一电感器的电流对谷值电流模式进行控制。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二相由第二电感器来配置，来自所述第二电感器的电流对谷值电流模式进行控制。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备还被配置为支持多相应用。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述多相应用由一个或多个并行电压调节器来提供，所述一个或多个并行电压调节器各自包括一个或多个相。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述一个或多个并行电压调节器经由补偿信号、共享总线、输入电压、系统输出电压和反馈电压而被电连接，其中所述补偿信号是来自误差放大器的输出信号，所述误差放大器输出测量参考电压与系统输出电压之间的误差的所述输出信号，其中所述系统输出电压由电阻分压器配置来感测，其中所述共享总线传输平均电流，并且其中所述反馈电压是基于所述误差放大器的所述反馈电压。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电压调节器和所述第二电压调节器各自至少包括电压回路和电流回路。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述电流回路还包括被耦合到电流感测运算放大器的电感器，所述电流感测运算放大器被耦合到比较器。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述电流感测运算放大器测量基于电感器的电流并输出电流感测的电压，其中所述电流感测的电压被输入到所述比较器中。
17.根据权利要求16所述的设备，其中由所述电流感测运算放大器测量的所述电流感测的电压基于电感器电流。
18.根据权利要求16所述的设备，其中由所述电流感测运算放大器测量的所述电流感测的电压乘以增益。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述电压回路还包括被耦合到误差放大器的电阻分压器配置，所述误差放大器被耦合到比较器。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述电阻分压器感测系统输出电压，其中经由所述误差放大器将所述系统输出电压与参考信号进行比较产生补偿信号，所述补偿信号被输入到所述比较器中。
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