CN113098248A - 一种可配相数交错并联开关电源变换器 - Google Patents

一种可配相数交错并联开关电源变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN113098248A
CN113098248A CN202110383629.9A CN202110383629A CN113098248A CN 113098248 A CN113098248 A CN 113098248A CN 202110383629 A CN202110383629 A CN 202110383629A CN 113098248 A CN113098248 A CN 113098248A
Authority
CN
China
Prior art keywords
converter
low
phase
converters
parallel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110383629.9A
Other languages
English (en)
Inventor
闵闰
童乔凌
申高帅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202110383629.9A priority Critical patent/CN113098248A/zh
Publication of CN113098248A publication Critical patent/CN113098248A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明涉及电力电子、集成电路设计技术领域，公开了一种可配相数交错并联开关电源变换器，包括误差放大器、交错并联配相器以及n个变换器，所述误差放大器输出端与所述交错并联配相器输入端连接，误差放大器输入端与电源连接；所述交错并联配相器的n个输出端分别与n个变换器连接，所述n个变换器分别为1个主变换器、n‑1个从变换器；所述误差放大器输出参考值vc经所述交错并联配相器转换为n个参考值，分别用于调控主变换器和n‑1个从变换器的电感电流。与现有技术相比，本发明通过控制环路的配相设计，动态调节不同负载下的相位数。对于n相交错并联变换器，将可以降低最高(n‑1)/ n的开关损耗，从而大幅提升变换器的轻载效率。

Description

一种可配相数交错并联开关电源变换器
技术领域
本发明涉及电力电子、集成电路设计技术领域，具体涉及一种可配相数交错并联开关电源变换器。
背景技术
开关电源变换器的感性元器件一般会占据整个系统30％以上的体积和重量，且较复杂的形状因子会进一步增加系统体积优化的难度。高频化则是降低感性储能元件需求的有效途径，然而过高的开关频率会增加功率器件的带宽需求和制造工艺成本。在有限的半导体功率器件速度下，交错并联化提供了一种新的解决方案：通过交替性传输电流，抑制总输出电流纹波，最终降低储能元件需求和输出电压纹波。通过交错并联，人们甚至可以在一些合适的开环工作点将开关电源变换器总输出电流纹波降低至零，从而极大地降低储能元件需求。
高频化和交错并联化都会增加单位时间总开关次数，加大开关损耗在总损耗中的占比，从而降低电能变换效率，特别是轻载效率。当开关频率超过10MHz时，高频交错并联开关电源的峰值效率一般很难超过80％，轻载效率更是低至50％。然而轻载效率对于移动设备的续航和能耗恰恰是最重要的：根据McKinsey&Company公司统计，全球商业计算资源的实际使用率很少超过6％，且超过30％的服务器处于休眠状态。由此可见：提高交错并联变换器的轻载效率，将有利于节省能耗，并提高移动设备的综合续航能力和电池寿命。
多相交错并联带来的一个关键问题是：单位时间的总开关次数增加，从而带来更显著的开关损耗，最终导致轻载效率急剧下降。开关损耗的增加会直接降低轻载效率，不利于移动设备的续航和电池寿命。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可配相数交错并联开关电源变换器，通过控制环路的配相设计，动态调节不同负载下的相位数。对于n相交错并联变换器，将可以降低最高(n-1)/n的开关损耗，从而大幅提升变换器的轻载效率。
技术方案：本发明提供了一种可配相数交错并联开关电源变换器，包括误差放大器、交错并联配相器以及n个变换器，所述误差放大器输出端与所述交错并联配相器输入端连接，所述误差放大输入端与电源连接；所述交错并联配相器的n个输出端分别与n个变换器连接，所述n个变换器分别为1个主变换器、n-1个从变换器；所述误差放大器输出参考值vc经所述交错并联配相器转换为n个参考值，分别用于调控主变换器和n-1个从变换器的电感电流。
进一步地，所述交错并联配相器包含n-1个比较器、n个电阻分压、n-1个晶体管开关以及n-1个两路可切换晶体管开关，所述n-1个比较器的其中1个输入端为vc，另一个输入端分别为vc,low/(n-1)、2vc,low/(n-1)，…，(n-2)vc,low/(n-1)，vc,low；所述n个电阻分压串联后与误差放大器输出参考值vc连接，所述比较器输出端分别与对应的n-1个晶体管开关连接，用于控制每个晶体开关管的开合，每个晶体开关管分别与电阻分压并联；所述比较器输出端还分别与n-1个两路可切换晶体管开关连接，两路可切换晶体管开关分为NMOS端和PMOS端，各所述两路可切换晶体管开关NMOS端接地，其PMOS端接其对应的从变换器控制输入端。
进一步地，所述可配相数交错并联变换器划分为n个功率域：
(1)当vc>vc,low时，处于高功率域，n-1个从变换器均开启；
(2)当(n-2)vc,low/(n-1)<vc<vc,low时，处于低功率域n-1，此时vc,s(n-1)降低为零，继而关闭一个从变换器；
(3)当(n-3)vc,low/(n-1)<vc<(n-2)vc,low/(n-1)时，处于低功率域n-2，此时vc,s(n-2)也降低为零，进一步关闭一个从变换器；
以此类推；
(n)当vc<vc,low/(n-1)时，处于低功率域1，此时vc,s1降低为零，关闭所有从变换器，只保留主变换器工作；
其中，vc,low为交错并联配相器中预设的电流参考阈值，vc,s1，vc,s2，…，vc,s(n-2)，vc,s(n-1)分别为交错并联配相器输出的用于调控n-1个从变换器电感电流的参考值，vc,m为交错并联配相器输出的用于调控主变换器电感电流的参考值，vc是vc,m、vc,s1，vc,s2，…，vc,s(n-2)，vc,s(n-1)的叠加。
进一步地，所述交错并联配相器的输出端与可控延迟锁相环连接。
有益效果：
1、本发明提出可配相交错并联开关电源变换器，在轻载时关闭部分从变换器，进而降低单位时间内的总开关次数和开关损耗，最终提升轻载效率。对于四相交错并联，新的配相设计可以在轻载时减少3/4的开关次数，从而降低75％的开关损耗。假设轻载时的效率为60％，且开关损耗在总损耗中占比60％，那么就可以提升40％×60％×75％＝18％的轻载效率。
2、在电路实现方面，系统需要在电压外环加入配相器电路，同时实现分频的DLL电路。配相器只需将vc转换为{vc,m、vc,s1、vc,s2、vc,s3}，由于这些量在反馈电路里都是以电压来表征，通过简单的电阻分压来实现。对于2～4分频的DLL电路，其设计方法已经非常成熟，且并不会增加太多的电路复杂度。由此可见，相关设计具有电路实现简单的优点，不会增加过多硬件成本。所提出的电路设计将促进新型交错并联变换器控制芯片发展，可用于提升交错并联变换器的轻载效率，继而提升移动设备的续航和电池寿命。
附图说明
图1为本发明实施例可配相交错并联开关电源变换器整体电路；
图2为本发明实施例交错并联配相下，不同功率域的vc、vc,m、vc,s1、vc,s2和vc,s3；
图3为本发明实施例交错并联配相器电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种可配相数交错并联开关电源变换器，该可配相数交错并联开关电源变换器包括误差放大器、交错并联配相器以及n个变换器，误差放大器输出端与交错并联配相器输入端连接，其输入端与电源连接；交错并联配相器的n个输出端分别与n个变换器连接，n个变换器分别为1个主变换器、n-1个从变换器；误差放大器输出参考值vc经所述交错并联配相器转换为n个参考，分别用于调控主变换器和n-1个从变换器的电感电流。
本实施方式以四相位交错并联设计为例，可配相交错并联开关电源变换器如附图1所示。相比传统的四相交错并联开关电源，新的设计增加了交错并联配相器电路，将误差放大器输出的参考值(vc)转换为{vc,m、vc,s1、vc,s2、vc,s3}，分别用于调控主变换器和三个从变换器的电感电流。如附图2所示，vc是{vc,m、vc,s1、vc,s2、vc,s3}的叠加，用于调控总输出电流，因而与输出功率P满足vc＝P/vout的关系；由于稳态的vout为恒定，所以vc与P呈线性关系。
根据vc的值将整个变换器划分为四个功率域：(1)当vc>vc,low时，处于高功率域，所有子变换器均开启，DLL进行四分频，实现四相交错并联；(2)当2vc,low/3<vc<vc,low时，处于低功率域3，此时vc,s3降低为零，继而关闭从变换器3，进行三相交错并联；(3)当vc,low/3<vc<2vc,low/3时，处于低功率域2，此时vc,s2也降低为零，进一步关闭从变换器2，进行二相交错并联；(4)当vc<vc,low/3时，处于低功率域1，此时vc,s1降低为零，关闭所有从变换器，只保留主变换器工作。
交错并联配相器的内部电路如附图3所示，其中包含三个比较器、4个电阻分压和3个晶体管开关和3个两路可切换晶体管开关。3个简单晶体管开分别为N1、N2、N3，两路可切换晶体管开关分为NMOS端和PMOS端，分别为N4、N5、N6和P1、P2、P3，参见附图3，3个比较器的其中1个输入端为vc，另一个输入端分别为vc,low/3、2vc,low/3，vc,low；3个比较器分别用于比较vc与vc,low/3、2vc,low/3，vc,low的大小。4个电阻分压串联后与误差放大器输出参考值vc连接，比较器输出端分别与对应的3个晶体管开关(N1、N2、N3)连接，用于控制每个晶体开关管的开合，每个晶体开关管分别与电阻分压并联。比较器输出端还分别与n-1个两路可切换晶体管开关连接，两路可切换晶体管开关NMOS端接地，其PMOS端接其对应的从变换器控制输入端，即PMOS端接各电阻分压的输出端。当控制信号为高电平时，NMOS导通，输出为0；控制信号为低电平时，PMOS导通，输出为电阻分压值。
三个比较器分别对比vc与vc,low、vc,low/2、vc,low/3的关系，从而输出三个控制信号，vc,low为交错并联配相器中预设的电流阈值。随着vc的变化，这三个控制信号具有000、100、110、111四种情况。继而，通过电阻分压及相关开关的控制，不同vc下的配相器输出为：
v<sub>c</sub>范围 v<sub>c,m</sub> v<sub>c,s1</sub> v<sub>c,s2</sub> v<sub>c,s3</sub> DLL分频控制信号(分频数)
(v<sub>c,low</sub>,+∞) v<sub>c</sub>/4 v<sub>c</sub>/4 v<sub>c</sub>/4 v<sub>c</sub>/4 000(四分频)
(v<sub>c,low</sub>/2,v<sub>c,low</sub>) v<sub>c</sub>/3 v<sub>c</sub>/3 v<sub>c</sub>/3 0 100(三分频)
(v<sub>c,low</sub>/3,v<sub>c,low</sub>/2) v<sub>c</sub>/2 v<sub>c</sub>/2 0 0 110(二分频)
(0,v<sub>c,low</sub>/3) v<sub>c</sub> 0 0 0 111(不分频)
vc,s1，vc,s2，vc,s3分别为交错并联配相器输出的用于调控3个从变换器的电感电流，交错并联配相器输出的用于调控主变换器的电感电流为vc,m。
基于上述交错并联配相方案，低功率域的交错并联数得以减少，从而降低单位时间内的总开关次数。在四相交错并联下，低功率域的单位时间开关次数可降低3/4，从而抑制最多75％的开关损耗。
本发明提出可配相交错并联开关电源变换器，在轻载时关闭部分从变换器，进而降低单位时间内的总开关次数和开关损耗，最终提升轻载效率。假设轻载时的效率为60％，且开关损耗在总损耗中占比60％，那么就可以提升40％×60％×75％＝18％的轻载效率。
在电路实现方面，系统需要在电压外环加入配相器电路，同时实现2～4分频的DLL电路。配相器只需将vc转换为{vc,m、vc,s1、vc,s2、vc,s3}，由于这些量在反馈电路里都是以电压来表征，通过简单的电阻分压来实现。对于2～4分频的DLL电路，其设计方法已经非常成熟，且并不会增加太多的电路复杂度。由此可见，相关设计具有电路实现简单的优点，不会增加过多硬件成本。所提出的电路设计将促进新型交错并联变换器控制芯片发展，可用于提升交错并联变换器的轻载效率，继而提升移动设备的续航和电池寿命。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可配相数交错并联开关电源变换器，其特征在于，包括误差放大器、交错并联配相器以及n个变换器，所述误差放大器输出端与所述交错并联配相器输入端连接，所述误差放大输入端与电源连接；所述交错并联配相器的n个输出端分别与n个变换器连接，所述n个变换器分别为1个主变换器、n-1个从变换器；所述误差放大器输出参考值vc经所述交错并联配相器转换为n个参考值，分别用于调控主变换器和n-1个从变换器的电感电流。
2.根据权利要求1所述的可配相数交错并联开关电源变换器，其特征在于，所述交错并联配相器包含n-1个比较器、n个电阻分压、n-1个晶体管开关以及n-1个两路可切换晶体管开关，所述n-1个比较器的其中1个输入端为vc，另一个输入端分别为vc,low /(n-1)、2 vc,low/(n-1)，···，(n-2) vc,low /(n-1)，vc,low；所述n个电阻分压串联后与误差放大器输出参考值vc连接，所述比较器输出端分别与对应的n-1个晶体管开关连接，用于控制每个晶体开关管的开合，每个晶体开关管分别与电阻分压并联；所述比较器输出端还分别与n-1个两路可切换晶体管开关连接，两路可切换晶体管开关分为NMOS端和PMOS端，各所述两路可切换晶体管开关NMOS端接地，其PMOS端接其对应的从变换器控制输入端。
3.根据权利要求2所述的可配相数交错并联开关电源变换器，其特征在于，所述可配相数交错并联变换器划分为n个功率域：
（1）当vc>vc,low时，处于高功率域，n-1个从变换器均开启；
（2）当(n-2)vc,low/(n-1)<vc<vc,low时，处于低功率域n-1，此时vc,s（n-1）降低为零，继而关闭一个从变换器；
（3）当(n-3)vc,low/(n-1)<vc<(n-2)vc,low/(n-1)时，处于低功率域n-2，此时vc,s（n-2）也降低为零，进一步关闭一个从变换器；
以此类推；
（n）当vc<vc,low/(n-1)时，处于低功率域1，此时vc,s1降低为零，关闭所有从变换器，只保留主变换器工作；
其中，vc,low为交错并联配相器中预设的电流参考阈值，vc,s1，vc,s2，···，vc,s（n-2），vc,s（n-1）分别为交错并联配相器输出的用于调控n-1个从变换器电感电流的参考值，vc,m为交错并联配相器输出的用于调控主变换器电感电流的参考值，vc是vc,m、vc,s1，vc,s2，···，vc,s（n-2），vc,s（n-1）的叠加。
4.根据权利要求1至3任一所述的可配相数交错并联开关电源变换器，其特征在于，所述交错并联配相器的输出端与可控延迟锁相环连接。
CN202110383629.9A 2021-04-09 2021-04-09 一种可配相数交错并联开关电源变换器 Pending CN113098248A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383629.9A CN113098248A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种可配相数交错并联开关电源变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383629.9A CN113098248A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种可配相数交错并联开关电源变换器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113098248A true CN113098248A (zh) 2021-07-09

Family

ID=76675722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110383629.9A Pending CN113098248A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种可配相数交错并联开关电源变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113098248A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102364861A (zh) * 2011-10-27 2012-02-29 上海大学 交错并联llc谐振变换器控制装置和方法
CN207869008U (zh) * 2018-02-05 2018-09-14 西安航空学院 交错并联pfc电源
CN108768175A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 大连海事大学 一种多相交错并联dc-dc变换器装置
CN109546856A (zh) * 2018-11-09 2019-03-29 西安航空职业技术学院 一种三三阵列式磁耦合方法及最佳耦合度确定方法
US20200100339A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-26 Silergy Semiconductor Technology (Hangzhou) Ltd Switching converter, control circuit and control method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102364861A (zh) * 2011-10-27 2012-02-29 上海大学 交错并联llc谐振变换器控制装置和方法
CN207869008U (zh) * 2018-02-05 2018-09-14 西安航空学院 交错并联pfc电源
CN108768175A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 大连海事大学 一种多相交错并联dc-dc变换器装置
US20200100339A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-26 Silergy Semiconductor Technology (Hangzhou) Ltd Switching converter, control circuit and control method thereof
CN109546856A (zh) * 2018-11-09 2019-03-29 西安航空职业技术学院 一种三三阵列式磁耦合方法及最佳耦合度确定方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨玉岗等: "《改进型交错并联Buck 变换器的通道控制》", 《电源学报》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11736010B2 (en) Power converter with capacitive energy transfer and fast dynamic response
Salem et al. 4.6 An 85%-efficiency fully integrated 15-ratio recursive switched-capacitor DC-DC converter with 0.1-to-2.2 V output voltage range
Li et al. Using coupled inductors to enhance transient performance of multi-phase buck converters
US8089788B2 (en) Switched capacitor voltage regulator having multiple conversion ratios
Trescases et al. A digitally controlled DC-DC converter module with a segmented output stage for optimized efficiency
US20190379287A1 (en) Three-level dc-dc converter and voltage balancing circuit thereof
US7230407B2 (en) Apparatus and method for fixed-frequency control in a switching power supply
Zhou et al. A high power density, high efficiency and fast transient voltage regulator module with a novel current sensing and current sharing technique
Ng et al. A 92%-efficiency wide-input-voltage-range switched-capacitor DC-DC converter
US11532987B2 (en) Power conversion circuit, power conversion system and power chip
Zheng et al. A 10MHz 92.1%-efficiency green-mode automatic reconfigurable switching converter with adaptively compensated single-bound hysteresis control
Su et al. Component-efficient multiphase switched-capacitor DC–DC converter with configurable conversion ratios for LCD driver applications
CA3056408A1 (en) Zero inductor voltage converter topology with improved switch utilization
US11567519B2 (en) Voltage dividing capacitor circuits, supply modulators and wireless communication devices
US11152853B2 (en) Power device including parallel power conversion modules and cascaded power conversion units
CN108768174B (zh) 一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器
WO2020053839A1 (en) Capacitor cross coupled 2-phase buck converter
Lukic et al. Digital controller for multi-phase DC-DC converters with logarithmic current sharing
US20230122410A1 (en) DC-DC Converter with Selectable Working Mode
Webb et al. A zero inductor-voltage 48v to 12v/70a converter for data centers with 99.1% peak efficiency and 2.5 kw/in 3 power density
CN113098248A (zh) 一种可配相数交错并联开关电源变换器
US20230050531A1 (en) Voltage dividing capacitor circuits and supply modulators including the same
CN110729887B (zh) 一种电源管理架构及应用于该电源管理架构的升压变换器
JP2019508997A (ja) コンバータ装置及びその動作方法
Khan et al. Analytical Comparison of 3-Level 2-Phase and Double-Step-Down Topologies for Integrated High-Ratio DC-DC Converters in BCD and GaN Process

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210709

RJ01 Rejection of invention patent application after publication