CN113037076B - 使用共享总线的可重新配置的dc-dc转换器阵列 - Google Patents

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Abstract

一个可重新配置的DC‑DC转换器组有多个通道，每个通道都有一个DC‑DC转换器和一个控制器，控制器感测该通道的输出电压和电流，以调整到DC‑DC转换器的开关信号的占空比。一个串行总线连接到所有控制器，并将数字电压和电流控制目标写入每个控制器。控制器具有数模转换器(DAC)，将目标转换为模拟电压，并与感测到的输出电压和电流进行比较。比较结果与锯齿波进行比较，以生成开关信号的脉冲，其占空比根据目标比较而进行调整。在组合模式下，主通道的控制器为辅通道产生开关信号，辅通道的输出已短接至主通道。辅通道有一个复用器，在组合模式下选择来自主控制器的开关信号，在分离模式下选择来自辅控制器的开关信号。

Description

使用共享总线的可重新配置的DC-DC转换器阵列
【技术领域】
本发明涉及DC-DC电源转换器，特别涉及DC-DC转换器的多通道的数字控制和配置。
【背景技术】
电源转换器被广泛用于向各种电子系统提供稳定的电源电压。DC-DC电源转换器从能够提供大电流的输入节点接收输入电压，并输出稳定的输出电压。输入和输出电压均为直流电(DC)。
通常DC-DC转换器是单独控制的，即使DC-DC转换器是一组DC-DC转换器的一部分，有时甚至是在同一集成电路(IC)芯片上。每个DC-DC转换器驱动一个不同的输出节点，并且每个DC-DC转换器都有自己的控制。
有些应用要求提供更高的功率。期望是由两个或两个以上的DC-DC转换器驱动同一个输出节点。然而，每个DC-DC转换器中的控制器通常是相互独立。这种分离的控制可能会导致各种问题，例如电流扰乱(current hogging)和不稳定，由于一个DC-DC转换器的控制器过度校正，并最终导致该DC-DC转换器最终提供大部分电流，而不是让两个DC-DC转换器平均分担电流负载。
通常使用各种类型的DC-DC转换器，如降压、升压、和降压-升压转换器。每种类型的转换器对某些类型的应用都是有用的。希望有一种通用的DC-DC转换器，它可以被配置为任何这类DC-DC转换器，包括降压、升压、和降压-升压转换器。
期望有一组DC-DC转换器，每个转换器都由一个共享总线进行数字控制。希望能重新配置该组DC-DC转换器，使每个DC-DC转换器驱动一个单独的输出节点，其中该组DC-DC转换器被配置为分离模式，并使两个或多个DC-DC转换器以组合模式来驱动同一输出节点。当两个或多个DC-DC转换器被配置为驱动同一输出节点时，还希望能防止分离控制问题。
【附图说明】
图1是在分离通道模式下工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组的框图。
图2是在组合模式下工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组的框图。
图3更详细地显示控制器。
图4显示在分离模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图5显示在组合模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图6显示在N:1组合模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图7显示在分离模式下作为升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图8显示在组合模式下作为升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图9显示在分离模式下作为降压-升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图10显示在组合模式下作为降压-升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。
图11是I2C接口的示意图。
【发明详述】
本发明涉及对DC-DC转换器的改进。下面的描述是为了使本领域普通技术人员能够在特定应用及其要求的背景下制造和使用本发明。对优选实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且本文所定义的一般原则可应用于其它实施例。因此，本发明并不打算局限于所示和所述的特定实施例，而是要给予符合本文所公开的原则和新颖特征的最广泛的范围。
图1是在分离通道模式下工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组的框图。I2C总线100是一种IC间总线或其他总线，如通用异步接收器发送器(UART)总线、串行外设接口(SPI)总线、或其他软件控制的总线。I2C总线100由运行在主机(未显示)上的软件控制，其通过I2C总线100向控制器122、124、…126、128发送数据和命令。
所示的四个通道中的每个通道都类似于第一通道，其具有控制器122，该控制器122从I2C总线100接收电流和电压控制目标的数字值。控制器122具有传感器，其感测通过输出节点OUT1输出到负载112的输出电压和输出电流。当输出电压低于电压控制目标时，或当输出电流低于电流控制目标时，控制器122就使DC-DC转换器102增加输送到输出节点OUT1的电流。
同样，在第二通道中，当OUT2的输出电压上升到高于电压控制目标(其被编程到控制器124中)时，或者当到OUT2的输出电流上升到高于电流控制目标(其被编程到控制器124中)时，则控制器124使DC-DC转换器104减少通过输出节点OUT2输送到负载114的电流。
每个DC-DC转换器102、104、…106、108可以由其自己的控制器122、124、…126、128分别控制，以驱动不同的负载112、114、…116、118。虽然有单独的通道，但有一条共享总线，即I2C总线100，连接到所有控制器122、124、…126、128。
图2是在组合模式下工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组的框图。在组合模式下，主机通过I2C总线100发送命令使控制器124、128失效。
主机使用I2C总线100对第一控制器122进行编程，使其具有电流和电压控制目标的数字值。控制器122具有传感器，其感测通过输出节点OUT1输送到负载112上的输出电压和输出电流。
为了将所提供的电流加倍，将OUT2连接到OUT1，使第一DC-DC转换器102和第二DC-DC转换器104两者都驱动同一个输出节点。两个DC-DC转换器102、104都驱动负载112。第二控制器124被禁用，而第一控制器122控制第一DC-DC转换器102和第二DC-DC转换器104。
当OUT1上的输出电压下降到低于电压控制目标时，或者当输出电流下降到低于电流控制目标时，第一控制器122则使第一DC-DC转换器102和第二DC-DC转换器104增加输送到输出OUT1的电流。同样，当OUT1上的输出电压上升到高于编程到第一控制器122中的电压控制目标时，或当输出电流上升到高于电流控制目标时，第一控制器122就使第一DC-DC转换器102和第二DC-DC转换器104减少输送到输出OUT1的电流。
由于只有一个控制器，即第一控制器122，其感测输出并控制两个DC-DC转换器102、104，因此避免了负载平衡控制问题。由于是单点感测，单点控制，所以不存在两个单独的控制器和DC-DC转换器之间冲突的可能性。
在组合模式下，控制器126感测OUT3，其与OUT4短接以驱动负载116。控制器128被禁用，而控制器126控制两个DC-DC转换器106、108。当DC-DC转换器106、108具有相同的驱动能力时，控制器126将DC-DC转换器106、108中的电流调整为相等的量。因此，负载在DC-DC转换器106、108之间得到平衡。
图3更详细地显示了控制器。控制器122可由I2C总线100编程，该I2C总线100包含一个串行DAta线SDA和一个串行CLock线SCL。来自S2C总线100的SDA上的串行数据由SCL计时到I2C接口20，稍后在图11中详细显示。当地址或设备编号与分配给控制器122的地址或设备编号匹配时，该串行数据将被缓冲并执行任何命令。这些命令可包括将电压控制目标和电流控制目标写入本地寄存器。
I2C接口20中的电压控制目标寄存器驱动一个多比特数字值到数模转换器(DAC)22，其产生一个模拟电压DAC_IREF，这是电流控制目标的电压等效值。同样，I2C接口20中的电流控制目标寄存器驱动一个多比特数字值到DAC 24，DAC 24产生一个模拟电压DAC_VREF，它是电压控制目标的模拟等效值。因此，在主机上运行的软件可以对控制器122中的电流控制目标和电压控制目标进行编程，以产生模拟参考电压DAC_IREF和DAC_VREF。
控制器122通过比较电流感应电阻器40两侧上的电压来进行感测，电流感应电阻器40串联在DC-DC转换器102和VOUT上的负载112之间。电流感应电阻器40可以具有非常小的电阻值以减少损耗。放大器30放大电流感应电阻器40上的这个电压差，以产生电流感应电压VCS，该电压VCS随着到VOUT的输出电流的增加而上升。放大器32将电流感应电压VCS与电流控制目标电压DAC_IREF进行比较，当VCS上升到高于DAC_IREF时，驱动其输出COMP降低。
较低的COMP电压使RC滤波器26放电，该RC滤波器26可以是一个带有电阻器的电容器，也可以是一个带寄生电阻的电容器。比较器36将该较低的COMP电压与波形发生器38产生的锯齿波进行比较。当锯齿波的峰值上升到COMP以上时，比较器36将其输出PWM驱动至高电平以复位SR锁存器28。当同样由波形发生器38产生的方波脉冲从低到高时，它会设置SR锁存器28。
SR锁存器28被设置为在时钟周期开始时，当时钟在SR锁存器28的设置输入端上升时，产生SW1高而SW2低。当锯齿波上升到高于COMP，PWM走高时，SR锁存器28被复位，并产生SW2高和SW1低。SW1是施加到DC-DC转换器102的一个开关控制信号，其使电流切换到输出OUT，而SW2也是施加到DC-DC转换器102的一个开关控制信号，其使电流从输出OUT分流到地。因此，随着COMP的上升，占空比增加，因为SR锁存器28在方波周期内与上升的锯齿波进行比较后被复位。方波和锯齿波可以彼此同步，具有相同的周期和相位。增加占空比增加了DC-DC转换器102驱动电流到输出OUT1的时间。
随着COMP的升高，SR锁存器28被复位之前的时间增加，因此增加了占空比以及输出电流和电压。或者，较低的COMP电压产生较低的占空比、较小的输出电流和较低的输出电压。
分压电阻器42、44将输出OUT上的输出电压进行分压，产生反馈电压VFB。放大器34将VFB与电压控制目标DAC_VREF进行比较，在VFB上升至高于DAC_VREF时驱动COMP降低，在VFB下降至低于DAC_VREF时驱动COMP提高。
一个电压反馈回路控制着输出电压。当VOUT上升时，VFB也上升，当VFB上升至高于目标DAC_VREF时，放大器34就会驱动COMP降低。PWM在每周期内为高电平的时间较短，SW1的占空比较低。SW1的较低占空比降低了从DC-DC转换器102到VOUT的电流驱动。该较低的输出电流校正了高VOUT，当较低的输出电流流经负载112中的电阻时，VOUT下降。负载112可以被建模为并联在VOUT与地之间的一个电容器和一个电阻器。
还存在一个电流反馈回路。当来自DC-DC转换器102的输出电流上升时，通过电流感应电阻器40的电流上升，同时电流感应电阻器40两端的电压降也上升，这由放大器30测量，于是VCS增加。当VCS上升到高于电流控制目标电压DAC_IREF时，则通过放大器32驱动COMP降低。PWM在每个周期内为低电平的时间较少，因此SW1的占空比较低。SW1的较低占空比减少了从DC-DC转换器102到VOUT的电流驱动。这个较低的输出电流对较高的电流进行了校正，因此流经电流感应电阻器40的电流下降，因为较低的输出电流流过负载112中的电阻。
通过DAC_VREF和放大器34的电压控制目标，以及通过DAC_IREF和放大器32的电流控制目标，都用于调整COMP。两个放大器32、34的输出都连接在一起，组合的输出电流对RC滤波器26进行充电和放电，以调整电压COMP。因此，COMP上的电压是电流和电压控制的组合。DC-DC转换器102既被电流调节又被电压调节。
主机软件可以调整控制器122中的目标，以便更好地调节特定负载112。电压控制目标和电流控制目标可以一起调整，以根据负载优化转换器的效率。软件还可以对转换器施加输出功率限制。可以禁用电流控制或电压控制，以实现纯恒压转换器或恒流转换器。
图4显示在分离模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102、104，但也可以有其他对，一起集成到一个IC上。
第一控制器122由来自I2C总线100的SDA、SCL编程以存储电流控制目标和电压控制目标。电流控制目标与通过电流感应电阻器40的输出电流进行比较，该电流被感测为电压VRCS1。电压控制目标与分压电阻器42、44从第一输出电压VOUT1产生的反馈电压VFB1进行比较。
这两个比较结果都用于调整SW1的占空比。SW1由逆变器48反相，在DC-DC转换器102中产生SW2。
当SW1为高而SW2为低时，晶体管50闭合，晶体管52断开，将来自输入电压或电源的电流通过电感器46和电流感应电阻器40驱动到输出VOUT1。当SW1为低而SW2为高时，晶体管50断开，晶体管52闭合，以减少流过电感器46的电流，这阻止了电流流量的瞬时变化。
第二DC-DC转换器104以类似的方式工作，以驱动电流通过电感器47和电流感应电阻器41，以产生VRCS2，VRCS2与写入第二控制器124中的电流控制目标相比较。该第二输出电流对负载114充电或供电以产生VOUT2，VOUT2被分压电阻器43、45分压以产生VFB2。VFB2与写入第二控制器124的电压控制目标进行比较，以调整SW1’的占空比。
第二控制器124不是直接连接到第二DC-DC转换器104，而是输出SW1’。在分离模式期间，模式信号MODE为低，这使得多路复用器54从第二控制器124选择SW1’以驱动第二DC-DC转换器104中的本地SW1信号SW1A。SW1A高电平使晶体管51闭合，以将电流驱动至电感器47，而SW1A低电平则由逆变器49反相，以将SW2A驱动至高电平，从而导通晶体管53，以减少流经电感器47的电流。
降压转换器是一种开关模式电源转换器，其使用开关、电感器和电容器将高电平直流电压降为低电平直流电压，效率极高。通过改变占空比，可以从输入电压获得较低的期望输出电压。降压转换器已广泛用于负载点转换器、电池充电器、电机驱动器等。
图5显示在组合模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102、104，但也可以有其他对，一起集成到一个IC上。
在组合模式下，只有一个负载112由两个DC-DC转换器102、104驱动。组合模式使到第一输出和负载112的可用功率和电流加倍。
第一控制器122如图4所述工作，将来自电流感应电阻器40的VRCS1与电流控制目标进行比较，将分压电阻器42、44产生的VFB1与电压控制目标进行比较，以调整SW1的占空比。
第二控制器124由I2C总线通过使用SDA、SCL发送的命令序列禁用。I2C总线还将模式信号MODE设置为1。当MODE为1时，多路复用器54选择第一控制器122的SW1，而不是来自第二控制器124的SW1’，表示组合模式而不是分离模式。来自第一控制器122的SW1通过多路复用器54来驱动第二DC-DC转换器104中的SW1A。
当SW1为高时，第一DC-DC转换器102中的晶体管50和第二DC-DC转换器104中的晶体管51都导通，并且都将电流驱动到电感器46。两个DC-DC转换器102、104的输出短接在一起，并以组合模式短接到电感器46。电感器46可以在具有DC-DC转换器102、104和控制器122、124的IC的外部。DC-DC转换器102、104可以在该IC上具有单独的输出引脚，这些输出引脚在IC的外部连接在一起，并连接电感器46。
当SW1为低时，第一DC-DC转换器102中的晶体管52和第二DC-DC转换器104中的晶体管53都导通，并且都减少流向电感器46的电流。当晶体管50、51的尺寸相同，晶体管52、53的尺寸相同时，则DC-DC转换器102、104的电流驱动力相同，驱动到组合输出的总体电流加倍。外部元件如电感器46、电流感应电阻器40、分压器电阻器42、44的尺寸，可以根据加倍的电流进行调整。
图6显示在N:1组合模式下作为降压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了前几个DC-DC转换器102、104、106，但也可以有其他组的DC-DC转换器，一起集成到一个IC上。
在N:1组合模式下，只有一个负载112，由所有DC-DC转换器102、104、106驱动。组合模式将可用功率和电流乘以N到第一输出和负载112。N是组合在一起以驱动同一输出的DC-DC转换器的数量。
第一控制器122如图4-5所述工作。将电流感应电阻器40的VRCS1与电流控制目标进行比较，将分压电阻器42、44产生的VFB1与电压控制目标进行比较，以调整SW1的占空比。
不是只有一个附加的DC-DC转换器104也驱动电流流经电感器46(如图5所示)，而是有N-1个附加的DC-DC转换器…104、106，每个都有晶体管51，用于驱动电源电流给电感器46，每个都有晶体管53，用于将电流分流到地以减小通过电感器46的电流。每个DC-DC转换器…104、106都有一个本地逆变器49，用于从SW1A产生SW2A。
每个附加的DC-DC转换器…104、106的控制器…124、126被来自I2C总线的命令禁用。被禁用的控制器...124、126的SW1开关控制信号被多路复用器54阻止，因为对于组合模式，模式控制MODE被设置为1。每个多路复用器54选择从第一控制器122产生的SW1，来驱动信号SW1A至DC-DC转换器…104、106。
图7显示在分离模式下作为升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102’、104’，但也可以有其他对，一起集成到一个IC上。
IC 200’将DC-DC转换器102’、104’，…和控制器122、124…集成到同一硅或其他半导体或其他衬底上。
第一控制器122由来自I2C总线的SDA、SCL编程以存储电流控制目标和电压控制目标。电流控制目标与通过电流感应电阻器40的输出电流进行比较，该电流被感应为电压VRCS1。电压控制目标与分压电阻器42、44从第一输出电压VOUT1产生的反馈电压VFB1进行比较。
这两个比较结果都用于调整SW1及其反相SW2的占空比。不是从SR锁存器28取得SW1，而是取其反相SW2，由控制器122输出。SW2由逆变器64反相，在DC-DC转换器102’中产生SW1。
当SW1为低而SW2为高时，晶体管60断开，晶体管62闭合。输入电压通过电感器46短接到地，该电感器抵抗电流的瞬时变化并使电流相对缓慢地上升。在电感器46周围建立起一个磁场，能量存储在电感器中。当SW1为高时，晶体管60闭合，晶体管62断开，以驱动电流从输入电压VIN通过电感器46通过电流感应电阻器40到输出VOUT1。因此，电感电流从输入电压向输出电压进行充电，以使输出电压提高到VIN以上。
第二DC-DC转换器104’以类似的方式工作，将电流拉过电感器47和晶体管61，然后流经电流检应电阻器41，以产生VRCS2，该VRCS2与写入第二控制器124的电流控制目标进行比较。该第二输出电流对负载114充电或为其供电，以产生VOUT2，该VOUT2被分压电阻器43、45分压以产生VFB2。将VFB2与写入第二控制器124中的电压控制目标进行比较，以调整SW1’及其反相SW2’的占空比。第二控制器124输出SW2’。
在分离模式期间，模式信号MODE为低，这使得多路复用器54从第二控制器124选择SW2’以驱动第二DC-DC转换器104’中的本地SW2信号SW2A。SW2A高电平导通晶体管63，将电流从电感器47分流到地，将能量存储在电感器中。SW2A低电平被逆变器65反相，以驱动SW1A至高电平，使晶体管61闭合。然后，来自VIN的输入电流可以流经电感器47和晶体管61到达电流感应电阻器41，经过第二输出VOUT2到达功率负载114。
升压转换器是一种开关模式电源转换器，其使用开关、电感器和电容器以将低电平的直流电压提升到高电平的直流电压，效率极高。通过改变占空比，可以从输入电压获得更高的期望输出电压。升压转换器已广泛用于负载点转换器、太阳能充电器、LED背光等。
图8显示在组合模式下作为升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102’、104’，但也可以有其他对，一起集成到一个IC上。IC 200’将DC-DC转换器102’、104’、…以及控制器122、124、…集成到同一硅或其他半导体或其他衬底上。
第一控制器122由I2C总线的SDA、SCL编程以存储电流控制目标和电压控制目标。电流控制目标与通过电流感应电阻器40的输出电流进行比较，该电流被感应为电压VRCS1。电压控制目标与分压电阻器42、44从第一输出电压VOUT1产生的反馈电压VFB1进行比较。
这两个比较结果都用于调整SW2及其反相SW1的占空比。不是从SR锁存器28取得SW1，而是取其反相SW2，由控制器122取得并输出。SW2由逆变器64反相，在DC-DC转换器102’中产生SW1。
当SW2为高时，晶体管62闭合，将来自输入电压VIN的电流通过存储能量的电感器46驱动到地。当SW2为低而SW1为高时，晶体管60闭合，晶体管62断开，驱动电流从输入电压VIN通过电感器46流到与电流感应电阻器40串联的输出VOUT1。输出电压可以提升到高于输入电压VIN。
第二DC-DC转换器104’的输入连接至第一DC-DC转换器102’的输入。而且，第二DC-DC转换器104’的输出连接到第一DC-DC转换器102’的输出。因此，两个DC-DC转换器102’、104’共享相同的输入，并且都共享相同的输出。DC-DC转换器102’、104’是并联连接的。此连接可以在IC 200’的外部，因此IC 200’既可以用于分离模式(图7)，也可以用于组合模式(图8)。也可以使用内部复用(未显示)。
在组合模式期间，模式信号MODE为高，这使得多路复用器54从第一控制器122选择SW2以驱动第二DC-DC转换器104’中的本地SW2信号SW2A。SW2A高电平会导通晶体管63，将电流从电感器46分流到地，减小输出电流。SW2A低电平会由逆变器65反相，以驱动SW1A高电平，从而使晶体管61闭合。然后，来自VIN的输入电流可以流经电感器46，并通过晶体管60、61到电流感应电阻器40和第一输出VOUT1，再到功率负载112。第二控制器124被禁用或其输出SW2’被多路复用器54取消选择。
当SW1为低而SW2为高时，第一DC-DC转换器102’中的晶体管62和第二DC-DC转换器104’中的晶体管63都导通，并且都将电流从电感器46分流到地。当晶体管60、61具有相同的尺寸，并且晶体管62、63具有相同的尺寸时，则DC-DC转换器102’、104’的电流驱动力是相同的，驱动到组合输出的总体电流被加倍。外部元件如电感器46、电流感应电阻器40和分压器电阻器42、44的尺寸，可以根据加倍的电流进行调整。
图9显示在分离模式下作为降压-升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102’、104’，但也可以有其他对，一起集成到IC 200上。
第一控制器122由来自I2C总线100的SDA、SCL编程以存储电流控制目标和电压控制目标。电流控制目标与通过电流感应电阻器40的输出电流进行比较，该电流被感应为电压VRCS1。电压控制目标与由分压电阻器42、44从第一输出电压VOUT1产生的反馈电压VFB1进行比较。这两个比较结果都用于调整SW1的占空比。SW1被逆变器48反相，在DC-DC转换器102”中产生SW2。
当SW1为高时，晶体管50闭合，将来自输入电压或电源的电流驱动到输出VOUT1，进入电感器46，然后通过晶体管56接地，该晶体管56也在其栅极上接收SW1。
当SW1为低而SW2为高时，晶体管50、56断开，晶体管52、58闭合。逆变器48将SW1反相以产生SW2并驱动晶体管52、58的栅极。或者，SW2可以直接从控制器122中的SR锁存器28获取。
由于电感器46抵抗电流的瞬时变化，因此当SW1切换为低电平而SW2切换为高电平时，电流继续流经电感器46，现在通过晶体管52从地拉出，并通过晶体管58驱动到电流感应电阻40，并输出VOUT1到功率负载112。该电流具有首先提升第一输出电压VOUT1的效果。当SW1周期较小时，负载112的大电容可以在SW1的周期内维持输出电压VOUT1。
第二DC-DC转换器104”以类似的方式工作，切换电流通过电感器47和通过电流感应电阻器41，以产生VRCS2，该VRCS2与写入第二控制器124中的电流控制目标进行比较。该第二输出电流对负载114充电或供电，以产生VOUT2，VOUT2由分压电阻43、45分压以产生VFB2。VFB2与写入第二控制器124的电压控制目标进行比较，以调整SW1’的占空比。
第二控制器124不是直接连接到第二DC-DC转换器104”，而输出SW1”。在分离模式期间，模式信号MODE为低，这使得多路复用器54从第二控制器124选择SW1’以驱动第二DC-DC转换器104”中的本地SW1信号SW1A。SW1A的高电平使晶体管51、57闭合，以对电感器47充电，而SW1A的低电平则由逆变器49反相，以驱动SW2A至高电平，从而导通晶体管53、59，放电电感器47，以驱动第二输出VOUT2上的第二负载114。
于电感器46、47和电流感应电阻器40、41的连接可以在IC 200的外部。外部连接可以使IC 200既可以用于降压模式又可以用于降压-升压模式。对于降压模式，电感器46可以从晶体管50、52的共享输出直接连接到电流感应电阻器40，而晶体管56、58的共享输出不连接。对于降压-升压模式，电感器46可以从晶体管50、52的共享输出连接到晶体管56、58的共享输入，而晶体管58的另一输出连接到电流感应电阻器40。类似的外部连接可用于电感器47和电流感应电阻器41。每个通道有6个外部连接。对于第一通道，DC-DC转换器102”，有传感输入VFB1、VRCS1+、VRCS1-、晶体管50、52的共享输出、晶体管56、58的共享输入、以及晶体管58的另一输出。
降压-升压转换器是一种开关模式电源转换器，其使用开关、电感器和电容器来增加或降低直流电平电压，效率极高。通过改变占空比，可以从输入电压获得更高或更低的输出电压。降压-升压转换器已广泛用于负载点转换器、电池电源系统等。
图10示出了在组合模式下作为降压-升压转换器工作的数字控制的可重新配置的DC-DC转换器组。图中只显示了第一对DC-DC转换器102”、104”，但也可以有其他对，一起集成到IC 200上。
在组合模式下，只有一个负载112由两个DC-DC转换器102”、104”驱动。组合模式使到第一输出和负载112的可用功率和电流加倍。
第一控制器122如图9所述工作，将电流感应电阻器40的VRCS1与电流控制目标进行比较，将由分压电阻器42、44产生的VFB1与电压控制目标进行比较，以调整SW1的占空比。
第二控制器124被I2C总线通过使用SDA、SCL发送的命令序列禁用。I2C总线还将模式信号MODE设置为1。当MODE为1时，多路复用器54从第一控制器122选择SW1，而不是从第二控制器124选择SW1’，表示组合模式而不是分离模式。来自第一控制器122的SW1通过多路复用器54以驱动第二DC-DC转换器104”中的SW1A。
当SW1为高时，第一DC-DC转换器102”中的晶体管50、56以及第二DC-DC转换器104”中的晶体管51、57都导通，两个晶体管50、51都驱动电流到电感46，而晶体管56、57将电感46的远端接地。在组合模式下，两个DC-DC转换器102”、104”的输出和输入短接在一起，并连接到电感器46。电感器46可以在具有DC-DC转换器102”、104”和控制器122、124的IC的外部。DC-DC转换器102”、104”在此IC上可以具有独立的输入和输出引脚组，其中每组引脚都在IC200的外部连接在一起，并连接到电感器46。
当SW1为低时，第一DC-DC转换器102”中的晶体管52、58和第二DC-DC转换器104”中的晶体管53、59全部导通，晶体管52、53将电感器46的第一端接地，晶体管58、59将电感器46的另一端连接到电流感应电阻器40，以驱动第一负载112并产生第一输出电压VOUT1。
当晶体管50、51具有相同的尺寸，晶体管52、53具有相同的尺寸，晶体管56、57具有相同的尺寸，以及晶体管58、59具有相同的尺寸时，则DC-DC转换器102”、104”有相同的电流驱动力，驱动到组合输出的总体电流加倍。外部元件如电感器46、电流感应电阻器40、分压电阻器42、44的尺寸，可以根据加倍的电流进行调整。
图11是I2C接口的示意图。I2C接口20从I2C总线100接收SDA数据和SCL时钟信号。输入去毛刺器72(input deglitcher)例如通过使用延迟线从这些信号中消除毛刺(glitches)，并且使用SCL时钟线对SDA数据进行时钟输入。对于I2C，数据传输速率相对较慢。启动停止检测器74检测每次写入的START(开始)和STOP(停止)条件。数据存储在数据输入缓冲器82中，然后存储在寄存器组80中的寄存器中，其由数据传输中的寄存器地址来识别。
I/O验证器78验证接收到的数据是否已寻址到该特定控制器，并在传送的地址与本地控制器的地址相匹配时，让状态机76使用缓冲器88产生一个确认给I2C主设备。移位寄存器84和计数器86可以根据协议的需要跟踪和调整接收到的数据消息。
写入寄存器组80的数据可以包括电流控制目标和电压控制目标，电流控制目标是一个多比特数字值DAC_IREF_IN，被发送到DAC 22(图3)，产生DAC_IREF；电压控制目标DAC_VREF_IN被发送到DAC 24(图3)，产生DAC_VREF。控制多路复用器54的选择输入的模式控制信号MODE也可以作为比特存储在寄存器组80中的MODE寄存器中。
【替代实施例】
发明人还设想了若干其他实施例。例如，对于多个不同的电流值，可以支持多个不同的输入和输出电压。输出电压可以提升到高于输入电压、与输入电压相同、或低于输入电压。可以使用其他类型的DC-DC转换器，如单端初级电感转换器(SEPIC)、反向降压-升压转换器、交换式转换器(cuk converter)等。IC200可以具有不止一种DC-DC转换器，例如一组降压转换器和另一组SEPIC转换器。
在图6的N:1组合模式示例中，不是为每个DC-DC转换器设置一个2:1多路复用器54，而是可以使用具有更多输入的多路复用器。这可以允许使用不同的N值，例如2:1模式、4:1模式等。相邻的DC-DC转换器对可以一起用于2：1模式，而每组4个相邻的DC-DC转换器可以用于4：1模式。多路复用器54可以实现为逻辑门、开关、传输门、晶体管、有线OR等。
同一IC芯片可用于多种配置，如降压、升压和降压-升压。可以将两个简单通道(例如降压通道和升压通道)组合在起来生成一个复杂通道，如一个同时支持降压和升压配置的单一复杂通道。IC 200’上不同的通道组可能具有不同的功能，如一些降压通道和一些升压通道。一些通道可以具有比其他通道更高的驱动晶体管。图7的IC 200’将DC-DC转换器102、104、……和控制器122、124、……集成到同一硅或其他半导体或其他衬底上。通过将晶体管的漏极连接到输出引脚，可以在电路中重新排列晶体管。虽然多路复用器选择已被描述为使用I2C总线进行编程，但整个芯片可以通过全局寄存器比特或外部引脚设置为分离模式或组合模式。外部引脚可以是一个与其他功能相结合的引脚，例如，一个额外的引脚，它的高电平用于组合模式，低电平用于分离模式。这个外部引脚可以是一个多功能引脚。例如，当多功能引脚的电压大于2V时，IC被启用并以分离模式工作。当多功能引脚的电压>3V时，IC被启用并以组合模式工作。当多功能引脚的电压<2V时，由该多功能使能引脚控制的该IC或部分IC被禁用。
除了用晶体管52、53等接地以外，还可以使用二极管接地。同样，在DC-DC转换器中，其他晶体管也可以用二极管代替。晶体管可以是n沟道晶体管，也可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管对p沟道晶体管的栅极进行互补控制。可以替换为其他类型的晶体管，例如双极结型晶体管(BJT)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。RC滤波器26可以只是一个电容器，或者可以使用寄生电阻和电容。也可以使用更复杂的过滤器。放大器或比较器可以是运算放大器、跨导放大器、差分放大器、比较器等，或由数字电路实现的类似功能。
虽然在图3中显示了一个控制器，但是该控制器可以有许多不同的变化，还可以用其他种类的控制器来代替，例如微控制器单元(MCU)、可编程逻辑控制器(PLC)、或数字信号处理器(DSP)。虽然已经描述了模拟电压的比较，但从电流感应电阻器40和分压电阻器42、44感应到的模拟信号可以转换为数字信号，然后与电流控制目标和电压控制目标的数字值进行数字比较。可由控制器进行各种滤波和信号调节。可以在控制环路中添加延迟，并且可以将变化平滑化或以其他方式过滤掉超出RC滤波器26执行的范围。
电流控制目标和电压控制目标中的比特数可以更大，以实现更高的精度，或者更小以实现较粗略的控制。可以禁用电压控制或电流控制，以便只对DC-DC转换器进行电流控制，或只对其进行电压控制。MODE比特可以存储在特定控制器的寄存器组80中，也可以是一个全局比特，存储在IC 200上所有DC-DC转换器的单独寄存器中。IC200可以支持更复杂的模式和配置。IC 200可以有数十个DC-DC转换器。控制器可以由多个DC-DC转换器共享，或者每个DC-DC转换器可以具有自己的控制器，如前所述。
虽然已描述了与多个控制器122、124、126、...共享的I2C总线，但也可以用其他总线替代，例如串行总线、通用串行总线(USB)、通用异步接收器发送器(UART)总线、串行外设接口(SPI)总线或其他软件控制的总线。I2C总线100由运行在主机(未显示)上的软件控制，该软件通过I2C总线100将数据和命令发送到控制器122、124、……126、128。可以使用各种协议和接口。寄存器组80可以是静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存、D型触发器、随机逻辑或其他某种存储器。I2C接口20可以具有比图11所示更少或更多的块。尽管已经显示了信号SDA和SCL，但是可以用其他总线信号替代。一个特定的控制器122可以由每个控制器122、124、126、128，…解码的地址来选择，或者可以由IC 200上的解码器进行全局解码，产生选择线以启动特定控制器122。可以使用其它的寻址和启动方案。
可以添加各种其他组件，如电阻器、电容器、电感器、晶体管等。可以通过使能晶体管或开关来断开电源或I/O，使电路断电或禁用。波形发生器38产生的锯齿波的频率、幅度和斜率可以调节或编程，例如通过寄存器组80中的一个寄存器。这可以允许对SW1的占空比和DC-DC转换器的特性进行更大的控制。
电流感应电阻器40被显示为在IC 200的外部。在其他实施例中，电流感应电阻器40可以集成到IC 200中。从DC-DC转换器102的输出到电流感应电阻器40的连接可以在外部用I/O引脚进行，也可以在内部用多路复用器或选择晶体管或开关进行。同样，分压电阻器42、44可以在外部或内部。电流感应电阻器40可以在晶体管50之后的输出电流路径中，但也可以感应其他相关电流，例如在晶体管50之前，或感应晶体管的源极电流，或感应负载的返回地的电流。
串联的组件可以重新排序，例如让电流感应电阻器40连接到DC-DC转换器102，然后连接到电感器46，使电感器46直接连接到负载112，而不是电流感应电阻器40。电流感应电阻器40的位置可以移到其他位置，例如在输出电压和负载之间。
本发明的背景部分可以包含关于本发明问题或环境的背景资料，而不是描述他人的现有技术。因此，在背景技术部分中包含的材料并不是申请人对现有技术的承认。
本文描述的任何方法或过程都是机器实现的或计算机实现的，旨在由机器、计算机或其他设备执行，而不是在没有机器辅助的情况下仅由人类执行。产生的有形结果可以包括报告或其他机器生成的显示在诸如计算机显示器、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备的显示设备上，可以包括也是机器生成的硬拷贝打印输出。其他机器的计算机控制是另一个有形的结果。
所述的任何优点和好处不一定适用于本发明的所有实施例。通常，在“装置”一词之前有一个或多个词的标签。在“装置”一词前面的一个或多个词是一个标签，目的是为了便于权利要求元素的引用，而不是为了表达结构上的限制。这种装置加功能的权利要求不仅要涵盖本文所述的用于执行该功能的结构及其结构等同物，而且要涵盖等效结构。例如，虽然钉子和螺钉具有不同的构造，但它们是等效结构，因为它们都执行紧固功能。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以通过光纤线路传输。
对本发明实施例的上述描述是为了说明和描述的目的而提出的。它并不打算是详尽的，也不打算将本发明限制在所公开的精确形式中。根据上述教学，许多修改和变化是可能的。其目的是本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受附于权利要求书的限制。

Claims (20)

1.一种可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，包括：
多个通道，每个通道具有一个控制器和一个连接在通道输入和通道输出之间的DC-DC转换器，以及一个电压感应输入，所述电压感应输入指示由来自所述通道输出的电流驱动的一个输出负载上的输出电压；其中，所述DC-DC转换器接收一个开关信号，所述开关信号指示何时将电流从所述通道输入驱动到所述通道输出，其中所述开关信号的占空比控制驱动到所述通道输出的电流量；
共享总线，其连接到所述多个通道中的所述控制器，其中所述共享总线连接到所有控制器，所述共享总线用于将电压控制目标和电流控制目标写入所述多个通道中的每个控制器中；
其中，所述电压控制目标和所述电流控制目标是多比特数字值；
其中，所述多个通道中的每个通道中的所述控制器包括：
数模转换器(DAC)，其用于将所述电压控制目标转换为模拟电压控制目标；
电压目标比较器，其将所述模拟电压控制目标与所述电压感应输入进行比较，以产生目标比较结果；
可控脉冲发生器，其产生所述开关信号到所述DC-DC转换器，所述可控脉冲发生器根据所述目标比较结果而调整所述开关信号的占空比；
其中，所述多个通道还包括一个主通道和一个辅通道；
其中，所述辅通道还包括一个多路复用器，所述多路复用器输出一个选定的开关信号作为所述开关信号到所述辅通道中的所述DC-DC转换器；
其中，当在分离模式下工作时，所述多路复用器选择由所述辅通道中的所述控制器产生的开关信号作为所述选定的开关信号；
其中，当在组合模式下工作时，所述多路复用器选择由所述主通道中的控制器产生的开关信号作为所述选定的开关信号。
2.根据权利要求1所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中，在所述分离模式期间，所述主通道的通道输出和所述辅通道的通道输出未连接在一起，
其中，在所述分离模式期间，一个通道驱动所述主通道的通道输出上的输出负载；
其中，在所述组合模式期间，所述主通道的通道输出和所述辅通道的通道输出连接在一起，
其中，在所述组合模式期间，两个通道驱动所述主通道的通道输出上的输出负载。
3.根据权利要求2所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，还包括：
从所述主通道的通道输出到所述辅通道的通道输出的外部输出连接；
其中，在所述组合模式期间，所述主通道的通道输出和所述辅通道的通道输出通过所述外部输出连接在外部连接在一起。
4.根据权利要求2所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，还包括：
第二辅通道；
第三辅通道；
其中，在所述组合模式期间，所述主通道的通道输出和所述辅通道的通道输出、所述第二辅通道的通道输出、和所述第三辅通道的通道输出连接在一起；
其中，在所述组合模式期间，所述主通道中的控制器产生的所述开关信号也施加到所述第二辅通道和所述第三辅通道；
其中，在所述组合模式期间，四个通道驱动所述主通道的通道输出上的输出负载。
5.根据权利要求2所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中所述DC-DC转换器还包括：
第一晶体管，其栅极接收所述开关信号，当所述开关信号处于第一状态时将所述通道输入连接到所述通道输出。
6.根据权利要求5所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中所述DC-DC转换器还包括：
第二晶体管，其栅极接收所述开关信号的反相，当所述开关信号不处于第一状态时将所述通道输出接地；
其中，当在所述通道输出和所述输出负载之间连接一个电感器并且所述通道输入连接到输入电压源时，所述DC-DC转换器被配置为降压转换器。
7.根据权利要求5所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中，所述DC-DC转换器还包括：
第二晶体管，其栅极接收所述开关信号的反相，并且当所述开关信号不处于第一状态时，将所述通道输入接地；
其中，当在所述通道输入和输入电压源之间连接一个电感器并且所述通道输出连接到所述输出负载时，所述DC-DC转换器被配置为升压转换器。
8.根据权利要求5所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中所述DC-DC转换器还包括：
第二晶体管，其栅极接收所述开关信号的反相，并且在所述开关信号不处于第一状态时将所述通道输出接地；
辅助通道输入，用于在所述通道输出和所述辅助通道输入之间连接一个电感器；
第三晶体管，其栅极接收所述开关信号的反相，并且在所述开关信号不处于第一状态时将所述辅助通道输入连接到一个辅助通道输出；
第四晶体管，其栅极接收所述开关信号，并且当所述开关信号处于第一状态时将所述辅助通道输入接地；
其中所述输出负载由所述辅助通道输出驱动；
其中，当所述电感器连接在所述通道输出和所述辅助通道输入之间并且所述通道输入连接到输入电压源时，所述DC-DC转换器被配置为降压-升压转换器。
9.根据权利要求2所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中每个通道的控制器还包括：
一对电流感应输入，用于跨接一个电流感应电阻器；
转换器，用于比较所述对电流感应输入以产生一个电流感应电压。
10.根据权利要求9所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中所述多个通道中的每个通道中的控制器还包括：
第二DAC，其将所述电流控制目标转换为模拟电流控制目标；
电流目标比较器，其将所述模拟电流控制目标与所述电流感应电压进行比较，以进一步调整所述目标比较结果；
其中，所述可控脉冲发生器根据由所述电压目标比较器和所述电流目标比较器调整的所述目标比较结果，调整所述开关信号的占空比；
其中，所述控制器比较电压和电流目标，以调整所述DC-DC转换器的所述开关信号的占空比。
11.根据权利要求10所述的可重新配置的电源转换器集成电路(IC)，其中所述可控脉冲发生器还包括：
锯齿波发生器，其产生锯齿波；
阈值比较器，其将锯齿波与所述目标比较结果进行比较，以产生到所述DC-DC转换器的所述开关信号；
其中，当所述目标比较结果增加时，所述开关信号的占空比减小。
12.一种灵活的DC-DC转换器阵列，包括：
多个主通道，其中所述多个主通道中的一个主通道包括：
DC-DC转换器，其通道输入和通道输出通过一个功率晶体管连接在一起，所述功率晶体管由一个开关控制输入控制，以控制通过所述功率晶体管到所述通道输出的电流；和
控制器，其有电压感应输入和串行总线输入以及开关控制输出；其中，所述控制器的所述开关控制输出被施加到所述主通道的所述DC-DC转换器的所述开关控制输入；
多个辅通道，其中所述多个辅通道中的一个辅通道包括：
一个DC-DC转换器，其具有一个通道输入和一个通道输出以及一个用于控制流到所述通道输出的电流的开关控制输入；
一个控制器，其具有一个电压感应输入和一个串行总线输入以及一个开关控制输出；和
一个选择器，其接收所述辅通道上的控制器的开关控制输出，以及接收所述主通道上的控制器的开关控制输出，所述选择器在组合模式下输出所述主通道的控制器的开关控制输出，在分离模式下输出所述辅通道的控制器的开关控制输出；
其中，来自所述选择器的开关控制输出被施加到所述辅通道的DC-DC转换器的开关控制输入；和
串行总线，其连接到所述多个主通道和所述多个辅通道上的控制器，所述串行总线允许主机通过所述串行总线输入将数字值写入选定的控制器，包括将电压控制目标写入所述选定的控制器；
其中，每个控制器将所述电压控制目标转换为模拟值，以便与所述电压感应输入进行比较，以调整所述开关控制输出的占空比；
其中，在所述组合模式期间，所述辅通道中的DC-DC转换器的通道输出连接到所述主通道中的DC-DC转换器的通道输出，但在所述分离模式期间，所述辅通道中的DC-DC转换器的通道输出与所述主通道中的DC-DC转换器的通道输出隔离。
13.根据权利要求12所述的灵活的DC-DC转换器阵列，还包括：
电流感应电阻器，其与所述DC-DC转换器的所述功率晶体管串联在电流路径中，
电流感应输入，其由所述电流感应电阻器产生；
其中，所述串行总线还用于将电流控制目标写入所述选定的控制器中；
其中，每个控制器将所述电流控制目标转换为模拟值，以便与所述电流感应输入进行比较，以调整所述开关控制输出的占空比。
14.根据权利要求12所述的灵活的DC-DC转换器阵列，还包括：
多个电感器，其在组合模式下包括每个主通道上的电感器，其中在组合模式下没有电感器只连接到辅通道，并且在分离模式下包括每个主通道和每个辅通道上的电感器，用于所有启用通道驱动负载。
15.根据权利要求14所述的灵活的DC-DC转换器阵列，还包括：
其中，对于升压转换器配置，所述多个电感器包括连接到所述通道输入的电感器，对于降压转换器配置，所述多个电感器包括连接到所述通道输出的电感器。
16.根据权利要求13所述的灵活的DC-DC转换器阵列，其中每个控制器还包括：
寄存器组，用于存储所述电压控制目标和所述电流控制目标；
第一数模转换器(DAC)，用于将所述电流控制目标转换为一个模拟电流控制目标；
电流目标比较器，用于将所述模拟电流控制目标与所述电流感应输入进行比较，以产生一个目标比较结果；
第二DAC，用于将所述电压控制目标转换为一个模拟电压控制目标；
电压目标比较器，用于将所述模拟电压控制目标与所述电压感应输入进行比较，以调整所述目标比较结果；和
可控脉冲发生器，其产生到所述DC-DC转换器的所述开关控制输入，所述可控脉冲发生器根据所述目标比较结果来调整所述开关控制输出的占空比。
17.一种多配置DC-DC转换器芯片，包括：
多个通道，其包括主通道和辅通道，每个通道包括：
DC-DC转换器，其功率晶体管连接在通道输入和通道输出之间，所述功率晶体管的栅极由一个开关信号控制，以控制到所述通道输出的输出电流；
电流感应电阻，所述输出电流通过所述电流感应电阻，产生第一电流感应电压和第二电流感应电压；
控制器，其从共享总线接收并存储电流控制目标，所述控制器包括一个数模转换器，以允许将所述第一和第二电流感应电压的差值与所述电流控制目标进行比较，以产生一个比较结果，用于调整所述开关信号控制输出的占空比；
其中，来自所述控制器的所述开关控制输出施加到所述主通道的所述开关信号；
每个辅通道中的多路复用器，在分离模式期间，所述多路复用器将来自所述辅通道中的控制器的开关控制输出施加到所述辅通道中的功率晶体管的开关信号上，在组合模式期间，所述多路复用器将来自主通道中的控制器中的开关控制输出施加到所述辅通道中的功率晶体管的开关信号上；
其中，在组合模式期间，所述主通道的通道输出连接至所述辅通道的通道输出，但在分离模式期间彼此隔离；
其中，在组合模式期间，所述辅通道和所述主通道都驱动组合负载，但在分离模式期间驱动单独的负载。
18.根据权利要求17所述的多配置DC-DC转换器芯片，还包括：
电感器，对于升压转换器配置，其连接到所述通道输入，对于降压转换器配置，其连接到所述通道输出。
19.根据权利要求17所述的多配置DC-DC转换器芯片，其中每个通道还包括：
连接晶体管，其栅极由所述开关信号的反相控制，用于控制线圈输入和最终输出之间的电流；
其中一个外部电感器连接在所述通道输出和所述线圈输入之间；
其中所述最终输出将最终输出电流驱动到一个通道负载，其中，所述通道被配置为降压-升压转换器。
20.根据权利要求17所述的多配置DC-DC转换器芯片，其中，所述共享总线包括具有串行时钟线和串行数据线的集成电路(IC)总线，用于将二进制数据时钟化到所述控制器中。
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